自制简易实验仪器彰显课改教学理念<br/>——新课程理念下新粤教版教材中“牛顿第一定律”教学实验的创新设计

自制简易实验仪器彰显课改教学理念
——新课程理念下新粤教版教材中“牛顿第一定律”教学实验的创新设计

2022-08-13广东省阳山县阳山中学513100

中小学实验与装备 2022年2期

广东省阳山县阳山中学(513100) 谭程

1 问题的提出

众所周知，“牛顿第一定律”是高中物理中非常重要的一节教学内容，而本节内容的一个核心实验就是伽利略理想斜面实验，该实验蕴含着非常丰富的科学思维以及逻辑推理思想，是物理学史上“观察实验与科学推理”相结合的典范，是对学生科学方法教育的典型素材，是牛顿第一定律的关键点。但是当我们反观教材以及高中物理教师的课堂教学时，就不难发现，无论是教材对该实验的描述，还是教师在课堂上对该实验的分析，都只告诉学生一个这样的历史事实：那就是伽利略通过自己构思出来的理想斜面实验推翻了亚里士多德的“物体的运动需要力来维持”的观点，却都不提伽利略是如何建构理想斜面实验进而得出结论的。更不可思议的是很多教师在分析伽利略理想斜面实验时，都是“照本宣科”，机械地按照教材的编排演示一下伽利略斜面实验，便立即得出牛顿第一定律。《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称《新课标》)中对“牛顿第一定律”一节教学内容所制定的教学要求和目标为：“在物理教学中教师应抓住伽利略理想斜面实验这一探究的关键点，通过重演伽利略的探索过程、思维过程(教学要求)，让学生经历伽利略理想斜面实验的设计过程，领悟观察实验、科学想象和科学推理相结合的巧妙之处(教学目标)”。笔者在仔细地分析了新粤教版教材必修一中的“牛顿第一定律”这一节的教材内容以及《新课标》对本节内容的教学目标后认为：对于新粤教版教材中的“牛顿第一定律”，如果还是按上述教学模式来传授，必将出现以下两个严重的弊端：

弊端1：无法落实《新课标》对“牛顿第一定律”一节中关于伽利略理想斜面实验提出的教学要求，更无法把伽利略“研究斜面实验的思想和方法”渗透到学生大脑中。

弊端2：难以达成《新课标》对“牛顿第一定律”一节中关于伽利略理想斜面实验提出的教学目标。

基于以上原因，笔者依据《新课标》要求对新粤教版教材必修一中“牛顿第一定律”实验教学进行了以下创新实验设计：

2 基于“类比、等效和极限思维”的创新实验设计

伽利略理想斜面实验的建构，归纳起来主要经历了单摆实验的启发——不同倾角斜面对接实验——理想实验构想等几个重要的科学思维过程。笔者依托新课程理念，基于类比思维、等效思维和极限思维，对新粤教版教材必修一中“牛顿第一定律”一节课的教学实验进行了创新设计，将“伽利略构建理想斜面实验的建构过程”展示出来，引导学生重温科学家的探索过程。教学实验的设计原理及过程如下所述：

2.1 类比单摆——寻找打开伽利略理想斜面实验之门的钥匙

为了重演伽利略建构理想斜面实验的过程，笔者首先设置了单摆实验和斜面实验，具体实验设置如下：

创新设计1：单摆与米尺的完美组合

传统的单摆如图1所示，由于摆球运动到最高点停留的时间很短，不便于学生观察，于是笔者自制了一个创新的单摆，如图2所示：用一实心发光弹力球(质量比较大、体积较小)替代了摆球，实验时用手触碰一下弹力球使其发光，这样可以明显地观察到弹力球摆动时达到的高度。为了便于观察弹力球“始末高度关系”，可在铁架台上沿水平方向固定一把米尺：实验时让弹力球从米尺的左端由静止释放，当弹力球摆到右端最高点时，通过米尺就可判断小球“始末高度关系”。

图1 单摆装置

图2 改进的单摆装置

单摆学生并不陌生，那么单摆的运动又有什么基本规律呢？为此笔者引导学生参与下列实验，然后由学生阐述实验事实。具体操作如下：

实验设计：如图2所示，用手触碰一下实心发光弹力球使其发光，然后将发光弹力球从米尺的一端(如左端)由静止释放，让学生仔细观察发光弹力球摆动的“始末高度关系”以及基本的运动规律。

实验事实：在细绳的约束下，摆球的运动轨迹是一段圆弧，在摆动时间不长时，摆球的“始末高度”几乎相等。

依据学生分析的实验事实，笔者进一步向学生提出下列探究问题：根据摆球运动轨迹，能否用别的器材来替代摆绳对小球的约束，同样使小球的运动轨迹为一段曲线轨迹呢？

创新设计2：小球与斜面的完美替代

为了完成上述探究问题，笔者给学生提供了PVC塑料槽和固定支架，然后设计了如图3所示的实验装置，为了便于学生观察，笔者在紧靠斜槽的竖直板上沿水平方向贴了2条红色的塑料胶布，称为“等高线”，用于判断小球的“始末高度关系”。实验操作如下：

图3 自制圆弧线槽轨道

实验设计：将小球从图3装置中斜槽左端最高点处由静止释放，让学生仔细观察小球运动到右端最高点时的高度。“始末高度的关系”可根据斜槽旁边的等高线来判断。

实验事实：小球在斜槽左端由静止释放后，小球向斜槽右端运动，当小球第一次在右端上升到最高点时，上升的高度略小于在左端静止释放时的高度(后面往复上升的高度不断减小)。

通过以上两个实验的设置与演示，学生发现这两个实验装置有等效的地方：单摆中的小球几乎能从一端摆到另一端的等高点处，而斜面实验也具有类似的实验现象。

接着继续向学生提出：如果我们改变单摆的运动情况，又将给我们在“分析小球在斜面上的运动”带来什么启示呢？为此笔者又设计了如下2个教学实验：

创新设计3：在单摆中垂线上钉钉子

为了改变单摆摆球的运动情况，笔者设计了如下实验：如果在单摆的中垂线上的适当位置上钉一颗钉子或者固定一根硬的细金属杆(这个钉或金属杆我们称为“伽利略针”)，那么当摆球从米尺左端的最高点由静止释放后，摆球遇到“伽利略针”后，摆球摆到右边时的高度情况会发生什么变化呢？

实验设计：在图2的基础上，在单摆的中垂线上固定好“伽利略针”，并与水平米尺相互垂直，如图4所示，我们习惯上将图4这个装置称为伽利略针和单摆实验装置，其效果图如图5所示，这样当摆球从米尺左端A点由静止释放后，摆线遇到“伽利略针”后，摆球的悬点发生了变化，这就导致单摆摆长发生了变化。那么此时摆球向右摆动所能到达的最高点将在哪里呢？

实验事实：通过多次实验发现，当单摆摆动到竖直位置摆线碰到“伽利略针”后，摆球会继续往右向上摆动，且摆球摆到右端最高点时，能上升到与A点等高位置的B点处，摆球运动的轨迹由两段半径不同的圆弧段构成。如图6所示，设O1点为“伽利略针”的初始位置。

接着把“伽利略针”向上移动到另一位置，如图6中由O1到O2，并重复上述实验，让学生认真观察以上重复的实验。摆球的运动轨迹分别如图7中的AO′B、AO′C、AO′D。

图4 伽利略针和单摆装置实物图

图5 伽利略针和单摆装置效果图

通过上面的实验和学生进一步的分析会发现：虽然“伽利略针”的位置上移了，但每次实验中小球摆到右端时最高点的高度与静止释放点的高度几乎相同。所不同的就是随着“伽利略针”位置的上移，摆球的水平位移在不断增加。

图6 两段半径不同的圆弧构成的轨迹

图7 摆球的运动轨迹

学生发现随着“伽利略针”位置的上移，摆球的水平位移在不断增加，这是一个重要的发现，为探究牛顿第一定律奠定了基础。于是笔者紧接着给学生设置了下列问题并安排学生分组实验(此实验完全放手给学生)：如何使斜面上的小球运动时在水平方向上的位移也增加呢？

创新设计4：不同倾角斜面对接

要增加小球在斜面上运动的水平距离，绝大部分学生经过讨论后认为能够实现。如图3所示，线槽左端高度固定，而线槽右端高度可通过可调旋钮来改变，学生通过实验发现，改变图3中BC部分的倾角，就可改变小球在斜面上运动的水平距离。事实上整个线槽可看作是由左、右两个倾角不同的斜面对接而成，示意图如图8所示。

图8 两个不同倾角的斜面对接

实验时不断减小图8中BC斜面的倾角，学生发现：小球从左边斜面A点由静止释放，每次实验中小球的“始末高度”在误差范围内近似相等(事实上hA略大于hB)。减小右边斜面BC的倾角后，以上结论依然成立，但小球通过的水平位移会变长。

基于上述分析，然后向学生提出以下探究问题：实验中如果我们将右边的斜面放置于水平位置，那么小球的运动将会怎样呢？

2.2 极限思维——推开牛顿第一定律紧闭之门的神奇力量

为了探究上述问题，笔者又设置了如下2个实验：

实验设计1：如图9 所示，为了便于观察，笔者更换了一个较长的线槽轨道。当右边斜面调成水平面、小球仍从线槽左端最高点由静止释放后，小球的运动将会怎样呢？

图9 右端斜面调节为水平轨道

通过实验，部分学生得出了如下结论：小球从斜面左端下滑到水平面后，小球会一直沿水平面向右运动，直到碰到水平轨道最右端的挡板为止。

这个结论可靠吗？按这个结论我们可以这样推理：如果小球不碰到水平轨道最右端的挡板，线槽轨道足够长，那么小球将一直运动下去。事实上导致学生得出上述结论的重要原因在于：教师演示的线槽轨道比较短，而小球释放的高度也比较高，小球下滑到水平面上时具有较大的速度，当它滑到线槽最右端时，仍未停止。而不可思议的是在实际的教学中的确有不少教师在课堂上就是按照上述操作演示给学生观察的，更滑稽的是不少教师就以此为准，直奔牛顿第一定律，然后美其名曰“实验探究成功”。这是典型的虚假实验探究教学。

事实上对于以上“部分学生的结论”，仍然还会有很多学生提出质疑：小球真的会一直向右运动吗？生活经验告诉他们，实际运动的物体总会停止下来，可见学生对本实验的结论产生质疑并非毫无依据。为了解开学生心中的疑惑，笔者进一步设置以下实验。

实验设计2：在图9中，保持右边斜面处于水平状态，然后不断减小小球从左边由静止释放的高度，让学生观察小球运动的结果。

通过实验，学生有了新的发现：当小球从左端斜面较高点由静止释放时，小球滑到水平面上时，会一直往前滑，直到碰到线槽右端固定挡板；当小球从斜面左端由静止释放时的高度较小时，小球下滑到水平面运动一段距离后会自动停下来，小球在水平线槽上停下来的原因是因为受到线槽的摩擦力。

2.3 逻辑推理——通向揭开牛顿第一定律面纱的阶梯

为了引导学生探究出牛顿第一定律，笔者让学生对单摆实验和斜面实验进行对比、抽象和综合，最后引导学生进行逻辑推理(见表1)。

由以上逻辑推理，学生已经明白了物体的运动不需要力来维持。

那么力的作用又是什么呢？为此，笔者引导学生分析日常生活中的现象：用手将静止在桌面上的小球轻推一下，它就运动起来。若过一会儿用手挡住它，它就停止运动。这就会让学生回想起初中学过的知识点(力的效果是改变物体的运动状态)。通过以上的实验探究、分析，终于得出了下列实验结论：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止，这就是牛顿第一定律。

表1 基于单摆实验和斜面实验的实验事实的逻辑推理

2.4 伽利略理想斜面实验的改进——“一个更好的引导学生进行猜想的改进实验”

为了更好地引导学生分析小球在水平面上的运动并得出结论，现对图3的实验进行改进，如图10所示，将图3中的斜面改为曲面，且曲面最底端与水平面相切，用气垫导轨替代水平线槽轨道，滑块上方固定一个小纸盒，纸盒左端开口，其余三个侧面有护栏，这样当小球滑入纸盒时，可以防止小球滑出去。实验时调节气垫导轨高度，使小纸盒没护栏的左端与曲面底端水平相切并紧靠。实验时将小球从曲面上由静止释放(小球质量要小，笔者在实验中发现小球质量太大会压住滑块不动)，注意高度不宜过高，目的就是为了使小球以一个较小的速度滚入纸盒内。当小球滚入纸盒后，从而使滑块获得一个比较小的速度，这样滑块在气垫导轨上运动的时间会变得更长，更直观的是当滑块与气垫导轨的左右两端发生轻碰后滑块还会在气垫导轨上往复运动一段时间，让学生观察到有“一直运动下去”的倾向。

图10 改进后的伽利略斜面实验实物图

3 一个让学生体验惯性的实验——坐在运动的车上上抛小球

牛顿第一定律也称惯性定律，为了让学生更加容易理解这一定律，笔者设计一个“让学生坐在运动的小车上上抛小球”的实验。目的是为了让学生亲身体验物体的惯性。如图11所示，小车是笔者自制的实验小车(可坐人，安全起见四周有1.2 m高的不锈钢护栏)。实验时让一学生坐在小车上，然后让另一学生推着小车做匀速直线运动，小车稳定运动后坐在小车上的学生将手中拿着的小球竖直上抛，其他学生观察小球的下落情况。注意抛球学生竖直向上抛球时，手沿竖直方向抛出去球后立即沿竖直方向回落到自己的大腿上方不动，并保持接球的姿势，以便学生判断落点与抛出点的位置关系。注意每次实验时保持小球有一定的上抛高度(0.7 m左右)。

图11 自制实验小车

从本实验中学生可看到小球每次都能落回到抛出点。此时引导学生分析：小球被向上抛出后，坐在小车上的学生水平方向上做匀速直线运动，而小球能落回到抛出点，说明小球在竖直方向上运动的同时，在水平方向上还保持着与小车在水平方向上相同的运动速度，而这个“坐在运动的车上上抛小球”的实验很好地证实了“小球被抛出后还保持沿水平方向运动的状态”，让学生亲历惯性的真实存在，并在真实的情景中理解惯性的概念以及惯性定律。

4 新课程理念下亲历牛顿第一定律实验教学设计的启示

新粤教版物理教材中的“牛顿第一定律”实验教学设计给我们带来的不仅仅是一个实验结论，更重要的是一些有价值的教学启示。结合新课程理论，笔者认为“牛顿第一定律”实验教学设计更应给我们带来以下教学启示：

4.1 明确新课程理念下物理学史的教学意义

法国物理学家保罗·朗之万说：“在科学教学中，加入历史的观点是有百利而无一弊的。”站在新课程理念的角度来看，达成物理学史教育意义的主要教学手段归纳起来见图12。

图12 达成物理学史教育意义的主要教学手段

4.2 彰显物理学史的真正教学价值

物理学史蕴涵着丰富的人文精神和丰富的人文知识，记录了人类探索物理规律的过程，因此物理学史的教学应体现出以下两个典型的教育价值：

(1)把物理学家的研究方法和思维转化为学生的认知能力。对于物理学史的教学，不仅仅要告诉学生某个物理现象的过程、探究方法，更重要的是使学生学到分析问题的思维，使学生把物理学家的研究方法和思维转化为一种认知的能力，提高他们分析问题和解决问题的能力，而并不是简单地告诉学生一个硬生生的结论。比如在伽利略理想斜面实验的教学中，我们除了要培养学生的质疑精神，更重要的是培养学生的科学思维。比如学生在分析交通事故时，要学会抓住问题的主要矛盾——分析刹车痕迹、查阅资料找出车轮与地面的动摩擦系数、常人的反应时间，建立匀变速直线运动模型，从而判断司机是否超速。

(2)把物理学家的科学态度和精神转化为学生的行为准则。从物理学史中我们可以看到，物理学家不但具有十分严谨的科学态度，而且具有坚持不懈、永不言败的拼搏精神。这种严谨的科学态度和顽强拼搏精神正是科学家取得成功的奥秘。为此我们可以通过物理学史告诉学生，无论做任何一件事情，我们都得像科学家那样，秉持严谨的科学态度和顽强的拼搏精神，方能取得成功。

4.3 倡导学生提出质疑

质疑是推动社会持续发展的动力，物理学上每迈出一大步、每一个重大发现，都源于质疑。质疑精神不但古人重视，现代教育更加提倡，但结果怎样？事实上学生几乎提不出高质量的质疑，因此教学中要倡导学生提出“高质量的质疑”。如果是“因为知识理解不透导致不能解决遇到的问题，提出疑问”，这属于低层次质疑。如果是“发现所观察到的现象与已有认知发生冲突，或者发现已有认知之间不能自洽，从而对现有认知的科学性和合理性提出疑问，以至于萌发出新的猜想”，这是高层次的质疑，这种质疑会促使学生经历逻辑推理、演绎计算、进行实验等重要的科学探究过程，有助于促进学生科学思维的形成。