提升学生物理核心素养的教学探索——以“牛顿第一定律”的教学为例

鲁 斌 徐志长 龚长流

提升学生物理核心素养的教学探索
——以“牛顿第一定律”的教学为例

鲁 斌1徐志长2龚长流1

(1. 浙江省余姚中学，浙江 宁波 315400； 2. 慈溪市慈中书院，浙江 宁波 315300)

本文以“牛顿第一定律”的教学为例,阐述在教学设计过程中如何引导学生提升物理核心素养的问题．

教学设计；物理核心素养；牛顿第一定律

物理学科的核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,是学生科学素养的关键成分．

物理学核心素养包括:物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任4个方面．在物理课堂教学中应进行这4个方面核心素养的培养与渗透教育.

本文以“牛顿第一定律”的教学为例,介绍在教学设计过程中如何提升学生的物理核心素养．

1 提出问题

实验1:请两位学生将放有纸杯的木板抬起,教师用空气炮将其击落(图1)．

教师:纸杯为什么会运动起来?

实验2:如何使光盘开始运动(图2)?

这两个实验,使学生感觉到:物体的运动需要力的作用．

历史回顾1:亚里士多德的贡献:开始研究力与运动的关系;观点:力是维持物体运动的原因．

空气炮击落纸杯图1推光盘实验图2

教师:生活中有什么例子和这个观点相矛盾?

实验3:轻推小钢球,钢球离开手仍能运动一段距离．

实验4:快速推光盘,光盘离开手也仍能运动一段距离．

由这两个实验,引导学生得出结论:物体的运动不需要力来维持．

教师:为何相同的实验会有相反的结论?其实,伽利略也在研究这个问题．伽利略在发现教堂顶部吊灯摆动的幅度在减小,这究竟是什么原因引起的?

引导学生将注意力转移到阻力的研究上．

2 摩擦力的影响

实验5:将光盘、瓶盖、气球连在一起,并在瓶盖上打孔(图3)．气球喷出形成空气薄膜,轻推光盘,可运动很长时间．这就形成了气垫光盘(图4)．说明许多现象的差异确实是摩擦力所引起的，然后展示气垫导轨实验(原理相同,研究手段不断提升)．

打孔的瓶盖图3气垫光盘图4

教师:如果没有摩擦力,物体将会怎样运动呢?这个问题,其实很难回答,因为摩擦力为0的情况,现实生活中并不存在．那么我们怎么去研究呢?

学生讨论:类比伽利略对自由落体运动规律的研究方法．

教师:伽利略对自由落体运动的研究,关键在于时间测量的不准确．它将重力“稀释”,在斜面上研究小球的运动规律,并逐渐增大倾角,继续研究其运动规律,并推理出倾角为90°时的运动规律(图5)．

伽利略对自由落体运动的研究图5

教师:我们可以进行类比,设计实验,研究有阻力时的运动规律,然后逐渐减小阻力,观察其运动情况，并推理出没有阻力时的运动规律．我们不妨用摆动的吊灯的物理模型——单摆进行研究．在历史上,伽利略也是通过摆的运动来研究力与运动的关系问题.

3 摩擦力对摆影响的研究

实验6:这里有一个用细线连接的小球,水平线与地面平行,竖直线与之垂直(图6)．将白板放在倾斜的画架上,使白板平面与竖直平面呈现于夹角(图7)．夹角越大,摩擦力也就越大．再将小球偏离中心轴线某一位置释放,小球能否回到同样的高度?

白板上的摆动实验图6画架改变摩擦图7

教师:可以发现,小球在右边到达的最高点低于原来的高度,为什么会产生这样的结果呢?

学生:小球与白板接触存在摩擦．

教师:如果我们控制小球的初始位置不变,减小白板平面的倾角,实验的结果是否会有所不同呢?

进行实验此时,我们发现小球的高度增加,但还是没有达到原来的高度．

教师:如果没有一切摩擦,那么小球就会回到原来的高度．

实验7:在刚才的实验中,控制的是所用的器材和小球释放的位置不变,改变的是摩擦力的这一变量.通过分析实验现象和推理,可认为如果小球不受任何阻力,它一定会回到原来的高度．那么,如果保持阻力为0,改变小球的轨迹,小球是否能够回到原来的高度呢?

学生:如果没有摩擦,根据刚才的实验结果,小球会回到原来的高度．

对于小球的轨迹，可利用另一个挡片实现．将小球从同一高度释放,在不同的挡片下,小球的轨迹不同,我们发现,小球仍回到了原来的高度．(图8、图9)．

改变轨迹图8实验理论图析图9

4 学生实验

教师:现在我们让小球不在细线的拉力下运动,而是在这样一个斜面轨道中运动,会产生怎样的现象呢?大家可以同桌的两位同学用书本设计成轨道,释放小球,观察小球的运动．

学生设计的轨道大致可概括为7种(图10).教师按照轨道“尽量平滑、摩擦尽量小”的要求进行点评,选出合理方案，引导学生按照合理的轨道进行实验研究．

学生设计的各种轨道图10

实验8:学生按照如图11所示的书本轨道进行实验,得到相应的实验结果．

教师:其实,这就是伽利略理想斜面实验的设计方案．刚才同学们设计、使用的轨道中摩擦较大,现在我们利用伽利略理想斜面实验模拟演示仪进行研究．

从“书本轨道”到理想实验图11

5 伽利略理想实验

实验9:伽利略理想斜面实验模拟演示(图12)．

演示伽利略理想斜面实验图12

(1) 利用轨道进行实验研究,发现几乎能到达原来的高度．

(2) 利用之前的结论进行理论预测,如果没有摩擦,小球会回到原来的高度．

(3) 逐步减小斜面的倾角,进行实验和理论预测．

(4) 小球在斜面上走过的路程可表示为

如果θ减小,那么s增大(图13)．

斜面上路程与倾角的关系图13

(5) 如果θ趋向于0,那么s趋向于无穷大．如果没有摩擦,小球在水平面上将永远运动下去(图14)．

倾角为0,将永远运动下去图14

教师:伽利略这种实验与理论相结合的方法,开启了物理学研究的新起点．

历史回顾2:伽利略的贡献:实验与理论相结合的研究方法．观点:力不是维持物体运动的原因,如果物体不受摩擦力,将永远运动下去．

6 笛卡尔的贡献

教师提出两个问题:物体所受的阻力难道只有摩擦力提供吗?永远运动下去是怎样的运动形式?

笛卡尔:如果运动中没有受到力的作用,它将继续以同一速度沿同一直线运动,既不停下来,也不偏离原来的方向．

历史回顾3:笛卡尔的贡献:进行重要的修正．观点:如果物体不受力,将做匀速直线运动．将力扩充,将运动形式明确．

教师提出两个问题:一定是匀速直线运动?万一受力会怎样?

实验10:气垫导轨实验(图15)．观察两个相距一定距离的光电门测得的挡光片的时间是否一致．并提问,滑块在哪里运动状态发生了改变,为什么?

学生:用光电门测量的时间基本一致,说明物体在不受力的情况下做匀速直线运动．物体的运动状态在端点处发生变化,因为受到了力的作用．即力改变了物体的运动状态．

气垫导轨实验图15

7 牛顿第一定律

由此教师引出了牛顿第一定律:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态．

教师:“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态．”说明力是改变物体运动状态的原因．

我们把“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”的这种性质叫做惯性．那么,一切物体包括固体、液体,气体．对于固体和液体的问题我们好理解,那么气体也具有惯性吗?

实验11:利用电子烟产生烟雾,将其充入空气炮中(图16),关闭教室中的日光灯,采用两盏白炽灯提供光源．发射空气炮,即可看到明显的烟圈(图17)．烟圈能够保持原来的运动状态向前运动一段距离,说明气体也具有惯性．

空气炮图16烟圈图17

教师:既然一切物体都具有惯性,那么乒乓球、垒球、铅球、实心球、足球、篮球、橄榄球的惯性一样吗?惯性的大小与什么因素有关?

要研究惯性的大小,是要研究这个物体运动状态改变的难易程度．

实验12:我们要研究垒球与铅球的惯性大小,只要进行碰撞即可(图18)．

垒球铅球碰撞实验图18

教师:质量是惯性的量度．

历史回顾4:牛顿的贡献:抓住了本质,形成了体系．观点:一切物体都具有惯性．力是改变物体运动状态的原因．

然后教师进行总结回顾,简要地梳理了这个问题在物理学史中的发展脉络．

8 物理核心素养的渗透教育

8.1 关于物理观念

“物理观念”包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素．

物质的观念:利用生活中常用的光盘、气球、铅球、垒球等生活中常见的事物进行演示实验．在讨论惯性问题时,举例说明固体、液体、气体都具有惯性的事实．让物理现象不脱离生活,体现朴素的物质观念．

运动观念和相互作用的观念:从用空气炮导入,说明运动状态的改变需要力,到空气炮进行惯性实验,说明物体的运动不需要力来维持,整堂课都在研究力与运动的关系．思维深度层层推进,最后抓住本质,得到结论．

能量的观念:在伽利略的理想实验中,小球能够回到原来的高度,涉及到能量的守恒问题并配合“伽利略和小球之间的对话”,为后续机械能守恒定律的建立打下基础(图19)．

伽利略与小球的经典“对话”图19

8.2 关于科学思维

“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素．

模型建构:将吊灯抽象成单摆进行研究．并得到合理的推论结果,使思维有所突破．将小球从同一高度释放,观察在不同倾角斜面上运动的学生设计实验,抽象为伽利略理想斜面模型进行研究．

科学推理与论证:因为摩擦力不可能为0,故没有摩擦的情况很难分析．我们借用伽利略研究自由落体时的思路,先研究有摩擦的情形,然后使摩擦逐渐减小,观察运动规律(图20),之后进过推理,得到理想条件下的结论．并通过学生自制轨道与理想实验仪进行论证．

小球逐渐接近原来的高度图20

质疑创新:在前人提出观点之后,引导学生思考其观点是否正确．譬如对于亚里士多德的观点,提出质疑:生活中有物体的运动不需要力来维持．对于伽利略的观点,提出质疑:提供阻力的一定是摩擦力?永远运动下去是什么运动?对于笛卡尔的观点,提出质疑:一定是匀速直线运动吗?受力的情况会是如何?一次次的总结,一次次的质疑,才能将理论和方法不断完善,得到正确的结论．分析与论证

8.3 关于实验探究

科学探究的一般步骤包括:提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、评估、交流与合作等7个步骤．在课堂有限的时间内,可以呈现最重要的几个环节．

本节课的实验探究,集中在理想实验结论的得到上．利用气垫光盘引入,提出物理问题:如果没有摩擦,会产生什么现象．教师设计白板实验．并与学生一起进行实验,观察现象,收集数据(图21)．先控制变量逐步减小摩擦,得到如果没有摩擦,小球会回到原来高度的结论;再控制摩擦不变,改变小球轨迹,得到无论怎样的轨道,小球将回到原来的高度的结论．

与学生一起合作探究图21

在学生实验环节,充分发挥学生的想象力进行轨道设计(图22),并在之后的理想斜面实验仪的演示中,结合公式进行讨论,基于证据得出结论并做出解释．

学生自主探究图22

8.4 关于科学态度与责任

在课程的推进过程中,不断完善历史的发展成果,不断提出新的问题,为学生呈现尽可能完整的发展脉络,强调一代代科学家严谨的治学风格和追求真理的科学态度(图23)．

力与运动关系研究的历史发展脉络图23

在课程的素材中,渗透科学技术社会环境之间的联系．例如从“气垫光盘”实验到气垫导轨的使用,研究方法相似,研究手段不断提升．在惯性教学的这一环节,介绍了人类如何利用惯性和如何避免惯性,让学生领悟到物理学贴近于生活并应用于社会．

1 鲁斌.控制变量法在“理想实验教学”环节中的应用与思考[J].物理教师,2015(11):94.

2016-11-06)