張忠俊

(重慶清華中學 重慶 400054)

1 設(shè)計思想

科學探究應是物理教學的本質(zhì)特征之一,是激發(fā)學生學習內(nèi)在動機的有效教學方式.科學探究課不能片面地理解為實驗課,其核心評價指標應該是學生內(nèi)心知、情、意的變化.科學探究也不是學生自發(fā)的研究,而是教師精心策劃與指導的結(jié)果.教師精心創(chuàng)設(shè)的情景和巧妙的提問,能激勵學生不斷地產(chǎn)生探究物理本質(zhì)的強烈欲望,所以“情景的創(chuàng)設(shè)”和“問題的設(shè)置”應該是科學探究課的關(guān)鍵.

“牛頓第一定律”是在初中學過的內(nèi)容,也是高中教學中常被教師忽視的內(nèi)容,有的甚至一帶而過,這導致學生對牛頓第一定律的理解基本停留在初中的認知水平.本設(shè)計從建構(gòu)主義原理和認知心理學出發(fā),緊緊圍繞牛頓第一定律的產(chǎn)生過程,深入挖掘物理學史中的相關(guān)素材,將牛頓第一定律產(chǎn)生過程的幾個關(guān)鍵問題以原貌的形式展示給學生,讓他們作為各個歷史時期的“探究者”參與相關(guān)問題的討論.在討論的過程中學生會發(fā)現(xiàn):“這些看似簡單的問題不僅很難回答,而且蘊藏著深刻的思想方法,所以人類用了幾千年的時間才弄清楚”.通過這樣的探究,不僅讓學生獲得了物理知識,更讓學生感受科學結(jié)論得出的艱難歷程,并感悟科學之美,從而取得較好的教學效果.

2 學生情況分析

學生經(jīng)過初中的學習,比較熟悉本節(jié)課的內(nèi)容,也能解釋諸如剎車、套緊錘頭等現(xiàn)象,但他們對慣性概念和牛頓第一定律的認識以解釋現(xiàn)象為主.進入高中后,學生的抽象思維能力得到了較大發(fā)展,但為了引導他們從現(xiàn)象上升到本質(zhì),仍然需要把學生原有的知識經(jīng)驗作為新知識的生長點.

3 教材和教法的分析

牛頓第一定律是牛頓力學的基石,它糾正了自亞里士多德以來長達近兩千年的的錯誤觀點,改變了人類的自然觀和世界觀,對物理學的發(fā)展有重大影響.慣性和牛頓第一定律都比較抽象,伽利略的理想實驗也是一種重要的思想方法,學生真正理解起來是有難度的.教學中我們也發(fā)現(xiàn),讓學生真正改變“力是運動的原因”這一直覺觀念非常困難,很多同學在分析物理問題時,總是不自覺地變成亞里士多德的“信徒”.比如看到物體在運動,就認為它一定受到力的作用;物體向東運動就認為物體必定受向東的力;物體的速度大是因為它受力大的緣故;物體受力為零,它的速度也應為零等等.要改變這一現(xiàn)狀應該注意以下幾點:其一,讓學生參與得出牛頓第一定律的思維過程;其二,讓學生感受科學的思想方法.

教材按歷史發(fā)展的線索來編寫,但對亞里士多德的觀點闡述過于簡單,從而造成學生有亞里士多德“很傻”的感覺,本課深入挖掘歷史事實,提出亞里士多德的“虛空理論”,讓學生明白要駁倒亞里士多德是非常困難的,從而增加對科學探索的興趣.伽利略和笛卡爾都做出了很大的貢獻,教師反問“為什么不叫伽利略定律或者笛卡爾定律”引起學生進一步探索的興趣,為牛頓的隆重出場奠定基礎(chǔ).讓學生思考“牛頓高明在什么地方”,通過分析討論就能加深學生對“由現(xiàn)象到本質(zhì),由一般結(jié)論到規(guī)律”這一抽象提煉過程的認識,否則,學生會認為牛頓只是一個“摘別人果實”的人.

本節(jié)的重點是牛頓第一定律得出的歷史過程,難點是對慣性及力與慣性關(guān)系的理解.

4 教學目標

4.1 知識、技能目標

(1)理解牛頓第一定律的內(nèi)容及意義.

(2)理解慣性,知道日常生活中由于慣性而產(chǎn)生的簡單現(xiàn)象,并能解釋.

(3)理解慣性和力的關(guān)系.

4.2 過程、方法目標

培養(yǎng)學生嚴謹?shù)倪壿嬐评砟芰?通過學生對歷史演變過程的“親身”參與,培養(yǎng)他們深度分析和思考的能力;通過對生活實例的分析,培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力.

4.3 情感、態(tài)度目標

讓學生感受科學探究過程的艱辛,感受科學之美和科學的精神.

5 教學過程

5.1 引入新課

【教師講解】同學們,我國的航天事業(yè)取得了舉世矚目的成績,發(fā)射了系列載人飛船.飛船發(fā)射是一個復雜的系統(tǒng)工程,但它仍然用到最基本的物理原理,比如為了保證飛船的平穩(wěn)飛行,就要用第一章靜力學的知識分析它的受力情況;為確定飛船的位置,就要運用第二章所學的運動學知識;而需要確定多大的推力才能將飛船送入預定軌道,就得研究運動和力的關(guān)系,這就是第三章的知識 ——動力學.

動力學的奠基人牛頓1687年出版了他的劃時代著作《自然哲學的數(shù)學原理》,他在書中提出三條運動定律,成為整個動力學的基礎(chǔ);今天我們就來學習牛頓第一定律.

(通過章首語讓學生了解全章將要學習的主要內(nèi)容)

5.2 新課教學

【投影展示】有一個基本問題,幾千年來都因為它太復雜而含糊不清,這就是運動的問題 ……

—— 愛因斯坦

良好的開篇是成功的一半.用愛因斯坦這句話作為本節(jié)的引入可以迅速吸引學生的注意力,因為在他們心中,運動的問題有那么復雜嗎?愛因斯坦怎么會說這樣的話呢?從而產(chǎn)生求知欲望.

【教師引導】運動問題真如愛因斯坦所說的這樣復雜嗎?我們先回顧一下歷史.兩千多年前,亞里士多德根據(jù)生活經(jīng)驗得出結(jié)論:力是維持物體運動的原因.一個靜止的小車,用力拉它就動了,不拉它又要停下來.現(xiàn)在我們都知道亞里士多德的觀點是錯的,究竟錯在哪里呢?

現(xiàn)代認知心理學認為,要實現(xiàn)有意義學習的條件之一是“先行引導材料”能夠與學生認知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)知識或經(jīng)驗聯(lián)系.從學生熟悉的問題入手,不僅可以消除畏懼感,更可以找到知識的同化點,使其更加積極參與.一般學生都會回答:不拉它了,小車還會繼續(xù)運動,所以力不是維持物體運動的原因.

【教師引導】難道被稱為古希臘最博學的亞里士多德當年就沒有考慮到這個問題嗎?其實不然,他當時這樣解釋:撤掉力之后,小車由于運動會在它后面產(chǎn)生一個“虛空”——沒有空氣的空間,空氣要填補這個“虛空”,于是對小車產(chǎn)生一個向前的推力,但這個推力小于摩擦力,所以最后停了下來(展示動畫),所以亞里士多德仍然認為力是維持物體運動的原因.假如現(xiàn)在我是亞里士多德的代言人,有誰能和我辯論?

提出有價值的問題,是學生真正思維活動的開始.認知心理學也認為,當教學內(nèi)容以問題方式呈現(xiàn)時,將引起認知沖突,學生將面臨新問題的挑戰(zhàn),產(chǎn)生探索的心理傾向,為了解決當前的問題,學生只好改變原有的認知結(jié)構(gòu),從而獲得新知或解決問題,這就是順應的學習方式,這種方式將引起認知結(jié)構(gòu)質(zhì)的改變.通過展示動畫,提出亞里士多德當年的虛空理論,它一下抓住了學生的注意力,促使他們積極思考.通過角色扮演,學生發(fā)現(xiàn)要駁倒亞里士多德是非常困難的,原來亞里士多德并不“傻”.但絕大部分學生對反駁虛空理論無計可施.

【教師引導】駁倒亞里士多德的虛空理論并不容易,歷史上很多科學家都沒有成功,這也是亞里士多德理論統(tǒng)治學界一千多年的原因之一.1372年,巴黎大學校長布里丹用一個簡單的玩具 ——陀螺駁到了虛空理論.下面請同學們玩玩陀螺,看你們能不能從陀螺的旋轉(zhuǎn)中得到啟示,來批駁亞里士多德的虛空理論.

(用學生熟悉的玩具做實驗,讓學生感到物理就在身邊.學生經(jīng)過討論,可以找到與布里丹同樣的認識,內(nèi)在動機得到激發(fā),進而產(chǎn)生探究的成就感)

【教師講解】根據(jù)同學們的分析,當陀螺旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的時候,仿佛沒有動.這時陀螺周圍并沒有產(chǎn)生虛空,但他依然在繼續(xù)轉(zhuǎn)動,說明亞里士多德的虛空理論是不成立的.但陀螺為什么還要繼續(xù)轉(zhuǎn)動,最后又停下來呢,布里丹也解釋不清.

層層設(shè)問,將學生的思維不斷引向深入.

布魯納的發(fā)現(xiàn)學習理論認為,促進學生學習的真正動力不在于他們掌握了多少知識,而在于其內(nèi)部動機的激發(fā).學生從個人與他人(特別是像科學家這樣的偉人)的認知一致中獲得滿足,學生在發(fā)現(xiàn)中的成就感都可以激發(fā)其內(nèi)在動機.

【教師提問】伽利略又是怎樣駁倒亞里士多德的呢?

【實驗演示】和學生一起做伽利略的斜面實驗.

【教師設(shè)問】伽利略實驗中,這個小球在水平面上的運動,有力維持嗎?(沒有),說明力是維持物體運動的原因嗎?(不是)伽利略根據(jù)它的實驗得到一個結(jié)論:

【引導看書】看課本第45頁最后一行.

引導學生看書,一方面讓學生養(yǎng)成好的讀書習慣,另一方面也為和笛卡爾的觀點相比較作鋪墊.這個實驗并不復雜,其推理過程在現(xiàn)代學生的眼中也很簡單,所以對實驗本身不要過多停留和講解.

【教師板書】伽利略的觀點:在理想情況下,一個在水平面上運動的物體將沿著水平面以恒定的速度持續(xù)運動下去.

教師用氣墊導軌近似地驗證上述結(jié)論.

【教師講解】伽利略的實驗得到愛因斯坦的高度評價.

【板書】伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標志著物理學的真正開端.

(當代學生知識面較廣,他們可能并不覺得這個實驗有什么了不起的地方;這時用最偉大的科學家的評語,可以讓學生重新審視這個實驗,從而感悟到伽利略的確貢獻不凡)

【板書】伽利略的貢獻.

其一,推翻了力是維持速度的原因這一幾千年的錯誤觀念(告訴學生直覺并不總是可靠的,他有時會把我們引導到錯誤的線索上去).

其二,引進了理想實驗這一種重要的科學研究方法.引導學生看書,什么是理想實驗.教師問:伽利略貢獻如此之大,但我們?yōu)槭裁床话阉匈だ远赡?

“是啊!連愛因斯坦這樣的大科學家都給出了高度評價,怎么不叫伽利略定律呢?學生探究的欲望被再次激發(fā).

【教師引導】我們來看與伽利略同時代的法國科學家笛卡兒的總結(jié),引導學生看書.

(學生帶著急切的心情看課本)

【板書】笛卡兒的觀點:如果沒有其他原因,運動的物體將繼續(xù)以同一速度沿著一條直線運動,既不會停下來,也不會偏離原來的方向.

【教師設(shè)問】課本上說,笛卡兒進一步補充和完善了伽利略的論點,笛卡兒在哪些地方補充和完善了伽利略的論點?

(引導學生回答;由水平面 —— 任意直線)

【教師設(shè)問】為什么也不叫笛卡兒定律呢?

層層設(shè)問,讓學生不斷地由清晰到迷茫.教師引導學生看牛頓的總結(jié).

【板書】牛頓第一定律:一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止.

【教師設(shè)問】牛頓高明在什么地方?

(教師精心設(shè)計的導引語是啟發(fā)成功的關(guān)鍵.引導學生討論.)

【教師引導】先來分析前半句,“一切物體”,包含了宇宙萬物,把天上和地上統(tǒng)一起來;“總保持靜止或勻速直線運動”,即每個物體都要保持靜止或勻速直線運動狀態(tài).所有物體都具有的,當然是物體本身的一種屬性,就像每一個物體都具有質(zhì)量一樣.牛頓認為這種屬性的特征就是不愿改變現(xiàn)狀,有點懶惰,所以牛頓給它取名為Inertia(惰性,遲鈍),翻譯過來就叫慣性.牛頓的第一個貢獻就是引進了慣性這個概念.

【板書】慣性:物體保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì).

發(fā)揮學生的主體性并不是讓學生胡思亂想,教師恰到好處的引導對提高學生的思維能力大有裨益.“慣性”是一個很抽象的概念,就“慣性”而談“慣性”,學生是很難理解的.本課設(shè)計時首先把它回歸到“屬性”這一學生易理解的概念上去,讓學生明確“屬性”是物體本身的一種性質(zhì),還可以讓學生再舉一些“屬性”的例子以加深理解,從而更深刻地認識到慣性也是物體的屬性之一.為什么叫慣性呢?由牛頓取的名字Inertia開講,有“四兩撥千斤”之效.

維果茨基“最近發(fā)展區(qū)”理論認為,問題的有效性在于學生能否“跳一跳,摸得到”,從伽利略的“水平面”到笛卡兒的“直線”,從惰性到屬性再到慣性,讓學生的認知始終在“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)發(fā)展.

【教師講解】牛頓認為:一切物體都有慣性,慣性是物體的固有屬性.(解釋固有,與物體的運動狀態(tài)無關(guān),與物體的受力狀況無關(guān))

【教師引導分析】教師引導學生用慣性解釋部分現(xiàn)象,小車的繼續(xù)運動,陀螺旋轉(zhuǎn).

教師引導學生觀看一個模擬車禍的動畫,讓學生解釋車停了之后人為什么還要往前沖,教育學生養(yǎng)成坐車系安全帶的好習慣.

【學生實驗】桌上有兩個雞蛋,一個是熟的,一個是生的,要求同學們運用慣性原理把他們區(qū)分出來,談談各小組的做法并用物理原理解釋.

(同學們創(chuàng)造性地做實驗并用所學知識解釋,最后將雞蛋打爛以驗證.)

【教師引導】牛頓第一定律中還有一句話,直到有外力迫使它改變?yōu)橹?這是牛頓第一定律畫龍點睛之筆,把幾千年都爭論不休的問題解決了.力的作用是什么呢?(請學生回答)

【板書】力不是維持物體運動的原因,而是改變物體運動狀態(tài)的原因.

【教師引導】用力踢球,球運動起來,因為力迫使球的狀態(tài)發(fā)生了改變;下落的物體速度越來越快,是因為在重力的作用下物體的運動狀態(tài)被不斷改變的結(jié)果.

【教師引導】讓學生再讀牛頓第一定律,分析該定律講的是物體受力時的狀態(tài)呢還是不受力的的狀態(tài)呢?(學生回答.)

【板書】物體不受力時將保持靜止或勻速運動狀態(tài).

【教師引導】世界上沒有不受力的物體,但我們?nèi)匀豢吹接械奈矬w處于靜止或勻速運動狀態(tài),這是什么原因呢?引導學生分析物體受平衡力的時候也將保持靜止或勻速運動狀態(tài).

【教師總結(jié)】牛頓不是簡單地取個名字,而是一種高度的概括、總結(jié)和提升.將物體保持靜止或勻速運動狀態(tài)這種現(xiàn)象上升為物體的一種性質(zhì),將物體不受力時將保持靜止或勻速運動狀態(tài)上升為一種規(guī)律,這是牛頓大大超越前人的地方;可見人類對科學的認識是一步一步接近真理的.

點明這一點很重要,因為有的學生甚至有個別教師都認為牛頓是“摘別人果實”的人,要讓學生明白這個道理,充分展示歷史發(fā)展進程中的各種觀點事關(guān)重要.

認知心理學強調(diào)學生要學好知識必須掌握學科的知識結(jié)構(gòu),特別是概念和原理.要更好地掌握概念和原理,就要強調(diào)學習的過程,而不是結(jié)果,要讓學生自己去思考,參與知識獲得的過程.

【教師引導】你們覺得牛頓偉大嗎?我對牛頓也佩服得五體投地,曾寫過一首小詩贊頌牛頓:“動靜迷茫唯神知,牛頓一語破天機.宇宙和諧如音律,擎天基石簡如斯.”

(教師對這首詩略作解釋,特別是第一句,在牛頓以前人們認為萬物的運動由神在支配,人類無法知道其運行的規(guī)律.教師是學生精神的引領(lǐng)者,教師要不失時機地施展才華是對學生引領(lǐng)的最好方式)

【教師引導】同學們,我的詩不算好,但牛頓第一定律很美,你們發(fā)現(xiàn)了它的美麗嗎?你們會感受音樂之美、欣賞風景之美,今天我們來感受科學之美.牛頓第一定律是人類智慧之美,它是牛頓等科學家的結(jié)晶.它就像蒙娜麗莎的微笑,就像貝多芬的交響樂,是一件不朽的藝術(shù)品,令科學家陶醉.它如此簡潔,解決了千年難題,科學定律都具有簡潔美.如果你以后當了科學家,得到一個很冗長、繁瑣的結(jié)論,那很可能是錯的,因為它不美!牛頓第一定律是如此和諧,就如愛因斯坦所說:讀牛頓三大定律就像聽一首動聽的音樂.愛因斯坦、牛頓都聽懂了宇宙的音樂,做出了偉大的貢獻,我希望我們的同學中將來也能出一兩個能聽懂宇宙音樂的人.

對學生進行美的教育是教學的情感目標,物理課怎樣進行情感教育呢?其一,讓學生積極主動探求物理規(guī)律,培養(yǎng)其積極向上的情感.其二,教師本人的情感、態(tài)度和價值觀對學生的正面影響.其三,讓學生學會感受科學之美:科學家的精神之美,科學結(jié)論的創(chuàng)造之美,簡潔和諧對稱之美等.既需要“潤物細無聲”,有時還得大聲疾呼.

【教師引導】難道我們古人幾千年都沒有人能聽懂宇宙的歌嗎?其實我們古代也有人關(guān)注過慣性現(xiàn)象.《墨經(jīng)·考工記》中寫道:“勸登馬力,馬力既竭,猶能一取也”,意思是說,馬拉車時,馬雖然對車不再施力了,但車還能前進一小段.但古代人沒有去深究原因,這暴露出傳統(tǒng)文化的思維缺陷,不善于刨根問底,我們這一代人一定要改變.下面再來深入討論牛頓第一定律.

既要為我們古代的成就自豪,也要勇于承認我們的不足,讓學生辯證思考問題也是教學的任務.

【教師提問】

討論1:慣性和慣性定律的區(qū)別.(慣性是物體的固有屬性,而慣性定律是物體不受外力時的運動定律)

討論2:力和慣性的關(guān)系.(力要改變物體的運動狀態(tài),而慣性要保持物體的運動狀態(tài),這是一對矛盾,物體的運動就是這一對矛盾對立統(tǒng)一的結(jié)果)

討論3:小明的設(shè)想.同學小明設(shè)想可以用熱氣球很方便地完成他環(huán)游世界的美夢.他乘坐熱氣球升到空中,當?shù)厍蜣D(zhuǎn)過來時他就下去旅游,然后又到熱氣球上等下一個地方的到來.請問他的設(shè)想能實現(xiàn)嗎?

課后問題4:科學家馬赫認為“根本不存在慣性”,請課后上網(wǎng)查詢“馬赫原理”,遞交你自己的理解報告.

科學是沒有終點的.“科學不過是人和自然關(guān)系的一部分”(費曼語).我們所做的科學結(jié)論只是當時的我們對世界的一種認識,“也許真實的世界根本就不是那樣(費曼語)”.所以科學是發(fā)展的,不同的人對同一個問題可能產(chǎn)生不同的看法很正常,科學是沒有權(quán)威的.既要對科學家由衷地敬佩,也不要迷信;科學是沒有終點的的,每個人都是獨特的,后人總是要超越前人的,從而培養(yǎng)他們的自信心.

【教師小結(jié)】

(1)按照歷史的進程重新闡述各位科學家的主要觀點.

(2)復習慣性和牛頓第一定律的內(nèi)容,并加以區(qū)別.

(3)總結(jié)慣性和力的關(guān)系,為下一節(jié)的教學鋪墊.

根據(jù)建構(gòu)主義教學觀,本節(jié)課在教學設(shè)計時,凸顯了學生的中心地位,重視了教學情境的營造和真實任務的安排,讓學生在問題的牽引下積極參與知識得出的全過程,讓學生在認知沖突中不斷建構(gòu)自己的知識結(jié)構(gòu),使學生在建構(gòu)知識的過程中獲得解決問題的智慧和能力,提高了思維品質(zhì).