李哲君 吳楊柳 蔡水珍 陳 波 伍山林 羅君平 李科敏

（湖南理工學(xué)院光電技術(shù)及應(yīng)用物理創(chuàng)新訓(xùn)練中心 湖南 岳陽 414006）

1 引言

教學(xué)設(shè)計(jì)是教師確定教學(xué)目標(biāo)、建立解決教學(xué)問題策略、實(shí)行解決教學(xué)問題方案、評價(jià)試行結(jié)果和修改方案的過程，目的是希望獲得最優(yōu)的教學(xué)方案.傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)主要關(guān)注學(xué)科知識的傳授和相關(guān)技能的訓(xùn)練，往往忽視科學(xué)方法的訓(xùn)練和學(xué)生心理品質(zhì)的培養(yǎng).現(xiàn)代教學(xué)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)三維教學(xué)目標(biāo)（“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價(jià)值觀”）的和諧達(dá)成，認(rèn)為一個良好的教學(xué)設(shè)計(jì)要注重結(jié)合學(xué)生的生活實(shí)際和年齡特點(diǎn)，選擇合適的教學(xué)方法和構(gòu)建有效的教學(xué)過程，注重給學(xué)生創(chuàng)建“實(shí)踐體驗(yàn)”和“合作交流”的學(xué)習(xí)環(huán)境，做到在向?qū)W生有效傳授知識和技能的同時(shí)，還要注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，注重引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法和提高實(shí)踐能力，使學(xué)生的心理品質(zhì)和學(xué)科知識實(shí)現(xiàn)同步健康成長.

2 牛頓第一定律的教學(xué)設(shè)計(jì)

在人類發(fā)展史上，“牛頓第一定律”首次正確回答了“物體為什么會保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)”這一重大問題，它抓住了物體保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或者靜止?fàn)顟B(tài)的本質(zhì)，糾正了自亞里士多德以來統(tǒng)治人類長達(dá)近2 000年的錯誤觀點(diǎn)，它是牛頓力學(xué)的基石，是高中學(xué)生繼續(xù)深入學(xué)習(xí)力學(xué)知識的基礎(chǔ)，它涉及到的伽利略理想實(shí)驗(yàn)法也是人們經(jīng)常使用的一種科學(xué)研究方法.但是，由于生活中錯誤觀念的干擾，高中學(xué)生在正確理解牛頓第一定律和慣性的過程中經(jīng)常會遇到很多困難.下面，我們通過設(shè)計(jì)一系列的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)活動，引導(dǎo)高中學(xué)生在“實(shí)踐體驗(yàn)”和“合作交流”的過程中，正確把握牛頓第一定律和慣性的本質(zhì)內(nèi)容，并在這個過程中和諧達(dá)成三維教學(xué)目標(biāo).

2.1 創(chuàng)設(shè)情境 分組討論

學(xué)生討論：將全班學(xué)生分成若干個學(xué)習(xí)小組，每組4～6人，討論和思考以下3類問題，歸納討論的結(jié)果并把它們寫下來.

（1）要使一個靜止的物體運(yùn)動起來，你有哪些辦法？從這些具體作法中，你認(rèn)為物體的運(yùn)動和它受到的力有何關(guān)系？

（2）一個靜止在水平面上的足球，分別用較小的力、較大的力去踢它，足球在哪一種情況下跑得更快？從這兩種作法中，你認(rèn)為物體的運(yùn)動和它受到的力有何關(guān)系？

（3）學(xué)生現(xiàn)場體驗(yàn)：在水平桌面上，用力推一原來靜止不動的課本，課本會運(yùn)動起來；停止用力，被推動的課本又會靜止下來.學(xué)生思考：從這兩個現(xiàn)象中，你認(rèn)為物體的運(yùn)動狀態(tài)和它受到的推力有何關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：構(gòu)建討論交流的環(huán)境，讓學(xué)生根據(jù)自己的生活經(jīng)驗(yàn)，通過討論交流和歸納總結(jié)，暴露學(xué)生在日常生活中的錯誤經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生討論交流能力和歸納總結(jié)能力，并為學(xué)生樹立正確的運(yùn)動觀點(diǎn)做準(zhǔn)備.

2.2 歸納意見 展開辯論

教師引導(dǎo)：針對學(xué)生對上述3類問題的不同回答，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納和分類，可以把學(xué)生的觀點(diǎn)分成以下兩大類：

第一類，物體受力才會運(yùn)動；受力越大，物體運(yùn)動越快；停止對物體施加作用力，物體就會靜止下來.也就是說，物體的運(yùn)動和它受到的力是緊密相關(guān)的.

第二類，改變物體的運(yùn)動狀態(tài)（即改變物體運(yùn)動速度的大小或方向）需要力的作用，但物體運(yùn)動不需要力來維持.

學(xué)生辯論：教師將支持以上兩類觀點(diǎn)的學(xué)生分成甲乙兩組，并使他們?yōu)榫S護(hù)自己的觀點(diǎn)展開辯論，即要求他們從生活中例舉更多的事例來支持或證明自己的觀點(diǎn)，并設(shè)法推翻對方的觀點(diǎn).通過辯論，最終將辯論的焦點(diǎn)集中到以下兩點(diǎn).第一，物體在運(yùn)動的過程中到底是否需要力來維持？第二，作用在物體上的力，會對物體的運(yùn)動速度產(chǎn)生什么樣的結(jié)果？并通過進(jìn)一步的辯論和分析，讓學(xué)生初步明白下面兩點(diǎn)內(nèi)容.

（1）要使一個靜止的物體運(yùn)動起來必須給物體施加作用力；作用在物體上的力越大，物體速度改變也越大.

（2）運(yùn)動的物體在不受推力或者拉力作用時(shí)也能運(yùn)動下去，即物體在運(yùn)動的過程中不需要力來維持.

設(shè)計(jì)意圖：構(gòu)建學(xué)生辯論的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生利用自己的生活經(jīng)驗(yàn)，通過分析和辯論，揭示各種現(xiàn)象的本質(zhì)，得出正確的結(jié)論，從而培養(yǎng)學(xué)生的分析綜合和思辨能力.

2.3 觀察實(shí)驗(yàn) 展開思考

教師指導(dǎo)學(xué)生利用“伽利略理想斜面演示器”開展以下學(xué)習(xí)活動.

學(xué)生活動：探究小球在斜面上做向上滾動和做向下滾動，如圖1所示.

圖1

學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn)：在小球滾動的斜面上鋪上粗糙的布料，讓小球從左端斜面與某一條水平線相交的位置開始沿斜面由靜止開始下滾，標(biāo)記小球在右端斜面上升最大高度的位置；撤掉斜面上的布料（讓小球在相對光滑的斜面上運(yùn)動），使小球仍然從左端斜面的同一高度沿斜面由靜止開始下滾，再次標(biāo)記小球在右端斜面上升最大高度的位置；觀察并記錄小球在向上滾動和向下滾動的過程中速度的變化.

學(xué)生討論和思考：

（1）小球在斜面上受到的摩擦力越小，它在右端斜面上上升的最大高度有何變化趨勢？你是如何理解這一結(jié)論的？

（2）如果小球在斜面上受到的摩擦力為零，按照邏輯推理，小球在右端斜面上上升的最大高度，與小球在左端斜面由靜止開始下滾的高度相比，它們有何關(guān)系？（相等）

（3）基于“小球在斜面上向上滾動時(shí)速度減小，向下滾動時(shí)速度增大”這一事實(shí)，討論：如果小球在光滑的水平面上滾動（即小球不向上滾動也不向下滾動），按照邏輯推理，它的速度應(yīng)該是怎樣的？（它的速度應(yīng)該是“不減也不增”的，即小球做勻速運(yùn)動.）

學(xué)生活動：探究小球在傾角不同的斜面上做上升滾動，如圖2所示.

圖2

使小球從左端斜面與圖1中相同的高度處沿斜面由靜止開始下滾，先后減小右端斜面與水平面的傾角，分別標(biāo)記小球在右端斜面上移動的最大距離對應(yīng)的位置，如圖1和圖2所示，根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生探討以下問題：

（1）繼續(xù)減小右端斜面與水平面的傾角，小球在右端斜面上移動的最大距離有何變化趨勢？你是如何理解這一結(jié)論的？

（2）如果右端斜面與水平面的傾角為零，且小球在運(yùn)動中受到的摩擦力也為零，按照邏輯推理，小球在演示器右端斜面上移動的最大距離將會是怎樣一個結(jié)果？你是如何理解這一結(jié)論的？

設(shè)計(jì)意圖：構(gòu)建學(xué)生交流討論的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生利用自己觀察到的現(xiàn)象，結(jié)合邏輯推理，思考小球在摩擦力為零的水平面上、小球在傾角和摩擦力同時(shí)為零的斜面上等理想情況下的運(yùn)動過程，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)的研究方法—— 邏輯推理研究法.

教師演示：教師展示氣墊導(dǎo)軌，演示物體在水平氣墊導(dǎo)軌上的運(yùn)動.讓學(xué)生觀察和體驗(yàn)：在摩擦力很小的水平氣墊軌道上，幾乎不受合外力的運(yùn)動物體接近做勻速直線運(yùn)動！

設(shè)計(jì)意圖：給學(xué)生提供實(shí)踐體驗(yàn)的機(jī)會，加深學(xué)生對“物體運(yùn)動不需要力來維持”的理解.

2.4 總結(jié)結(jié)論 深入體驗(yàn)

師生互動：教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)，并表達(dá)出以下結(jié)論：

（1）若要改變物體的運(yùn)動狀態(tài)（即改變物體的速度，包括改變物體速度的大小或方向），必須給物體施加作用力；推力可以增大物體的速度，阻力可以減小物體的速度.

（2）若物體不受力或者受到的合外力為零，物體保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或者靜止?fàn)顟B(tài).

（3）一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài).（這就是牛頓第一定律）

學(xué)生活動：利用上述結(jié)論，分析上文2.1中3類問題中研究對象的運(yùn)動狀態(tài)與受力的關(guān)系.

師生互動：分析和體驗(yàn)牛頓第一定律內(nèi)容中“或”、“一切”、“總”、“迫使”的深刻含義：“或”表示物體可以保持勻速直線運(yùn)動、靜止這兩種狀態(tài)中的某一種，具體取決于物體的初始狀態(tài)；“一切”、“總”表示保持勻速直線運(yùn)動和靜止這兩種狀態(tài)是所有物體固有的屬性（即慣性），這兩種狀態(tài)的保持不需要力來維持；該定律中的“迫使”表示“力”是改變物體運(yùn)動的根本原因.

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力和語言表達(dá)能力.

2.5 回顧歷史 分享過程

教師講授：公元前300多年，偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家亞里士多德根據(jù)“要使一個物體運(yùn)動必須推它或者拉它”的生活經(jīng)驗(yàn)，得出“必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動；沒有力的作用，物體就要靜止在一個地方”.這一錯誤觀念在人類歷史上竟然延續(xù)了近2 000年！直到300多年前，偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家伽利略借助于“實(shí)驗(yàn)”這一科學(xué)研究的武器，利用實(shí)驗(yàn)事實(shí)和邏輯推理，向人們展示了“力不是維持物體運(yùn)動的原因”，首次糾正了亞里士多德的這一錯誤論斷；接著，由法國科學(xué)家笛卡兒對伽利略的觀點(diǎn)做了進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善，認(rèn)為“除非物體受到力的作用，物體將保持靜止或運(yùn)動狀態(tài)”；只有牛頓才首次將上述研究結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)和合理發(fā)展，從而得到今天學(xué)習(xí)的“牛頓第一定律”.可見，像亞里士多德這樣的偉人也會犯錯誤，所以在生活中不要迷信權(quán)威，要像伽利略一樣認(rèn)真思考和勇于探索，并借助于科學(xué)的方法尋求真理.同時(shí)，也要像伽利略、笛卡兒、牛頓一樣，學(xué)會歸納和推理，做到透過表面現(xiàn)象去把握現(xiàn)象背后的本質(zhì).

設(shè)計(jì)意圖：利用物理學(xué)史，對學(xué)生進(jìn)行情感教育.

2.5 示慣性 參與比賽

教師展示：取兩個完全一樣的乒乓球A 和B，用注射器把球A注滿水，或者將球A內(nèi)部裝滿河沙，然后用等長的細(xì)線把它們分別懸掛在鐵架臺上長水平棒的兩端，如圖3所示.

圖3

學(xué)生比賽：組織男女學(xué)生若干名，開展用口吹乒乓球的比賽，男生吹球A，女生吹球B，看誰吹的乒乓球擺動的幅度最大；再讓男生吹球B，女生吹球A，對比乒乓球擺動的幅度.（乒乓球A 都很難吹動.）

學(xué)生活動：學(xué)生討論、交流和思考為什么乒乓球A 很難吹動.

學(xué)生猜想其中的原因后，再讓學(xué)生用左、右手分別提起乒乓球A 和B，感受乒乓球A 和B 有何不同？（乒乓球A的重力大，質(zhì)量大，這讓學(xué)生理解“在相同力的作用下，質(zhì)量大的物體難以改變它的運(yùn)動狀態(tài)，即質(zhì)量大的物體慣性大.”）

師生互動：教師引導(dǎo)學(xué)生得出：一切物體都具有保持其原有運(yùn)動狀態(tài)不變的性質(zhì)（原來靜止的物體保持靜止，原來運(yùn)動的物體保持這個速度做勻速直線運(yùn)動），這就是慣性，它是一切物體固有的屬性.物體的質(zhì)量越大，它的慣性就越大.

設(shè)計(jì)意圖：構(gòu)建學(xué)生參與比賽和交流討論的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在親身體驗(yàn)和交流討論中，學(xué)習(xí)新知識、感受新知識，激發(fā)學(xué)生參與探討的主動積極性和學(xué)習(xí)興趣.

2.6 鞏固知識 學(xué)生小結(jié)

（1）學(xué)生練習(xí)：每個學(xué)生根據(jù)自己的生活經(jīng)驗(yàn)，例舉一個與物體慣性有關(guān)的事例，再和同桌同學(xué)一起討論并作出解釋，然后結(jié)合具體事例說明“如何利用有用的物體慣性或者如何減小有害的物體慣性？”

設(shè)計(jì)意圖：目的是引導(dǎo)學(xué)生從物理走向社會，讓學(xué)生感到新學(xué)到的知識親切、有用、有趣.

（2）學(xué)生小結(jié)本節(jié)課學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容.

2.7 布置作業(yè) 繼續(xù)研討

以“假如生活中沒有慣性”為題，寫一篇小論文，并把你的小論文貼在墻報(bào)上，向全班同學(xué)報(bào)告你的研究成果，供大家參觀學(xué)習(xí).

設(shè)計(jì)意圖：提供展示平臺，激發(fā)學(xué)生深入探究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力.

3 我們的體會

在本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們注重結(jié)合學(xué)生的生活實(shí)際，給學(xué)生構(gòu)建一系列“實(shí)踐體驗(yàn)”和“合作交流”的學(xué)習(xí)機(jī)會.這個教學(xué)設(shè)計(jì)，我們已經(jīng)在岳陽市第十一中學(xué)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生們普遍認(rèn)為這種教學(xué)設(shè)計(jì)親切、易懂、有用、有趣.總之，教學(xué)設(shè)計(jì)要注重給學(xué)生構(gòu)建“實(shí)踐體驗(yàn)”和“合作交流”的學(xué)習(xí)環(huán)境，既要關(guān)注物理知識的傳授和實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，又要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高；要注重引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法和提高實(shí)踐能力，并從中感受到自然科學(xué)的美妙和合作交流的快樂，從而做到三維教學(xué)目標(biāo)的和諧達(dá)成.

1 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理1》（必修）第2版.北京：人民教育出版社，2006