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        基于“問題引導(dǎo)”的牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)*

        2017-01-13 06:25:45
        物理之友 2016年12期
        關(guān)鍵詞:問題引導(dǎo)伽利略牛頓

        馬 劍

        (江蘇省南京市第九中學(xué),江蘇 南京 210018)

        基于“問題引導(dǎo)”的牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)*

        馬 劍

        (江蘇省南京市第九中學(xué),江蘇 南京 210018)

        筆者采用問題引導(dǎo)、探究教學(xué)與物理學(xué)史教學(xué)兩者相結(jié)合的方式,將人類數(shù)千年來關(guān)于“力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系”的探究歷程飽滿、生動(dòng)地呈現(xiàn)在課堂教學(xué)中,引領(lǐng)學(xué)生身臨其境,體驗(yàn)牛頓第一定律的建立過程.

        問題引導(dǎo);牛頓第一定律;教學(xué)設(shè)計(jì)

        牛頓第一定律破除了人類長(zhǎng)達(dá)近兩千年對(duì)運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),改變了人類的自然觀和世界觀,在科學(xué)發(fā)展的過程中扮演著極其重要的角色.在初中階段的學(xué)習(xí)中,學(xué)生除了“慣性與質(zhì)量”這一問題沒有專門學(xué)習(xí)外,關(guān)于本節(jié)的其他知識(shí)都有了大致的了解.但是學(xué)生只是簡(jiǎn)單地知道亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)的,認(rèn)為伽利略做了個(gè)理想實(shí)驗(yàn)就得出了牛頓第一定律,程式化地解答相關(guān)實(shí)際問題.筆者運(yùn)用問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考、觀察、討論、歸納、推理,幫助學(xué)生糾正一些片面的觀點(diǎn),進(jìn)一步深化和提高對(duì)相關(guān)問題的認(rèn)識(shí).

        1 設(shè)置情境,引入課題

        師:蘆葦在風(fēng)中擺動(dòng)、江水咆哮著奔向遠(yuǎn)方、鳥兒在空中飛翔、太陽每天都從東邊升起從西邊落下(如圖1).物體為什么會(huì)做這樣或那樣的運(yùn)動(dòng)呢?

        圖1

        生:是力的作用.

        師:你是如何知道是力的作用的?

        說明:設(shè)計(jì)該問題并不是真正要學(xué)生回答,而是引發(fā)學(xué)生思考,激發(fā)求知的欲望.

        師:早在2300多年前,古希臘先哲亞里士多德就提出了這個(gè)問題,并進(jìn)行了思考.他通過觀察發(fā)現(xiàn):要使一個(gè)物體運(yùn)動(dòng),必須推它或者拉它.用今天的觀點(diǎn)來看,就是與力有關(guān).他還進(jìn)一步指出:必須有力作用在物體上,物體才能運(yùn)動(dòng);沒有力的作用,物體就要靜止在一個(gè)地方.亞里士多德的觀點(diǎn)為:力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因.

        說明:回顧歷史可以讓學(xué)生更為客觀地了解亞里士多德,發(fā)現(xiàn)問題、提出問題理應(yīng)值得我們欽佩,以更為全面地了解科學(xué)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展.“運(yùn)動(dòng)需要力來維持”與大量的“事實(shí)”一致,再加上早期人類依靠直覺和思維進(jìn)行科學(xué)研究,這些都是直接影響科學(xué)突破的關(guān)鍵,同樣也凸顯伽利略勇于批判、敢于探索的品質(zhì).

        師:運(yùn)動(dòng)需要力來維持嗎?

        說明:學(xué)生從初中就了解“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)原因”這個(gè)結(jié)論,因此這里不需要再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).該問題的設(shè)計(jì)只是為下一個(gè)問題創(chuàng)設(shè)臺(tái)階.

        師:你是如何知道“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的?

        說明:其實(shí)學(xué)生是從書本或教師傳授中得知“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”,但對(duì)科學(xué)研究歷程并不了解.在此借助這個(gè)問題引入本課的主題——運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系.

        2 新時(shí)代處理“老”問題

        師:請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)回答下列問題:如圖2所示,有一小鐵球沿斜面下滑,運(yùn)動(dòng)速度將如何變化?如果小球沿斜面上滑,運(yùn)動(dòng)速度又將如何變化?聯(lián)系上面兩種情況,我們能猜想到什么?

        圖2

        說明:這里并沒有直接提出“在光滑水平面上物體將如何運(yùn)動(dòng)”的問題,其目的在于讓學(xué)生學(xué)會(huì)通過邏輯推理,進(jìn)行合理的科學(xué)猜想.

        師:“物體在水平面上運(yùn)動(dòng)速度將不增不減”,這與實(shí)際情況相符合嗎?你覺得是什么原因?qū)е碌模?/p>

        生:與實(shí)際情況不符合.即使物體沿水平面運(yùn)動(dòng),也會(huì)停下來,這是摩擦力作用的結(jié)果.

        師:那如果物體沿著光滑水平面運(yùn)動(dòng),它是否會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去?

        說明:學(xué)生直覺上會(huì)認(rèn)為物體在光滑水平面上的運(yùn)動(dòng)是勻速運(yùn)動(dòng),物體肯定會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.但該問題的設(shè)計(jì),就是讓學(xué)生反思自己得出結(jié)論的依據(jù).

        師:能通過實(shí)驗(yàn)來證明嗎?

        教師通過問題,引導(dǎo)學(xué)生探究.

        (1) 先讓小車在墊有毛巾的水平面上滑動(dòng),接著撤除毛巾,讓小車在較為光滑的平面運(yùn)動(dòng)(如圖3),隨著接觸面粗糙程度的減小,可以觀察到小車滑行的距離在增大.

        圖3

        (2) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,可以借助氣墊導(dǎo)軌來進(jìn)一步減小接觸面的粗糙程度,創(chuàng)設(shè)幾乎光滑的環(huán)境,讓學(xué)生觀察滑塊在氣墊導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)(如圖4).

        圖4

        師:如果氣墊導(dǎo)軌足夠長(zhǎng),滑塊是不是就會(huì)一直運(yùn)動(dòng)不停止?

        生:通過比較滑塊通過光電門的時(shí)間,可以判斷滑塊在做勻速直線運(yùn)動(dòng).如果導(dǎo)軌足夠長(zhǎng),滑塊會(huì)一直運(yùn)動(dòng)不停止.

        說明:這個(gè)問題是在實(shí)驗(yàn)歸納的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出的,表明我們無法找到?jīng)]有阻力的空間,也無法用實(shí)驗(yàn)直接去驗(yàn)證我們的假設(shè).

        師:該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裾f明“運(yùn)動(dòng)不需要力來維持”?

        生:從實(shí)驗(yàn)可以看出,在其他條件相同的情況下,摩擦越小,物體滑行的水平距離就越大.因此可以推斷,如果沒有摩擦,物體將永遠(yuǎn)不會(huì)停止.

        說明:該實(shí)驗(yàn)就是對(duì)“伽利略關(guān)于運(yùn)動(dòng)思考過程”的一次再現(xiàn),體現(xiàn)出物理教學(xué)的與時(shí)俱進(jìn).讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義,嘗試應(yīng)用合理外推的方法研究物理問題,揭示事物的本質(zhì).

        3 再現(xiàn)經(jīng)典,還原探究歷程

        伽利略對(duì)亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”提出了質(zhì)疑,并提出了“如果物體不受摩擦力作用,將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去”的假設(shè).為了說明他的思想,設(shè)計(jì)了如圖5所示的實(shí)驗(yàn).

        圖5

        教師演示實(shí)驗(yàn):將小球在斜面上某一位置無初速度釋放,請(qǐng)同學(xué)們注意觀察小球所能達(dá)到的高度.

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為:小球沿一個(gè)斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始向下運(yùn)動(dòng),接著“沖”上了另一個(gè)斜面,末位置的高度相比釋放高度略低.

        師:伽利略結(jié)合科學(xué)研究與科學(xué)思維,認(rèn)為如果沒有摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?如果減小另一斜面的傾角,小球的運(yùn)動(dòng)情況會(huì)如何變化?

        生:小球依然會(huì)到達(dá)同一高度,但會(huì)運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn).由此可以外推:如果把另一個(gè)斜面放平,小球?qū)⒂肋h(yuǎn)地運(yùn)動(dòng)下去.這也就表明運(yùn)動(dòng)不需要力來維持.

        說明:伽利略是近代科學(xué)的奠基者,他創(chuàng)立了科學(xué)的受控實(shí)驗(yàn)方法,以可靠的事實(shí)為基礎(chǔ),經(jīng)過抽象思維,抓住主要因素,忽略了次要因素,從而更深刻地反映了自然規(guī)律.他在科學(xué)方法論以及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面的成就,對(duì)牛頓的總結(jié)有著直接的影響.他對(duì)亞里士多德運(yùn)動(dòng)和力的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑,并指出:任何速度一旦施加給一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體,只要除去加速或減速的外因,此速度就可保持不變,不過這是只能在水平面上發(fā)生的一種情形.

        4 站在巨人的肩膀上

        接著讓學(xué)生閱讀課外材料:從笛卡爾到牛頓,科學(xué)巨匠對(duì)“力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系”認(rèn)識(shí)的歷程.

        師:笛卡兒關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力的觀點(diǎn)是什么?

        生:如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒有受到力的作用,它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動(dòng),既不會(huì)停下來也不偏離原來的方向.

        師:牛頓第一定律與伽利略、笛卡兒的說法有什么區(qū)別?

        生:伽利略對(duì)物體不受外力時(shí)的運(yùn)動(dòng)作了準(zhǔn)確的描述,但他沒有明確指出運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系,笛卡兒在伽利略的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步,牛頓在前人工作的基礎(chǔ)上,講清了力是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因,并不是維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.

        師:閱讀完這段材料,同學(xué)們有些什么感想?

        生:任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是需要經(jīng)過數(shù)代人的不懈努力與堅(jiān)持.科學(xué)家們創(chuàng)造性的思維品質(zhì)和敢于質(zhì)疑、堅(jiān)持真理的精神值得我們學(xué)習(xí).

        5 小結(jié)

        本節(jié)的探究實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了高中物理教學(xué)的與時(shí)俱進(jìn),結(jié)合物理學(xué)史客觀地還原人類的探究歷程,幫助學(xué)生糾正一些片面、不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí),力圖在有限的課堂教學(xué)時(shí)間里,引領(lǐng)學(xué)生身臨其境,體驗(yàn)牛頓第一定律的建立過程,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主探究等能力.

        [1] 徐玲,郭懷中.從伽利略實(shí)驗(yàn)方法創(chuàng)立談培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)[J].物理教學(xué),2013,(3).

        [2] 馬劍.“問題串”在靜摩擦力教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].物理之友,2016,32(8).

        *本文為南京市玄武區(qū)2016年度教育科學(xué)教師個(gè)人課題“高一物理概念教學(xué)中‘問題串’課堂教學(xué)模式”的研究成果.

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