為培養學生的科學素養而教
——例談牛頓第一定律的實驗教學

許 志

(南京市教學研究室，江蘇 南京 210001)

為培養學生的科學素養而教
——例談牛頓第一定律的實驗教學

許 志

(南京市教學研究室，江蘇 南京 210001)

義務教育物理課程標準在課程性質中指出:物理學不僅含有人類探索大自然的知識成果,而且含有探索者的科學思想、科學方法、科學態度和科學精神等．本文以蘇科版物理8年級下冊第9章第2節“牛頓第一定律”的教學,談談在課堂教學中如何落實這一課程性質,以期達到培養學生科學素養的目的．

科學思想； 科學方法； 科學態度； 科學精神

在一次師生交流活動中,教師提出了這樣一個話題:兩個蘋果一重一輕,學生們有什么簡單的方法能夠區分他們呢?有不少學生提出這樣一種方法,將兩個蘋果從同一高度釋放,先落地的蘋果重,后落地的蘋果輕．學生為什么會有這樣的想法,引起筆者深入的思考,在物理學發展史中,關于力和運動關系的認識經歷過漫長的認知過程,物體的運動需要力來維持,這樣的錯誤觀點在一般人的思維中根深蒂固．為此,在初中物理教學中,要使學生真正理解力和運動的關系,處理好牛頓第一定律的教學非常重要,尤其是處理好該內容的實驗教學更是有助于培養學生的科學素養．以下是筆者執教本節課的一些體會,與各位同行分享．

1 討論“對話”,提煉科學思想

關于力和運動關系的認識,亞里士多德的觀點(物體的運動需要力來維持)統治了2000多年,為什么會出現這樣的狀況?主要是這樣的觀點比較符合人們平時的生活經驗．為此在“牛頓第一定律”的課堂教學中,我們首先要把握教材,理解教材的編寫意圖,提煉科學思想．教材中有小明和小華的一段對話，如圖1所示:

圖1

你贊成小明和小華的觀點嗎？

課堂教學中,通過分析小明和小華的對話,要引導學生認識到由生活現象到結論判斷,往往具有片面性,甚至有些觀點還是錯誤的．教材中小明的話“靜止的小車,如果不去推它,它就不會運動”是一種對生活現象的描述,同樣小華的話“風吹樹搖,風停樹靜”也是對生活現象的描述,但是他們根據現象所下的結論就值得推敲了．請看以下的師生對話:

師:小明和小華對生活現象的描述正確嗎?

生:正確.

師:根據現象他們所得的結論正確嗎?

生:好像是對的.

師:生活中你們還能舉出一些類似的經歷嗎?

生:……

師:如果說“沒有力的作用,物體就不能運動”這個觀點是錯誤的,你能通過實驗來證明嗎?

生:要找到一個實驗現象,即物體不受力的作用,但物體在運動．

師:很好,同學們能設計出這樣的實驗嗎?

分析:“物體不受力的作用,但物體在運動”,如果能找到這樣的實例,就可以說明,物體的運動不需要力來維持,明確這一點,正是科學思想的體現．學生通過討論,發現這樣的實驗很難設計,因為生活中物體不受力的情況實際不存在,至此,實驗設計遇到了困難,怎么解決這個問題呢?

2 明確思路,理解科學方法

教材中安排了一個實驗,具體內容如圖2所示.

教材中為什么安排這個實驗,不少教師在備課時缺乏深入的思考,往往直接呈現實驗,這樣的教學導致學生對這個實驗的理解是“知其然而不知其所以然”．以下是筆者在教學中對這個實驗的處理:

圖2

師:同學們能設計一個實驗證明:物體不受力但物體在運動嗎?

生:好像有困難.

師:同學們,科學家在研究力和運動的關系時,和你們一樣,也遇到了這樣的困難,那么,科學家是如何解決這個問題的呢?

生:處于沉思中.

圖3 聲音能在真空中傳播嗎

師:(啟發)看到圖3所示這幅圖片,能對同學們實驗的設計有所幫助嗎?

師:在研究聲現象時,我們想研究真空是否能傳聲,絕對的真空,我們做不到,但是我們可以使實驗條件向真空逼近,通過觀察實驗現象來推測真空能否傳聲．現在物體不受力的情況我們做不到,但我們能不能模仿這個實驗的做法呢?

生:可以使物體受到的力越來越小,根據觀察到的實驗現象來推測物體最終在不受力時的運動情況.

師:講得好,使物體“受力越來越小”的過程與“真空不能傳聲”實驗中的“抽氣”過程是“等效”的,這就是科學家經常運用的一種科學的思維方法,同學們想一想,我們如何設計這個實驗呢?

生:可以選擇一個斜面,讓物體從斜面上滑下,通過水平面上時,不斷改變阻力的大小,看物體最終運動情況的變化趨勢．

分析:以上教學設計的優點是讓學生初步經歷研究的困難并體會物理學研究問題科學方法的重要性．這樣的教學使學生明確實驗目的,同時實驗器材也是學生自己設計出來的,這比教師直接展示實驗器材,教學效果要好的多．

3 展示交流,培養科學態度

根據實驗現象,進行科學推理是培養學生科學態度的有效途徑．學生在完成圖2實驗的基礎上,如何讓學生理解實驗的精髓,筆者的思考是變“抽象思維”為“形象思維”,具體方法是通過“舉旗定位”的方法幫助學生理解“牛頓第一定律”．具體做法如下:

師:請同學們匯報一下實驗結果,并將結論填寫在表1所示表格中.

表1

分析:完成這個實驗對學生難度并不大,學生大多能得到結論:阻力越小,小車運動的路程越遠．問題是如何進一步深入引導學生在實驗的基礎上進行推論,即小車不受力的作用時,小車會怎樣運動呢?

師:請同學們觀察圖4,如果我把同學們剛才的實驗現象用一面小旗來形象表示小車最后停止的位置,那么請同學們想一想,如果圖中a、b、c3個位置分別是小車在棉布、木板和玻璃板表面上最后停止的位置,那么同學們想一想,如果將接觸面再換成比玻璃板更光滑的水平面,那么,小車從A點滑下后,最終會停在何處?請哪位同學上來將小旗d插在小車最后所停的位置．

(2) 根據配變與分支線的關聯關系,取回該分支線下的所有配變以及分支線開關的狀態,判斷是否為單臺配變故障;

圖4

生:將d小旗插在c小旗后面更遠的某一地方

師:請同學們再展開自己的想象能力,如果接觸面沒有摩擦,那么小車再次從A點滑下后,最終會停在何處?請一位同學上來用e小旗來表示小車最后停止的位置.

學生1:手拿小旗上講臺后,面有難色,同時試圖在d小旗后找到一個合適的位置.

學生2:建議講臺上的學生到門外去找地方(其它學生一起發笑).

學生3:會停在很遠的地方.

學生4:停不下來.

學生5:一直運動下去.

師:以上5位學生的表述,我們能否表述得再準確一些呢?大家討論一下.

生:小車一直做勻速直線運動.

師:很好,這正是牛頓第一定律所涉及的部分內容,同學們通過自己設計實驗得到這樣的結論真是很棒!

根據實驗現象,最終正確表達實驗結論對提高學生科學的表述能力,培養學生的科學態度很有幫助．本節課在實驗的基礎上,筆者設想了如下環節,讓學生在以下空格中自由填空:

英國著名物理學家牛頓在伽利略等科學家研究的基礎上，對大量的實驗事實進行深入研究，總結出一條定律：一切物理，有沒有受到力的作用時,____________________________．

分析:學生所寫的答案大多是勻速直線運動．在此基礎上,筆者再引導學生看書分析學生自己的表達和課本的表述有哪些不同的地方,結果學生發現牛頓第一定律還分析了物體靜止的狀態,即原來靜止的物體,如果不受外力作用還保持靜止狀態．讓學生根據自己的理解先填空,再對照課本分析“自我表述”和“教材表述”的不同之處,實際上也是培養學生的文本閱讀能力．在實驗的基礎上,學生最終能科學表述實驗的結論,這一過程也體現了對學生科學態度的培養．

4 精心設問,培養科學精神

為了活躍課堂氣氛,下課前我還精心設計了4個問題,引發學生做進一步思考．設計的問題如下:

問題1:如圖5所示,操場上,學生們正在上體育課,有的在跑步、有的在跳高、有的在跳遠、教師站在地上休息……如果此時,忽然一切外力消失了,他們會怎樣呢?

圖5

分析:學生針對以上問題熱烈討論,教學效果很好．通過對教師(原來是靜止的)和學生(原來是運動的)在外力消失后的情景分析,充分體會牛頓第一定律,特別是討論到原來跳高的學生在半空中突然外力消失時的情景,學生們暢所欲言,對保持勻速直線運動的理解比較深刻．即在空中某位置外力突然消失時,該學生應該沿外力突然消失時的瞬時速度方向做勻速直線運動,這個速度的方向可以是斜向上(到達最高點前)、也可以是水平的(到達最高點)、也可以是斜向下(到達最高點后)．此時,我們再出現練習2和練習3幫助學生來鞏固對牛頓第一定律的理解．

問題2:如圖6所示是空中飛行的足球,若它所受的力全部消失,它一定沿水平方向做勻速直線運動?你同意這樣的觀點嗎?請做出評價．

圖6圖7

問題3:如圖7所示,木塊從斜面上A處由靜止滑下,經過水平木板表面上的B處,最終停在C處．畫出木塊在B處時水平方向的受力示意圖．

分析:由于本節課設計的實驗小車是在水平面上運動的,所以有部分學生容易產生物體受到的外力一旦消失,物體總是沿水平方向做勻速直線運動的“慣性思維”．問題2的設計有助于學生克服這一慣性思維．在問題3中,有部分學生認為物體在水平方向還受到一個向右的作用力,這是因為不少學生總有“物體的運動需要力來維持”的慣性思維,認為物體在B位置在向右運動,所以一定還受到一個向右的作用力．看來對運動和力的關系的認識不是一步就能到位的,希望通過我們的教學能夠“震撼”學生頭腦中一些錯誤的前概念．

值得一提的是,在本節課最后的總結階段,筆者又畫龍點睛,提出以下問題供學生討論,將本節課推向高潮．

問題4:今天我們研究了牛頓第一定律,同學們,如果你是牛頓,你認為牛頓第二定律的研究方向可能是什么內容?

生1:第一定律研究的是物體靜止和勻速運動的情況,第二定律可能要研究物體做加速運動的情況.

生2:第一定律研究的是物體不受力的情況,第二定律可能要研究物體受力的情況.

生3:……

分析:有的學生從運動情況進行推測,有的學生從受力情況進行推測．這樣的思維能力培養對學生終身受益．

教師:通過今天的學習,你最大的收獲是什么?請用一句話加以概括．

生1:由生活現象憑感覺所作出的判斷不一定可靠.

生2:在科學實驗的基礎上進行推理是一種科學的思維方法.

生3:我覺得今天自己的想象力得到了發展.

分析:以上4個問題的設計和師生交流的過程,對培養學生的科學精神很有幫助．

以上是筆者執教的一堂“牛頓第一定律”的教學體會,這節課的教學設計充分考慮到對學生科學素養的培養．在一次由國際上組織的青少年科技活動中,有20多個國家參加了這項活動.有數據顯示,中國學生的想象力是倒數第一.這不能不引起我們教育工作者的重視,創新能力是一個名族不竭的動力,讓我們共同努力,為培養學生的科學素養而教．

1 袁媛，朱寧波.我國科學素養教育的熱點主題及演進研究[J].物理教師，2015(4)：2-5.

2 葉慶.落實物理實驗教學功能 提高學生物理科學素養[J].物理教師，2014(2)：37-39.

2016-12-02)