“牛頓第一定律”同課異構教學設計評析*

王新星 陳東海

(南京市第十三中學 江蘇 南京 210018)

任夢玥

(蘇州大學 江蘇 蘇州 215006)

(收稿日期：2016-04-29)

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“牛頓第一定律”同課異構教學設計評析*

王新星 陳東海

(南京市第十三中學 江蘇 南京 210018)

任夢玥

(蘇州大學 江蘇 蘇州 215006)

(收稿日期：2016-04-29)

牛頓第一定律是動力學體系中不可缺少的重要基礎，然而在高中物理教學中卻變成了雞肋，兩節“同課異構”的“牛頓第一定律”也許能給我們一些啟示.

同課異構 差異性 牛頓第一定律

1 同課異構 碰撞出智慧的火花

筆者最近參加了市里的教研活動：“牛頓第一定律”同課異構.兩位優秀教師的課經過了多次打磨，已不僅僅是其本人智慧的結晶，更是一個備課組甚至整個學校教研組物理教學思想的體現.同課異構提供了一個參照和比較的平臺，不同的教學理念、方法、策略在同一個教學內容中碰撞出智慧的火花，促進了參與者的專業發展.

2 教學設計對比評析

牛頓運動定律的建立，在觀念上是革命性的變革，在科學的動力學體系中是不可缺少的重要基礎[1]，然而在高中物理教學中，牛頓第一定律卻沒有獲得與其歷史地位相稱的重視.很多物理教師認為初中階段已經學過，再加上測試中很少出現直接考查牛頓第一定律的題目，牛頓第一定律的教學就變成了雞肋，甚至變成了閱讀課.

該節內容與生活聯系緊密，有著豐富的物理學史.如何抓住學生眼球，在初中基礎上，進一步提升學生思維能力，兩位教師給出了不同的答案.

2.1 從新課引入角度解析教學適切性

方式1：

視頻引入：播放宇航員在太空中生活的視頻，提問學生,“宇航員在太空松手后，水滴、剃須刀所處的狀態”，再播放宇航員回到地球上同樣將水杯松手后的畫面，比較松手后二者運動狀態有何不同，繼而引出“力與運動之間的關系”.

方式2：

實驗引入：撕紙游戲

游戲規則：

(1)單手抓紙，從上往下用力甩動.(學生并未撕開)

(2)將橡皮泥粘在其中一半的紙上.(學生很容易就撕開)

評析：兩種引入都能比較吸引學生的眼球，引起學生的學習興趣，但是完全失重情況學生還沒有學習到，他們并不明白太空中的物體為什么處于懸浮狀態，而且學生對于“力和運動”在初中就已經有所了解，并不需要在這多費口舌.筆者更傾向于第二種引入，引起學生認知沖突的同時，也為牛頓第一定律埋下伏筆.

2.2 從理想實驗的處理角度看教材的二次開發

方式1：

(1)觀察：小球沿著斜面向下運動時，速度增大，沿著斜面向上運動時，速度減小.

(2)猜想：如果小球沿著水平面運動時，小球的速度應該不增不減.

(3)實驗結果：小球運動得越來越慢，最終停下來.

(4)分析小球停下來的原因：有可能是摩擦力的作用.如果表面越光滑小球會運動的越遠.

(5)再次猜想：若沒有摩擦阻力，小球將永遠運動下去.

(6)實驗：

1)如圖1所示，細線吊著一小球，將小球向左拉離原來的位置，靜止釋放后，小球到達右端高度與左端幾乎一致.

2)在懸掛點下方某一位置擺放一根鐵釘，小球仍會到達與左端幾乎同樣高的位置；再次改變釘子的位置，小球還會到達與左端幾乎同樣高的位置.

(a)擺球實驗裝置圖

(b)釘子在不同高度擺球達到右端的位置

(7)從擺球實驗獲得啟發，改變釘子的位置，得到一系列擺球運動的軌跡，將軌跡連起來后看作一個個斜面，從而引出理想斜面實驗.如圖2所示，小球從左端斜面某一高度由靜止釋放，改變右端斜面的傾斜程度，觀測小球到達斜面右端的高度，以及小球在斜面上的運動距離.

觀測結果:改變斜面的傾角，小球都會到達斜面右端的位置較左端稍低，如果沒有摩擦力作用，小球將會到達與斜面左端同樣高的位置；斜面的傾角越小，小球在斜面右端運動的距離也就越長；如果右端處于水平位置，小球將一直運動下去.

圖2 理想斜面實驗

方式2：

實驗1：在斜面上鋪上絨布，很明顯小球不能到達等高的地方.

實驗2：除去絨布，再次觀察理想斜面實驗,實驗結果如表1所示.

表1 理想斜面實驗情況

評析：理想實驗是本節的重點，方式2的教學設計符合教材的安排，然而方式1的教學設計則對教材進行了二次開發，從單擺實驗到斜面實驗的轉化過程蘊含著絕妙的創造性思維.當年伽利略正是在比薩大教堂看到懸掛的燈來回擺動時充滿好奇，從而開始對擺的研究，并在擺的研究中受到啟發，進而設計出理想斜面實驗.由單擺實驗引入到雙斜面實驗更符合伽利略得出力和運動規律的思維過程[2].

2.3 從物理學史的處理角度談學生興趣的激發

方式1：

從亞里士多德到伽利略到笛卡爾再到牛頓，關于“力和運動關系”思想呈現：

當一個物體在一個水平面上運動，沒有碰到任何阻礙時……它的運動將是勻速的，并將無限地繼續進行下去，假若平面是在空間無限延伸的話.(伽利略)

如果運動中的物體，沒有受到力的作用，它將繼續以同一速度在同一直線上運動，既不停下，也不偏離原來的方向.(笛卡爾)

一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態.(牛頓)

方式2：

帶領學生總結伽利略、笛卡爾、牛頓3人關于“力與運動關系”的表述，并請學生比較它們的不同點.

伽利略、笛卡爾表述的不同：伽利略強調的水平面實際上指的是沿與地心等距的水平面運動，笛卡爾糾正了伽利略的圓慣性思維.

牛頓第一定律的幾個關鍵詞解讀：

(1)一切物體：說明地上、天上、運動、靜止的物體都具有慣性.

(2)除非：說明力是改變物體運動狀態的唯一原因.

(3)總保持：揭示了一切物體都具有的一種固有屬性——慣性，因此，牛頓第一定律又叫做慣性定律.

評析：如果僅僅是幾位物理學家關于“力和運動”思想的羅列，會削減學生學習的新鮮感，而且他們也會有疑問,“伽利略明明已經搞清楚了，為什么還有笛卡爾的事，最后還變成了牛頓第一定律.”我們必須深度挖掘物理學史的內容，提高學生的學習興趣，體會人類認識運動的曲折過程.

2.4 從慣性在生活中應用的角度關注價值觀的滲透

方式1：

視頻：通過系安全帶以及不系安全帶在汽車正常行駛速度剎車時的對比實驗，提醒學生要養成坐車系安全帶的好習慣.

揭秘：撕紙游戲.向下甩紙的時候，兩半紙由于質量不同，慣性大小也不同.質量小的紙向下運動，質量大的紙保持原來狀態.當停下的時候，質量小的紙停下了，質量大的紙慣性大，將繼續運動，最終紙就撕開了.

方式2：

魔術揭秘：劉謙曾經在春晚表演了一個魔術,螺帽上的螺絲在不借助任何外力的情況下自動地從螺帽上旋轉下來.其實這個魔術就是借助一個電動按摩儀在肘部震動，導致螺絲受力不平衡，從而使得螺絲從螺帽上“自動”地旋轉下來.其本質不違反牛頓第一定律.

評析：貌似方式2更能吸引學生的眼球，但這個實驗更多的是魔術揭秘后的新鮮感，與牛頓第一定律聯系并不緊密.方式1的解決方式更有利于學生對于慣性的認識，同時對于撕紙游戲的揭秘，也是有始有終，首尾呼應.

3 再談牛頓第一定律教學設計

兩位教師很好地完成了本節的教學任務，教學效果很好，但仍有一些教學設計的關鍵點需要我們關注.

3.1 緊貼教材不走題 不做無用功

兩位教師在教學中充分應用了各種教學手段，魔術、實驗、視頻讓學生應接不暇，很好地調動了學生的積極性，然而有些內容雖能引起學生興趣，比如太空中宇航員生活狀態的展現、春晚魔術的揭秘，但與本節內容聯系不夠緊密，并不能幫助學生理解所學知識.隨地就能取材的撕紙小實驗，坐車不系安全帶的危害，接地氣且與知識點緊密聯系的物理教學更能促進學生理解所學知識，提升學生的科學素養.

3.2 充分認識初高中教學要求差異性 不重復教學

學生在初中對于牛頓第一定律已有初步認識，我們不能從學生的零認知出發，重復教學，浪費寶貴的課堂時間.其實初中做了很多關于慣性的實驗，也了解了亞里士多德與伽利略的“對話”，但學生對于理想實驗的思想方法，以及牛頓第一定律建立的整個物理學史并不了解.從皮亞杰的認知發展水平階段論我們可以發現，到了高中，學生的邏輯推理水平會迅速發展，接近成人水平，所以我們需立足初中，深挖初高中教材，根據高中物理教學的重難點設計問題情境，避免重復教學，提升課堂效率，促進學生認知水平發展.

3.3 關注學生已有概念 促進前概念的轉變

奧蘇泊爾在其所著《教育心理學：認知取向》一書的扉頁上寫到,“如果要我用一句話說明教育心理學的要義，我認為影響學生學習的首要因素，是他的先備知識.研究并了解學生學習新知識之前具有的先備知識，配合以設計教學，從而產生有效的學習.”牛頓第一定律對學生來說并不陌生，除了初中已經學過慣性和慣性定律外，在前3章的教學中，分析物體運動狀態以及對物體進行受力分析時，都會不斷地使用它所闡述的規律[1].但很多學生的情況是，一方面被動地接受力是改變運動狀態的原因，另一方面還在堅持豎直上拋的物體向上運動是因為有一個向上的沖力.我們的學生盡管頑固地存有某些錯誤的前概念，但不容易暴露出來，他們不科學的思維方式也讓他們容易表面上放棄“前概念”，并接受科學概念，而實際上那些前概念仍然潛伏在頭腦中[3]．筆者在上課時就曾遇到學生對于輕輕推物體，物體運動，用力推物體，物體仍將繼續運動一段距離的解釋：力小就維持物體的運動，力大就改變物體運動狀態.學生腦子里的“前概念”根深蒂固，必須要讓他們充分暴露自己的想法，并在此基礎上轉變他們的“前概念”.文獻[4]在“牛頓第一定律”的高端備課中嘗試了圍繞4個原始問題展開教學：

(1)在勻速行駛的火車車廂內豎直向上拋鑰匙，問鑰匙落在拋出點何處？

(2)從勻速水平向前飛行的飛機上向下空投炸

*江蘇省教育科學十二五規劃課題“基于學生差異發展的高中物理自主學習的支持策略研究”研究成果，項目編號：B-a/2013/02/067