基于物理核心素养提升的教学设计策略——以人教版“牛顿第一定律”教学设计为例

余雪妹

(浙江省温州第二高级中学,浙江 温州 325007)

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,是学生科学素养的重要构成．物理核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面构成．那么,怎样的教学设计才能促进学生物理核心素养的提升?这是值得我们每一位从事物理一线教学的教师思考与研究的问题．本文以高中物理人教版“牛顿第一定律”教学为例,探索有效提升学生物理核心素养的教学设计策略,希望能给教学同仁一定的借鉴作用．

1 研读教材,制定核心素养目标

“牛顿第一定律”是人教版必修1的内容,是牛顿运动定律的基石,它利用科学思维方法(理想实验)揭示了运动和力的关系．那么这节内容应该如何制定指向核心素养的教学目标呢?在最新颁布的普通高中物理课程标准中“相互作用与运动定律”的内容标准写道:“通过实验,探究加速度与物体受力、物体质量的关系．理解牛顿运动定律,能用牛顿运动定律解释生活中的有关问题．通过实验认识超重和失重现象”．课标中只有简简单单的几句话,所以还需要结合课标仔细研读教材,才能更好地挖掘物理核心素养内涵,从而制定指向核心素养的教学目标．

1.1 物理观念

(1) 物质观念．惯性是物体的固有属性,是一切物体具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质．惯性由物体的质量决定,与运动状态、受力情况等因素无关．

(2) 运动观念．牛顿第一定律又叫惯性定律,指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．当物体不受外力或所受的合外力为0时,运动状态不变．当物体所受的合外力不为0时,运动状态将发生变化．

(3) 能量观念．不论物体处于匀速直线运动状态还是静止状态,实质上是合外力对物体不做功,物体的动能和其他形式能之间没有发生转化．让一个小球沿一个斜面从静止状态开始滚下,再滚上另一个斜面时,上升的高度比原来低,是因为摩擦力做功,引起小球机械能与内能之间的相互转化．如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度,但在转化过程中遵循能量守恒定律．

1.2 科学思维

通过斜面实验的演示和推理过程,体会理想实验(实验事实+逻辑推理)是科学研究的重要方法．

1.3 科学探究

(1) 参与伽利略的理想实验探究及其现代模拟,体验科学探究的一般过程．

(2) 重新经历牛顿第一定律的发现和发展的历史过程,体验科学发展历程:伽利略通过“斜面实验+科学推理”提出动力学观点,推翻亚里士多德观点;笛卡尔补充和完善了伽利略的观点;牛顿站在巨人肩膀上总结出第一定律．

1.4 科学态度与责任

(1) 通过亚里士多德对科学贡献的正确评价,弘扬尊重事实的科学态度．

(2) 通过运动和力关系的研究,体会伽利略、笛卡尔、牛顿等科学家们敢于质疑、坚持真理、实事求是的科学态度与科学精神．

(3) 联系实际,观看冰壶运动、飞行员躲避导弹时抛副油箱、汽车碰撞视频(司乘人员不系安全带)等生活实例,渗透STSE教育,进一步形成对科学和技术应有的正确态度和责任感．

2 诠释教材,构建物理核心观念

2.1 物理观念——惯性的理解

牛顿第一定律教学中一个重要的物理观念是惯性．为了帮助学生正确理解惯性,并能运用惯性概念解释有关实际问题,在教材原有的基础上(一切物体都有惯性),补充了4个学生活动．

学生活动1——举例说明.

一切物体都有惯性,说明惯性现象在生活中非常常见,能否举几个实例?学生举例并说明原因．

学生活动2——小品表演.

假如大家现在正坐在车上,如果汽车突然启动,或是刹车,或是右转弯,或是左转弯,你的身体会怎样表现?教师指挥,同学们表演并说明原因．

学生活动3——小组讨论.

既然一切物体都有惯性,那么来衡量物体惯性大小的物理量是什么呢?通过人推自行车与人推汽车的鲜明对比(如图1),讨论交流得出惯性的大小与物体的质量有关．

图1

学生活动4——小组讨论.

能否给体操运动员与相扑运动员(如图2)取一个合适的成语来形容他们?讨论交流得出:体操运动员身轻如燕,相扑运动员重如泰山．

图2

设计意图:让学生举例,并以集体活动的形式参与表演,加深对“惯性”的理解．通过人推自行车和汽车、体操运动员和相扑运动员的鲜明对比,让学生形象地理解质量是物体惯性大小的量度．

2.2 物理观念——牛顿第一定律的理解

这节内容另一个重要的物理观念就是牛顿第一定律．由于高一学生逻辑思维能力的不足,要正确理解牛顿第一定律时会有一定的困难,所以设计了3个学生活动,帮助学生加深理解．

学生活动1——要点剖析.

牛顿第一定律内容: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．

(1) 剖析关键词.“一切”说明天地万物无一例外;“总”指出物体的固有属性,不论物体处于什么状态;“或”指出了静止与匀速直线运动的等同性,都是物体不受外力时的运动状态．

(2) 剖析句子.

前半句:一切物体都有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质——惯性．

后半句:力是改变物体运动状态的原因,并不是维持物体运动的原因．

整句话:牛顿第一定律反映了物体不受力时的运动规律,而且涉及了两个重要概念,力和惯性．

学生活动2——讨论交流.

当物体不受外力或所受的合外力为0时,运动状态不变．当物体所受的合外力不为0时,运动状态将发生变化．说明力不是维持运动的原因,力是改变运动状态的原因．

学生活动3——观看视频.

冰壶是冬奥会的正式比赛项目．冰壶在冰面运动时受到的阻力很小,可以在较长时间内保持运动速度的大小和方向不变．

设计意图:让学生自己找出重点词语,剖析要点,提升学生文本解读能力和自主分析能力．引入生活中的冰壶活动,不仅调动了学生学习兴趣,也引导学生从物理走向生活．

3 知识重演,渗透科学思维方法

在物理教学中,为了实现指向核心素养的教学目标,尽量让学生去重演物理知识的发生发展过程,引导学生积极思维,建构物理概念和规律,渗透科学思维方法．如在牛顿第一定律教学中,教材中“理想实验”只有理论分析,没有相应的实验操作．笔者就自制斜面演示,还原历史,进行重演探究,并用气垫导轨和光电门实验来验证学生的推理,渗透理想实验方法(实验事实+逻辑推理)．

3.1 实验活动——自制斜面演示

利用窗帘轨道PVC材料自制双斜面实验(如图3所示),并利用钉子调节一斜面的高度．在两斜面的同一高度拉一条细线作为等高线,作好相应的红色标记．为了使对比实验效果更明显,在其中的两个干电池表面分别包以一次性毛巾和白纸,使3个干电池的表面粗糙程度不同．

图3

演示1:控制斜面的倾斜角度不变,让3个干电池(表面的粗糙程度不同),先后从同一斜面同一高度释放,观察运动的高度．

现象:阻力越小,物体上升的高度越接近等高线．

推理:如果是理想斜面,没有摩擦力,物体将上升到原来等高线的位置．

演示2:不断降低一斜面的倾斜角度,直至轨道水平,让小球先后从另一斜面同一高度释放,观察运动的距离．(让1名学生帮忙接球)

现象:运动的距离越来越远．

推理:将斜面变为水平,如果没有摩擦力,物体将会永远运动下去．

设计说明:自制斜面实验对比演示,给学生呈现丰富的实验事实,突破教学重点．

3.2 学生活动——问题讨论

问题1:理想实验在现实中能实现吗?是不是空想的实验?

问题2:理想实验是以哪些可靠的事实为基础?又经过了哪些合理的推理?

3.3 实验活动——气垫导轨验证

现象:气垫导轨上滑块的运动是匀速直线运动．

结论:力是改变物体运动状态的原因．伽利略当年就是利用理想实验,得出这个动力学观点．

3.4 交流活动——评价理想实验

归纳伽利略的理想实验方法:实验事实+逻辑推理．

爱因斯坦曾评价:“伽利略的发现及其所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大成就之一,它标志着物理学的真正开端”．

设计意图:从现象观察→猜想假设→逻辑推理→气垫导轨实验科学论证,不仅给学生呈现丰富的实验事实,突破了教学重点,而且渗透了科学思维方法和理想实验方法(实验事实+逻辑推理)．

4 重视实验,体现科学探究精神

所谓物理,“物”指的是以实验为基础,“理”指的是以思维为中心,以实验为基础,以思维为中心,是物理教学的两大法宝,也是物理学科的魅力所在．充分发挥实验作用,不仅可以为抽象的理解和概括提供感性认识和事实依据,突破教学重难点,而且可以调动学生的学习兴趣．牛顿第一定律这节教材只有一个理想实验,因为理想,所以这个实验还不好操作．那么如何加强实验设计,笔者采用了3种方式．

4.1 课前导入实验要有创意

实验活动——抽纸游戏(如图4所示).

图4

铁条和粉笔下各压着一张纸条,让1位学生快速抽出纸条,其他学生观察铁条、粉笔的现象．

在牛顿第一定律课前教学中,利用“抽纸游戏”演示引入,不仅调动了学生动手思考的积极性,而且通过这一感性的载体,为后面的教学埋下铺垫．

4.2 课中常规实验要有新意

如在牛顿第一定律课中教学中,因为“理想实验”是理想的,所以没有相应的实验器材．笔者就自制斜面演示,还原历史,进行重演探究,并用气垫导轨和光电门实验来验证学生的推理(见上面论述),操作简单,效果明显．

4.3 课尾对比实验要有深意

实验活动——撕纸游戏(如图5所示).

图5

分组实验.

(1) 一张纸已剪成3截,但未完全剪断,如果迅速用力撕两边,纸会断成几截?为什么?

(2) 如果在中间的纸下面夹一个夹子,然后迅速撕两边,纸会断成几截?为什么?

讨论交流.

(1) 两截:中间无夹子,中间纸条惯性很小,静止状态容易改变．由于撕开纸条左右两边的力有差异,因此撕成两截．

(2) 3截:如果中间纸条夹夹子,中间纸条质量增大,惯性增大．迅速撕开纸条两边时,中间纸条仍保持静止状态,所以撕成3截．

在牛顿第一定律课尾教学中,联系生活实际,创设实验游戏活动“撕纸游戏”,再次让学生“做中学”,在探究活动中加深理解物理规律．

设计意图:课前“抽纸游戏”演示实验两次对比,课中“自制斜面”演示两次对比,课后“撕纸游戏”的两次对比,都采用了“对比式”的探究方法．这不仅有利于学生的学习,也是一种方法的渗透．

为了有效提升学生的科学探究能力,除实验设计之外,还要精设问题,以情境引问题,以问题导探究,以探究促真知．这里因文章篇幅原因,就不展开阐述了．

5 拓展视野,培养科学态度与责任

5.1 联系实际,渗透STSE教育

将物理知识应用于社会、生活、技术，不仅可以调动学生学习兴趣,也使物理教学更具实用性和趣味性．

如在牛顿第一定律“惯性利弊”教学中,观看汽车碰撞视频(如图6所示,汽车碰撞中模拟人冲破玻璃被抛出),指出惯性带来的危害要防止,坐车一定要遵守交通法规,系好安全带．渗透辩证唯物主义思想(事物具有两面性)和安全教育．

图6 图7

如在牛顿第一定律“体验应用”教学中,让学生观看电影视频(图7),飞行员为了躲避导弹,扔掉副油箱,减轻质量,减小惯性,以此来增加飞机的灵活性．渗透STSE教育,进一步形成对科学和技术应有的正确态度和责任感．

5.2 正确评价,纠正错误观念

在高中教材中,我们听到的亚里士多德的观点好像都是错误的．但亚里士多德实际上是一个伟大的哲学家、科学家和教育家．他的著作是希腊文明的百科全书,内容涉及天文学、地理学、地质学、物理学、动物学、解剖学、生理学、心理学、经济学、政治学、教育学、伦理学、历史学、美学、修辞学、诗歌等,集古代知识于一身,对世界的贡献之大,令人震惊．

(1) 正确评价亚里士多德.

师:根据你的认识,请你简单评价一下亚里士多德这个人?(学生评价)

生1:由于当时科技水平限制,亚里士多德没法做实验,提出一些错误观点是难免的．

生2:虽然有一些错误观点,但与他的成就相比,可忽略不计．

生3:人不可能十全十美．

师:我们不应该把亚里士多德看成是阻碍科学进步的代表而进行批判,应该批判的是照搬亚里士多德的观点而墨守成规的人．(教师评价)

下列是几位伟人对亚里士多德的高度评价．(伟人评价)

黑格尔称其为“人类的导师”．

马克思称其为“古代最伟大的思想家”．

恩格斯称其为“古代最博学的人”．

哈佛大学的校训:“让柏拉图与你为友,让亚里士多德与你为友,更重要的,让真理与你为友．”

设计意图:让学生学会用辩证的眼光正确评价亚里士多德,弘扬尊重事实的科学态度．

(2) 评价亚里士多德、伽利略、笛卡尔、牛顿的贡献.

师:运动和力的关系研究经历了一个漫长过程,你认为4位科学家谁的贡献最大?(学生评价)

生1:亚里士多德的贡献最大,他提出了课题,是开拓者．

生2:伽利略的贡献最大,他首创了理想实验方法．

生3:笛卡尔的贡献最大,他补充完善了伽利略的观点．

生4:牛顿的贡献最大,他提出了牛顿第一定律,揭示了惯性和力的概念．

师:4位科学家,其实缺一不可,他们是一只跨越2000年的科学团队．正如牛顿所说“如果说我比其他人看得远一点,那是因为我站在巨人的肩上．”(教师评价)

设计意图:通过评价,让学生明白科学团队每个人不可或缺,渗透团队合作意识．

5.3 补充学史,弘扬社会责任感

如在牛顿第一定律“拓展延伸”教学中,补充学史,介绍了中国古代对运动和力的关系的研究.

(1) 春秋战国时期,在《墨经》有这样一句话:“力,刑之所以奋也”．

(2) 战国时期的《考工记》就有这样的记载:“马力既竭,辀犹能一取焉．”

设计意图:既可以扩展学生的知识面,又可对学生进行爱国主义教育．

为了有效提升学生的物理核心素养,笔者把牛顿第一定律设计为一节“实验+问题”的探究课．“以学史为主线,以实验活动为核心,以问题为导引”,将问题、实验、探究3者有机地结合,倡导学生“做中学”,从“看、说、做”3个角度体现了知识的实用性和趣味性,引导学生主动学习,突破教学难点,构建物理核心观念,渗透科学思维方法,提高科学探究能力,培养科学态度与责任．