基于核心素养的“牛顿第一定律”教学探索

林 萍刘 明

（1.福建省莆田第二中学，福建 莆田 351131；2.福建省厦门第六中学，福建 厦门 361012）

《普通高中物理课程标准》（2017年版）指出，学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力.物理学科核心素养主要包括：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面.课堂是培养学生核心素养的主阵地，要让学科核心素养在课堂教学中平稳落地，需要教师基于核心素养的培育来设计、组织和优化课堂教学.本文以鲁科版（2019版）高中物理必修1第五章第1节“牛顿第一定律”为例，浅谈基于物理学科核心素养的课堂教学探索的实践与思考.

1 基于核心素养的教学内容分析

1.1 课标内容要求

课标中“相互作用与运动定律”的1.2.3内容要求为：“通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、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产生活中的有关现象、解决有关问题.通过实验，认识超重和失重现象”［1］.课标中没有单独提到牛顿第一定律，说明牛顿运动定律的整体性.能用牛顿定律解释生产生活中的有关现象和解决有关问题，其学业质量水平应达到水平4的要求.

1.2 高、初中教材内容比较

牛顿运动定律是整个力学体系的基石，牛顿第一定律又是这个“基石”中的“基石”，它定性地揭示了力和运动的关系，提出惯性的概念，为定量研究力和运动的关系拉开了序幕.初中阶段学生对牛顿第一定律进行了初步学习，知道了牛顿第一定律的内容和惯性的概念.在教学前对初高中教材内容进行比较分析，有利于帮助学生在已有知识体系的基础上实现进一步的阐释和深入，实现知识体系的进一步建构和完善，挖掘知识体系建构过程中素养提升内涵和知识的教育价值.高中教材与初中相比，主要有三方面的不同.

（1）定律内涵的理解要求不同：初中教材叙述为“一切物体在没有受到外力作用的时候，总是保持静止状态或匀速直线运动状态”；高中教材叙述为“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非有外力迫使它改变这种状态”.高中教材中的表述具有更为丰富的内涵，它强调了力是改变物体运动状态的原因，突出了第一定律的独立性和重要意义，也为学习牛顿第二定律做了一定的铺垫，凸显物理观念的发展和完善.

（2）实验的设计、探究及思维深度不同：初中为斜面小车实验；高中为伽利略理想实验，突出科学思维和科学探究，彰显理想实验这种科学方法的价值.

（3）科学态度与责任的体现不同：初中对牛顿第一定律建立历史一语带过，高中教材将历史回顾作为重点内容，呈现较为完整的研究历程，让学生体会一个规律的获得是经过一代又一代人努力，不断纠正、补充完善后才能得到的.不仅能够激发学生追求科学，勇于质疑创新的情感，更重视物理学发展过程中学科精神的教育价值.

2 基于核心素养的教学目标分析

本节课通过伽利略理想实验来揭示运动和力的关系，让学生在充分感悟科学思想方法的过程中，深刻理解核心规律的基础上发展和完善物理观念，是提升学生物理学科核心素养的极好素材.结合课标仔细研读教材，制定基于核心素养的教学目标设计如表1.

表1 牛顿第一定律教学目标分析

3 基于核心素养的教学设计思路

图1 牛顿第一定律教学设计思路

4 基于核心素养的主要教学环节及反思

4.1 情境引入有趣味，启发思考

（1）播放小狗滑滑板车视频，如图2所示.

图2

（2）问题引导：小狗怎么让滑板车动起来？（小狗蹬地有动力）小狗上了滑板车后为什么能一起运动？（惯性）小狗和滑板车为什么停下来了？（有阻力）

（3）实验体验：轻推一下桌面上的小车和用力推一下桌面上的小车对比，哪种情况小车滑行的远.

教学反思：视频激发兴趣，问题引导逻辑，实验增强体验.经历感知→思维→体验的过程，唤醒学生头脑中的前概念，初步意识到力和运动的定性关系：运动不需要力，力可以使物体从静止到运动，也可以使物体从运动到静止.

4.2 理想实验多维度，激活思维

（1）提出问题：亚里士多德根据生活经验得出物体的运动需要力来维持的观点，如果你是伽利略，如何反驳亚里士多德的观点？（大部分学生能想到阻力使物体停下来）

（2）伽利略的思考：如图3，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大；向上滚动时，速度减小.由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减，然而实际情况球沿水平面滚动会越滚越慢，最后停了下来.伽利略认为这是摩擦作用的结果，他由此猜想：若没有摩擦，球将永远运动下去.

图3

（3）演示伽利略针和单摆实验：如图4所示，利用自制的实验装置演示，将摆球用细线悬挂在O点，让摆球从图示位置的A点由静止释放，几乎能到达等高的D点.改变针的位置，重复刚才的实验，小球还是能到达等高的位置.在示意图中把伽利略针和单摆实验摆球运动轨迹用矩形框出来，启发学生思考，引导学生将该实验中没有接触面情境转换成有接触面的情境，从而得到伽利略理想斜面实验的雏形.

图4

（4）模拟演示理想斜面实验：实验装置如图5所示.

图5

演示1：控制斜面的倾斜角度不变，改变斜槽表面的粗糙程度，依次为不放纸条、放置切割好的宽度略小于斜槽宽度白纸条（表面较光滑）和地毯纸条（表面很粗糙）3种情况，从斜面同一位置释放小球，观察并对比小球运动所到达的高度.［2］

现象：表面越光滑，小球上升的高度越高.

推理：如果是光滑斜面，没有阻力，小球将上升到与释放点等高的位置.

演示2：依次降低右边斜面的倾斜角度，直至轨道水平，让小球从左边斜面同一高度释放，观察运动的距离.

现象：小球运动得越来越远.

推理：将斜面变为水平且没有摩擦阻力，小球将会永远运动下去.

（5）总结伽利略理想实验：引导分析哪些是实验事实？→进行了怎样的理想化处理？→科学的逻辑推理→实验结论.总结出理想实验＝可靠的实验事实＋科学的逻辑推理.爱因斯坦的评价“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，它标志着物理学的真正开端.”

教学反思：相比于教材中理想实验的理论分析和“头脑”实验，通过给学生呈现丰富的实验事实，多维度还原伽利略的思考和研究过程，并利用自制实验仪器的辅助演示，让学生经历物理知识发生发展过程，经历科学思维、科学推理的过程，掌握科学思想和科学方法.

4.3 历史评价有高度，彰显价值

回溯力和运动关系跨越2000年的研究历程，充分挖掘物理学史的教育价值，通过客观高度地评价科学家在力和运动关系研究进程中的贡献，感悟科学思想和方法，培养批判质疑的科学精神和团队合作精神.［3］如表2所示.

表2 力和运动关系的研究历史及评价

续表

教学反思：以物理学史为重要的教学资源丰富物理课堂，不仅让学生领悟物理知识背后隐藏的科学思想和方法，也让学生学会用辩证的眼光评价科学的发展，让学生从中体会物理的科学本质，培养正确的科学态度和责任.

4.4 规律理解有深度，强化观念

（1）牛顿第一定律的内容：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非有外力迫使它改变这种状态.

（2）利用表3引导学生对牛顿第一定律的内容关键词句进行剖析，并进行定律内涵理解的辨析：指明了物体不受力时的运动状态（理想化情况）；揭示了物体的一个固有属性——惯性；阐明了力与运动的关系——力是改变物体运动状态的原因.

表3

教学反思：让学生解读定律表述文本，剖析重点字词语，抓住要点，提升学生文本解读能力和自主分析能力，理解物理规律表达的简洁性、严密性，通过定律的剖析进一步强化物质观、运动观和相互作用观.

4.5 实验设计有梯度，突破难点

（1）空气炮演示实验：如图6所示，利用纸箱和干冰自制空气炮实验装置，纸箱六面封闭，其中一面剪一个圆形的开口，在纸箱中放入干冰，用加热器加热后产生雾化效果，用不同的力气拍纸箱，学生观察在空中雾化圆圈的运动情况，在课堂中演示气体惯性.

图6

（2）吹乒乓球实验：如图7，黄、白两个颜色不同的乒乓球，悬挂在一起，请一学生上台，用几乎相同的力吹，观察哪个球的运动状态容易改变.最后用手掂掂乒乓球，发现白色球比较轻，黄色球比较重.质量小的物体惯性小，运动状态容易改变.

图7

（3）实验验证：惯性大小与物体速度无关

①问题引导，初步建立感性认识：速度为10 m/s的乒乓球和速度为5 m/s的铅球，哪个更容易接住？

② 演示实验验证：实验装置如图8，实验采集数据表格及分析结果如图9.

图8

图9

在轨道上轻推小车，给同一小车不同的初速度，小车的位移不同.小车初速度不同，滑行距离也不同，那么它们运动状态改变的难易程度一样吗？用提问方式引导学生理解运动状态改变的难易程度可以用加速度描述.

利用DIS测出小车上的挡光片经过光电门的遮光时间，自动计算出小车的瞬时速度v.记录光电门到小车最后停止的距离，根据v2＝2as算出加速度，图9数据表明加速度几乎相等.由此得出结论：惯性大小与物体运动速度大小无关.

③ 逻辑推理，反证错误认知：如果速度越大，惯性越大，那么速度越小，惯性就越小，速度为0，惯性也为零，显然这是不符合实际的.

教学反思：实验一增加感性认识，让学生完善一切物体都有惯性的观念，并以此为基础引出关于惯性大小与什么因素有关的猜想；实验二强化实践体验，让学生在探究体验中深化理解惯性与物体的质量的关系；实验三突出探究验证，让学生走出“速度大、惯性大”的错误认识，同时理解加速度可以描述物体运动状态改变的难易程度，为定量探究力和运动关系奠定基础.通过进阶式的实验设计，使学生经历唤醒→完善→重构认知体系的过程，让学生在深度体验中完成知识体系的重构，不仅实现学习难点的有效突破，更有助于学生科学思维能力提升和科学本质的认识.

4.6 应用拓展有生活，格物致知

（1）让学生自主例举惯性在生活中的应用实例：跳远时的助跑，钉钉子，拍打棉被上的灰尘……

（2）以风车筛选水稻为例，水稻收割后，要晒干、筛选出干净、饱满的稻谷保存，去除空心稻谷及其杂质.播放视频（如图10），请同学们利用所学的知识解释原理并提出技术改进建议.

图10

（3）播放中国航母上的舰载机着陆训练视频，阻拦绳勾住舰载机的瞬间，飞行员会出现红视现象.自制实验仪器（如图11），模拟红视现象，通过手机慢镜拍摄，观察橡皮筋勾住滑块使滑块减速运动，在滑块减速为0的瞬间，红色墨水会往前倾最厉害.

图11

教学反思：知识应用与拓展，应联系注重生活生产实际，尽可能展现生活中的物理现象，让学生理解物理与生活，物理与生产实践，物理与社会发展进步的联系.选择风车实例不仅让学生了解水稻的筛选原理，更重要的是让学生了解我国劳动人民在劳动生产实践中的伟大智慧结晶，渗透劳动观念和劳动意识，增强学生民族自豪感.选取中国航母上舰载机训练视频，视频载体本身展现了我国现代科技进步与发展现状，有益于学生增强民族自信.案例的选取有利于学生认识到惯性的利与弊，引导学生从哲学的角度用辩证的观点思考物理学发展和进步，树立正确的科学价值观，有益于学生科学态度和责任的养成.

5 结束语

教学实践表明，基于核心素养的教学内容和教学目标分析，广泛联系生产生活实际，充分挖掘教学资源，优化情境创设和问题引导，强化探究实践体验与交流，优化教学过程设计，引导学生经历发现、质疑、猜想、探究、分析、交流、应用等重要环节，在深化知识建构的过程中发展完善物理观念、感悟科学思维、体会科学方法、培养科学态度和责任，才能真正实现从物理学科知识教学向物理学科核心素养培育的转变.