以“牛顿第一定律的教学设计”为例谈三维教学目标的和谐达成＊

李哲君 吴杨柳 蔡水珍 陈 波 伍山林 罗君平 李科敏

（湖南理工学院光电技术及应用物理创新训练中心 湖南 岳阳 414006）

1 引言

教学设计是教师确定教学目标、建立解决教学问题策略、实行解决教学问题方案、评价试行结果和修改方案的过程，目的是希望获得最优的教学方案.传统教学设计主要关注学科知识的传授和相关技能的训练，往往忽视科学方法的训练和学生心理品质的培养.现代教学设计，强调三维教学目标（“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”）的和谐达成，认为一个良好的教学设计要注重结合学生的生活实际和年龄特点，选择合适的教学方法和构建有效的教学过程，注重给学生创建“实践体验”和“合作交流”的学习环境，做到在向学生有效传授知识和技能的同时，还要注重培养学生的学习兴趣和创新能力，注重引导学生学习科学方法和提高实践能力，使学生的心理品质和学科知识实现同步健康成长.

2 牛顿第一定律的教学设计

在人类发展史上，“牛顿第一定律”首次正确回答了“物体为什么会保持匀速直线运动状态或静止状态”这一重大问题，它抓住了物体保持匀速直线运动状态或者静止状态的本质，纠正了自亚里士多德以来统治人类长达近2 000年的错误观点，它是牛顿力学的基石，是高中学生继续深入学习力学知识的基础，它涉及到的伽利略理想实验法也是人们经常使用的一种科学研究方法.但是，由于生活中错误观念的干扰，高中学生在正确理解牛顿第一定律和惯性的过程中经常会遇到很多困难.下面，我们通过设计一系列的相关实验和学习活动，引导高中学生在“实践体验”和“合作交流”的过程中，正确把握牛顿第一定律和惯性的本质内容，并在这个过程中和谐达成三维教学目标.

2.1 创设情境 分组讨论

学生讨论：将全班学生分成若干个学习小组，每组4～6人，讨论和思考以下3类问题，归纳讨论的结果并把它们写下来.

（1）要使一个静止的物体运动起来，你有哪些办法？从这些具体作法中，你认为物体的运动和它受到的力有何关系？

（2）一个静止在水平面上的足球，分别用较小的力、较大的力去踢它，足球在哪一种情况下跑得更快？从这两种作法中，你认为物体的运动和它受到的力有何关系？

（3）学生现场体验：在水平桌面上，用力推一原来静止不动的课本，课本会运动起来；停止用力，被推动的课本又会静止下来.学生思考：从这两个现象中，你认为物体的运动状态和它受到的推力有何关系？

设计意图：构建讨论交流的环境，让学生根据自己的生活经验，通过讨论交流和归纳总结，暴露学生在日常生活中的错误经验，培养学生讨论交流能力和归纳总结能力，并为学生树立正确的运动观点做准备.

2.2 归纳意见 展开辩论

教师引导：针对学生对上述3类问题的不同回答，教师引导学生进行归纳和分类，可以把学生的观点分成以下两大类：

第一类，物体受力才会运动；受力越大，物体运动越快；停止对物体施加作用力，物体就会静止下来.也就是说，物体的运动和它受到的力是紧密相关的.

第二类，改变物体的运动状态（即改变物体运动速度的大小或方向）需要力的作用，但物体运动不需要力来维持.

学生辩论：教师将支持以上两类观点的学生分成甲乙两组，并使他们为维护自己的观点展开辩论，即要求他们从生活中例举更多的事例来支持或证明自己的观点，并设法推翻对方的观点.通过辩论，最终将辩论的焦点集中到以下两点.第一，物体在运动的过程中到底是否需要力来维持？第二，作用在物体上的力，会对物体的运动速度产生什么样的结果？并通过进一步的辩论和分析，让学生初步明白下面两点内容.

（1）要使一个静止的物体运动起来必须给物体施加作用力；作用在物体上的力越大，物体速度改变也越大.

（2）运动的物体在不受推力或者拉力作用时也能运动下去，即物体在运动的过程中不需要力来维持.

设计意图：构建学生辩论的学习环境，引导学生利用自己的生活经验，通过分析和辩论，揭示各种现象的本质，得出正确的结论，从而培养学生的分析综合和思辨能力.

2.3 观察实验 展开思考

教师指导学生利用“伽利略理想斜面演示器”开展以下学习活动.

学生活动：探究小球在斜面上做向上滚动和做向下滚动，如图1所示.

图1

学生实践体验：在小球滚动的斜面上铺上粗糙的布料，让小球从左端斜面与某一条水平线相交的位置开始沿斜面由静止开始下滚，标记小球在右端斜面上升最大高度的位置；撤掉斜面上的布料（让小球在相对光滑的斜面上运动），使小球仍然从左端斜面的同一高度沿斜面由静止开始下滚，再次标记小球在右端斜面上升最大高度的位置；观察并记录小球在向上滚动和向下滚动的过程中速度的变化.

学生讨论和思考：

（1）小球在斜面上受到的摩擦力越小，它在右端斜面上上升的最大高度有何变化趋势？你是如何理解这一结论的？

（2）如果小球在斜面上受到的摩擦力为零，按照逻辑推理，小球在右端斜面上上升的最大高度，与小球在左端斜面由静止开始下滚的高度相比，它们有何关系？（相等）

（3）基于“小球在斜面上向上滚动时速度减小，向下滚动时速度增大”这一事实，讨论：如果小球在光滑的水平面上滚动（即小球不向上滚动也不向下滚动），按照逻辑推理，它的速度应该是怎样的？（它的速度应该是“不减也不增”的，即小球做匀速运动.）

学生活动：探究小球在倾角不同的斜面上做上升滚动，如图2所示.

图2

使小球从左端斜面与图1中相同的高度处沿斜面由静止开始下滚，先后减小右端斜面与水平面的倾角，分别标记小球在右端斜面上移动的最大距离对应的位置，如图1和图2所示，根据观察到的实验现象，学生探讨以下问题：

（1）继续减小右端斜面与水平面的倾角，小球在右端斜面上移动的最大距离有何变化趋势？你是如何理解这一结论的？

（2）如果右端斜面与水平面的倾角为零，且小球在运动中受到的摩擦力也为零，按照逻辑推理，小球在演示器右端斜面上移动的最大距离将会是怎样一个结果？你是如何理解这一结论的？

设计意图：构建学生交流讨论的学习环境，引导学生利用自己观察到的现象，结合逻辑推理，思考小球在摩擦力为零的水平面上、小球在倾角和摩擦力同时为零的斜面上等理想情况下的运动过程，培养学生的逻辑推理能力，使学生在学习新知识的过程中学习科学的研究方法—— 逻辑推理研究法.

教师演示：教师展示气垫导轨，演示物体在水平气垫导轨上的运动.让学生观察和体验：在摩擦力很小的水平气垫轨道上，几乎不受合外力的运动物体接近做匀速直线运动！

设计意图：给学生提供实践体验的机会，加深学生对“物体运动不需要力来维持”的理解.

2.4 总结结论 深入体验

师生互动：教师引导学生总结，并表达出以下结论：

（1）若要改变物体的运动状态（即改变物体的速度，包括改变物体速度的大小或方向），必须给物体施加作用力；推力可以增大物体的速度，阻力可以减小物体的速度.

（2）若物体不受力或者受到的合外力为零，物体保持匀速直线运动状态或者静止状态.

（3）一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态.（这就是牛顿第一定律）

学生活动：利用上述结论，分析上文2.1中3类问题中研究对象的运动状态与受力的关系.

师生互动：分析和体验牛顿第一定律内容中“或”、“一切”、“总”、“迫使”的深刻含义：“或”表示物体可以保持匀速直线运动、静止这两种状态中的某一种，具体取决于物体的初始状态；“一切”、“总”表示保持匀速直线运动和静止这两种状态是所有物体固有的属性（即惯性），这两种状态的保持不需要力来维持；该定律中的“迫使”表示“力”是改变物体运动的根本原因.

设计意图：引导学生归纳总结，培养学生的归纳总结能力和语言表达能力.

2.5 回顾历史 分享过程

教师讲授：公元前300多年，伟大的哲学家、科学家亚里士多德根据“要使一个物体运动必须推它或者拉它”的生活经验，得出“必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方”.这一错误观念在人类历史上竟然延续了近2 000年！直到300多年前，伟大的数学家、物理学家、天文学家伽利略借助于“实验”这一科学研究的武器，利用实验事实和逻辑推理，向人们展示了“力不是维持物体运动的原因”，首次纠正了亚里士多德的这一错误论断；接着，由法国科学家笛卡儿对伽利略的观点做了进一步的补充和完善，认为“除非物体受到力的作用，物体将保持静止或运动状态”；只有牛顿才首次将上述研究结果进行了系统总结和合理发展，从而得到今天学习的“牛顿第一定律”.可见，像亚里士多德这样的伟人也会犯错误，所以在生活中不要迷信权威，要像伽利略一样认真思考和勇于探索，并借助于科学的方法寻求真理.同时，也要像伽利略、笛卡儿、牛顿一样，学会归纳和推理，做到透过表面现象去把握现象背后的本质.

设计意图：利用物理学史，对学生进行情感教育.

2.5 示惯性 参与比赛

教师展示：取两个完全一样的乒乓球A 和B，用注射器把球A注满水，或者将球A内部装满河沙，然后用等长的细线把它们分别悬挂在铁架台上长水平棒的两端，如图3所示.

图3

学生比赛：组织男女学生若干名，开展用口吹乒乓球的比赛，男生吹球A，女生吹球B，看谁吹的乒乓球摆动的幅度最大；再让男生吹球B，女生吹球A，对比乒乓球摆动的幅度.（乒乓球A 都很难吹动.）

学生活动：学生讨论、交流和思考为什么乒乓球A 很难吹动.

学生猜想其中的原因后，再让学生用左、右手分别提起乒乓球A 和B，感受乒乓球A 和B 有何不同？（乒乓球A的重力大，质量大，这让学生理解“在相同力的作用下，质量大的物体难以改变它的运动状态，即质量大的物体惯性大.”）

师生互动：教师引导学生得出：一切物体都具有保持其原有运动状态不变的性质（原来静止的物体保持静止，原来运动的物体保持这个速度做匀速直线运动），这就是惯性，它是一切物体固有的属性.物体的质量越大，它的惯性就越大.

设计意图：构建学生参与比赛和交流讨论的学习环境，让学生在亲身体验和交流讨论中，学习新知识、感受新知识，激发学生参与探讨的主动积极性和学习兴趣.

2.6 巩固知识 学生小结

（1）学生练习：每个学生根据自己的生活经验，例举一个与物体惯性有关的事例，再和同桌同学一起讨论并作出解释，然后结合具体事例说明“如何利用有用的物体惯性或者如何减小有害的物体惯性？”

设计意图：目的是引导学生从物理走向社会，让学生感到新学到的知识亲切、有用、有趣.

（2）学生小结本节课学习的主要内容.

2.7 布置作业 继续研讨

以“假如生活中没有惯性”为题，写一篇小论文，并把你的小论文贴在墙报上，向全班同学报告你的研究成果，供大家参观学习.

设计意图：提供展示平台，激发学生深入探究的兴趣，培养学生科学探究的能力.

3 我们的体会

在本节教学设计中，我们注重结合学生的生活实际，给学生构建一系列“实践体验”和“合作交流”的学习机会.这个教学设计，我们已经在岳阳市第十一中学进行了教学实践，学生们普遍认为这种教学设计亲切、易懂、有用、有趣.总之，教学设计要注重给学生构建“实践体验”和“合作交流”的学习环境，既要关注物理知识的传授和实验技能的训练，又要关注学生学习兴趣的培养和创新能力的提高；要注重引导学生学习科学方法和提高实践能力，并从中感受到自然科学的美妙和合作交流的快乐，从而做到三维教学目标的和谐达成.

1 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书《物理1》（必修）第2版.北京：人民教育出版社，2006