单元设计视角下的“牛顿第一定律”教学

(江苏省无锡市西漳中学,江苏 无锡 214171)

单元设计一般包含:学情分析、框架设计、课堂实施、课后评价。通过初中物理第五章“物体的运动”和第八章“力”的学习，学生对运动状态、力都有了初步的概念,但是对于力和运动之间的联系,学生会根据生活经验,产生错误的认识:物体之所以运动，是由于物体受到了力的作用。为了能消除学生根深蒂固的错误观念,第九章“力与运动”的教学设计需要在遵循学生的认知规律的基础上,根据学生的日常生活体验进行整个单元设计，图1呈现的是从学生角度设计单元教学的思维框架结构。

图1

1 教学分析

“牛顿第一定律”是苏科版八年级下册第九章“力与运动”第二节的内容,学生已经学习了第八章“力”,对力已经有一定的了解。“牛顿第一定律”的学习比较抽象,研究过程属于推理、归纳的复杂高级思维过程,对初中生而言有一定难度。但学生在第一章“声现象”中已经完成了“声音在真空中能否传播的实验”，有了一定的“理想+推理”的经验。在教学中,教师可通过这个例子给学生在思维上搭建一个台阶,借助斜面小车实验的观察和分析,通过问题串逐层展开思维活动。同样,“惯性”概念也比较抽象，教材先利用生活中的4个实例,让学生通过观察、分析和归纳,建立惯性的概念。紧接着引导学生自主设计实验，以加深对惯性的理解,运用惯性知识解决实际问题,这一思维层次的要求比较高。从学生的认知规律看,通过一节课“惯性”的学习并不能使所有学生都能够理解透彻，这就需要借助于实例领悟其中的原理。

2 教学设计

根据上述分析，本节的教学设计如图2所示。

图2

3 教学实施

3.1 导入

师:如何使桌上的书运动起来？如果你撤去了力,会发生什么情况?根据以上体验，你认为力和运动有何关系？历史上曾经就力和运动关系发生争论,2000多年前古希腊科学家亚里士多德曾经提出：“力是维持物体运动的原因”。

师：针对亚里士多德的观点,谈谈你对这个观点的看法,如有不同看法,请举例说明。刚才有同学提出力是物体运动的原因，这句话是否正确?如果是正确的,你如何理解这句话的含义?

设计意图：通过教学导入，引出部分学生的前概念:有力就运动，没有力就静止。

3.2 新课教学

师:老师对小车施加推力，小车由静止变为运动；当老师的手离开车后,发现小车继续前进,当撞击前面的障碍物后,发现小车停下了,小车受到障碍物的弹力作用，导致小车由运动到静止,这与一些同学的观点有矛盾。

师:不受力的物体运动情况是如何的?如何做到使物体不受力?

生:把小车放在水平桌面上进行实验。支持力与重力是一对平衡力,可以不用考虑。

师:小车在水平桌面上运动时,水平方向还受到什么力的作用?

生:摩擦阻力。

师:现实生活中,是否存在零阻力,如果没有我们该怎么办?

生:可以减小接触面的粗糙程度,减小压力。

师:现在我们研究同一辆小车,可以通过改变接触面的粗糙程度来减小阻力。我们首先探究阻力对物体运动的影响。在实验中,你通过什么方式比较阻力对物体运动的影响？

生1:比较物体运动的远近,运动得越近说明阻力对物体运动的影响越大。

生2:比较速度的变化快慢,速度很快就减慢了说明阻力对物体运动的影响大。

师:同学们先自己讨论一下,你准备如何做这个实验,在实验中是否有困惑,我们该如何解决这个困惑？

师:把实验情况填写表1，从中你是否有所发现?

表1

生:摩擦力越小,小车运动得越远,速度减小得越慢。

师:如果没有摩擦阻力,你猜想一下,会有什么结果？

生:小车一直运动下去,而且速度没有变化。

师:也就是说物体将做匀速直线运动。所有物体在不受力时,是否都是保持匀速直线运动状态?如果不是，请举例说明。

生:放在水平桌面上的书,水平方向没有受到力的作用,而竖直方向受到一对平衡力的作用(平衡力相互抵消),此时书处于静止状态。

师:我们发现物体一旦不受力,有两种运动状态。请大家探讨:物体处于哪种状态取决于什么前提?

生:取决于物体最初的状态。

教师板书(如图3)。

图3

师:老师用手推小车,小车就运动,即小车从静止变为运动的原因是由于受到了老师的推力作用。老师松手后,小车继续往前运动,最终停下来。有同学认为力是物体运动的原因,你是否发现了其中的矛盾之处?

生:第一次老师用力推小车,小车从静止到运动；第二次小车只受摩擦力作用,但此时小车却是从运动到静止,所以力并不是运动的原因。

师:老师施加力之后,到底起到了什么作用?

生:改变了物体的运动状态。

师:所以力并不是物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因(如图4)。

图4

设计意图：为了让学生更好地掌握“实验+推理”的科学方法,教师利用身边的器材逐步引导,学生通过科学推理的过程,培养了良好的思维品质。教师采用“问题串—学生实验验证—逻辑推理—思维辨析—得出结论”这一教学流程，在教学中注重引导,注重学生对知识的自主构建，提升逻辑思维能力,让学生在积极互动的氛围中不仅纠正了前概念，完成了学习任务，更提升了思辨能力，这正是理想实验的魅力之所在。

师:绝对光滑的平面在现实中并不存在，我们在实验的基础上加以推理，这种方法叫做理想实验法。最早运用这个方法的科学家是伽利略，他通过理想实验，得出的结论是：当一个物体在一个水平面上运动，没有碰到任何阻碍时，它的运动就是匀速的，并将无限地继续进行下去，假若平面是在空间中无限延伸的话。笛卡儿、牛顿在伽利略的基础上，对运动和力的关系作了进一步的完善。

设计意图：学生通过了解科学家的探索过程,深知每一个科学结论都是经历无数次的探究、思辨、实验之后才总结出来的。学生经历简约的探究和思辨过程,知道在实验探索过程中要用控制变量、科学推理等科学方法。

师生进一步探讨一些问题,以促进学生养成严谨的科学思维习惯,如：“牛顿第一定律的研究对象是什么?定义中的‘时’是指哪一时刻?‘或’又代表什么含义?”学生讨论得出结论：研究对象是一切物体,包括运动和静止的物体。学生在充分讨论的基础上,增进了对牛顿第一定律的理解。

接下来教师借助例子，进一步巩固对牛顿第一定律的理解,请同学们思考并说出自己的观点及其理论支撑。

师：做水平运动的小球，若在水平方向上不受外力，其运动状态如何?若在竖直方向上不受外力，其运动状态如何?在任一方向上运动的小球,如果在其运动方向上不受外力，其运动状态如何?

生：运动的物体,如果不受外力,那么该物体必将在其原运动方向上一直运动下去。

设计意图：再一次回顾实验及思维过程,把复杂问题进行梯度化分解,降低学习难度。

师：推出手的铅球落到地面上之后,在水平地面上继续向前滚动。跳远运动员要助跑一段距离,一旦起跳腾空后,还能往前移动一段距离。为什么铅球和运动员在水平方向上没有受到力的时候,还能继续向前运动？你能用刚才所学知识解释这一现象吗?

生:铅球和运动员在空中运动的时候,在水平方向不受力的作用,所以要在水平方向上一直运动下去。

师:铅球和运动员在空中飞行的时候,水平方向不受力,此时两个物体要保持原来的运动状态。任何物体都具有保持原有运动状态的性质，这叫做惯性。质量越大的物体,物体保持其原运动状态的能力就越强。所以,从物理的角度来说,惯性的大小反映了物体保持其原运动状态能力的强弱。

4 教学后记

笔者从力与运动的单元视角，精心设计牛顿第一定律的教学过程。充分利用师生之间的思辨、讨论,纠正学生错误的前概念。教师在设计的问题时注重学生思辨能力的提升,再运用问题串的形式展开教学,便于学生接受和理解牛顿第一定律,切实帮助学生走出认识误区。通过实验使学生的认知活动变得有序,围绕牛顿第一定律的产生过程,介绍物理学史中的相关素材,让学生作为各个历史时期的“探究者”参与相关问题的讨论。