龔立江 喬范均 劉 丹

(1.四川省南充市高坪區(qū)教育科學(xué)研究所，四川 南充 637100;2.四川省南充市高坪中學(xué)，四川 南充 637100;3.四川省南充市白塔中學(xué)，四川 南充 637100)

1 引言

“引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式多樣化”是新一輪高中物理課程改革的基本理念。自主學(xué)習(xí)是以學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體，通過(guò)學(xué)生獨(dú)立思考、分析、探索、實(shí)踐、質(zhì)疑、創(chuàng)造等方式來(lái)達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確提出：“高中物理課程通過(guò)創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力?！盵1]筆者在“牛頓第一定律”的教學(xué)中，通過(guò)問(wèn)題串、任務(wù)群引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，大膽質(zhì)疑，自主探究，形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)得到提高。

2 巧置情境，打開(kāi)科學(xué)思維之閥

物理規(guī)律的探究需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題情境。[2]通過(guò)創(chuàng)設(shè)與物理學(xué)習(xí)聯(lián)系密切的情境，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的心理狀態(tài)，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在教學(xué)引入時(shí)首先使用自制空氣炮將“時(shí)光之門(mén)”(疊放的泡沫塊墻)轟塌，并展示亞里士多德當(dāng)年生活的情境，將學(xué)生帶入公元前4世紀(jì)。引導(dǎo)學(xué)生思考：是什么力量打開(kāi)了“時(shí)光之門(mén)”？物體的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持嗎？力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系究竟是怎樣的？人類(lèi)經(jīng)歷了怎樣的探索過(guò)程呢？帶著這些問(wèn)題我們一起來(lái)探究“力與運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系。

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，還原亞里士多德的思考過(guò)程

讓學(xué)生扮演亞里士多德，展示出行的情境。提出問(wèn)題：沒(méi)有馬拉車(chē)，怎么能讓車(chē)運(yùn)動(dòng)呢？通過(guò)“亞里士多德”的獨(dú)白引導(dǎo)學(xué)生思考。

問(wèn)題1:亞里士多德要讓靜止的馬車(chē)運(yùn)動(dòng)起來(lái)，你有什么辦法？運(yùn)動(dòng)與什么因素有關(guān)？

問(wèn)題2:亞里士多德用四匹馬拉車(chē)比用兩匹馬拉車(chē)運(yùn)動(dòng)得更快，說(shuō)明了什么？

問(wèn)題3:亞里士多德在水平面上用力推車(chē)，車(chē)運(yùn)動(dòng)；停止用力，車(chē)靜止。由此你能得出什么結(jié)論？

設(shè)計(jì)意圖：用以上情境引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，關(guān)注學(xué)生的科學(xué)思維起點(diǎn)和最近發(fā)展區(qū)，貼近學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生很容易形成“物體的運(yùn)動(dòng)是與力相聯(lián)系的，如果不再用力，原來(lái)運(yùn)動(dòng)的物體就將停止”的直覺(jué)。同時(shí)告訴學(xué)生，2000多年前古希臘的亞里士多德根據(jù)大量的生活現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)提出了關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。

2.2 質(zhì)疑反思，引發(fā)認(rèn)知沖突

在學(xué)生根據(jù)生活的直覺(jué)建立起“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的運(yùn)動(dòng)觀后，引導(dǎo)學(xué)生思考。

問(wèn)題4:停止用力后，小車(chē)是否立即停止？

問(wèn)題5:怎樣增加小車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離？

問(wèn)題6:運(yùn)動(dòng)一定需要力來(lái)維持嗎？

問(wèn)題7:你覺(jué)得亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀有問(wèn)題嗎？

問(wèn)題8:我們又該如何去修正亞里士多德的觀點(diǎn)呢？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑討論，引起學(xué)生對(duì)直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的反思，通過(guò)對(duì)問(wèn)題4～6的思考討論，學(xué)生發(fā)現(xiàn)停止用力后小車(chē)還會(huì)運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)的距離與小車(chē)的初速度有關(guān)，運(yùn)動(dòng)似乎又不需要力來(lái)維持，動(dòng)搖了學(xué)生已有的認(rèn)知，產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步探究的興趣。

2.3 客觀評(píng)價(jià),養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度

問(wèn)題9:通過(guò)學(xué)習(xí)，我們已多次發(fā)現(xiàn)亞里士多德的觀點(diǎn)有誤，你心目中的亞里士多德是怎么樣的一個(gè)人呢？我們?cè)撊绾握_看待物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程中的這些錯(cuò)誤？

筆者在課前安排學(xué)生收集亞里士多德的相關(guān)資料，通過(guò)討論交流認(rèn)識(shí)到：亞里士多德是古代偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家，是第一個(gè)倡導(dǎo)研究自然現(xiàn)象、并提出“物理學(xué)”名稱的人。他力圖以世界的本來(lái)面目說(shuō)明各種自然現(xiàn)象，但由于當(dāng)時(shí)的研究方法只是靠直覺(jué)和觀察，所以他在物理方面的很多論述在今天看來(lái)是錯(cuò)誤的，但是當(dāng)時(shí)能夠擺脫神的意志，形成一套自圓其說(shuō)的體系，這是很大的進(jìn)步。[3]正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)：提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)和本節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生感覺(jué)到在物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中亞里士多德似乎總是提出一些錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，認(rèn)為亞里士多德是一個(gè)錯(cuò)誤的“集大成者”。通過(guò)問(wèn)題9的討論交流，糾正了學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生辯證的科學(xué)思維和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)了學(xué)生物理觀念的形成。

3 實(shí)驗(yàn)探究，走向科學(xué)真相

3.1 伽利略第一次把物理實(shí)驗(yàn)與理性思維相結(jié)合

(1)提出問(wèn)題

引起亞里士多德錯(cuò)誤觀點(diǎn)的“罪魁禍?zhǔn)住笔鞘裁茨?？?yīng)該尋找怎樣的方法去糾正維持了兩千多年的錯(cuò)誤觀點(diǎn)？

(2)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案

學(xué)生閱讀伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)方案，了解其思想精髓：運(yùn)用實(shí)驗(yàn)加推理的科學(xué)方法。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)伽利略的想法設(shè)計(jì)出本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)方案，利用摩擦力和坡度大小可調(diào)的凹形鋁合金導(dǎo)軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(3)實(shí)驗(yàn)探究一

學(xué)生在凹形鋁合金導(dǎo)軌上分兩種情況研究小球運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程：在凹形鋁合金導(dǎo)軌上鋪上布條；拿掉布條后重做剛才的實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)：兩次小球都不能達(dá)到與釋放點(diǎn)等高的地方，拿掉布條后小球上升的高度更高。筆者引導(dǎo)他們合理外推：如果導(dǎo)軌對(duì)小球的摩擦力越來(lái)越小，小球上升的高度將怎樣變化？當(dāng)沒(méi)有摩擦?xí)r，小球能到達(dá)與釋放點(diǎn)等高的地方嗎？

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和理性思考，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：小球在沒(méi)有受到摩擦力的情況下將能到達(dá)與釋放點(diǎn)等高的地方，初步體會(huì)實(shí)驗(yàn)加邏輯推理的科學(xué)研究方法。

(4)實(shí)驗(yàn)探究二

學(xué)生改變凹形導(dǎo)軌傾角，探究小球的運(yùn)動(dòng)情況。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)斜面傾角越來(lái)越小時(shí)，小球運(yùn)動(dòng)的路程越來(lái)越遠(yuǎn)。教師引導(dǎo)他們合理外推：如果導(dǎo)軌水平，小球?qū)⒃趺催\(yùn)動(dòng)？伽利略關(guān)于理想斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是否得到了驗(yàn)證？

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究二發(fā)現(xiàn)：不受力的小球?qū)⒀厮矫嬗肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。即運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持(伽利略的觀點(diǎn))。同時(shí)也明白了：伽利略關(guān)于理想斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是不可能用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證的，但這是建立在可靠實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)合理推理而得到的正確結(jié)論。讓學(xué)生加深對(duì)實(shí)驗(yàn)加邏輯推理方法的認(rèn)識(shí)，學(xué)生通過(guò)對(duì)前面問(wèn)題的探究，有一種“柳暗花明”的感覺(jué)，獲得極大的成就感,從而激起他們進(jìn)一步探究的欲望。

(5)介紹伽利略理想實(shí)驗(yàn)的意義

伽利略第一次把物理實(shí)驗(yàn)與理性思維結(jié)合起來(lái)，為后人提供了一種科學(xué)的方法。愛(ài)因斯坦曾高度評(píng)價(jià)伽利略的工作：“這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)指出了真正建立動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的線索?！蓖瑫r(shí)，還引用了伽利略對(duì)亞里士多德的評(píng)價(jià)：“老實(shí)說(shuō)，我贊成亞里士多德的著作，并精心進(jìn)行研究，但我責(zé)備那些把自己淪為亞里士多德奴隸的人?！盵3]

通過(guò)介紹伽利略理想實(shí)驗(yàn)的意義，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的研究態(tài)度，尊重權(quán)威但不迷信權(quán)威，敢于獨(dú)立思考，大膽質(zhì)疑，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)亞里士多德的正確認(rèn)識(shí)。

3.2 笛卡爾對(duì)伽利略的觀點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充完善

伽利略通過(guò)實(shí)驗(yàn)和推理的方法形成了力與運(yùn)動(dòng)初步的正確觀點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持。

問(wèn)題1:伽利略認(rèn)為不受力的物體將沿水平面永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，這個(gè)觀點(diǎn)完全正確嗎？

引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)討論發(fā)現(xiàn)：沿水平面永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，從地球整體角度看最終將是一個(gè)繞地球的曲線運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)題2:不受力的物體究竟怎么運(yùn)動(dòng)呢？

教師介紹：笛卡爾對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，對(duì)伽利略的觀點(diǎn)進(jìn)行了補(bǔ)充完善，指出：如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒(méi)有受到力的作用，將繼續(xù)以同一速度沿直線運(yùn)動(dòng)，既不會(huì)停下來(lái)，也不會(huì)偏離原來(lái)的方向。

問(wèn)題3:如何模擬不受力的條件，驗(yàn)證笛卡爾觀點(diǎn)的正確性？

教師介紹氣墊導(dǎo)軌的原理，讓學(xué)生利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證笛卡爾的觀點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)笛卡爾工作的介紹，讓學(xué)生明白：運(yùn)動(dòng)物體不受力時(shí)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，認(rèn)識(shí)到伽利略運(yùn)動(dòng)觀的局限性。利用氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生知道：通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，可以模擬理想實(shí)驗(yàn)的條件，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)物體不受力時(shí)將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的觀點(diǎn)，感受到科學(xué)前輩思維的深邃和前瞻性。

3.3 牛頓站在巨人的肩膀上，總結(jié)科學(xué)定律

(1)提出問(wèn)題

在前面的實(shí)驗(yàn)中，我們只探究了運(yùn)動(dòng)的物體，靜止的物體在受外力和不受外力時(shí)又會(huì)怎樣？

(2)牛頓的歸納完善

牛頓通過(guò)深入分析認(rèn)為：靜止的物體不受外力時(shí)保持靜止?fàn)顟B(tài)；力的作用是改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；一切物體都有保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，這是物體的一種固有屬性(慣性)。

(3)實(shí)驗(yàn)探究

問(wèn)題1:液體有慣性嗎？如何驗(yàn)證？

利用自制的器材引導(dǎo)學(xué)生在小車(chē)靜止、起動(dòng)、勻速、突然停止等情況下，探究固定在小車(chē)上的玻璃管中液體的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)觀察，認(rèn)識(shí)到液體也具慣性。

回顧解釋引入時(shí)空氣炮打開(kāi)“時(shí)光之門(mén)”的原理，加深學(xué)生對(duì)一切物體(固體、液體、氣體)都具有慣性的理解。

問(wèn)題2:慣性的大小與什么因素有關(guān)？

視頻展示汽車(chē)滿載和空載時(shí)制動(dòng)距離的變化，引導(dǎo)學(xué)生自主分析，通過(guò)討論得到結(jié)論：慣性大小只與物體的質(zhì)量有關(guān)。

(4)交流總結(jié)

牛頓在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，建立了牛頓力學(xué)體系，第一次提出了力的概念，發(fā)現(xiàn)了力與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，于1687年發(fā)表《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，其中牛頓第一定律的表述為：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變?yōu)橹埂?/p>

學(xué)生自主體驗(yàn)探究過(guò)程，培養(yǎng)了他們的科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。他們也體會(huì)到：一條定律的提出，并非一蹴而就，它是幾代物理學(xué)家共同探索的結(jié)果。正如牛頓自己所說(shuō)：我之所以比別人看得更遠(yuǎn)，是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀?/p>

4 學(xué)以致用，解決實(shí)際問(wèn)題

教師用多媒體展示沙漠圖片，解釋沙漠的成因：因?yàn)槿撕妥匀坏淖饔?，土壤中質(zhì)量較小的有機(jī)物顆粒在風(fēng)力作用下被吹走了，剩下質(zhì)量較大的沙土礦物質(zhì)顆粒。

任務(wù)1:如何利用老師提供的米粒和麥片模擬沙漠的形成原因？

學(xué)生討論后提出：用米粒模擬土壤中沙土礦物質(zhì)顆粒，用麥片模擬土壤中的有機(jī)物顆粒，裝入盤(pán)中，用嘴吹氣，觀察“沙漠”的形成過(guò)程。

任務(wù)2:你能設(shè)計(jì)出沙漠治理的方案嗎？

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出治理沙漠的方案：植樹(shù)和澆水。

師：植樹(shù)有何作用？

生：防風(fēng)，減少外力，同時(shí)增加土壤濕度。

師：澆水有何作用？

生：有機(jī)物顆粒吸水后質(zhì)量增大，慣性增大，不易被吹走。

任務(wù)3:讓學(xué)生利用米粒和麥片，通過(guò)減小風(fēng)力(吹氣)和澆水的方法，驗(yàn)證方案的可行性。

用視頻展示塞罕壩從荒漠沙地到青山綠水的圖片，對(duì)學(xué)生進(jìn)行環(huán)保生態(tài)教育，滲透“綠水青山就是金山銀山”的理念教育，深化他們對(duì)運(yùn)動(dòng)與相互作用的認(rèn)識(shí)。

學(xué)生把課堂所學(xué)知識(shí)、科學(xué)思維方法用于分析、解決生活問(wèn)題，體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向生活”的課程理念，學(xué)生在問(wèn)題解決中進(jìn)一步提高了探究能力，增強(qiáng)了實(shí)踐意識(shí)，形成了實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，進(jìn)而促進(jìn)了學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成不是一蹴而就的，需要教師在平時(shí)的教學(xué)中有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)物理規(guī)律的探究情境，設(shè)置好問(wèn)題串、任務(wù)群，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究。讓學(xué)生在自主探究的過(guò)程中，提升科學(xué)探究能力，培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力。加強(qiáng)物理與生產(chǎn)生活的聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)，在學(xué)以致用中促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。