基于核心素養的物理實驗教學探討
——以“牛頓第一定律”教學為例

(江蘇省常州市第二中學,江蘇 常州 213003)

物理學科核心素養是學生在接受物理教育的過程中逐步形成的適應個人發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,實驗教學是物理教學的重要組成部分,是落實物理學科核心素養培養的重要途徑,是提高物理教學質量的核心手段,基于核心素養的實驗教學體現了物理課程目標的價值追求。

如何行之有效地開展高中物理實驗教學,促進學生核心素養的提升？是每一位物理教師值得深思的問題。牛頓第一定律是牛頓力學體系的基礎,是學生理解和掌握整個動力學知識的基礎,但牛頓第一定律一直以來都是教學的難點。本文以“牛頓第一定律”為例,探討在物理實驗教學中提升學生核心素養的策略。

1 制造認知沖突,激發學生學習熱情

實驗1:如何使靜止在課桌上的小車開始運動?

生:用手推著或拉著小車使其運動。

師:靜止的小車為什么會動起來?

教師引導學生思考此現象中力與運動的關系,學生很容易得出:有力才有運動,物體的運動需要力來維持。

師:再做一個實驗，看能否還得到同樣的結論。

實驗2:輕推小車,小車由靜止開始運動,但離開手之后，小車仍能在桌面上運動一段距離才會停下。

教師由此現象引導學生進一步思考力與運動的關系,學生得出:物體的運動不需要力來維持。

師:為什么通過實驗會得出完全相反的結論呢?

學生們一臉疑惑,接下來教師順勢拋出亞里士多德和伽利略的觀點。

設計意圖:從實驗入手,使學生初步了解力與運動之間存在著一定的聯系,并能使學生從運動學的學習平穩過渡到動力學的學習,符合學生的認知特點。

2 以史為鑒,體驗核心概念的形成過程

人們對力與運動關系的認識過程是一個漫長的歷史過程,可以追溯至公元前四世紀的亞里士多德。亞里士多德由生活經驗得出:力是維持物體運動的原因，這種生活經驗形成的背景知識幾乎存在于每個人的頭腦中。伽利略通過理想斜面實驗推翻了亞里士多德的觀點,證明了“力不是維持物體運動的原因”,并指出了亞里士多德得到錯誤結論的原因。教師帶領學生回顧兩位科學家的思路,并通過兩組實驗,引導學生對觀察到的不同現象進行對比分析,讓背景知識在課堂教學中發揮它的價值。

設計意圖:物理學史在物理教學中再現有助于學生活躍思維,增強科學意識,體會科學家對物理問題的推理過程、科學的研究方法,最終達到深入領會牛頓第一定律的教學目標。

3 運用伽利略理想斜面實驗,建構物理觀念

3.1 從粗糙到光滑

師:利用軌道和小球演示小球從A點滾下后，從另一個斜面滾上去(如圖1)。

圖1

第一次實驗在右邊軌道上鋪了較粗糙的紗布,記錄小球達到的最高點位置D。

師:可以發現,小球在右邊到達的最高點低于原來的高度,為什么會產生這樣的結果呢?

生:小球與粗糙的紗布之間存在摩擦。

師:如果我們還是將小球從A點滾下,第二次實驗時減少紗布鋪的長度,記錄達到最高的位置E,實驗的結果是否會有所不同呢?

通過實驗,發現小球的高度增加,但還是沒有達到與A等高的高度。

師:第三次做實驗,如果撤去粗糙的紗布,小球在較光滑的軌道上直接滾動,記錄最高的位置F,此時小球能到達什么樣的高度呢?

生:小球基本上能到達與A等高的高度。

師:比較三次對比實驗,能得出什么樣的結論?

生:如果沒有摩擦,那么小球就會回到與A等高的位置。

3.2 從傾斜到平坦

3.2.1 實驗模擬演示

師:如果將BC軌道放平坦些,軌道光滑,小球滾動情況有什么特點(如圖2)?

圖2

生:小球幾乎仍能滾到與A等高的位置,而與原來相比滾動的距離變大了。

師:直接將BC軌道放至水平,小球運動的情況又怎樣?

生:小球為了能滾到最高點,將一直運動下去。

師:小球在水平面上的運動需要力來維持嗎?

生:小球的運動并不需要力來維持。

3.2.2 理論驗證

圖3

設計意圖:通過以上實驗與理論驗證,使學生體會到:我們不能消除一切阻力,也不能把第二個斜面做得無限長,所以伽利略斜面實驗是“理想實驗”,是將實驗與邏輯推理相結合的一種研究方法。我們對物理規律概念的認識是一個由淺到深、逐步深入的過程,教師可以通過指導學生參與體驗實驗,引導學生重演物理概念的形成過程,來感悟問題的本質,這對學生培養科學嚴謹的思維方式是非常有益的。

4 實驗結論與牛頓第一定律的教學銜接

伽利略理想斜面實驗是學習牛頓第一定律、領會科學推理的重要實驗,在實驗的基礎上進行理想化推理,這正是伽利略斜面實驗的魅力所在。教師可以引出牛頓第一定律: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。

師:“除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態”說明力是改變物體運動狀態的原因。

牛頓第一定律表明,物體具有保持原來勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質,這種性質就是慣性。這個定律給出了慣性的概念,所以人們說它是牛頓力學的基礎。下面通過實例分析，用慣性解釋現象。

實例一:如圖4所示,木塊豎立在小車上隨小車一起向前慢速運動,當小車遇到障礙物突然停下時,木塊的運動狀態如何?你能解釋上述現象嗎?

圖4

教師引導學生得出結論:小車遇到障礙物前,木塊和小車一起作勻速直線運動,并且木塊和小車具有共同的速度;當小車遇到障礙物突然停下來時,木塊的底部由于受阻力而隨即停止運動,上部由于慣性仍要保持原來的運動狀態,因此木塊向前傾倒。

實例二:如圖5所示,在紙杯里裝滿水,放在一張白紙上,然后迅速地把紙抽出來,紙杯會不會移動位置,水會不會灑出來(標注線的作用是為了觀察裝滿水的水杯是否移動)?

圖5

教師引導學生得出結論:當紙迅速抽出時,由于慣性，紙杯和水保持原來的靜止狀態,所以紙杯不會移動位置,水也不會灑出來。

教師可以讓學生利用身邊的物體做“慣性”實驗,列舉生活中的“慣性”實例,并運用慣性的知識加以解釋。

設計意圖:對于慣性的解釋,一般在教學中的處理方式是向學生說明物體具有保持勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質叫做慣性，并指出質量是慣性大小的量度。但對大多數學生而言還是難以理解,只是單純進行文字記憶。通過有關慣性的實驗演示,讓慣性的概念進入學生的內心世界,實現自主構建。

5 結語

基于學科核心素養的實驗教學是進一步提高物理教學質量的關鍵途徑,可以培養學生的創新精神和實踐能力。教師通過創新實驗設計、規范實驗的操作以及學生親身演示實驗,來提高學生的終身學習能力、解決問題的能力、探尋事物本真的能力、適應個人終身發展和社會發展需要的關鍵能力。