为培养学生的科学素养而教——例谈牛顿第一定律的实验教学

许 志

(南京市教学研究室，江苏 南京 210001)

为培养学生的科学素养而教
——例谈牛顿第一定律的实验教学

许 志

(南京市教学研究室，江苏 南京 210001)

义务教育物理课程标准在课程性质中指出:物理学不仅含有人类探索大自然的知识成果,而且含有探索者的科学思想、科学方法、科学态度和科学精神等．本文以苏科版物理8年级下册第9章第2节“牛顿第一定律”的教学,谈谈在课堂教学中如何落实这一课程性质,以期达到培养学生科学素养的目的．

科学思想； 科学方法； 科学态度； 科学精神

在一次师生交流活动中,教师提出了这样一个话题:两个苹果一重一轻,学生们有什么简单的方法能够区分他们呢?有不少学生提出这样一种方法,将两个苹果从同一高度释放,先落地的苹果重,后落地的苹果轻．学生为什么会有这样的想法,引起笔者深入的思考,在物理学发展史中,关于力和运动关系的认识经历过漫长的认知过程,物体的运动需要力来维持,这样的错误观点在一般人的思维中根深蒂固．为此,在初中物理教学中,要使学生真正理解力和运动的关系,处理好牛顿第一定律的教学非常重要,尤其是处理好该内容的实验教学更是有助于培养学生的科学素养．以下是笔者执教本节课的一些体会,与各位同行分享．

1 讨论“对话”,提炼科学思想

关于力和运动关系的认识,亚里士多德的观点(物体的运动需要力来维持)统治了2000多年,为什么会出现这样的状况?主要是这样的观点比较符合人们平时的生活经验．为此在“牛顿第一定律”的课堂教学中,我们首先要把握教材,理解教材的编写意图,提炼科学思想．教材中有小明和小华的一段对话，如图1所示:

图1

你赞成小明和小华的观点吗？

课堂教学中,通过分析小明和小华的对话,要引导学生认识到由生活现象到结论判断,往往具有片面性,甚至有些观点还是错误的．教材中小明的话“静止的小车,如果不去推它,它就不会运动”是一种对生活现象的描述,同样小华的话“风吹树摇,风停树静”也是对生活现象的描述,但是他们根据现象所下的结论就值得推敲了．请看以下的师生对话:

师:小明和小华对生活现象的描述正确吗?

生:正确.

师:根据现象他们所得的结论正确吗?

生:好像是对的.

师:生活中你们还能举出一些类似的经历吗?

生:……

师:如果说“没有力的作用,物体就不能运动”这个观点是错误的,你能通过实验来证明吗?

生:要找到一个实验现象,即物体不受力的作用,但物体在运动．

师:很好,同学们能设计出这样的实验吗?

分析:“物体不受力的作用,但物体在运动”,如果能找到这样的实例,就可以说明,物体的运动不需要力来维持,明确这一点,正是科学思想的体现．学生通过讨论,发现这样的实验很难设计,因为生活中物体不受力的情况实际不存在,至此,实验设计遇到了困难,怎么解决这个问题呢?

2 明确思路,理解科学方法

教材中安排了一个实验,具体内容如图2所示.

教材中为什么安排这个实验,不少教师在备课时缺乏深入的思考,往往直接呈现实验,这样的教学导致学生对这个实验的理解是“知其然而不知其所以然”．以下是笔者在教学中对这个实验的处理:

图2

师:同学们能设计一个实验证明:物体不受力但物体在运动吗?

生:好像有困难.

师:同学们,科学家在研究力和运动的关系时,和你们一样,也遇到了这样的困难,那么,科学家是如何解决这个问题的呢?

生:处于沉思中.

图3 声音能在真空中传播吗

师:(启发)看到图3所示这幅图片,能对同学们实验的设计有所帮助吗?

师:在研究声现象时,我们想研究真空是否能传声,绝对的真空,我们做不到,但是我们可以使实验条件向真空逼近,通过观察实验现象来推测真空能否传声．现在物体不受力的情况我们做不到,但我们能不能模仿这个实验的做法呢?

生:可以使物体受到的力越来越小,根据观察到的实验现象来推测物体最终在不受力时的运动情况.

师:讲得好,使物体“受力越来越小”的过程与“真空不能传声”实验中的“抽气”过程是“等效”的,这就是科学家经常运用的一种科学的思维方法,同学们想一想,我们如何设计这个实验呢?

生:可以选择一个斜面,让物体从斜面上滑下,通过水平面上时,不断改变阻力的大小,看物体最终运动情况的变化趋势．

分析:以上教学设计的优点是让学生初步经历研究的困难并体会物理学研究问题科学方法的重要性．这样的教学使学生明确实验目的,同时实验器材也是学生自己设计出来的,这比教师直接展示实验器材,教学效果要好的多．

3 展示交流,培养科学态度

根据实验现象,进行科学推理是培养学生科学态度的有效途径．学生在完成图2实验的基础上,如何让学生理解实验的精髓,笔者的思考是变“抽象思维”为“形象思维”,具体方法是通过“举旗定位”的方法帮助学生理解“牛顿第一定律”．具体做法如下:

师:请同学们汇报一下实验结果,并将结论填写在表1所示表格中.

表1

分析:完成这个实验对学生难度并不大,学生大多能得到结论:阻力越小,小车运动的路程越远．问题是如何进一步深入引导学生在实验的基础上进行推论,即小车不受力的作用时,小车会怎样运动呢?

师:请同学们观察图4,如果我把同学们刚才的实验现象用一面小旗来形象表示小车最后停止的位置,那么请同学们想一想,如果图中a、b、c3个位置分别是小车在棉布、木板和玻璃板表面上最后停止的位置,那么同学们想一想,如果将接触面再换成比玻璃板更光滑的水平面,那么,小车从A点滑下后,最终会停在何处?请哪位同学上来将小旗d插在小车最后所停的位置．

(2) 根据配变与分支线的关联关系,取回该分支线下的所有配变以及分支线开关的状态,判断是否为单台配变故障;

图4

生:将d小旗插在c小旗后面更远的某一地方

师:请同学们再展开自己的想象能力,如果接触面没有摩擦,那么小车再次从A点滑下后,最终会停在何处?请一位同学上来用e小旗来表示小车最后停止的位置.

学生1:手拿小旗上讲台后,面有难色,同时试图在d小旗后找到一个合适的位置.

学生2:建议讲台上的学生到门外去找地方(其它学生一起发笑).

学生3:会停在很远的地方.

学生4:停不下来.

学生5:一直运动下去.

师:以上5位学生的表述,我们能否表述得再准确一些呢?大家讨论一下.

生:小车一直做匀速直线运动.

师:很好,这正是牛顿第一定律所涉及的部分内容,同学们通过自己设计实验得到这样的结论真是很棒!

根据实验现象,最终正确表达实验结论对提高学生科学的表述能力,培养学生的科学态度很有帮助．本节课在实验的基础上,笔者设想了如下环节,让学生在以下空格中自由填空:

英国著名物理学家牛顿在伽利略等科学家研究的基础上，对大量的实验事实进行深入研究，总结出一条定律：一切物理，有没有受到力的作用时,____________________________．

分析:学生所写的答案大多是匀速直线运动．在此基础上,笔者再引导学生看书分析学生自己的表达和课本的表述有哪些不同的地方,结果学生发现牛顿第一定律还分析了物体静止的状态,即原来静止的物体,如果不受外力作用还保持静止状态．让学生根据自己的理解先填空,再对照课本分析“自我表述”和“教材表述”的不同之处,实际上也是培养学生的文本阅读能力．在实验的基础上,学生最终能科学表述实验的结论,这一过程也体现了对学生科学态度的培养．

4 精心设问,培养科学精神

为了活跃课堂气氛,下课前我还精心设计了4个问题,引发学生做进一步思考．设计的问题如下:

问题1:如图5所示,操场上,学生们正在上体育课,有的在跑步、有的在跳高、有的在跳远、教师站在地上休息……如果此时,忽然一切外力消失了,他们会怎样呢?

图5

分析:学生针对以上问题热烈讨论,教学效果很好．通过对教师(原来是静止的)和学生(原来是运动的)在外力消失后的情景分析,充分体会牛顿第一定律,特别是讨论到原来跳高的学生在半空中突然外力消失时的情景,学生们畅所欲言,对保持匀速直线运动的理解比较深刻．即在空中某位置外力突然消失时,该学生应该沿外力突然消失时的瞬时速度方向做匀速直线运动,这个速度的方向可以是斜向上(到达最高点前)、也可以是水平的(到达最高点)、也可以是斜向下(到达最高点后)．此时,我们再出现练习2和练习3帮助学生来巩固对牛顿第一定律的理解．

问题2:如图6所示是空中飞行的足球,若它所受的力全部消失,它一定沿水平方向做匀速直线运动?你同意这样的观点吗?请做出评价．

图6图7

问题3:如图7所示,木块从斜面上A处由静止滑下,经过水平木板表面上的B处,最终停在C处．画出木块在B处时水平方向的受力示意图．

分析:由于本节课设计的实验小车是在水平面上运动的,所以有部分学生容易产生物体受到的外力一旦消失,物体总是沿水平方向做匀速直线运动的“惯性思维”．问题2的设计有助于学生克服这一惯性思维．在问题3中,有部分学生认为物体在水平方向还受到一个向右的作用力,这是因为不少学生总有“物体的运动需要力来维持”的惯性思维,认为物体在B位置在向右运动,所以一定还受到一个向右的作用力．看来对运动和力的关系的认识不是一步就能到位的,希望通过我们的教学能够“震撼”学生头脑中一些错误的前概念．

值得一提的是,在本节课最后的总结阶段,笔者又画龙点睛,提出以下问题供学生讨论,将本节课推向高潮．

问题4:今天我们研究了牛顿第一定律,同学们,如果你是牛顿,你认为牛顿第二定律的研究方向可能是什么内容?

生1:第一定律研究的是物体静止和匀速运动的情况,第二定律可能要研究物体做加速运动的情况.

生2:第一定律研究的是物体不受力的情况,第二定律可能要研究物体受力的情况.

生3:……

分析:有的学生从运动情况进行推测,有的学生从受力情况进行推测．这样的思维能力培养对学生终身受益．

教师:通过今天的学习,你最大的收获是什么?请用一句话加以概括．

生1:由生活现象凭感觉所作出的判断不一定可靠.

生2:在科学实验的基础上进行推理是一种科学的思维方法.

生3:我觉得今天自己的想象力得到了发展.

分析:以上4个问题的设计和师生交流的过程,对培养学生的科学精神很有帮助．

以上是笔者执教的一堂“牛顿第一定律”的教学体会,这节课的教学设计充分考虑到对学生科学素养的培养．在一次由国际上组织的青少年科技活动中,有20多个国家参加了这项活动.有数据显示,中国学生的想象力是倒数第一.这不能不引起我们教育工作者的重视,创新能力是一个名族不竭的动力,让我们共同努力,为培养学生的科学素养而教．

1 袁媛，朱宁波.我国科学素养教育的热点主题及演进研究[J].物理教师，2015(4)：2-5.

2 叶庆.落实物理实验教学功能 提高学生物理科学素养[J].物理教师，2014(2)：37-39.

2016-12-02)