引导学生自主学习的物理教学实践——以“牛顿第一定律”为例

龚立江 乔范均 刘 丹

(1.四川省南充市高坪区教育科学研究所，四川 南充 637100;2.四川省南充市高坪中学，四川 南充 637100;3.四川省南充市白塔中学，四川 南充 637100)

1 引言

“引导学生自主学习，提倡教学方式多样化”是新一轮高中物理课程改革的基本理念。自主学习是以学生为学习的主体，通过学生独立思考、分析、探索、实践、质疑、创造等方式来达成学习目标。《普通高中物理课程标准(2017年版)》明确提出：“高中物理课程通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力。”[1]笔者在“牛顿第一定律”的教学中，通过问题串、任务群引导学生独立思考，大胆质疑，自主探究，形成运动与相互作用观念，促进学生科学思维和科学探究能力的发展，培养学生严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，使学生的物理学科核心素养得到提高。

2 巧置情境，打开科学思维之阀

物理规律的探究需要创设问题情境。[2]通过创设与物理学习联系密切的情境，激发学生主动学习的心理状态，可以充分调动学生学习的积极性，促使学生自主学习。在教学引入时首先使用自制空气炮将“时光之门”(叠放的泡沫块墙)轰塌，并展示亚里士多德当年生活的情境，将学生带入公元前4世纪。引导学生思考：是什么力量打开了“时光之门”？物体的运动需要力来维持吗？力和运动的关系究竟是怎样的？人类经历了怎样的探索过程呢？带着这些问题我们一起来探究“力与运动”的关系。

2.1 创设情境，还原亚里士多德的思考过程

让学生扮演亚里士多德，展示出行的情境。提出问题：没有马拉车，怎么能让车运动呢？通过“亚里士多德”的独白引导学生思考。

问题1:亚里士多德要让静止的马车运动起来，你有什么办法？运动与什么因素有关？

问题2:亚里士多德用四匹马拉车比用两匹马拉车运动得更快，说明了什么？

问题3:亚里士多德在水平面上用力推车，车运动；停止用力，车静止。由此你能得出什么结论？

设计意图：用以上情境引导学生学习，关注学生的科学思维起点和最近发展区，贴近学生的生活经验，学生很容易形成“物体的运动是与力相联系的，如果不再用力，原来运动的物体就将停止”的直觉。同时告诉学生，2000多年前古希腊的亚里士多德根据大量的生活现象和经验提出了关于力和运动的观点：力是维持物体运动的原因。

2.2 质疑反思，引发认知冲突

在学生根据生活的直觉建立起“力是维持物体运动的原因”的运动观后，引导学生思考。

问题4:停止用力后，小车是否立即停止？

问题5:怎样增加小车继续运动的距离？

问题6:运动一定需要力来维持吗？

问题7:你觉得亚里士多德的运动观有问题吗？

问题8:我们又该如何去修正亚里士多德的观点呢？

设计意图：通过问题串引导学生质疑讨论，引起学生对直觉经验的反思，通过对问题4～6的思考讨论，学生发现停止用力后小车还会运动，而且运动的距离与小车的初速度有关，运动似乎又不需要力来维持，动摇了学生已有的认知，产生了认知冲突，激发了学生进一步探究的兴趣。

2.3 客观评价,养成实事求是的科学态度

问题9:通过学习，我们已多次发现亚里士多德的观点有误，你心目中的亚里士多德是怎么样的一个人呢？我们该如何正确看待物理学发展进程中的这些错误？

笔者在课前安排学生收集亚里士多德的相关资料，通过讨论交流认识到：亚里士多德是古代伟大的哲学家、科学家和教育家，是第一个倡导研究自然现象、并提出“物理学”名称的人。他力图以世界的本来面目说明各种自然现象，但由于当时的研究方法只是靠直觉和观察，所以他在物理方面的很多论述在今天看来是错误的，但是当时能够摆脱神的意志，形成一套自圆其说的体系，这是很大的进步。[3]正如爱因斯坦所说：提出一个问题往往比解决一个问题更重要。

设计意图：通过自由落体运动和本节的学习，学生感觉到在物理学的发展进程中亚里士多德似乎总是提出一些错误的观点，认为亚里士多德是一个错误的“集大成者”。通过问题9的讨论交流，纠正了学生的错误认识，培养了学生辩证的科学思维和实事求是的科学态度，促进了学生物理观念的形成。

3 实验探究，走向科学真相

3.1 伽利略第一次把物理实验与理性思维相结合

(1)提出问题

引起亚里士多德错误观点的“罪魁祸首”是什么呢？应该寻找怎样的方法去纠正维持了两千多年的错误观点？

(2)设计实验与制定方案

学生阅读伽利略理想斜面实验方案，了解其思想精髓：运用实验加推理的科学方法。引导学生根据伽利略的想法设计出本节课的实验方案，利用摩擦力和坡度大小可调的凹形铝合金导轨进行实验。

(3)实验探究一

学生在凹形铝合金导轨上分两种情况研究小球运动的整个过程：在凹形铝合金导轨上铺上布条；拿掉布条后重做刚才的实验。

学生通过观察发现：两次小球都不能达到与释放点等高的地方，拿掉布条后小球上升的高度更高。笔者引导他们合理外推：如果导轨对小球的摩擦力越来越小，小球上升的高度将怎样变化？当没有摩擦时，小球能到达与释放点等高的地方吗？

通过实验观察和理性思考，使学生认识到：小球在没有受到摩擦力的情况下将能到达与释放点等高的地方，初步体会实验加逻辑推理的科学研究方法。

(4)实验探究二

学生改变凹形导轨倾角，探究小球的运动情况。他们通过实验发现：当斜面倾角越来越小时，小球运动的路程越来越远。教师引导他们合理外推：如果导轨水平，小球将怎么运动？伽利略关于理想斜面实验的结论是否得到了验证？

学生通过实验探究二发现：不受力的小球将沿水平面永远运动下去。即运动不需要力来维持(伽利略的观点)。同时也明白了：伽利略关于理想斜面实验的结论是不可能用实验直接验证的，但这是建立在可靠实验事实的基础上经过合理推理而得到的正确结论。让学生加深对实验加逻辑推理方法的认识，学生通过对前面问题的探究，有一种“柳暗花明”的感觉，获得极大的成就感,从而激起他们进一步探究的欲望。

(5)介绍伽利略理想实验的意义

伽利略第一次把物理实验与理性思维结合起来，为后人提供了一种科学的方法。爱因斯坦曾高度评价伽利略的工作：“这个理想实验指出了真正建立动力学基础的线索。”同时，还引用了伽利略对亚里士多德的评价：“老实说，我赞成亚里士多德的著作，并精心进行研究，但我责备那些把自己沦为亚里士多德奴隶的人。”[3]

通过介绍伽利略理想实验的意义，促进学生养成科学的研究态度，尊重权威但不迷信权威，敢于独立思考，大胆质疑，进一步加深学生对亚里士多德的正确认识。

3.2 笛卡尔对伽利略的观点进行补充完善

伽利略通过实验和推理的方法形成了力与运动初步的正确观点：运动不需要力来维持。

问题1:伽利略认为不受力的物体将沿水平面永远运动下去，这个观点完全正确吗？

引导学生通过讨论发现：沿水平面永远运动下去，从地球整体角度看最终将是一个绕地球的曲线运动。

问题2:不受力的物体究竟怎么运动呢？

教师介绍：笛卡尔对力和运动的关系进行了深入研究，对伽利略的观点进行了补充完善，指出：如果运动中的物体没有受到力的作用，将继续以同一速度沿直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。

问题3:如何模拟不受力的条件，验证笛卡尔观点的正确性？

教师介绍气垫导轨的原理，让学生利用气垫导轨验证笛卡尔的观点。

通过对笛卡尔工作的介绍，让学生明白：运动物体不受力时做匀速直线运动，认识到伽利略运动观的局限性。利用气垫导轨实验，让学生知道：通过技术创新，可以模拟理想实验的条件，验证运动物体不受力时将保持匀速直线运动状态的观点，感受到科学前辈思维的深邃和前瞻性。

3.3 牛顿站在巨人的肩膀上，总结科学定律

(1)提出问题

在前面的实验中，我们只探究了运动的物体，静止的物体在受外力和不受外力时又会怎样？

(2)牛顿的归纳完善

牛顿通过深入分析认为：静止的物体不受外力时保持静止状态；力的作用是改变物体的运动状态；一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，这是物体的一种固有属性(惯性)。

(3)实验探究

问题1:液体有惯性吗？如何验证？

利用自制的器材引导学生在小车静止、起动、匀速、突然停止等情况下，探究固定在小车上的玻璃管中液体的运动情况，通过观察，认识到液体也具惯性。

回顾解释引入时空气炮打开“时光之门”的原理，加深学生对一切物体(固体、液体、气体)都具有惯性的理解。

问题2:惯性的大小与什么因素有关？

视频展示汽车满载和空载时制动距离的变化，引导学生自主分析，通过讨论得到结论：惯性大小只与物体的质量有关。

(4)交流总结

牛顿在总结前人研究成果的基础上，建立了牛顿力学体系，第一次提出了力的概念，发现了力与运动的规律，于1687年发表《自然哲学之数学原理》，其中牛顿第一定律的表述为：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为止。

学生自主体验探究过程，培养了他们的科学探究能力、科学态度和科学精神。他们也体会到：一条定律的提出，并非一蹴而就，它是几代物理学家共同探索的结果。正如牛顿自己所说：我之所以比别人看得更远，是因为我站在巨人的肩膀上。

4 学以致用，解决实际问题

教师用多媒体展示沙漠图片，解释沙漠的成因：因为人和自然的作用，土壤中质量较小的有机物颗粒在风力作用下被吹走了，剩下质量较大的沙土矿物质颗粒。

任务1:如何利用老师提供的米粒和麦片模拟沙漠的形成原因？

学生讨论后提出：用米粒模拟土壤中沙土矿物质颗粒，用麦片模拟土壤中的有机物颗粒，装入盘中，用嘴吹气，观察“沙漠”的形成过程。

任务2:你能设计出沙漠治理的方案吗？

引导学生根据生活经验，结合所学知识，设计出治理沙漠的方案：植树和浇水。

师：植树有何作用？

生：防风，减少外力，同时增加土壤湿度。

师：浇水有何作用？

生：有机物颗粒吸水后质量增大，惯性增大，不易被吹走。

任务3:让学生利用米粒和麦片，通过减小风力(吹气)和浇水的方法，验证方案的可行性。

用视频展示塞罕坝从荒漠沙地到青山绿水的图片，对学生进行环保生态教育，渗透“绿水青山就是金山银山”的理念教育，深化他们对运动与相互作用的认识。

学生把课堂所学知识、科学思维方法用于分析、解决生活问题，体现了“从生活走向物理，从物理走向生活”的课程理念，学生在问题解决中进一步提高了探究能力，增强了实践意识，形成了实事求是的科学态度，进而促进了学生物理学科核心素养的发展。

5 结语

物理学科核心素养的养成不是一蹴而就的，需要教师在平时的教学中有针对性地进行教学设计，创设物理规律的探究情境，设置好问题串、任务群，充分调动学生学习的积极性，促进学生自主学习和探究。让学生在自主探究的过程中，提升科学探究能力，培养质疑创新能力。加强物理与生产生活的联系，增强学生的实践意识，在学以致用中促进学生物理学科核心素养的发展。