林 萍劉 明

（1.福建省莆田第二中學(xué)，福建 莆田 351131；2.福建省廈門第六中學(xué)，福建 廈門 361012）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）指出，學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面.課堂是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的主陣地，要讓學(xué)科核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中平穩(wěn)落地，需要教師基于核心素養(yǎng)的培育來設(shè)計、組織和優(yōu)化課堂教學(xué).本文以魯科版（2019版）高中物理必修1第五章第1節(jié)“牛頓第一定律”為例，淺談基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)探索的實踐與思考.

1 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容分析

1.1 課標(biāo)內(nèi)容要求

課標(biāo)中“相互作用與運動定律”的1.2.3內(nèi)容要求為：“通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、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產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題.通過實驗，認識超重和失重現(xiàn)象”［1］.課標(biāo)中沒有單獨提到牛頓第一定律，說明牛頓運動定律的整體性.能用牛頓定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象和解決有關(guān)問題，其學(xué)業(yè)質(zhì)量水平應(yīng)達到水平4的要求.

1.2 高、初中教材內(nèi)容比較

牛頓運動定律是整個力學(xué)體系的基石，牛頓第一定律又是這個“基石”中的“基石”，它定性地揭示了力和運動的關(guān)系，提出慣性的概念，為定量研究力和運動的關(guān)系拉開了序幕.初中階段學(xué)生對牛頓第一定律進行了初步學(xué)習(xí)，知道了牛頓第一定律的內(nèi)容和慣性的概念.在教學(xué)前對初高中教材內(nèi)容進行比較分析，有利于幫助學(xué)生在已有知識體系的基礎(chǔ)上實現(xiàn)進一步的闡釋和深入，實現(xiàn)知識體系的進一步建構(gòu)和完善，挖掘知識體系建構(gòu)過程中素養(yǎng)提升內(nèi)涵和知識的教育價值.高中教材與初中相比，主要有三方面的不同.

（1）定律內(nèi)涵的理解要求不同：初中教材敘述為“一切物體在沒有受到外力作用的時候，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)”；高中教材敘述為“一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非有外力迫使它改變這種狀態(tài)”.高中教材中的表述具有更為豐富的內(nèi)涵，它強調(diào)了力是改變物體運動狀態(tài)的原因，突出了第一定律的獨立性和重要意義，也為學(xué)習(xí)牛頓第二定律做了一定的鋪墊，凸顯物理觀念的發(fā)展和完善.

（2）實驗的設(shè)計、探究及思維深度不同：初中為斜面小車實驗；高中為伽利略理想實驗，突出科學(xué)思維和科學(xué)探究，彰顯理想實驗這種科學(xué)方法的價值.

（3）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的體現(xiàn)不同：初中對牛頓第一定律建立歷史一語帶過，高中教材將歷史回顧作為重點內(nèi)容，呈現(xiàn)較為完整的研究歷程，讓學(xué)生體會一個規(guī)律的獲得是經(jīng)過一代又一代人努力，不斷糾正、補充完善后才能得到的.不僅能夠激發(fā)學(xué)生追求科學(xué)，勇于質(zhì)疑創(chuàng)新的情感，更重視物理學(xué)發(fā)展過程中學(xué)科精神的教育價值.

2 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)分析

本節(jié)課通過伽利略理想實驗來揭示運動和力的關(guān)系，讓學(xué)生在充分感悟科學(xué)思想方法的過程中，深刻理解核心規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展和完善物理觀念，是提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的極好素材.結(jié)合課標(biāo)仔細研讀教材，制定基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計如表1.

表1 牛頓第一定律教學(xué)目標(biāo)分析

3 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計思路

圖1 牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計思路

4 基于核心素養(yǎng)的主要教學(xué)環(huán)節(jié)及反思

4.1 情境引入有趣味，啟發(fā)思考

（1）播放小狗滑滑板車視頻，如圖2所示.

圖2

（2）問題引導(dǎo)：小狗怎么讓滑板車動起來？（小狗蹬地有動力）小狗上了滑板車后為什么能一起運動？（慣性）小狗和滑板車為什么停下來了？（有阻力）

（3）實驗體驗：輕推一下桌面上的小車和用力推一下桌面上的小車對比，哪種情況小車滑行的遠.

教學(xué)反思：視頻激發(fā)興趣，問題引導(dǎo)邏輯，實驗增強體驗.經(jīng)歷感知→思維→體驗的過程，喚醒學(xué)生頭腦中的前概念，初步意識到力和運動的定性關(guān)系：運動不需要力，力可以使物體從靜止到運動，也可以使物體從運動到靜止.

4.2 理想實驗多維度，激活思維

（1）提出問題：亞里士多德根據(jù)生活經(jīng)驗得出物體的運動需要力來維持的觀點，如果你是伽利略，如何反駁亞里士多德的觀點？（大部分學(xué)生能想到阻力使物體停下來）

（2）伽利略的思考：如圖3，當(dāng)一個球沿斜面向下滾動時，它的速度增大；向上滾動時，速度減小.由此猜想：當(dāng)球沿水平面滾動時，它的速度應(yīng)該不增不減，然而實際情況球沿水平面滾動會越滾越慢，最后停了下來.伽利略認為這是摩擦作用的結(jié)果，他由此猜想：若沒有摩擦，球?qū)⒂肋h運動下去.

圖3

（3）演示伽利略針和單擺實驗：如圖4所示，利用自制的實驗裝置演示，將擺球用細線懸掛在O點，讓擺球從圖示位置的A點由靜止釋放，幾乎能到達等高的D點.改變針的位置，重復(fù)剛才的實驗，小球還是能到達等高的位置.在示意圖中把伽利略針和單擺實驗擺球運動軌跡用矩形框出來，啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生將該實驗中沒有接觸面情境轉(zhuǎn)換成有接觸面的情境，從而得到伽利略理想斜面實驗的雛形.

圖4

（4）模擬演示理想斜面實驗：實驗裝置如圖5所示.

圖5

演示1：控制斜面的傾斜角度不變，改變斜槽表面的粗糙程度，依次為不放紙條、放置切割好的寬度略小于斜槽寬度白紙條（表面較光滑）和地毯紙條（表面很粗糙）3種情況，從斜面同一位置釋放小球，觀察并對比小球運動所到達的高度.［2］

現(xiàn)象：表面越光滑，小球上升的高度越高.

推理：如果是光滑斜面，沒有阻力，小球?qū)⑸仙脚c釋放點等高的位置.

演示2：依次降低右邊斜面的傾斜角度，直至軌道水平，讓小球從左邊斜面同一高度釋放，觀察運動的距離.

現(xiàn)象：小球運動得越來越遠.

推理：將斜面變?yōu)樗角覜]有摩擦阻力，小球?qū)肋h運動下去.

（5）總結(jié)伽利略理想實驗：引導(dǎo)分析哪些是實驗事實？→進行了怎樣的理想化處理？→科學(xué)的邏輯推理→實驗結(jié)論.總結(jié)出理想實驗＝可靠的實驗事實＋科學(xué)的邏輯推理.愛因斯坦的評價“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，它標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端.”

教學(xué)反思：相比于教材中理想實驗的理論分析和“頭腦”實驗，通過給學(xué)生呈現(xiàn)豐富的實驗事實，多維度還原伽利略的思考和研究過程，并利用自制實驗儀器的輔助演示，讓學(xué)生經(jīng)歷物理知識發(fā)生發(fā)展過程，經(jīng)歷科學(xué)思維、科學(xué)推理的過程，掌握科學(xué)思想和科學(xué)方法.

4.3 歷史評價有高度，彰顯價值

回溯力和運動關(guān)系跨越2000年的研究歷程，充分挖掘物理學(xué)史的教育價值，通過客觀高度地評價科學(xué)家在力和運動關(guān)系研究進程中的貢獻，感悟科學(xué)思想和方法，培養(yǎng)批判質(zhì)疑的科學(xué)精神和團隊合作精神.［3］如表2所示.

表2 力和運動關(guān)系的研究歷史及評價

續(xù)表

教學(xué)反思：以物理學(xué)史為重要的教學(xué)資源豐富物理課堂，不僅讓學(xué)生領(lǐng)悟物理知識背后隱藏的科學(xué)思想和方法，也讓學(xué)生學(xué)會用辯證的眼光評價科學(xué)的發(fā)展，讓學(xué)生從中體會物理的科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.

4.4 規(guī)律理解有深度，強化觀念

（1）牛頓第一定律的內(nèi)容：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非有外力迫使它改變這種狀態(tài).

（2）利用表3引導(dǎo)學(xué)生對牛頓第一定律的內(nèi)容關(guān)鍵詞句進行剖析，并進行定律內(nèi)涵理解的辨析：指明了物體不受力時的運動狀態(tài)（理想化情況）；揭示了物體的一個固有屬性——慣性；闡明了力與運動的關(guān)系——力是改變物體運動狀態(tài)的原因.

表3

教學(xué)反思：讓學(xué)生解讀定律表述文本，剖析重點字詞語，抓住要點，提升學(xué)生文本解讀能力和自主分析能力，理解物理規(guī)律表達的簡潔性、嚴密性，通過定律的剖析進一步強化物質(zhì)觀、運動觀和相互作用觀.

4.5 實驗設(shè)計有梯度，突破難點

（1）空氣炮演示實驗：如圖6所示，利用紙箱和干冰自制空氣炮實驗裝置，紙箱六面封閉，其中一面剪一個圓形的開口，在紙箱中放入干冰，用加熱器加熱后產(chǎn)生霧化效果，用不同的力氣拍紙箱，學(xué)生觀察在空中霧化圓圈的運動情況，在課堂中演示氣體慣性.

圖6

（2）吹乒乓球?qū)嶒灒喝鐖D7，黃、白兩個顏色不同的乒乓球，懸掛在一起，請一學(xué)生上臺，用幾乎相同的力吹，觀察哪個球的運動狀態(tài)容易改變.最后用手掂掂乒乓球，發(fā)現(xiàn)白色球比較輕，黃色球比較重.質(zhì)量小的物體慣性小，運動狀態(tài)容易改變.

圖7

（3）實驗驗證：慣性大小與物體速度無關(guān)

①問題引導(dǎo)，初步建立感性認識：速度為10 m/s的乒乓球和速度為5 m/s的鉛球，哪個更容易接?。?/p>

② 演示實驗驗證：實驗裝置如圖8，實驗采集數(shù)據(jù)表格及分析結(jié)果如圖9.

圖8

圖9

在軌道上輕推小車，給同一小車不同的初速度，小車的位移不同.小車初速度不同，滑行距離也不同，那么它們運動狀態(tài)改變的難易程度一樣嗎？用提問方式引導(dǎo)學(xué)生理解運動狀態(tài)改變的難易程度可以用加速度描述.

利用DIS測出小車上的擋光片經(jīng)過光電門的遮光時間，自動計算出小車的瞬時速度v.記錄光電門到小車最后停止的距離，根據(jù)v2＝2as算出加速度，圖9數(shù)據(jù)表明加速度幾乎相等.由此得出結(jié)論：慣性大小與物體運動速度大小無關(guān).

③ 邏輯推理，反證錯誤認知：如果速度越大，慣性越大，那么速度越小，慣性就越小，速度為0，慣性也為零，顯然這是不符合實際的.

教學(xué)反思：實驗一增加感性認識，讓學(xué)生完善一切物體都有慣性的觀念，并以此為基礎(chǔ)引出關(guān)于慣性大小與什么因素有關(guān)的猜想；實驗二強化實踐體驗，讓學(xué)生在探究體驗中深化理解慣性與物體的質(zhì)量的關(guān)系；實驗三突出探究驗證，讓學(xué)生走出“速度大、慣性大”的錯誤認識，同時理解加速度可以描述物體運動狀態(tài)改變的難易程度，為定量探究力和運動關(guān)系奠定基礎(chǔ).通過進階式的實驗設(shè)計，使學(xué)生經(jīng)歷喚醒→完善→重構(gòu)認知體系的過程，讓學(xué)生在深度體驗中完成知識體系的重構(gòu)，不僅實現(xiàn)學(xué)習(xí)難點的有效突破，更有助于學(xué)生科學(xué)思維能力提升和科學(xué)本質(zhì)的認識.

4.6 應(yīng)用拓展有生活，格物致知

（1）讓學(xué)生自主例舉慣性在生活中的應(yīng)用實例：跳遠時的助跑，釘釘子，拍打棉被上的灰塵……

（2）以風(fēng)車篩選水稻為例，水稻收割后，要曬干、篩選出干凈、飽滿的稻谷保存，去除空心稻谷及其雜質(zhì).播放視頻（如圖10），請同學(xué)們利用所學(xué)的知識解釋原理并提出技術(shù)改進建議.

圖10

（3）播放中國航母上的艦載機著陸訓(xùn)練視頻，阻攔繩勾住艦載機的瞬間，飛行員會出現(xiàn)紅視現(xiàn)象.自制實驗儀器（如圖11），模擬紅視現(xiàn)象，通過手機慢鏡拍攝，觀察橡皮筋勾住滑塊使滑塊減速運動，在滑塊減速為0的瞬間，紅色墨水會往前傾最厲害.

圖11

教學(xué)反思：知識應(yīng)用與拓展，應(yīng)聯(lián)系注重生活生產(chǎn)實際，盡可能展現(xiàn)生活中的物理現(xiàn)象，讓學(xué)生理解物理與生活，物理與生產(chǎn)實踐，物理與社會發(fā)展進步的聯(lián)系.選擇風(fēng)車實例不僅讓學(xué)生了解水稻的篩選原理，更重要的是讓學(xué)生了解我國勞動人民在勞動生產(chǎn)實踐中的偉大智慧結(jié)晶，滲透勞動觀念和勞動意識，增強學(xué)生民族自豪感.選取中國航母上艦載機訓(xùn)練視頻，視頻載體本身展現(xiàn)了我國現(xiàn)代科技進步與發(fā)展現(xiàn)狀，有益于學(xué)生增強民族自信.案例的選取有利于學(xué)生認識到慣性的利與弊，引導(dǎo)學(xué)生從哲學(xué)的角度用辯證的觀點思考物理學(xué)發(fā)展和進步，樹立正確的科學(xué)價值觀，有益于學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的養(yǎng)成.

5 結(jié)束語

教學(xué)實踐表明，基于核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)分析，廣泛聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，充分挖掘教學(xué)資源，優(yōu)化情境創(chuàng)設(shè)和問題引導(dǎo)，強化探究實踐體驗與交流，優(yōu)化教學(xué)過程設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)、質(zhì)疑、猜想、探究、分析、交流、應(yīng)用等重要環(huán)節(jié)，在深化知識建構(gòu)的過程中發(fā)展完善物理觀念、感悟科學(xué)思維、體會科學(xué)方法、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，才能真正實現(xiàn)從物理學(xué)科知識教學(xué)向物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育的轉(zhuǎn)變.