改造驗證性實驗，創設情境激發學生思維

李玲

【摘要】目前，設計性或者探究性實驗備受關注，在實驗教學所占的比例也越來越高，而對傳統的驗證性物理實驗的開發和利用，下的功夫較少。例如牛頓第一定律，初中已作為重點內容學習并做實驗，那么高中教學就要增加實驗的趣味性和創新性。受到伽利略針和單擺實驗的啟示，本文認為牛頓第一定律的伽利略的斜面實驗是在以上2個實驗的啟發下進行的。通過對兩個實驗的整合，自制教學演示儀，對牛頓第一定律追本溯源，創設情境、挖掘知識內容，以達到激發學生思維的目的。

【關鍵詞】實驗；情境；牛頓第一定律

探究性實驗是實驗者在不知道實驗結果的前提下，通過自己的實驗、探究、分析得出結論，從而形成科學概念的一種認知方式。驗證性實驗是實驗者針對已知的實驗結果進行的以驗證實驗結果、培養實驗操作能力，掌握實驗原理為目的的重復性實驗活動。

本文以牛頓第一定律為例，談談怎樣改造這個驗證性實驗，達到創設情境激發學生思維目的。

1.分析教材，確定教學目的

1. 1教材分析

牛頓第一定律在初中已經介紹，但教學重點是物質屬性———“慣性”。所以在高中必修一課程里面重現，容易被忽視。但高中教學要達到知識上、情感態度價值觀兩個要求，有一定難度。

1. 1. 1對牛頓第一定律知識上的理解

牛頓第一定律作為牛頓運動定律的基礎，有3個層面上的理解。①它指出了力跟運動的關系，不是牛頓第二定律的特例。②它揭示了物體所具有的一種重要屬性：“保持勻速直線運動狀態或靜止狀態”。③它為“慣性參考系”的概念奠定了基礎。

1. 1. 2對牛頓第一定律的情感態度價值觀的要求

首先，牛頓第一定律的來源是一個知識發展的過程，經歷了亞里士多德、伽利略、笛卡爾的探索之后，牛頓深入研究才確立出來的。不進行教學設計，學生難以理解一個定律從有意識到最后形成，需要一個漫長的，許多人不斷思考、不斷完善、不斷提高的過程。其次，本節重點介紹了伽利略的斜面實驗，目的在于要讓學生有“理想”的概念，會用“理想”模型來簡化生活中遇到的問題。最后，伽利略是如何憑空想到斜面實驗的，依然值得思考。

1. 2學情分析

從學生角度來看，這是第二次學習該定律。有了初中學習的“前概念”在學生腦海，已有的知識必將減弱學生對其再次學習的興趣。

2.借助實驗，銳化教學設計

2. 1課本的實驗介紹

伽利略斜面實驗，教材上是給出來（如圖1）的理想斜面，同時在課后的資料活頁里面介紹了伽利略針（如圖2）。學生在初中曾經在“探究摩擦力”一節中也做過（如圖3）的實驗。若只用圖1做實驗，較無吸引力，學生難于理解伽利略思想的可貴性和沖破時代的意義。

2. 2改進后的實驗設計

針對以上的三個實驗方案，各取其優點，用以下面的儀器來代替它。

首先，如圖4所示，是個鐵架臺和一個單擺，為了能夠清晰的看到小球擺回原來的高度，就如圖5在鐵架臺上放一塊泡沫材料背景板。板粘穩在鐵架臺上，在表面貼一張白紙，如圖5畫一條水平線，可以很清晰的觀察到擺球能否擺到原來的高度。另外，背景板用泡沫制成，可以在泡沫板上釘一顆釘子，即成了伽利略針。

圖6是藏起擺球，在背景板上用文件夾固定一斷電線槽，可以調節傾斜度。然后再讓小球從一端滾下，觀測其是否能夠到達等高點。另外還可以在線槽上放一布條以增大摩擦，觀測小球在有摩擦的情況下的運動情況。最終的實驗儀器（如圖7、圖8）。

3.創設情境，實現教學過程

有了以上的教學分析和教具作為輔助，主要的教學可分成以下幾個步驟：

3. 1創設問題，激發學生思考

教學片斷1：兩千年前亞里士多德最先思考了力跟運動的問題，并且認為“力維持了運動”。請同學們觀察實驗。

實驗1：在木板上拉小車，當彈簧秤拉車時車運動，當力撤銷時車停止運動。

問題：①亞里士多德的觀點是否正確？

②如果不正確，舉例推翻亞里士多德的觀點。

③力和運動的關系應該是怎么樣的？并且舉例子證明你的觀點。

（學生經過思考，并且有初中知識的基礎，可以舉出足球運動來證明力是改變運動狀態的原因。）

實驗2：在木板上拉小車，當力撤銷時車仍然在運動。

問題：①是什么使小車最后停止？

②如何現實能夠做到沒有摩擦？（冰面行車）

③實驗室中如何實現沒有摩擦？（氣墊導軌）

實驗3：用氣墊導軌證明沒有摩擦時，物體將保持勻速直線運動。

問題：伽利略那個時代沒有電，也不能實現完全沒有摩擦，他是如何用實驗來推翻亞里士多德的結論？

設計意圖：引導學生對生活的基本現象結合物理知識進行思考，明白亞里士多德得出錯誤結論的原因，認可伽利略在當時的時代背景下提出的斜面實驗方案是創意之舉。

3. 2身臨其境，體驗實驗

教學片斷2：伽利略作為一個偉大的實驗物理學家，在17世紀他是如何想到用斜面的理想實驗假設來推翻亞里士多德的理論的呢？

實驗1：如圖4，擺的運動具有等時性、等高性。

問題：如何能夠更加直觀的觀測到小球回到等高處？（用水平標尺如圖2）

實驗2：如圖5，魔術般的在擺的后面加一個背景板，并畫一直線，觀測小球運動。（學生很喜歡這種直觀的觀測）

實驗3：如果在中間加鐵釘，讓繩子碰釘，小球還能擺到原來高度嗎？（學生開始有疑慮）實驗驗證。

引導：伽利略就在單擺的基礎上，想到理想斜面的實驗假設。現在來看，如果在背景板上裝一個斜面，小球在斜面上的情況。

實驗4：如圖6，在背景板上裝上線槽，趁學生不注意，往線槽里面放一張紙，增大摩擦，讓小球在同一高度滾下，小球不能夠上升到原來的高度。（給學生設疑，增加魔術性，為拿掉紙后小球上升的高度做一個對比。）

實驗5：拿掉線槽里面的紙（學生嘩然），重新釋放小球，小球到同一高度。

實驗6：降低斜面的坡度，小球滾得更遠，但仍然回到原來高度。

設計意圖：這一套實驗是一氣呵成的，當學生看到單擺變成伽利略針，再變成斜面時，會不由自主的佩服伽利略的智慧。而在教學過程中通過改進這個驗證性的實驗，魔術般的展現了理想斜面的思維過程，讓學生對這個實驗有了更加深刻的理解。

3. 3跳出問題，總結歸納

教學片斷3：講述完了牛頓第一定律，要求思考一下幾個問題：

①亞里士多德在這必修一上提到兩次，兩次都犯錯，他是不是非常失??？

②牛頓是不是就像是他自己說的那樣，站到了巨人的肩膀上，撿盡了伽利略、笛卡爾等人的便宜？

設計意圖：要讓學生們意識到，雖然亞里士多德提出的兩個理論都是錯誤的，但是他是第一個思考力與運動的人，愛因斯坦說過“提出一個問題比解決一個問題更加重要”，他依然是當之無愧領路人。牛頓自己謙虛自己的學問，但能夠爬上巨人肩膀的，必須是一個更加偉大的巨人。體現了一個定律的完成，經歷了幾代人努力的過程。

4.教學反思

在本次教學中，深刻體會到了改進實驗、創設情境引導學生建構物理規律的樂趣，同時也體會到了學生的思維在慢慢成長。如在一開始引入時候，提問學生，“如何舉例反駁亞里士多德的觀點”有同學舉手提到了“自由落體”的例子。這是讓人始料不及的，但是也恰好告訴我們“力”是無形，而物理很多時候考慮這些無形的東西就必須要有更加嚴謹的思維。

總之，教學是無止境的。我們通過自己的思考，甚至是學生的提醒不斷的改進各種實驗，創設合適的，妙趣叢生的物理情境來激發學生的求知欲，引導學生進行更加深入的觀察和思考，使學生逐步的掌握物理的學習思維，是我們教學的最大樂趣。

【參考文獻】

[1]張松霞.例談探究性實驗與驗證性實驗的區別[J].文理導航，2010，5：58- 59

[2]高富.淺析對牛頓第一定律認識的幾個誤區[J].物理教師，2009，5（30）：21- 22

[3]王詩鋒.幾位科學家對牛頓第一定律的貢獻[J].中學物理教學參考，2009，5（8）：34- 35

（廣東華僑中學，廣東廣州510000）