基于“问题引导”的牛顿第一定律教学设计*

马 剑

(江苏省南京市第九中学，江苏 南京 210018)

基于“问题引导”的牛顿第一定律教学设计*

马 剑

(江苏省南京市第九中学，江苏 南京 210018)

笔者采用问题引导、探究教学与物理学史教学两者相结合的方式，将人类数千年来关于“力与运动关系”的探究历程饱满、生动地呈现在课堂教学中，引领学生身临其境，体验牛顿第一定律的建立过程.

问题引导；牛顿第一定律；教学设计

牛顿第一定律破除了人类长达近两千年对运动和力关系的错误认识，改变了人类的自然观和世界观，在科学发展的过程中扮演着极其重要的角色.在初中阶段的学习中，学生除了“惯性与质量”这一问题没有专门学习外，关于本节的其他知识都有了大致的了解.但是学生只是简单地知道亚里士多德的观点是错的，认为伽利略做了个理想实验就得出了牛顿第一定律，程式化地解答相关实际问题.笔者运用问题引导学生进行思考、观察、讨论、归纳、推理，帮助学生纠正一些片面的观点，进一步深化和提高对相关问题的认识.

1 设置情境，引入课题

师：芦苇在风中摆动、江水咆哮着奔向远方、鸟儿在空中飞翔、太阳每天都从东边升起从西边落下(如图1).物体为什么会做这样或那样的运动呢？

图1

生：是力的作用.

师：你是如何知道是力的作用的？

说明：设计该问题并不是真正要学生回答，而是引发学生思考，激发求知的欲望.

师：早在2300多年前，古希腊先哲亚里士多德就提出了这个问题，并进行了思考.他通过观察发现：要使一个物体运动，必须推它或者拉它.用今天的观点来看，就是与力有关.他还进一步指出：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方.亚里士多德的观点为：力是维持物体运动的原因.

说明：回顾历史可以让学生更为客观地了解亚里士多德，发现问题、提出问题理应值得我们钦佩，以更为全面地了解科学的发现和发展.“运动需要力来维持”与大量的“事实”一致，再加上早期人类依靠直觉和思维进行科学研究，这些都是直接影响科学突破的关键，同样也凸显伽利略勇于批判、敢于探索的品质.

师：运动需要力来维持吗？

说明：学生从初中就了解“力不是维持物体运动原因”这个结论，因此这里不需要再设计实验.该问题的设计只是为下一个问题创设台阶.

师：你是如何知道“力不是维持物体运动的原因”的？

说明：其实学生是从书本或教师传授中得知“力不是维持物体运动的原因”，但对科学研究历程并不了解.在此借助这个问题引入本课的主题——运动与力的关系.

2 新时代处理“老”问题

师：请同学们根据生活经验回答下列问题：如图2所示，有一小铁球沿斜面下滑，运动速度将如何变化？如果小球沿斜面上滑，运动速度又将如何变化？联系上面两种情况，我们能猜想到什么？

图2

说明：这里并没有直接提出“在光滑水平面上物体将如何运动”的问题，其目的在于让学生学会通过逻辑推理，进行合理的科学猜想.

师：“物体在水平面上运动速度将不增不减”，这与实际情况相符合吗？你觉得是什么原因导致的？

生：与实际情况不符合.即使物体沿水平面运动，也会停下来，这是摩擦力作用的结果.

师：那如果物体沿着光滑水平面运动，它是否会永远运动下去？

说明：学生直觉上会认为物体在光滑水平面上的运动是匀速运动，物体肯定会永远运动下去.但该问题的设计，就是让学生反思自己得出结论的依据.

师：能通过实验来证明吗？

教师通过问题，引导学生探究.

(1) 先让小车在垫有毛巾的水平面上滑动，接着撤除毛巾，让小车在较为光滑的平面运动(如图3)，随着接触面粗糙程度的减小，可以观察到小车滑行的距离在增大.

图3

(2) 随着科学技术的发展，可以借助气垫导轨来进一步减小接触面的粗糙程度，创设几乎光滑的环境，让学生观察滑块在气垫导轨上的运动(如图4).

图4

师：如果气垫导轨足够长，滑块是不是就会一直运动不停止？

生：通过比较滑块通过光电门的时间，可以判断滑块在做匀速直线运动.如果导轨足够长，滑块会一直运动不停止.

说明：这个问题是在实验归纳的基础上进一步提出的，表明我们无法找到没有阻力的空间，也无法用实验直接去验证我们的假设.

师：该实验能否说明“运动不需要力来维持”？

生：从实验可以看出，在其他条件相同的情况下，摩擦越小，物体滑行的水平距离就越大.因此可以推断，如果没有摩擦，物体将永远不会停止.

说明：该实验就是对“伽利略关于运动思考过程”的一次再现，体现出物理教学的与时俱进.让学生经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用合理外推的方法研究物理问题，揭示事物的本质.

3 再现经典，还原探究历程

伽利略对亚里士多德“力是维持物体运动的原因”提出了质疑，并提出了“如果物体不受摩擦力作用，将永远运动下去”的假设.为了说明他的思想，设计了如图5所示的实验.

图5

教师演示实验：将小球在斜面上某一位置无初速度释放，请同学们注意观察小球所能达到的高度.

实验现象为：小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动，接着“冲”上了另一个斜面，末位置的高度相比释放高度略低.

师：伽利略结合科学研究与科学思维，认为如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度.如果减小另一斜面的倾角，小球的运动情况会如何变化？

生：小球依然会到达同一高度，但会运动得更远.由此可以外推：如果把另一个斜面放平，小球将永远地运动下去.这也就表明运动不需要力来维持.

说明：伽利略是近代科学的奠基者，他创立了科学的受控实验方法，以可靠的事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略了次要因素，从而更深刻地反映了自然规律.他在科学方法论以及运动学、动力学方面的成就，对牛顿的总结有着直接的影响.他对亚里士多德运动和力的观点提出质疑，并指出：任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可保持不变，不过这是只能在水平面上发生的一种情形.

4 站在巨人的肩膀上

接着让学生阅读课外材料：从笛卡尔到牛顿，科学巨匠对“力与运动关系”认识的历程.

师：笛卡儿关于运动和力的观点是什么？

生：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停下来也不偏离原来的方向.

师：牛顿第一定律与伽利略、笛卡儿的说法有什么区别？

生：伽利略对物体不受外力时的运动作了准确的描述，但他没有明确指出运动和力的关系，笛卡儿在伽利略的基础上更进一步，牛顿在前人工作的基础上，讲清了力是改变运动状态的原因，并不是维持运动状态的原因.

师：阅读完这段材料，同学们有些什么感想？

生：任何科学发现都是需要经过数代人的不懈努力与坚持.科学家们创造性的思维品质和敢于质疑、坚持真理的精神值得我们学习.

5 小结

本节的探究实验体现了高中物理教学的与时俱进，结合物理学史客观地还原人类的探究历程，帮助学生纠正一些片面、不恰当的认识，力图在有限的课堂教学时间里，引领学生身临其境，体验牛顿第一定律的建立过程，培养学生独立思考、自主探究等能力.

[1] 徐玲，郭怀中.从伽利略实验方法创立谈培养学生科学素质[J].物理教学，2013，(3).

[2] 马剑.“问题串”在静摩擦力教学设计中的应用[J].物理之友，2016，32(8).

*本文为南京市玄武区2016年度教育科学教师个人课题“高一物理概念教学中‘问题串’课堂教学模式”的研究成果.