单元视域下科学思维的教学设计——以“牛顿第一定律”为例

顾炳峰

(无锡市东绛实验学校，江苏 无锡 214000)

物理核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度和责任”4个方面构成.物理观念的形成、科学探究的实施、科学态度和责任的养成,都是离不开科学思维的.科学思维是从物理学视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实构建理想模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点的结论提出质疑、批判、检验和修正,进而提出创造性间接的能力和品格.

“牛顿第一定律”是苏科版初中物理教材8年级下册第9章第2节教学内容,单元目标在《义务教育初中物理课程标准》一级主题运动和相互作用下二级主题机械运动和力中的内容要求是:通过实验,认识牛顿第一定律.用物体的惯性解释自然界和生活中的有关现象.

会运用惯性,解释当汽车急刹车、转弯时,车内可能发生的现象.

分解为基于核心素养的教学目标如下.

物理观念目标:知道力不是维持物体运动的原因;认识牛顿第一定律;用物体的惯性解释自然界和生活中的有关惯性现象.

科学探究目标:经历“探究阻力对物体运动的影响”探究过程,掌握探究方法.

科学思维目标:训练科学推理、迁移、质疑、总结等思维能力.

科学态度和价值观目标:了解科学家们关于寻求“力和运动”关系的探索历程,培养严谨的科学态度,实事求是的科学精神.

在该课例的学习过程中,科学思维贯穿始终,是典型的培养学生科学思维的课例.图1为此课例中学生思维发展历程.

图1 思维发展

1 创设认知冲突、鼓励归纳总结,培养学生的质疑和创新能力

质疑创新是科学发展的动力,质疑又是创新的基础.本节课中最大的质疑就在于“物体的运动要不要力来维持”.古希腊哲学家亚里士多德认为“物体的运动需要力来维持”,而2000多年后伽利略则提出“物体的运动不需要力来维持”.教学中师生要多展示这两类场景,凸显出矛盾.

例如,教师缓慢推讲台上的小车,小车动了,撤去推力,小车停了;教材上有“风吹树摇、风停树静”,由此绝大部分学生会说出“物理的运动是因为有力作用在物体上”的观点.再加上亚里士多德也说过“物体的运动需要力来维持”,这时学生们沉浸在自信的喜悦中.但是,真的是这样吗?教师再次迅速用力推动小车,小车在离开手之后,继续向前运动.教师问学生:“此时运动的小车有没有受到手的推力?”学生统一回答:“没有”.教师追问“那为什么小车还在继续运动呢”.学生陷入思考,部分学生认为“物体的运动不需要力来维持”.教师展示伽利略的观点“物体的运动不需要力来维持”.截然相反的观点,必有一方是错误的,此时学生肯定会产生质疑.看来科学家们的观点也不一定全是正确的,需要进一步论证.

图2 产生质疑

科学是不断进步的,理论也是在逐步修正和完善之中.从亚里士多德提出“物体运动需要力来维持”的观点之后的2000多年里,不断有科学家提出质疑,最终由伽利略通过理想实验的方法论证亚里士多德的观点是错误的,得出“运动的物体如果不受力,将做匀速运动”.之后,笛卡尔对伽利略的观点进行了修正,得出“运动的物体如果不受力,将做匀速直线运动”.他们针对的是“运动的”物体不受力将会……,生活中常见物体静止,如果“静止的”物体不受力,将会怎样呢?如果把运动和静止这两种前提情况都考虑进去,这样的结论是否就更具备普遍性呢?教师引导学生进一步推理联想,学生很自然地会认为,“静止的物体如果不受力,它将保持静止”.结合“运动的物体不受力,它将做匀速直线运动”,就很自然地得出了牛顿第一定律的内容:一切物体,在没有受到力的作用时,总保持静止或匀速直线运动状态.这就是创新.

图3 总结和创新

2 巧用方法迁移,培养学生建构模型的能力

迁移是指一种学习对另一种学习的影响,或习得的经验对完成其他活动的影响.本课例中,无法寻找“物体运动,但是又不受力”的场景来支持伽利略的观点.因为现实生活中,根本找不到“不受力”的场景.怎么办呢?其实8年级上学期也有这样的情形,无法通过实验或事实来直接证明“真空不能传声”,因为当时在课堂上无法得到“真空”.当时是怎么做的呢?我们虽然无法使玻璃罩实现真空状态,但是我们可以通过使玻璃罩中空气越来越少,并发现听到的声音越来越小,由此推断真空不能传声.这个方法是“实验+推理”法.同样的,我们无法找到物体不受力的情况,但是我们可以使物体受力越来越小,并根据物体受力越来越小时物体的运动趋势来推理得到物体不受力时会是怎样的运动情况.有了前面的探究经验,通过方法迁移,可以很顺利地找到探究的方向.

图4 方法迁移

图5 受力分析

学生已经明确了探究方向——让物体受力越来越小,同时观察物体运动变化情况,由此再推理物体不受力时,会使怎么样的运动情况.那么,让哪个力越来越小呢?

如果以水平面上运动的小车为研究对象,学生通过受力分析发现:小车受到3个力的作用:小车受到的重力G,桌面对小车的支持力F支持,桌面对小车的摩擦阻力f,如图5所示.学生发现F支持与G是作用在同一物体上的大小相等、方向相反且作用在同一直线上的两个力(二力平衡),其作用效果相互抵消,也就是说竖直方向上相当于不受力,那么就只剩下水平方向上桌面对小车的摩擦阻力f了,所以要减小就只要减小小车受到的阻力f,再观察小车运动的变化情况.所以说,接下来就要探究“阻力对物体运动的影响”了.

图6 建构模型

3 设置并解决关键问题,培养学生科学论证的能力

科学论证是学生通过实验,为自己的观点提供支持,并批驳相异的观点,解决问题并获取知识的能力．实验探究是科学论证的重要组成部分．本课中为了要证明“物体的运动不需要力来维持”,就要经历 “阻力对物体运动的影响”的探究过程,教师可引导学生思考几个问题:

(1) “如何减小小车运动时受到的阻力?”

(2) “实验中比较哪个物理量可以直观地反映阻力对物体运动的影响呢?”

(3) “除了阻力,还有其他因素会影响小车运动的距离吗?如果有,该怎么控制变量呢?”.

学生通过思考,发现第1个问题还是很容易解决的.要减小阻力也就是要减小摩擦力,在小车对水平面压力一定的条件下,只要减小接触面的粗糙程度即可.根据实际情况,可以让小车通过棉布、木板、玻璃板(即所受阻力越来越小).

关于第2个问题,小车运动过程中由于受到阻力会停下来,那么小车受到阻力不同,就会停在不同的位置.实验中比较小车运动的距离即可体现阻力对物体运动的影响.

关于第3个问题,学生可能一时间想不出来.教师可以通过实验操作启发学生.在同一个水平面上,小车所受阻力一定,教师慢推、快推小车,使小车获得不同的速度,松手后,小车运动的距离不同.学生就会发现:原来小车的初始速度会影响小车的运动距离.所以说,实验中我们要控制小车的初始速度相同.如何控制小车的初始速度一定呢?使推力相同?显然不易操作.该怎么办呢?根据生活经验,自行车从坡上冲下来,就能获得一定的速度,而且,不同高度处冲下来的自行车获得的初始速度不同.教师展示给小车准备的斜坡——斜面,然后操作不同高度处的小车由静止开始冲下,发现到达水平面的速度不同.由此学生马上就能想到,只要让小车从同一斜面的不同高度处滑下,就能保证速度相同.教师随及用两辆相同的小车,从斜面的同一高度处同时静止滑下,发现两辆小车到达水平面的速度是一样的.所以,让同一小车分别从斜面同一高度处静止滑下,即可控制小车到达水平面的速度相等.(这期间不能改变斜面的倾斜程度,否则也会影响小车所处的高度)

解决以上几个问题之后,学生通过实验就可很快地得到实验现象,探究出阻力对物体运动的影响．

图7 科学论证

4 基于事实、大胆假设,培养学生科学推理能力

图8 实验现象

科学推理是科学思维的核心组成部分．在探究阻力对物体影响的实验中,实验现象是非常明显的:从斜面同一高度处静止滑下,小车在棉布上运动的距离更近,在玻璃上运动的距离更远,如图8所示.同时学生能够轻松的得出结论:支持面越光滑,小车受到的阻力越小,小车运动的路程越远.

试想,如果接触面比玻璃面还要光滑,该小车受到的阻力将还要小,运动的距离还要远.如果接触面绝对光滑呢?即运动的小车将不受阻力,小车运动的距离会多远?学生非常肯定的回答“停不下来”，“无限远”.速度会减小吗?“不会”.此时,教师可以引入物理学史关于伽利略也通过实验和推理的方法得出了运动的物体不受力会做匀速运动.同时期的笛卡尔进一步研究发现运动的物体不受力时,不仅是运动速度不变,运动方向也是不变的.通过这个推理的过程,学生就可以得出推论:如果小车在绝对光滑的水平面上运动,即不受阻力的作用,那么它将做匀速直线运动.

进一步推理,如果运动的物体不受力,它将是一个怎样的运动情况呢?通过上述的小车分析,小车受到的3个力中,重力G和支持力F支持相互抵消,相当于不受力,如果再假设不受阻力,也相当于此时小车不受任何力的作用.所以说运动的小车不受力,它将做匀速直线运动.由此推广至运动的物体不受力将做匀速直线运动.

至此,学生已经分析得到运动的物体“不受力”,“做匀速直线运动”的情况,也就是说物体的运动不需要力来维持,伽利略的观点是正确的,亚里士多德的观点则是错误的.而亚里士多德之所以得出错误的结论,其实是他忽视了阻力对物体运动的影响.

图9 科学推理

5 结语

从亚里士多德“问题的提出”到伽利略“问题的破解”,再到牛顿“问题的归纳”,《牛顿第一定律》的学习,是跨越时空的高强度的科学思维训练.注重科学思维训练,有助于形成物理观念(牛顿第一定律)、训练科学探究(探究阻力对物体运动的影响)、培养科学态度与责任(事实求是,敢于质疑等科学精神).物理课堂教学设计,应把培养学生的科学思维能力放在更高的地位,是培养学生核心素养必由之路.