初中物理实验选材顺序的研究及启示①——以“探究阻力对物体运动的影响”为例

(江苏省南京市溧水区第一初级中学，江苏 南京 211200)

笔者在进行“探究阻力对物体运动的影响”实验教学时，发现学生对该实验中“在水平面铺设不同材料(棉布、木板、玻璃板)的先后顺序”这一问题认识不清，命制了一道测试题作调查，分析学生出现的思维偏差，提出实验教学的一些想法。

1 试题调查

图1

试题:如图1所示，在“探究阻力对物体运动的影响”实验中，为了改变阻力。小华认为选用的水平面材料应该依次是：棉布、木板、玻璃板；小明认为选用的水平面材料应该依次是：玻璃板、木板、棉布；小强认为这三种材料可以按照任意顺序进行实验。你赞成谁的观点？说出你的理由。

解析：本试题的逻辑推理思路是：选用的水平面材料依次是棉布、木板、玻璃板，水平面越来越光滑，小车从同一斜面、同一高度自由滑下，在水平面运动的路程越来越远，小车的速度减小得越来越慢。接着进行理想化推理，由三种特殊情况变成理想情况：当水平面(无限长)绝对光滑(不受阻力)时，小车将永远运动下去(做匀速直线运动)。进而进一步推理：由“小车”到“一切物体”，由“水平面不受力”到“不受任何力”的情况，物体总是做匀速直线运动。最后进一步结合物理学史把这条“力与运动”的规律补充完善，得出著名的牛顿第一定律。

该试题源自苏科版初中物理八年级下册教材，对九年级1班学生在第一学期初用5分钟答题时间进行抽样调查，结果分析如表1所示。

表1

错误分析：只选小强的同学在学习中缺乏逻辑条理性；只选小明的同学仅意识到实验目的本身——“探究阻力对物体运动的影响”，认为阻力越大，小车运动速度减小得越快，即阻力对物体运动的影响越大；同时选小华和小明的同学，在学习中具有一定的逻辑条理，但缺乏“进一步”(由粗糙到光滑)的推理意识。总之，不选小华的同学是没有真正认识到本实验的探究意图，没有注意到本实验的最终目的是将水平面由粗糙到绝对光滑的情况进行理想化推理，进而得出牛顿第一定律。

原因分析：近一半的学生虽然已经学习探讨过这一实验，但仍缺乏分析归纳与推理思维能力，对教材的教学设计没有真正理解。正因为学生在生活中欠缺这种理性的分析与推理能力，反而具有与之相悖的错误的生活经验(有力就运动，没有力就不运动)，所以主要还要靠教师的引导与解读，以及学生自身的领悟与纠错。

2 教学启示

2.1 认清学生的问题

初中生的头脑里存在大量的前概念，在遇到问题时，他们经常用日常概念代替科学概念。笔者曾经问过学生：两个苹果一重一轻，有什么简单的方法能够区分他们呢？有不少学生赞同这样一种方法：将两个苹果从同一高度释放，先落地的苹果重，后落地的苹果轻。持有这种想法的人，主要是因为这样的观点比较符合人们平时的生活经验。在物理学发展史中，关于力和运动关系的认识经历过漫长的过程，物体的运动需要力来维持的错误观点在有些人的观念中根深蒂固。

2.2 厘清教与学的思路

2.2.1 简介物理学发展史

关于运动与力的探讨是人类认识自然的重要过程，见证了由错误到正确的观念转变。从公元前5世纪的德谟克利特、伊壁鸠鲁的猜想，到公元前4世纪希腊哲学家亚里士多德指出：力是维持物体运动的原因。对此结论，布菲洛彭诺斯、里丹、阿尔伯特、奥里斯姆等人对此进行了长期的争论。直到17世纪，伽利略设想了理想斜面实验，推翻了这个结论。1644年，笛卡尔在他的《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足。最终，在1687年牛顿终结了争论，提出：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，除非有外力迫使它改变运动状态为止。

2.2.2 充分挖掘教材素材

在“牛顿第一定律”的教学中，教材编写体现了从具体到抽象、由特殊到一般的设计思路，对学生的逻辑思维和抽象思维能力要求较高。教师要理解教材编写意图，充分挖掘与提炼科学思想与方法。

(1) 摆出观点，进行初步讨论

教材中首先给出一段对话(如图2)，教师提出问题：你赞成他们的观点吗？

图2

在课堂教学中，教师可以通过分析这段对话，引导学生认识到由生活现象到结论往往具有片面性，甚至是错误的。教材中小明的话“静止的小车，如果不去推它，它就不会运动”是一种对生活现象的描述，同样小华的话“风吹树摇，风停树静”也是对生活现象的描述，但是他们根据现象所下的结论就值得推敲了。

师：小明和小华对生活现象的描述正确吗？

生：正确。

师：根据现象他们所得的结论正确吗？

生：好像是对的。

师：你们还能举出一些类似的事例吗？

生：……

(2) 正反双方进行辩论

教材中给出了问题解决的提示：“踢出去的足球，脚不再对它施力，为什么它还会运动？足球最终会静止，这又是为什么呢？”

如果学生没有举出此类事例进行反驳，可以提问：你同意上述观点吗？

如果学生举出此类反对上述观点的事例，教师可以因势利导提出：“没有施加力的作用，物体仍能向前运动”“力没有维持物体运动，反而是阻碍了物体运动”，供学生讨论。

(3) 进行实验验证

教材设计了探究“阻力对物体运动的影响”的实验，意在推理得出牛顿第一定律，可以设计以下师生对话。

师：你能依据此事例，通过实验来证明这两个观点吗？

生：要找到一个实验现象，即物体不受力的作用，但它在运动；或者物体受到阻力，它的运动发生改变。

师：很好，同学们能设计出这样的实验吗？

生：第一个有困难，找不到不受力的物体。第二个可以做到。

师：好，那就先验证第二观点。怎么做？

生：可以选择一个斜面，让物体从斜面上滑下，通过水平面上时，不断改变阻力的大小，看物体运动情况的变化。

师：斜面容易准备。那么选择什么物体作为研究对象更利于下滑？如何改变水平面上的阻力？至少改变几次？将要通过观察到什么现象来验证这个结论？实验中，还需要控制哪些实验条件？请同学们进行实验，并将结论填写在表2中。

表2

师生讨论后小结：力不仅能使物体运动起来，也能阻碍物体运动。

(4) 进一步推理

师：我们能否在此实验的基础上来证明第一个观点。实验中，小车在水平方向上受到了一个阻力的作用，能否使这个力尽可能地减小，直到变为零？在不受力的条件下，小车将怎样运动？

生：换水平面的材料，使水平面更光滑，这样，小车运动的路程越远，小车越不容易停下来。由此，我们可以大胆地推理：当阻力变为零时，小车仍将运动。

师：小车此时做什么样的运动？你是怎么想到的？

生：小车将做匀速直线运动。我是仿照“真空不能传声”的实验推理而想到的。

教师再利用PPT展示人类的探索历程，进一步推理得出牛顿第一定律。

点评：笔者在教学中对这个实验进行了有理有据的处理，运用了科学思维方法，如控制变量法、理想化方法、归纳法、类比法等，同时，培养了学生的分析能力、语言表达能力，树立其正确的科学态度和价值观。

2.3 有效巩固提升

问题1：运动会上，有同学在赛跑、跳高、跳远，教师在场外观看，如果此时一切外力都突然消失了，他们会怎样呢？

学生针对以上问题展开热烈讨论，通过对教师(原来是静止的)和学生(原来是运动的)在外力消失后的情景分析，充分体会牛顿第一定律，特别是讨论到原来跳高的学生在半空中突然外力消失时的情景，学生们畅所欲言，对保持匀速直线运动的理解比较深刻。即在空中某位置外力突然消失时，该学生应该沿外力突然消失时的速度方向做匀速直线运动，这个速度的方向可以是斜向上(到达最高点前)、可以是水平的(到达最高点时)、也可以是斜向下(到达最高点后)。此时，再提出问题2和3帮助学生来巩固。

问题2：如图3所示是空中飞行的足球，若它所受的力全部消失，则一定沿水平方向做匀速直线运动。你同意这样的观点吗？

图3

图4

问题3：如图4所示，木块从斜面上A处由静止滑下，经过水平木板表面上的B处，最终停在C处。画出木块在B处时水平方向的受力示意图。

分析：由于本节课设计的实验，小车是在水平面上运动的，所以有部分学生容易产生物体受到的外力一旦消失，物体总是沿水平方向做匀速直线运动的“惯性思维”。问题2的设计有助于学生克服这一思维定势。在问题3中，有部分学生认为物体在水平方向还受到一个向前的作用力，这是因为不少学生总有“物体的运动需要力来维持”的思维定势，认为物体在B位置在向右运动，所以一定还受到一个向右的作用力。看来对运动和力的关系的认识不是一步就能到位的，希望通过我们的教学能够“撼动”学生头脑中一些错误的前概念。

3 结语

综上所述，教育不论怎么转型，宏观的是理论思索，微观的是智慧实践。最有价值的转型是在现实教学环境下，让学生在高度参与和互动中充分发挥想象、表达思想、丰富情感、提升智慧，培养其积极思考、善于分析、敢于创新、独立而自信的科学素养，实现科学教育目标。这就要求我们一线教育工作者必须要从细微入手、从学生的实际出发，把教学工作做实、做好。