(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校，江蘇 南京 211102)

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課的設(shè)計(jì)緊緊圍繞牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，深入挖掘物理學(xué)史中的相關(guān)素材，將牛頓第一定律發(fā)現(xiàn)過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題以歷史原貌的形式展示給學(xué)生，讓他們作為各個(gè)歷史時(shí)期的研究者參與相關(guān)問(wèn)題的討論.在對(duì)話的過(guò)程中學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)：這些看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題不僅很難回答，而且蘊(yùn)藏著深刻的思想方法，所以人類用了幾千年的時(shí)間才弄清楚.通過(guò)這樣的教學(xué)，讓學(xué)生“重走”物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)之路，不僅讓他們自主建構(gòu)了物理知識(shí)的意義，更讓他們感受到科學(xué)結(jié)論得出的艱難，領(lǐng)略科學(xué)思維的力量和美，從而取得了較好的教學(xué)效果.

2 教材分析

在高中物理教材中，牛頓第一定律被設(shè)為單獨(dú)的一節(jié)內(nèi)容.但是在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，很多教師并未把該節(jié)內(nèi)容講透，不是隔靴搔癢，就是囫圇吞棗.究其原因，是他們認(rèn)為學(xué)生在初中已學(xué)過(guò)了這個(gè)知識(shí)，知道伽利略通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)等推翻了亞里斯多德的觀點(diǎn)：物體的運(yùn)動(dòng)需要力去維持.其實(shí)，牛頓第一定律是經(jīng)典力學(xué)的基石，正是因?yàn)樗瞥碎L(zhǎng)達(dá)近兩千年的亞里士多德的錯(cuò)誤，改變了人類的自然觀和世界觀.同時(shí)，它本身還包含著力、慣性和參考系等科學(xué)概念，成為物理學(xué)理論的基礎(chǔ).牛頓第一定律的內(nèi)容，看似簡(jiǎn)單，實(shí)則非常深刻，學(xué)生要達(dá)到真正理解并不容易.所以，教學(xué)中應(yīng)在知識(shí)的來(lái)龍去脈上進(jìn)行突破，并透過(guò)現(xiàn)象、真正深刻地觸及到牛頓第一定律的本質(zhì)，否則學(xué)生對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)就會(huì)含混不清.

3 學(xué)情分析

學(xué)生在初中已學(xué)過(guò)牛頓第一定律,那為什么在高中階段仍然要繼續(xù)學(xué)習(xí)？學(xué)習(xí)牛頓第一定律的意義就在于糾正我們通過(guò)經(jīng)驗(yàn)得出的錯(cuò)誤結(jié)論嗎？

初中物理對(duì)牛頓第一定律或慣性定律的表述為：“一切物體在沒(méi)有受到外力作用的時(shí)候，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài).”而在高中教科書中這樣表述：“一切物體總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止”.對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，初中物理的強(qiáng)調(diào)物體保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的條件是“物體在沒(méi)有受到外力作用”，而高中階段的表述則強(qiáng)調(diào)了“力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變”,為牛頓第二定律的學(xué)習(xí)做鋪墊.可見(jiàn),高中對(duì)牛頓第一定律的學(xué)習(xí)并不是對(duì)初中所學(xué)內(nèi)容的簡(jiǎn)單重復(fù),高中階段的學(xué)習(xí)更加深刻.

4 教學(xué)目標(biāo)

(1)知識(shí)與技能

①能敘述牛頓第一定律建立的過(guò)程.

②能夠陳述牛頓第一定律的內(nèi)容及意義.

③能夠從生活的經(jīng)驗(yàn)中體會(huì)慣性，會(huì)正確解釋日常生活中的慣性現(xiàn)象.

④使學(xué)生領(lǐng)會(huì)伽利略“理想實(shí)驗(yàn)”的思想.

(2)過(guò)程與方法

①培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砟芰?

②通過(guò)學(xué)生對(duì)歷史演變過(guò)程的“親身”參與，培養(yǎng)他們深度分析和思考的能力.

③通過(guò)對(duì)生活實(shí)例的分析，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力.

(3)情感態(tài)度與價(jià)值觀

讓學(xué)生知道科學(xué)研究過(guò)程的艱難，領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)加推理的科學(xué)研究方法.

5 教學(xué)重難點(diǎn)、教學(xué)策略

(1)教學(xué)重點(diǎn)：正確認(rèn)識(shí)物體運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系.

(2)教學(xué)難點(diǎn)：生活常識(shí)使人們對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系形成了模糊的認(rèn)識(shí)，要通過(guò)教學(xué)使學(xué)生克服傳統(tǒng)觀念，形成正確的認(rèn)識(shí).

(3)教學(xué)策略：運(yùn)用對(duì)話式教學(xué)，按物理史實(shí)為線索展示物理規(guī)律的形成過(guò)程.

6 教學(xué)過(guò)程

(1)引入新課

師：請(qǐng)同學(xué)們觀看天宮一號(hào)視頻.天宮一號(hào)的發(fā)射及其與神舟八號(hào)的空間交會(huì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，但它應(yīng)用的仍然是最基本的物理原理，比如為了保證飛船的平穩(wěn)飛行，就要用第三章靜力學(xué)的知識(shí)分析它的受力情況；為確定飛船的位置，就要運(yùn)用第二章所學(xué)的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)；而需要確定多大的推力才能將飛船送入預(yù)定軌道，從而控制運(yùn)動(dòng)，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)就得研究運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，這就是第四章的知識(shí)——?jiǎng)恿W(xué).力學(xué)的奠基人牛頓于1687年出版了他的劃時(shí)代著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，他在書中提出的三條運(yùn)動(dòng)定律成為整個(gè)力學(xué)的基礎(chǔ)，今天我們就來(lái)學(xué)習(xí)牛頓第一定律.

(2)新課教學(xué)

師：下面介紹與牛頓第一定律有關(guān)的物理學(xué)家.

亞里士多德：世界古代史上最偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家.

伽利略：意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家.

笛卡爾：法國(guó)哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家.

牛頓：英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和天文學(xué)家..

愛(ài)因斯坦：德國(guó)物理學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人.

老師扮演各個(gè)時(shí)期的科學(xué)家，學(xué)生對(duì)他們的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，對(duì)話開始.

“亞里士多德”：我經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，凡運(yùn)動(dòng)著的事物必然都有推動(dòng)者在推著它運(yùn)動(dòng).比如，我們推桌上的物體，如果不推了物體就會(huì)停止.

生：如果物體一個(gè)推一個(gè)，那么推的物體又需要?jiǎng)e的物體推它，追溯上去，豈不是有無(wú)限個(gè)物體了.

“亞里士多德”：不應(yīng)該有無(wú)限個(gè)物體，肯定存在著第一推動(dòng)者.

生：那么這個(gè)第一推動(dòng)者在哪？

“亞里士多德”：我認(rèn)為這是一種超自然的神力.

生：就算存在這個(gè)神力，可是我還發(fā)現(xiàn)許多物體不需要推動(dòng)就在運(yùn)動(dòng).如天體就在不停地運(yùn)動(dòng)，那又是誰(shuí)在推動(dòng)它們呢？

“亞里士多德”：運(yùn)動(dòng)的天體是不需要外力去推動(dòng)的，因?yàn)樗鼈兊摹白匀槐拘浴笔沁\(yùn)動(dòng)的，而地球上的物體和地球一樣它們的“自然本性”是靜止.

生：可是，應(yīng)該是地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)吧！

“亞里士多德”：應(yīng)該是太陽(yáng)在繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，地球是靜止的.

“伽利略”：桌面上的物體會(huì)停下來(lái)并不是物體的“自然本性”在起作用，而是因?yàn)榻佑|面不光滑.

生：那你這個(gè)觀點(diǎn)的依據(jù)何在？

“伽利略”：我們來(lái)看這樣一個(gè)“對(duì)接斜面”的實(shí)驗(yàn)，在斜面完全光滑時(shí)，物體沿斜面下滑會(huì)越來(lái)越快，沿斜面上滑會(huì)越來(lái)越慢，物體停在第二個(gè)斜面上的時(shí)候剛好會(huì)達(dá)到原來(lái)的高度(如圖1).

圖1

“伽利略”：如果第二個(gè)斜面水平，那物體將永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到這個(gè)高度，也就永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去了.所以，物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持.如果接觸面光滑，物體將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，補(bǔ)充一點(diǎn)：在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，斜面要光滑如鏡，用堅(jiān)硬材料制成，小球是極圓的球，用又硬又重的材料制成，并且沒(méi)有空氣阻力.

生：可是，伽利略先生，實(shí)驗(yàn)中的條件在現(xiàn)實(shí)中好像無(wú)法滿足，那您的實(shí)驗(yàn)是在哪做的？

“伽利略”：在我腦袋里做的.

生：有些不太明白.

“伽利略”：其實(shí)我這個(gè)實(shí)驗(yàn)不是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，而是理論思維的一種方式，是一種在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合合理的想象與科學(xué)推理而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，叫理想實(shí)驗(yàn).

“笛卡爾”：聽(tīng)聽(tīng)我的看法吧！如果物體處在運(yùn)動(dòng)之中，那么，如果沒(méi)有其他原因作用的話，它將繼續(xù)以同一速度在同一直線方向上運(yùn)動(dòng)，既不停止也不偏離原來(lái)的方向.

生：通過(guò)您剛才的話我知道了運(yùn)動(dòng)的物體是有一種保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性.那么靜止的物體呢？

“笛卡爾”：其實(shí)靜止也是一種特殊的運(yùn)動(dòng)方式，也就是速度為零的運(yùn)動(dòng).當(dāng)然物體也會(huì)具有保持靜止?fàn)顟B(tài)的特性了.

生：也就是說(shuō)，如果沒(méi)有其他原因作用的話，它將繼續(xù)以同一速度在同一直線方向上運(yùn)動(dòng)，或者是繼續(xù)靜止.那么您所說(shuō)的這個(gè)“其它原因”是指什么呢？

“牛頓”：還是我來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題吧！這個(gè)“其它原因”就是外力.我的觀點(diǎn)是：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非有外力迫使它改變這種狀態(tài).

生：可是我還有點(diǎn)疑問(wèn).請(qǐng)看圖2，球和車之間是光滑的，人和車是固定的.車從靜止向右開，人就會(huì)觀察到球在向自己運(yùn)動(dòng)，那么是什么力使它改變靜止?fàn)顟B(tài)的？

圖2

“牛頓”：小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變并不是因?yàn)槭芰α?是選取的參考系有問(wèn)題.

生：難道不能以車為參考系研究小球的運(yùn)動(dòng)嗎？

“牛頓”：不能，因?yàn)檐囀怯屑铀俣鹊?，有加速度的參考系我們叫做非慣性參考系，我的理論是不適用于非慣性參考系的.沒(méi)有加速度的參考系叫做慣性參考系，我的理論在慣性參考系里是成立的.比如地面就是慣性參考系.

生：可是地球和太陽(yáng)也在繞銀河系的中心運(yùn)轉(zhuǎn).

“牛頓”：那就以銀河系的中心為參考系.

學(xué)生：可是我們也不能確保銀河系的中心就一定沒(méi)加速度，那么這個(gè)慣性參考系在哪找到呢？

“牛頓”：肯定可以找到這樣一個(gè)參考系的，它永遠(yuǎn)是不動(dòng)的，是絕對(duì)的慣性參考系.

“愛(ài)因斯坦”：沒(méi)有絕對(duì)的慣性參考系，但存在近似的慣性參考系.在研究地面上物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把地球看成是慣性參考系.

師：我們基本上有一個(gè)滿意的結(jié)論了，那談話就到這里吧！

“愛(ài)因斯坦”：我再補(bǔ)充一點(diǎn)：伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端.

(3)總結(jié)、梳理不同時(shí)期科學(xué)家的觀點(diǎn)

亞里士多德：凡運(yùn)動(dòng)著的事物必然都有推動(dòng)者在推著它運(yùn)動(dòng)．力是維持物體的運(yùn)動(dòng)原因.

伽利略：物體的運(yùn)動(dòng)不需要力維持.如果接觸面光滑，物體將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.

笛卡爾：如果物體處在運(yùn)動(dòng)之中，那么如果沒(méi)有其他原因作用的話，它將繼續(xù)以同一速度在同一直線方向上運(yùn)動(dòng)，既不停止也不偏離原來(lái)的方向.

牛頓：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非有力迫使它改變這種狀態(tài).

(4)師生共同分析、思考，進(jìn)一步理解牛頓第一定律

力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因,可用速度描述物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；力是改變物體速度的原因；力是產(chǎn)生加速度的原因.

物體具有保持原來(lái)勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫做慣性.

思考一：慣性的大小與什么因素有關(guān)？

思考二：牛頓第一定律能用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證嗎？

思考三：理想實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論一定是可靠的嗎？

7 結(jié)語(yǔ)

本節(jié)課以物理學(xué)史作為教學(xué)主線，抓住了學(xué)生的興趣點(diǎn)，在課堂中進(jìn)行師生間多層次的對(duì)話.生態(tài)的課堂需要建立一種“對(duì)話場(chǎng)”，對(duì)話場(chǎng)的“能量”反映了學(xué)生參與對(duì)話的熱情,對(duì)話場(chǎng)的“疊加”表征了師生間互動(dòng)的程度與維度，對(duì)話場(chǎng)的“輻射”則體現(xiàn)在參與對(duì)話的廣度.但在具體教學(xué)中，教師基于自己的理解設(shè)計(jì)了所有問(wèn)題，未必與學(xué)生的興趣點(diǎn)契合.所有的學(xué)生都回答正確是不可能的,然而出現(xiàn)錯(cuò)誤的回答又會(huì)打亂教學(xué)節(jié)奏.只有在教學(xué)過(guò)程中，教師適當(dāng)引導(dǎo)，抓住主要線索，忽略次要環(huán)節(jié)，教學(xué)目標(biāo)才能順利實(shí)現(xiàn),使課堂不再成于為機(jī)械的預(yù)設(shè)生成的地方，而成為精彩的動(dòng)態(tài)生成的場(chǎng)所.

參考文獻(xiàn)：

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[2][德]艾·愛(ài)因斯坦，[波]科·英費(fèi)爾德著，周肇威譯．物理學(xué)的進(jìn)化[M]．長(zhǎng)沙：湖南教育出版社，1999．