王勝華+侯恕

摘 要：物理概念和規(guī)律具有抽象性，由于在生活中學(xué)生可能接觸不到相關(guān)的事物和情景，缺少相應(yīng)的感性認(rèn)識，導(dǎo)致很難理解其本質(zhì)，接受起來有一定的難度。而恰當(dāng)?shù)奈锢斫虒W(xué)情境可以使一些抽象的物理概念、規(guī)律形象化。本文以“牛頓第一定律”為例，探究物理教學(xué)情景創(chuàng)設(shè)在物理課堂中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物理概念；規(guī)律；教學(xué)情境；牛頓第一定律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）2-0019-3

1 問題提出

在初中，學(xué)生已經(jīng)知道了“牛頓第一定律”的有關(guān)內(nèi)容。但是，由于他們對身邊的生活現(xiàn)象的本質(zhì)認(rèn)識只是從直接經(jīng)驗(yàn)得出直覺結(jié)論，缺乏理性的思考。因此，對“力是維持物體運(yùn)動的原因還是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因”容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)識。又因?yàn)椤芭ｎD第一定律”是無法用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證的，只能在近似實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行邏輯推理分析。這對學(xué)生來說比較抽象，在理解上有一定的困難。但是，通過創(chuàng)建合適的教學(xué)情境，使抽象的概念、規(guī)律更加形象化，可以使學(xué)生理解更加容易。下面以“牛頓第一定律”為例，通過對教學(xué)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究物理教學(xué)情景創(chuàng)設(shè)在物理課堂中的應(yīng)用。

2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)建問題情境，導(dǎo)入新課

讓學(xué)生思考如何使課桌上靜止的物理書運(yùn)動。教師演示用手推課本，課本運(yùn)動，撤去推力，課本又恢復(fù)靜止。讓學(xué)生討論思考：力和運(yùn)動之間可能有什么樣的關(guān)系？

學(xué)生猜想：只有在物體上施加力的作用時(shí)，物體才能運(yùn)動；沒有力時(shí)，物體靜止。進(jìn)而總結(jié)為“力是維持物體運(yùn)動的原因”。

將學(xué)生分成小組討論亞里士多德的觀點(diǎn)，并舉出生活實(shí)例加以說明。

教師演示用手推課桌上的小車，小車運(yùn)動；撤去推力后，小車并沒有立即停止，反而運(yùn)動一段距離后靜止。激發(fā)學(xué)生對“力與運(yùn)動關(guān)系”的再思考。

學(xué)生猜想：撤去推力后小車仍運(yùn)動，說明運(yùn)動不需要力來維持。

提出問題：小車最終還是停止運(yùn)動，這又是為什么呢？

學(xué)生猜想：小車受到摩擦力的作用。

提出問題：如果小車沒有受到摩擦力的影響，又該怎樣運(yùn)動呢？

學(xué)生猜想：當(dāng)沒有摩擦力時(shí)，小車將一直運(yùn)動或者先運(yùn)動后靜止。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生的前概念出發(fā)，利用生活中常見的小實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)合適的問題情境，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，啟發(fā)學(xué)生對“力和物體運(yùn)動的關(guān)系”的再思考。

2.2 借助理想實(shí)驗(yàn)，還原真實(shí)的物理情景

2.2.1 單擺等高實(shí)驗(yàn)

伽利略在實(shí)驗(yàn)中觀察到：當(dāng)小球沿著斜面向下滾動時(shí)，速度增大；小球沿著斜面向上滾動時(shí)，速度減小。那么，如果讓一個(gè)小球從斜面上某一個(gè)高度下滑，它必然會沖上另一個(gè)斜面的某高度，這兩個(gè)高度之間存在什么關(guān)系呢？

伽利略猜想“靜止物體不論是沿著豎直方向還是沿不同斜面從同一高度下落，到達(dá)末端時(shí)具有相同的速度”。后來，伽利略用一個(gè)單擺實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這個(gè)假設(shè)，這就是著名的“單擺等高實(shí)驗(yàn)”。

如圖1所示，將一小球拉至M點(diǎn)由靜止開始釋放，小球會升高到對面同一水平高度上。如果在E或F點(diǎn)釘上小釘子，小球仍會沿著不同圓弧上升到同一水平高度上的各點(diǎn)。反過來，如果將小球從這些點(diǎn)由靜止釋放，它會同樣上升到原高度的M點(diǎn)。

如果將一個(gè)斜面和若干不同傾角的斜面底部圓滑連接，如圖2所示，無論斜面的傾斜角的大小，從同一高度由靜止釋放的小球總會上升到同一高度處。但是，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，小球不會上升到原來的高度。

提出問題：那么原因是什么呢？

學(xué)生猜想：摩擦阻力的作用。

如果將斜面都換成摩擦較小的斜面，小球?qū)咏瓉淼母叨?。假設(shè)摩擦特別小或者沒有摩擦，小球?qū)⒎浅＝咏瓉淼母叨然蛘呱踔吝_(dá)到原來的高度。這是一種理想的實(shí)驗(yàn)情景：小球沿著光滑的斜面下降，一定會上升到原來的高度。如果將實(shí)驗(yàn)中第二個(gè)斜面的傾角逐漸減小，為達(dá)到同樣的高度，小球的位移將逐漸增大。

提出問題：如果將第二個(gè)斜面放置水平，如圖2所示，小球該如何運(yùn)動？

學(xué)生猜想：將沿著水平面一直運(yùn)動下去。

2.2.2 大膽猜想，得出結(jié)論

小球沿著斜面下滑，速度增大；小球沿著斜面上滑，速度減小。伽利略猜想到：如果小球沿著水平面運(yùn)動，速度將不增不減。但是，實(shí)際情況卻是，小球沿著水平面運(yùn)動速度越來越慢，最后停下來。

提出問題：這是為什么呢？

學(xué)生猜想：摩擦阻力的作用。

由于摩擦阻力的存在，小球不能上升到原來的高度；由于摩擦阻力的存在，小球在水平面上的速度越來越慢。

提出問題：如果沒有摩擦阻力的影響。從斜面上下滑的小球，在水平面上將如何運(yùn)動？

學(xué)生猜想：小球?qū)⒈３帜乘俣纫恢边\(yùn)動下去。

提出問題：通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你認(rèn)為“力和運(yùn)動是什么關(guān)系”？

學(xué)生猜想：物體的運(yùn)動不需要力的維持。力不是維持物體運(yùn)動的原因。

最后，教師用伽利略理想實(shí)驗(yàn)演示儀演示實(shí)驗(yàn)過程。

在這個(gè)研究過程中，伽利略創(chuàng)造性地提出了“理想實(shí)驗(yàn)”這種科學(xué)方法。雖然伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)是不能在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)的，但是它反映了一種物理思想。物理規(guī)律并不是憑空臆造，而是建立在可靠的事實(shí)基礎(chǔ)之上。理想實(shí)驗(yàn)以事實(shí)為依據(jù)，以科學(xué)抽象為方法，運(yùn)用邏輯推理深刻地揭示了自然規(guī)律，這就是科學(xué)研究的重要方法。

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合物理學(xué)史，還原真實(shí)的物理情景，結(jié)合恰當(dāng)?shù)膯栴}，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，啟發(fā)思維，鍛煉其科學(xué)思維能力。同時(shí)，教學(xué)過程展現(xiàn)了嚴(yán)密的邏輯推理過程，使學(xué)生更容易理解“牛頓第一定律”的內(nèi)容。通過實(shí)驗(yàn)觀察再加以邏輯推理，使得猜想得以驗(yàn)證，同時(shí)使學(xué)生錯(cuò)誤的前概念得到順應(yīng)。同時(shí)，滲透了科學(xué)方法的教育，啟發(fā)學(xué)生在研究科學(xué)問題時(shí)，大膽猜想、假設(shè)。

2.3 總結(jié)歸納，得出結(jié)論

與伽利略同時(shí)代的法國科學(xué)家笛卡兒補(bǔ)充和完善了伽利略的觀點(diǎn)，指出：除非物體受到力的作用，物體將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會使自己沿曲線運(yùn)動，而是保持在直線上運(yùn)動。英國科學(xué)家牛頓在伽利略、笛卡兒等前輩研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)成“牛頓第一定律”：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)?！芭ｎD第一定律”揭示了力和運(yùn)動的關(guān)系，即力不是維持物體運(yùn)動的原因，而是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。

2.4 利用近似實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想

雖然在現(xiàn)實(shí)生活中沒有絕對光滑的水平面，但是，我們現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)儀器已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)近似光滑。由教師簡單介紹氣墊導(dǎo)軌的原理，引導(dǎo)學(xué)生通過對比滑塊經(jīng)過兩個(gè)光電門的時(shí)間是否相等驗(yàn)證滑塊的運(yùn)動是否是勻速直線運(yùn)動。

由教師播放氣墊導(dǎo)軌上的滑塊做勻速直線運(yùn)動的視頻。通過觀察，在誤差允許的范圍內(nèi)，滑塊經(jīng)過兩個(gè)光電門的時(shí)間近似相等，滑塊做勻速直線運(yùn)動。說明物體在忽略摩擦力時(shí)，做勻速直線運(yùn)動。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用氣墊導(dǎo)軌，創(chuàng)建一個(gè)接近理想實(shí)驗(yàn)條件的真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情景，進(jìn)一步證明了結(jié)論的正確性，驗(yàn)證了理想實(shí)驗(yàn)的神奇之處，吸引了學(xué)生的興趣。

3 總 結(jié)

在“牛頓第一定律”這節(jié)課中，結(jié)合物理學(xué)史，創(chuàng)設(shè)問題情境和實(shí)驗(yàn)情景，還原真實(shí)的物理環(huán)境，重演物理知識的探究過程，使“牛頓第一定律”的內(nèi)容更加形象化，益于學(xué)生對“牛頓第一定律”本質(zhì)的理解。通過創(chuàng)建合適的教學(xué)情境，引發(fā)學(xué)生的主動思考，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在物理教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)合適的教學(xué)情境，可以使抽象的物理概念和規(guī)律更加形象化，易于學(xué)生理解。但是，在教學(xué)過程中，教師要注重學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，獲得直接經(jīng)驗(yàn)，才能取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王賽.基于科學(xué)方法教育的物理教學(xué)設(shè)計(jì)——以“牛頓第一定律”為例[J].物理通報(bào)，2016（1）：25-30.

[2]牛英申，關(guān)廣菊，李新鄉(xiāng).《牛頓第一定律》一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2009，27（7）：29-32.

（欄目編輯 劉 榮）