摘 要：在物理教學(xué)中，牛頓第一定律占據(jù)了重要的位置。它不僅是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，更是幫助學(xué)生理解物體運(yùn)動和力的關(guān)系的關(guān)鍵。然而，單純地傳授這一知識點往往不利于學(xué)生深入理解其背后的科學(xué)精神和思維方法。而將科學(xué)史融入教學(xué)，不僅有助于學(xué)生更好地理解牛頓第一定律的形成過程，還能有效地提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，如科學(xué)思維、探究能力、合作與交流等。

關(guān)鍵詞：科學(xué)素養(yǎng)；科學(xué)史；質(zhì)疑

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8918（2024）30-0103-04

為適應(yīng)社會的發(fā)展，中國學(xué)生要發(fā)展核心素養(yǎng)，以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，科學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個要素。怎樣在日常教學(xué)中既能把握學(xué)科本質(zhì)特征，又能體現(xiàn)學(xué)科育人價值，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)，這是一個值得我們深思的問題。而科學(xué)史是科學(xué)產(chǎn)生、形成和發(fā)展及其演變的規(guī)律的反映，科學(xué)史是由很多科學(xué)人物創(chuàng)造的，因此在課堂中引入科學(xué)史和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)上天然是可以統(tǒng)一的。

一、 研讀教材，找尋科學(xué)史和科學(xué)核心素養(yǎng)之間的契合點

牛頓第一定律主要揭示的是運(yùn)動和力之間關(guān)系。

仔細(xì)閱讀教材，翻閱書籍關(guān)于科學(xué)史上人物介紹如圖1所示，沒有過多介紹當(dāng)時研究的過程，一時難以發(fā)現(xiàn)發(fā)展的內(nèi)核，因此需要我們再研讀教材、找尋資料，從整個牛頓第一定律建立的過程可以發(fā)現(xiàn)有四個里程碑人物，即亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓。

科學(xué)史上觀點在不斷進(jìn)步，我們絕不能只是照本宣科地將科學(xué)史告訴學(xué)生。要培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神。

本節(jié)課所要達(dá)成的科學(xué)觀念即牛頓第一定律。要讓學(xué)生形成這樣的科學(xué)觀念不應(yīng)該是直接強(qiáng)加給學(xué)生的，而應(yīng)該是讓學(xué)生通過一定途徑獲得。這就是科學(xué)探究過程，本節(jié)課運(yùn)用了“實驗+推理”的方式。因此，在課堂當(dāng)中要引領(lǐng)學(xué)生利用實驗，在實驗和邏輯推理中逐步形成科學(xué)觀念。

學(xué)習(xí)科學(xué)知識后，要能利用所學(xué)知識解決問題，科學(xué)走向生活也就是核心素養(yǎng)中科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的范疇。

二、 挖掘科學(xué)史，為課堂活動設(shè)計找尋策略

認(rèn)真研究關(guān)于運(yùn)動和力關(guān)系的科學(xué)史，我們會發(fā)現(xiàn)人們的思維認(rèn)識中出現(xiàn)了幾次重大的飛躍。

第一次飛躍：“從運(yùn)動需要力來維持”到“力不是維持物體運(yùn)動的原因”。

亞里士多德很早就提出了“有力作用在物體上，物體會運(yùn)動，沒有力，物體就會靜止”。這跟生活當(dāng)中經(jīng)?？吹礁惺艿降耐莆矬w，物體就運(yùn)動，不推物體，物體就靜止等現(xiàn)象非常符合，所以 2000 多年來人們一直非常相信這種說法。但自從伽利略做了“理想斜面”實驗。人們打破了這種思維模式和結(jié)論，這也就是觀點為什么從“力是維持物體運(yùn)動的原因”轉(zhuǎn)變成了“力不是維持物體運(yùn)動的原因”的過程，是一次了不起的飛躍。（圖2）

第二次飛躍：從“速度不變”到“勻速直線運(yùn)動”。

伽利略提出“若物體在運(yùn)動中不受到力的作用，它的速度將保持不變”。而笛卡兒提出“若物體在運(yùn)動中不受力，物體將永遠(yuǎn)沿原來的方向做勻速運(yùn)動”。這兩種說法貌似沒什么區(qū)別，那么飛躍在哪里呢？仔細(xì)研讀《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》這本書，我們會發(fā)現(xiàn)伽利略所講的這個“平面”其實是個球面，伽利略認(rèn)為將物體放在任意空間內(nèi)的斜面上，物體有重力，所以它將會向地心做加速運(yùn)動；當(dāng)沿著斜面向上運(yùn)動時，將會遠(yuǎn)離地心做減速運(yùn)動。那么如果物體不受任何阻力而做勻速運(yùn)動時，物體就會既不靠近地心也不遠(yuǎn)離地心，而是圍繞地心做圓周運(yùn)動，即物體做勻速運(yùn)動的平面為一個球面。而笛卡兒提出的運(yùn)動的物體不受任何力的作用時，將永遠(yuǎn)沿原來的方向做勻速運(yùn)動確實比伽利略的想法更進(jìn)一步，是一次大飛躍。

第三次飛躍：形成牛頓第一定律。

教材對牛頓第一定律是這樣描述的：“一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)?！毕啾扔诘芽▋旱拿枋?，很顯然牛頓建立的體系更加完整。一切物體都遵循這個規(guī)律，條件是不受外力作用，結(jié)果是靜止的物體保持靜止，而運(yùn)動的物體將做勻速直線運(yùn)動。

三、 融合科學(xué)核心素養(yǎng)和科學(xué)史，實施教學(xué)設(shè)計

愛因斯坦曾指出：“科學(xué)結(jié)論幾乎以完美的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者體驗不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動過程，也很難達(dá)到清楚地理解全部情況?！?/p>

因此，將科學(xué)史引入課堂教學(xué)，以科學(xué)史為主線，又要建立提升學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)，更需要體現(xiàn)學(xué)生的主體性，讓學(xué)生主動參與到科學(xué)課堂當(dāng)中，發(fā)揮學(xué)生思維的主觀能動性。課堂當(dāng)中必須設(shè)計學(xué)生的活動，以學(xué)生的活動帶動課堂的進(jìn)程、思維的發(fā)展。

引入：關(guān)于運(yùn)動和力之間的關(guān)系，那么就不得不提到亞里士多德，他是世界古代史上偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家。他通過多年經(jīng)驗得到“有力作用在物體上物體就會運(yùn)動，撤去力的作用，物體就會停止”的結(jié)論。即我們熟知的“力是維持物體運(yùn)動的原因”。你能證明他觀點的合理性嗎？

活動1：舉例說明“力是維持物體運(yùn)動的原因”正確性。

［設(shè)計意圖：通過學(xué)生設(shè)計類似推桌子活動，推桌子，桌子運(yùn)動；不用力推，桌子靜止。暴露學(xué)生前概念，承認(rèn)前概念，證明亞里士多德觀點的合理性。］

引語：生活中有沒有一些過程和力是維持物體運(yùn)動的原因這個觀點相違背的事例？

活動2：讓學(xué)生推動書桌上的乒乓球。用力推，乒乓球運(yùn)動；手離開，乒乓球仍然繼續(xù)運(yùn)動。這時再問學(xué)生“有力物體會運(yùn)動，沒有力物體不能運(yùn)動”這個觀點還正確嗎？學(xué)生自然發(fā)現(xiàn)不對了。這個步驟就可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)有現(xiàn)象與之前的概念是沖突的，并不是完全正確的概念了。但是僅憑這一個學(xué)生實驗并不足以讓學(xué)生完全放棄前概念，學(xué)生會千方百計來證明自己的前觀點是正確的。因此必須還要在這個實驗基礎(chǔ)上增加實驗，由事實來說話，讓學(xué)生承認(rèn)并會用新觀點。

［設(shè)計意圖：學(xué)會質(zhì)疑，不迷信權(quán)威，能學(xué)會用科學(xué)的眼光看待生活中的科學(xué)問題。］

問題1：桌子和桌上的乒乓球，假如沒有去推，沒有其他物體給它施加力的作用，它們會不會運(yùn)動？

生：不會，對靜止的物體，如果沒有別的物體對它們施加力的作用，總保持靜止?fàn)顟B(tài)。

引語：不錯，對靜止的物體，如果沒有別的物體對它們施加力的作用，總保持靜止?fàn)顟B(tài)。那原來運(yùn)動的物體，如果沒有其他物體給它施加力的作用，它會怎樣？為了研究這個問題，我們可以引入實驗。而沒有受外力這個條件，在現(xiàn)實生活中是沒辦法實現(xiàn)的。為了研究這個問題，400多年前，意大利科學(xué)家伽利略通過思考，想到了先用實驗探究不同阻力對物體運(yùn)動的影響，然后再推測物體不受力作用時將做什么運(yùn)動。請你在課堂中完成合理設(shè)計并進(jìn)行實驗。

活動3：設(shè)計并實驗，阻力對小車活動的影響

［設(shè)計意圖：學(xué)生通過設(shè)計阻力對小車活動的影響，認(rèn)識到控制變量法在科學(xué)實驗中的作用。經(jīng)過實驗再推理得到結(jié)論，體會科學(xué)研究嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。］

為幫助學(xué)生更好地理解實驗的設(shè)計，可以追加以下問題鏈：

①實驗的研究對象是什么？研究什么問題？

②如何改變阻力的大??？

③小車速度的快慢看什么？

④為了比較小車在不同材料的水平面上繼續(xù)運(yùn)動的距離，還要控制什么因素？

⑤如果給你一個斜面，你如何確保小車在不同材料的水平面上具有相同的初速度？

在此問題的基礎(chǔ)上學(xué)生設(shè)計表格然后進(jìn)行研究。（表1）

學(xué)生通過實驗讓小車從斜面的同一位置靜止滑下，分別讓其在鋪有干濕毛巾的木板、鋪有餐巾紙的木板以及涂了油的木板上運(yùn)動直到停止，觀察小車在不同平面運(yùn)動距離。觀察到在鋪有干毛巾的木板上運(yùn)動距離最近；鋪有餐巾紙的木板上要遠(yuǎn)些；而在光滑的木板上運(yùn)動得最遠(yuǎn)。實驗現(xiàn)象很明顯，那么接下來事情應(yīng)該是對實驗進(jìn)行提煉和總結(jié)可以得到表2的情況。

于是問學(xué)生三個平面中小車受到阻力最大的是哪一個，造成小車運(yùn)動的結(jié)果是什么？學(xué)生自然能夠說出在鋪有干毛巾的木板上小車受到的阻力最大，從而使小車運(yùn)動的距離最短；而涂了油的木板上小車受到的阻力最小，運(yùn)動得最遠(yuǎn)。進(jìn)而推理得出：運(yùn)動的物體如果不受阻力的作用，它將一直運(yùn)動下去。說明力不是維持物體運(yùn)動的原因，而是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。

教師引語：從教材的介紹中我們順理成章地認(rèn)為伽利略的結(jié)論“如果物體在運(yùn)動中不受力的作用，它的速度將保持不變”是在做勻速直線運(yùn)動了，其實當(dāng)時伽利略受天體運(yùn)動的特點所左右，他認(rèn)為的速度保持不變其實是做圓周運(yùn)動。而教材中提到笛卡兒明確指出：如果運(yùn)動物體不受到任何力的作用，它不會向左、右方向偏，將永遠(yuǎn)沿原來的方向做勻速直線運(yùn)動。這很明顯是一次大的飛躍。

最后牛頓提出牛頓第一定律又是一次重大飛躍，我們可以從定律的描述中意識到他的偉大之處。

活動4：要點剖析

牛頓第一定律內(nèi)容：一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。

“一切物體”指的是宇宙中所有物體都遵循，是自然界中普遍的規(guī)律。

“沒有受到外力作用”是定律成立的條件，是一種理想情況。

“總”指的是一直的意思，沒有例外。

“或”指的是只能處于一種狀態(tài)，到底處于哪種狀態(tài)，由原來的狀態(tài)決定，原來運(yùn)動就保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)，原來靜止就保持靜止?fàn)顟B(tài)。

［設(shè)計意圖：通過概念的剖析，發(fā)現(xiàn)牛頓定律的偉大之處，也加深了對科學(xué)觀念的理解，能幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)。］

活動5：科學(xué)史回頭看

最后，用手猛地推一下書本，同樣出現(xiàn)與推乒乓球一樣的現(xiàn)象，也就是當(dāng)手離開運(yùn)動的物體，物體并沒有馬上停止運(yùn)動，而是要繼續(xù)運(yùn)動，只是桌子受到的阻力較大，滑行的距離較短，而乒乓球受到的阻力較小，滾動的距離較遠(yuǎn)。

所以亞里士多德在提到不用力時物體靜止是沒有意識到阻力在起作用。

［設(shè)計意圖：肯定科學(xué)人物所做的貢獻(xiàn)，也找出科學(xué)人物在認(rèn)識上的不足，而認(rèn)識是隨著一代代科學(xué)人經(jīng)過積淀不斷完善的，他們就像是跨越 2000 年的團(tuán)隊，也使學(xué)生認(rèn)識到做科學(xué)研究的困難和團(tuán)隊合作意識的重要性。當(dāng)然其實也是破除學(xué)生自身前概念，這一系列的過程，展示了牛頓第一運(yùn)動定律得出的過程，也讓學(xué)生能夠更好地理解牛頓第一運(yùn)動定律，從而動搖和否定了之前存在的錯誤概念和思想。］

活動6：推導(dǎo)力和物體運(yùn)動的關(guān)系

思考與討論：如圖甲，小球豎直下落的運(yùn)動中，為什么速度越來越大？

如圖乙，小球豎直向上拋出的運(yùn)動中，為什么速度越來越?。?/p>

如圖丙，小球沿斜上方向拋出的運(yùn)動中，為什么運(yùn)動方向會發(fā)生變化？

［設(shè)計意圖：通過對力和運(yùn)動的分析，加深科學(xué)觀念——牛頓第一定律的理解，學(xué)會運(yùn)用規(guī)律解決實際問題，體現(xiàn)了科學(xué)思維。］

四、 收獲與反思

牛頓第一定律這節(jié)課設(shè)計為以科學(xué)史為主線，以任務(wù)為驅(qū)動，在任務(wù)的一個個解決中提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)這個核心，它是行之有效的。

（一）展現(xiàn)科學(xué)史上概念建構(gòu)的過程，有助于學(xué)生對概念的深刻理解

概念的建構(gòu)中，如果直白地描述，只是相當(dāng)于空降在學(xué)生的腦海中，建立的聯(lián)系是不能持久的，學(xué)生會很機(jī)械地記憶而難以對概念正確理解和運(yùn)用?？茖W(xué)史能夠展現(xiàn)概念的建構(gòu)過程，在慢慢地建構(gòu)的過程中有助于學(xué)生將科學(xué)知識和之前的前概念進(jìn)行比較、分析，從而建構(gòu)起科學(xué)的概念，這就是科學(xué)核心素養(yǎng)中的科學(xué)觀念，對學(xué)生的終身發(fā)展有益。

（二）展現(xiàn)科學(xué)的發(fā)展歷程，有助于科學(xué)思維的培養(yǎng)

牛頓第一定律是通過很多科學(xué)家的努力，不斷質(zhì)疑，不斷地實驗驗證和科學(xué)推理等過程才逐步建立的。將科學(xué)史引入課堂，就像學(xué)生也經(jīng)歷了這些過程，無形當(dāng)中也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，提升了其科學(xué)素養(yǎng)。

（三）展現(xiàn)科學(xué)的艱難歷程，有助于科學(xué)精神的傳承

科學(xué)的發(fā)展往往要經(jīng)過漫長的歷史時期，是一代代科學(xué)人物艱苦努力的結(jié)果，是一種堅毅的精神在起作用，這一種表率作用也會在學(xué)生心中扎根，有助于其人生的發(fā)展。

然而，在教學(xué)過程中也存在一些問題。部分學(xué)生對科學(xué)史的興趣不高，對實驗操作的難度也有所顧慮。針對這些問題，筆者嘗試通過多樣化的教學(xué)方式和實驗設(shè)計來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。同時，筆者也注意到在教學(xué)過程中要注重培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和獨立思考能力，避免過度依賴教材和教師的講解。

五、 結(jié)論與展望

挖掘科學(xué)史對科學(xué)教學(xué)，對科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是有其積極意義的。教師可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、課程目標(biāo)以及師生的實際情況，運(yùn)用一定的教學(xué)策略，將科學(xué)史融入日常的科學(xué)教學(xué)中，提高學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。通過將科學(xué)史融入物理教學(xué)，有助于學(xué)生深入理解牛頓第一定律的本質(zhì)和背后的科學(xué)思想。同時，這種教學(xué)方法還能有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，包括科學(xué)思維、探究能力、合作與交流等。然而，在教學(xué)過程中也需要注意培養(yǎng)學(xué)生的興趣和積極性，以及批判性思維和獨立思考能力。

展望未來，我們將繼續(xù)探索和實踐將科學(xué)史融入物理教學(xué)的有效方法。我們希望通過不斷優(yōu)化教學(xué)策略和實驗設(shè)計，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力。同時，我們也期待通過這種方法培養(yǎng)出更多具有科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的學(xué)生，為科學(xué)和社會的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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［2］陳鋒.初中科學(xué)概念教學(xué)范式的創(chuàng)新研究［M］.上海：上海教育出版社，2017.

［3］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［4］鄭青岳.鄭青岳教育科學(xué)講演錄［M］.杭州：浙江教育出版社，2015.

作者簡介：孫秀娥（1976～），女，漢族，吉林蛟河人，杭州市塘棲中學(xué)，研究方向：高中物理教育。