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，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，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.