余雪妹

(浙江省溫州第二高級中學(xué),浙江 溫州 325007)

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成．物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面構(gòu)成．那么,怎樣的教學(xué)設(shè)計才能促進學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提升?這是值得我們每一位從事物理一線教學(xué)的教師思考與研究的問題．本文以高中物理人教版“牛頓第一定律”教學(xué)為例,探索有效提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計策略,希望能給教學(xué)同仁一定的借鑒作用．

1 研讀教材,制定核心素養(yǎng)目標

“牛頓第一定律”是人教版必修1的內(nèi)容,是牛頓運動定律的基石,它利用科學(xué)思維方法(理想實驗)揭示了運動和力的關(guān)系．那么這節(jié)內(nèi)容應(yīng)該如何制定指向核心素養(yǎng)的教學(xué)目標呢?在最新頒布的普通高中物理課程標準中“相互作用與運動定律”的內(nèi)容標準寫道:“通過實驗,探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系．理解牛頓運動定律,能用牛頓運動定律解釋生活中的有關(guān)問題．通過實驗認識超重和失重現(xiàn)象”．課標中只有簡簡單單的幾句話,所以還需要結(jié)合課標仔細研讀教材,才能更好地挖掘物理核心素養(yǎng)內(nèi)涵,從而制定指向核心素養(yǎng)的教學(xué)目標．

1.1 物理觀念

(1) 物質(zhì)觀念．慣性是物體的固有屬性,是一切物體具有保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì)．慣性由物體的質(zhì)量決定,與運動狀態(tài)、受力情況等因素?zé)o關(guān)．

(2) 運動觀念．牛頓第一定律又叫慣性定律,指一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)．當(dāng)物體不受外力或所受的合外力為0時,運動狀態(tài)不變．當(dāng)物體所受的合外力不為0時,運動狀態(tài)將發(fā)生變化．

(3) 能量觀念．不論物體處于勻速直線運動狀態(tài)還是靜止狀態(tài),實質(zhì)上是合外力對物體不做功,物體的動能和其他形式能之間沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化．讓一個小球沿一個斜面從靜止狀態(tài)開始滾下,再滾上另一個斜面時,上升的高度比原來低,是因為摩擦力做功,引起小球機械能與內(nèi)能之間的相互轉(zhuǎn)化．如果沒有摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?但在轉(zhuǎn)化過程中遵循能量守恒定律．

1.2 科學(xué)思維

通過斜面實驗的演示和推理過程,體會理想實驗(實驗事實+邏輯推理)是科學(xué)研究的重要方法．

1.3 科學(xué)探究

(1) 參與伽利略的理想實驗探究及其現(xiàn)代模擬,體驗科學(xué)探究的一般過程．

(2) 重新經(jīng)歷牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的歷史過程,體驗科學(xué)發(fā)展歷程:伽利略通過“斜面實驗+科學(xué)推理”提出動力學(xué)觀點,推翻亞里士多德觀點;笛卡爾補充和完善了伽利略的觀點;牛頓站在巨人肩膀上總結(jié)出第一定律．

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

(1) 通過亞里士多德對科學(xué)貢獻的正確評價,弘揚尊重事實的科學(xué)態(tài)度．

(2) 通過運動和力關(guān)系的研究,體會伽利略、笛卡爾、牛頓等科學(xué)家們敢于質(zhì)疑、堅持真理、實事求是的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神．

(3) 聯(lián)系實際,觀看冰壺運動、飛行員躲避導(dǎo)彈時拋副油箱、汽車碰撞視頻(司乘人員不系安全帶)等生活實例,滲透STSE教育,進一步形成對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度和責(zé)任感．

2 詮釋教材,構(gòu)建物理核心觀念

2.1 物理觀念——慣性的理解

牛頓第一定律教學(xué)中一個重要的物理觀念是慣性．為了幫助學(xué)生正確理解慣性,并能運用慣性概念解釋有關(guān)實際問題,在教材原有的基礎(chǔ)上(一切物體都有慣性),補充了4個學(xué)生活動．

學(xué)生活動1——舉例說明.

一切物體都有慣性,說明慣性現(xiàn)象在生活中非常常見,能否舉幾個實例?學(xué)生舉例并說明原因．

學(xué)生活動2——小品表演.

假如大家現(xiàn)在正坐在車上,如果汽車突然啟動,或是剎車,或是右轉(zhuǎn)彎,或是左轉(zhuǎn)彎,你的身體會怎樣表現(xiàn)?教師指揮,同學(xué)們表演并說明原因．

學(xué)生活動3——小組討論.

既然一切物體都有慣性,那么來衡量物體慣性大小的物理量是什么呢?通過人推自行車與人推汽車的鮮明對比(如圖1),討論交流得出慣性的大小與物體的質(zhì)量有關(guān)．

圖1

學(xué)生活動4——小組討論.

能否給體操運動員與相撲運動員(如圖2)取一個合適的成語來形容他們?討論交流得出:體操運動員身輕如燕,相撲運動員重如泰山．

圖2

設(shè)計意圖:讓學(xué)生舉例,并以集體活動的形式參與表演,加深對“慣性”的理解．通過人推自行車和汽車、體操運動員和相撲運動員的鮮明對比,讓學(xué)生形象地理解質(zhì)量是物體慣性大小的量度．

2.2 物理觀念——牛頓第一定律的理解

這節(jié)內(nèi)容另一個重要的物理觀念就是牛頓第一定律．由于高一學(xué)生邏輯思維能力的不足,要正確理解牛頓第一定律時會有一定的困難,所以設(shè)計了3個學(xué)生活動,幫助學(xué)生加深理解．

學(xué)生活動1——要點剖析.

牛頓第一定律內(nèi)容:一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)．

(1) 剖析關(guān)鍵詞.“一切”說明天地萬物無一例外;“總”指出物體的固有屬性,不論物體處于什么狀態(tài);“或”指出了靜止與勻速直線運動的等同性,都是物體不受外力時的運動狀態(tài)．

(2) 剖析句子.

前半句:一切物體都有保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì)——慣性．

后半句:力是改變物體運動狀態(tài)的原因,并不是維持物體運動的原因．

整句話:牛頓第一定律反映了物體不受力時的運動規(guī)律,而且涉及了兩個重要概念,力和慣性．

學(xué)生活動2——討論交流.

當(dāng)物體不受外力或所受的合外力為0時,運動狀態(tài)不變．當(dāng)物體所受的合外力不為0時,運動狀態(tài)將發(fā)生變化．說明力不是維持運動的原因,力是改變運動狀態(tài)的原因．

學(xué)生活動3——觀看視頻.

冰壺是冬奧會的正式比賽項目．冰壺在冰面運動時受到的阻力很小,可以在較長時間內(nèi)保持運動速度的大小和方向不變．

設(shè)計意圖:讓學(xué)生自己找出重點詞語,剖析要點,提升學(xué)生文本解讀能力和自主分析能力．引入生活中的冰壺活動,不僅調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,也引導(dǎo)學(xué)生從物理走向生活．

3 知識重演,滲透科學(xué)思維方法

在物理教學(xué)中,為了實現(xiàn)指向核心素養(yǎng)的教學(xué)目標,盡量讓學(xué)生去重演物理知識的發(fā)生發(fā)展過程,引導(dǎo)學(xué)生積極思維,建構(gòu)物理概念和規(guī)律,滲透科學(xué)思維方法．如在牛頓第一定律教學(xué)中,教材中“理想實驗”只有理論分析,沒有相應(yīng)的實驗操作．筆者就自制斜面演示,還原歷史,進行重演探究,并用氣墊導(dǎo)軌和光電門實驗來驗證學(xué)生的推理,滲透理想實驗方法(實驗事實+邏輯推理)．

3.1 實驗活動——自制斜面演示

利用窗簾軌道PVC材料自制雙斜面實驗(如圖3所示),并利用釘子調(diào)節(jié)一斜面的高度．在兩斜面的同一高度拉一條細線作為等高線,作好相應(yīng)的紅色標記．為了使對比實驗效果更明顯,在其中的兩個干電池表面分別包以一次性毛巾和白紙,使3個干電池的表面粗糙程度不同．

圖3

演示1:控制斜面的傾斜角度不變,讓3個干電池(表面的粗糙程度不同),先后從同一斜面同一高度釋放,觀察運動的高度．

現(xiàn)象:阻力越小,物體上升的高度越接近等高線．

推理:如果是理想斜面,沒有摩擦力,物體將上升到原來等高線的位置．

演示2:不斷降低一斜面的傾斜角度,直至軌道水平,讓小球先后從另一斜面同一高度釋放,觀察運動的距離．(讓1名學(xué)生幫忙接球)

現(xiàn)象:運動的距離越來越遠．

推理:將斜面變?yōu)樗?如果沒有摩擦力,物體將會永遠運動下去．

設(shè)計說明:自制斜面實驗對比演示,給學(xué)生呈現(xiàn)豐富的實驗事實,突破教學(xué)重點．

3.2 學(xué)生活動——問題討論

問題1:理想實驗在現(xiàn)實中能實現(xiàn)嗎?是不是空想的實驗?

問題2:理想實驗是以哪些可靠的事實為基礎(chǔ)?又經(jīng)過了哪些合理的推理?

3.3 實驗活動——氣墊導(dǎo)軌驗證

現(xiàn)象:氣墊導(dǎo)軌上滑塊的運動是勻速直線運動．

結(jié)論:力是改變物體運動狀態(tài)的原因．伽利略當(dāng)年就是利用理想實驗,得出這個動力學(xué)觀點．

3.4 交流活動——評價理想實驗

歸納伽利略的理想實驗方法:實驗事實+邏輯推理．

愛因斯坦曾評價:“伽利略的發(fā)現(xiàn)及其所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大成就之一,它標志著物理學(xué)的真正開端”．

設(shè)計意圖:從現(xiàn)象觀察→猜想假設(shè)→邏輯推理→氣墊導(dǎo)軌實驗科學(xué)論證,不僅給學(xué)生呈現(xiàn)豐富的實驗事實,突破了教學(xué)重點,而且滲透了科學(xué)思維方法和理想實驗方法(實驗事實+邏輯推理)．

4 重視實驗,體現(xiàn)科學(xué)探究精神

所謂物理,“物”指的是以實驗為基礎(chǔ),“理”指的是以思維為中心,以實驗為基礎(chǔ),以思維為中心,是物理教學(xué)的兩大法寶,也是物理學(xué)科的魅力所在．充分發(fā)揮實驗作用,不僅可以為抽象的理解和概括提供感性認識和事實依據(jù),突破教學(xué)重難點,而且可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．牛頓第一定律這節(jié)教材只有一個理想實驗,因為理想,所以這個實驗還不好操作．那么如何加強實驗設(shè)計,筆者采用了3種方式．

4.1 課前導(dǎo)入實驗要有創(chuàng)意

實驗活動——抽紙游戲(如圖4所示).

圖4

鐵條和粉筆下各壓著一張紙條,讓1位學(xué)生快速抽出紙條,其他學(xué)生觀察鐵條、粉筆的現(xiàn)象．

在牛頓第一定律課前教學(xué)中,利用“抽紙游戲”演示引入,不僅調(diào)動了學(xué)生動手思考的積極性,而且通過這一感性的載體,為后面的教學(xué)埋下鋪墊．

4.2 課中常規(guī)實驗要有新意

如在牛頓第一定律課中教學(xué)中,因為“理想實驗”是理想的,所以沒有相應(yīng)的實驗器材．筆者就自制斜面演示,還原歷史,進行重演探究,并用氣墊導(dǎo)軌和光電門實驗來驗證學(xué)生的推理(見上面論述),操作簡單,效果明顯．

4.3 課尾對比實驗要有深意

實驗活動——撕紙游戲(如圖5所示).

圖5

分組實驗.

(1) 一張紙已剪成3截,但未完全剪斷,如果迅速用力撕兩邊,紙會斷成幾截?為什么?

(2) 如果在中間的紙下面夾一個夾子,然后迅速撕兩邊,紙會斷成幾截?為什么?

討論交流.

(1) 兩截:中間無夾子,中間紙條慣性很小,靜止狀態(tài)容易改變．由于撕開紙條左右兩邊的力有差異,因此撕成兩截．

(2) 3截:如果中間紙條夾夾子,中間紙條質(zhì)量增大,慣性增大．迅速撕開紙條兩邊時,中間紙條仍保持靜止狀態(tài),所以撕成3截．

在牛頓第一定律課尾教學(xué)中,聯(lián)系生活實際,創(chuàng)設(shè)實驗游戲活動“撕紙游戲”,再次讓學(xué)生“做中學(xué)”,在探究活動中加深理解物理規(guī)律．

設(shè)計意圖:課前“抽紙游戲”演示實驗兩次對比,課中“自制斜面”演示兩次對比,課后“撕紙游戲”的兩次對比,都采用了“對比式”的探究方法．這不僅有利于學(xué)生的學(xué)習(xí),也是一種方法的滲透．

為了有效提升學(xué)生的科學(xué)探究能力,除實驗設(shè)計之外,還要精設(shè)問題,以情境引問題,以問題導(dǎo)探究,以探究促真知．這里因文章篇幅原因,就不展開闡述了．

5 拓展視野,培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

5.1 聯(lián)系實際,滲透STSE教育

將物理知識應(yīng)用于社會、生活、技術(shù)，不僅可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,也使物理教學(xué)更具實用性和趣味性．

如在牛頓第一定律“慣性利弊”教學(xué)中,觀看汽車碰撞視頻(如圖6所示,汽車碰撞中模擬人沖破玻璃被拋出),指出慣性帶來的危害要防止,坐車一定要遵守交通法規(guī),系好安全帶．滲透辯證唯物主義思想(事物具有兩面性)和安全教育．

圖6 圖7

如在牛頓第一定律“體驗應(yīng)用”教學(xué)中,讓學(xué)生觀看電影視頻(圖7),飛行員為了躲避導(dǎo)彈,扔掉副油箱,減輕質(zhì)量,減小慣性,以此來增加飛機的靈活性．滲透STSE教育,進一步形成對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度和責(zé)任感．

5.2 正確評價,糾正錯誤觀念

在高中教材中,我們聽到的亞里士多德的觀點好像都是錯誤的．但亞里士多德實際上是一個偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家．他的著作是希臘文明的百科全書,內(nèi)容涉及天文學(xué)、地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、動物學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、政治學(xué)、教育學(xué)、倫理學(xué)、歷史學(xué)、美學(xué)、修辭學(xué)、詩歌等,集古代知識于一身,對世界的貢獻之大,令人震驚．

(1) 正確評價亞里士多德.

師:根據(jù)你的認識,請你簡單評價一下亞里士多德這個人?(學(xué)生評價)

生1:由于當(dāng)時科技水平限制,亞里士多德沒法做實驗,提出一些錯誤觀點是難免的．

生2:雖然有一些錯誤觀點,但與他的成就相比,可忽略不計．

生3:人不可能十全十美．

師:我們不應(yīng)該把亞里士多德看成是阻礙科學(xué)進步的代表而進行批判,應(yīng)該批判的是照搬亞里士多德的觀點而墨守成規(guī)的人．(教師評價)

下列是幾位偉人對亞里士多德的高度評價．(偉人評價)

黑格爾稱其為“人類的導(dǎo)師”．

馬克思稱其為“古代最偉大的思想家”．

恩格斯稱其為“古代最博學(xué)的人”．

哈佛大學(xué)的校訓(xùn):“讓柏拉圖與你為友,讓亞里士多德與你為友,更重要的,讓真理與你為友．”

設(shè)計意圖:讓學(xué)生學(xué)會用辯證的眼光正確評價亞里士多德,弘揚尊重事實的科學(xué)態(tài)度．

(2) 評價亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓的貢獻.

師:運動和力的關(guān)系研究經(jīng)歷了一個漫長過程,你認為4位科學(xué)家誰的貢獻最大?(學(xué)生評價)

生1:亞里士多德的貢獻最大,他提出了課題,是開拓者．

生2:伽利略的貢獻最大,他首創(chuàng)了理想實驗方法．

生3:笛卡爾的貢獻最大,他補充完善了伽利略的觀點．

生4:牛頓的貢獻最大,他提出了牛頓第一定律,揭示了慣性和力的概念．

師:4位科學(xué)家,其實缺一不可,他們是一只跨越2000年的科學(xué)團隊．正如牛頓所說“如果說我比其他人看得遠一點,那是因為我站在巨人的肩上．”(教師評價)

設(shè)計意圖:通過評價,讓學(xué)生明白科學(xué)團隊每個人不可或缺,滲透團隊合作意識．

5.3 補充學(xué)史,弘揚社會責(zé)任感

如在牛頓第一定律“拓展延伸”教學(xué)中,補充學(xué)史,介紹了中國古代對運動和力的關(guān)系的研究.

(1) 春秋戰(zhàn)國時期,在《墨經(jīng)》有這樣一句話:“力,刑之所以奮也”．

(2) 戰(zhàn)國時期的《考工記》就有這樣的記載:“馬力既竭,辀猶能一取焉．”

設(shè)計意圖:既可以擴展學(xué)生的知識面,又可對學(xué)生進行愛國主義教育．

為了有效提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng),筆者把牛頓第一定律設(shè)計為一節(jié)“實驗+問題”的探究課．“以學(xué)史為主線,以實驗活動為核心,以問題為導(dǎo)引”,將問題、實驗、探究3者有機地結(jié)合,倡導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”,從“看、說、做”3個角度體現(xiàn)了知識的實用性和趣味性,引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí),突破教學(xué)難點,構(gòu)建物理核心觀念,滲透科學(xué)思維方法,提高科學(xué)探究能力,培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．