| 标题 | 《牛顿第一定律》教学的创新设计 |
| 范文 | 郑曼瑶 张军朋 摘 要：伽利略的理想斜面实验是《牛顿第一定律》教学的关键点，单摆实验是伽利略斜面实验的思维来源。本文从物理学史的视角，突破传统的教学思路，按照 “单摆实验启发——斜面对接实验——理想实验” 对《牛顿第一定律》的教学进行了创新设计。 关键字：理想斜面实验；单摆实验；教学设计；物理思维 中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）8（S）-0066-3 1 问题提出 伽利略的理想斜面实验是物理学中十大经典实验之一，蕴含着丰富的科学思想和创造性思维，是物理学史上观察实验与科学推理相结合的典范，是对学生科学方法教育的典型素材，是《牛顿第一定律》教学的关键点。然而教材，包括很多教师在教学中只告诉学生伽利略构思出的理想斜面实验对亚里士多德的观点所发起的挑战，却很少说明为什么伽利略能够想到用理想斜面实验说明力和运动的关系？为什么伽利略能想到通过改变对接斜面的倾角来观察小球上升的高度？他们很少去挖掘伽利略的研究所蕴含的丰富思想和方法。伽利略的思想不是从天上掉下来的，而是经历了曲折的摸索过程。在物理教学中教师应抓住伽利略的理想斜面实验这一探究的关键点，通过重演伽利略的探索过程、思维过程，让学生经历伽利略理想斜面实验的设计过程，领悟观察实验、科学想象和科学推理相结合的巧妙之处。本文按照“单摆实验启发——斜面对接实验——理想实验”对《牛顿第一定律》的教学进行了创新设计。 2 教学创新设计 在初中阶段，学生通过简化的伽利略斜面实验，知道是摩擦力使运动的物体静止下来的。但是伽利略的实验是理想实验，其结论是靠想象推理得出，而任何的想象都应该以事实做为依据，伽利略当时的依据和其事实依据的思维来源是什么？这是值得高中阶段的学生去探索的，也是本教学设计的出发点。 2.1 单摆实验的启发：构思理想斜面实验的思维来源 伽利略的单摆实验是构思理想斜面实验的思维来源。伽利略认为应采用数学和逻辑的方法来研究物体的运动。正是基于这种思想，所以当他在比萨大教堂看到悬挂的灯来回摆动时充满好奇，从而开始对摆的研究，并在摆的研究中受到启发，进而设计出理想斜面实验。 从单摆实验到斜面实验的转化过程蕴含着绝妙的创造性思维。很多教师讲到伽利略的理想斜面实验时，并没有提到单摆实验，这使得学生不能更好地体会到科学家在探索过程中所经历的思维过程。因此，有必要让学生亲身经历“从单摆实验到斜面实验”这一创造性的转化过程，体会伽利略的科学研究方法和思维是如何产生和发展的。具体的教学片段如下： （1）类比思想：从摆球的运动轨迹类比对接斜面小球的运动 师：（教师带领学生回顾伽利略在观察教堂的摆灯时得到启发，并开始研究摆的历史）伽利略从摆的研究中得到很多结论，今天我们关注其中一个结论，即摆是否等高。（演示如图1所示单摆实验，从A点静止释放摆球，用过A点固定的水平尺子标记摆球高度）从A点静止释放的摆球有何特点？ 生：仍然上升到等高的位置（即图2所示C 点）。 师：（如图2，将钉子O1移到正下方O2处固定，从A点静止释放摆球）再次改变摆球的运动轨迹，摆球是否能上升到原来的高度？ 生：可以（即图2所示D点）。 师：如果让摆球一直摆动下去，摆球最终将停下，说明有什么力存在？ 生：空气阻力。 师：因此摆球实际并不等高！但空气阻力很小，我们看到摆球到达几乎等高的位置。 师：正是这个实验使伽利略受到启发，由此展开了更为深刻的思考，同学们能否也得到启发呢？（播放Flash动画辅助，引导学生观察摆球的运动轨迹，如图3所示）如果没有摆线，单看图3中摆球的运动轨迹，能否想到这与小球在哪里的运动相类似？ 生：与小球在斜面上的运动类似。 师：从单摆实验中我们知道，如果没有空气阻力，摆球将上升到与释放位置等高的地方。如果忽略斜面的摩擦力，从斜面上某一高度下滑的小球能否也达到原来的高度呢？ 生：应该可以。 师：这也是伽利略所猜想的！ 教学反思：通过以上教学过程，让学生感受到伽利略能想到用斜面对接实验来论证力与运动的关系，正是因为他善于观察和思考生活中的物理现象，并用类比的科学方法设计斜面实验。使学生体会到科学家的成功并不是一步到位的，从而培养学生严谨的科学探究精神以及善于观察、思考的能力，掌握科学探究中的思想和方法。 （2）极限思想：从钉子位置与摆球位移的关系联想水平面上小球的运动 师：在单摆实验中，随着中垂线上钉子位置的上移，摆球运动轨迹所对应的位移有什么规律？ 生：随着中垂线上钉子位置的上移，摆球的位移越来越大（如图3所示SAD>SAC>SAB）。 师：位移越大，摆球上摆的运动轨迹与水平面的夹角越大还是越小？ 生：越小。 师：设想将钉子上移到无限远处，摆球将如何运动？ 生：摆球将运动到无限远处。 师：摆球运动到无限远时，与水平面的夹角是多少？ 生：与水平面的夹角为零。 师：由单摆实验的这一规律，伽利略又会受到什么启发呢？如果忽略斜面的摩擦力，右侧斜面与水平面的夹角为零，小球在水平面上运动的情况会怎样？同学们能否在单摆实验的基础上做出猜想？ 生：小球将在水平面上一直运动下去。 师：这也是伽利略的观点！如果不考虑摩擦力，小球将在水平面上一直运动下去，这不正说明了物体的运动不需要力来维持吗？由此，伽利略从单摆实验中找到了解决问题的思维方法，构思出了斜面对接实验，对亚里士多德的观点发起了挑战！ 教学反思：通过以上教学过程，让学生体会伽利略是在单摆实验的启发下，才想到通过改变对接斜面的倾角来探究小球从斜面某一高度下滑与上升高度的关系，从中学习科学家的思维，并体会探究过程中蕴含的极限思想。 2.2 逻辑推理发现规律 沿着物理学史的发展路线，教师演示斜面对接实验，并引导学生将斜面实验的实验现象与单摆实验的规律进行对比和总结，如表1所示。 又因为小球在斜面上下滑速度越来越快，在对接斜面上升时速度减小，因此小球在光滑水平面上将一直做匀速率的运动。 伽利略的理想斜面实验是建立在实验事实的基础上对物理规律进行逻辑推理的一种思维活动。学生重演伽利略理想斜面实验的历史探究过程，也是学习伽利略科学研究方法、培养创造性思维的过程。 3 伽利略理想斜面实验对教学的启发 3.1 伽利略的理想斜面实验是把真实实验和理想实验相结合的典范 伽利略从单摆等高性的理想实验到理想斜面实验，忽略了空气阻力和摩擦力，而这些忽略在现实中都是无法真正实现的。在真实实验中，人们可以用各种方法减小空气阻力和摩擦力，但永远也无法彻底消除它们，因而人们无法用真实的实验去验证这些理想化的设想。但是，伽利略的理想实验，不仅让人们觉得合情合理，而且使人们透过事物的表面现象，看到了事物的本质。 3.2 合理进行教学设计，激发学生创造性思维 在伽利略的理想斜面实验中，从单摆实验向斜面实验转化的过程，从斜面实验向理想实验转化的过程，无不蕴含着丰富的创造性思维。要从单摆的运动轨迹联想到小球在斜面上的运动；从摆球在空气中能够上升到与释放时几乎等高的位置，联想到小球从光滑斜面上某一高度下滑也能上升到等高处；从单摆的运动轨迹跟水平面的夹角与摆球位移之间的关系，联想到小球在光滑的水平面上的运动，就需要教师从学生的认知规律出发，精心进行教学设计，引导学生像科学家一样仔细观察，充分发挥想象力，用创造性思维进行逻辑分析。 3.3 善于利用物理学史，提高学生科学素养 真实实验和理想实验相结合，经验和理性（包括数学论证）相结合的方法，是伽利略对近代科学的重大贡献。实验不是也不可能是自然现象的完全再现，而是在人类理性指导下对自然现象的一种简化和纯化，因而实验必须有理性的参与和指导。伽利略既重视实验，又重视理性思维，强调科学是用理性思维把自然过程加以纯化、简化，从而找出其数学关系的过程。因此，是伽利略开创了近代自然科学中经验和理性相结合的传统。这一结合不仅对物理学，而且对整个近代自然科学都产生了深远的影响。 物理学的发展史反映了科学家在探索和认识自然界各种物理现象的过程中，物理学规律、概念和思想是如何发生和发展的。根据教育重演论，科学家在实践中认识和研究科学世界的过程与学生学习科学的过程存在相似性。某一科学概念或规律形成的关键点、突破点正是学生在学习这一概念或规律过程中的困难点。因此，教师在教学中应该根据学生的认知发展特点进行教学。比如通过以上重演伽利略的单摆实验、理想斜面实验，使学生掌握实验和逻辑推理相结合的科学研究方法，更好地理解科学的本质，从而促进科学素养的提高。 参考文献： [1]郑青岳.牛顿第一定律教学中的思维因素分析[J].中学物理教学参考，2011，（12）：13. [2]钟霄参.物理学史[M].杭州：浙江教育出版社，1985. [3]王全，母小勇. “科学史—探索”教学模式的“重演”论基础[J]. 课程.教材.教法，2008，（7）：62. （栏目编辑 邓 磊） 2.2 逻辑推理发现规律 沿着物理学史的发展路线，教师演示斜面对接实验，并引导学生将斜面实验的实验现象与单摆实验的规律进行对比和总结，如表1所示。 又因为小球在斜面上下滑速度越来越快，在对接斜面上升时速度减小，因此小球在光滑水平面上将一直做匀速率的运动。 伽利略的理想斜面实验是建立在实验事实的基础上对物理规律进行逻辑推理的一种思维活动。学生重演伽利略理想斜面实验的历史探究过程，也是学习伽利略科学研究方法、培养创造性思维的过程。 3 伽利略理想斜面实验对教学的启发 3.1 伽利略的理想斜面实验是把真实实验和理想实验相结合的典范 伽利略从单摆等高性的理想实验到理想斜面实验，忽略了空气阻力和摩擦力，而这些忽略在现实中都是无法真正实现的。在真实实验中，人们可以用各种方法减小空气阻力和摩擦力，但永远也无法彻底消除它们，因而人们无法用真实的实验去验证这些理想化的设想。但是，伽利略的理想实验，不仅让人们觉得合情合理，而且使人们透过事物的表面现象，看到了事物的本质。 3.2 合理进行教学设计，激发学生创造性思维 在伽利略的理想斜面实验中，从单摆实验向斜面实验转化的过程，从斜面实验向理想实验转化的过程，无不蕴含着丰富的创造性思维。要从单摆的运动轨迹联想到小球在斜面上的运动；从摆球在空气中能够上升到与释放时几乎等高的位置，联想到小球从光滑斜面上某一高度下滑也能上升到等高处；从单摆的运动轨迹跟水平面的夹角与摆球位移之间的关系，联想到小球在光滑的水平面上的运动，就需要教师从学生的认知规律出发，精心进行教学设计，引导学生像科学家一样仔细观察，充分发挥想象力，用创造性思维进行逻辑分析。 3.3 善于利用物理学史，提高学生科学素养 真实实验和理想实验相结合，经验和理性（包括数学论证）相结合的方法，是伽利略对近代科学的重大贡献。实验不是也不可能是自然现象的完全再现，而是在人类理性指导下对自然现象的一种简化和纯化，因而实验必须有理性的参与和指导。伽利略既重视实验，又重视理性思维，强调科学是用理性思维把自然过程加以纯化、简化，从而找出其数学关系的过程。因此，是伽利略开创了近代自然科学中经验和理性相结合的传统。这一结合不仅对物理学，而且对整个近代自然科学都产生了深远的影响。 物理学的发展史反映了科学家在探索和认识自然界各种物理现象的过程中，物理学规律、概念和思想是如何发生和发展的。根据教育重演论，科学家在实践中认识和研究科学世界的过程与学生学习科学的过程存在相似性。某一科学概念或规律形成的关键点、突破点正是学生在学习这一概念或规律过程中的困难点。因此，教师在教学中应该根据学生的认知发展特点进行教学。比如通过以上重演伽利略的单摆实验、理想斜面实验，使学生掌握实验和逻辑推理相结合的科学研究方法，更好地理解科学的本质，从而促进科学素养的提高。 参考文献： [1]郑青岳.牛顿第一定律教学中的思维因素分析[J].中学物理教学参考，2011，（12）：13. [2]钟霄参.物理学史[M].杭州：浙江教育出版社，1985. [3]王全，母小勇. “科学史—探索”教学模式的“重演”论基础[J]. 课程.教材.教法，2008，（7）：62. （栏目编辑 邓 磊） 2.2 逻辑推理发现规律 沿着物理学史的发展路线，教师演示斜面对接实验，并引导学生将斜面实验的实验现象与单摆实验的规律进行对比和总结，如表1所示。 又因为小球在斜面上下滑速度越来越快，在对接斜面上升时速度减小，因此小球在光滑水平面上将一直做匀速率的运动。 伽利略的理想斜面实验是建立在实验事实的基础上对物理规律进行逻辑推理的一种思维活动。学生重演伽利略理想斜面实验的历史探究过程，也是学习伽利略科学研究方法、培养创造性思维的过程。 3 伽利略理想斜面实验对教学的启发 3.1 伽利略的理想斜面实验是把真实实验和理想实验相结合的典范 伽利略从单摆等高性的理想实验到理想斜面实验，忽略了空气阻力和摩擦力，而这些忽略在现实中都是无法真正实现的。在真实实验中，人们可以用各种方法减小空气阻力和摩擦力，但永远也无法彻底消除它们，因而人们无法用真实的实验去验证这些理想化的设想。但是，伽利略的理想实验，不仅让人们觉得合情合理，而且使人们透过事物的表面现象，看到了事物的本质。 3.2 合理进行教学设计，激发学生创造性思维 在伽利略的理想斜面实验中，从单摆实验向斜面实验转化的过程，从斜面实验向理想实验转化的过程，无不蕴含着丰富的创造性思维。要从单摆的运动轨迹联想到小球在斜面上的运动；从摆球在空气中能够上升到与释放时几乎等高的位置，联想到小球从光滑斜面上某一高度下滑也能上升到等高处；从单摆的运动轨迹跟水平面的夹角与摆球位移之间的关系，联想到小球在光滑的水平面上的运动，就需要教师从学生的认知规律出发，精心进行教学设计，引导学生像科学家一样仔细观察，充分发挥想象力，用创造性思维进行逻辑分析。 3.3 善于利用物理学史，提高学生科学素养 真实实验和理想实验相结合，经验和理性（包括数学论证）相结合的方法，是伽利略对近代科学的重大贡献。实验不是也不可能是自然现象的完全再现，而是在人类理性指导下对自然现象的一种简化和纯化，因而实验必须有理性的参与和指导。伽利略既重视实验，又重视理性思维，强调科学是用理性思维把自然过程加以纯化、简化，从而找出其数学关系的过程。因此，是伽利略开创了近代自然科学中经验和理性相结合的传统。这一结合不仅对物理学，而且对整个近代自然科学都产生了深远的影响。 物理学的发展史反映了科学家在探索和认识自然界各种物理现象的过程中，物理学规律、概念和思想是如何发生和发展的。根据教育重演论，科学家在实践中认识和研究科学世界的过程与学生学习科学的过程存在相似性。某一科学概念或规律形成的关键点、突破点正是学生在学习这一概念或规律过程中的困难点。因此，教师在教学中应该根据学生的认知发展特点进行教学。比如通过以上重演伽利略的单摆实验、理想斜面实验，使学生掌握实验和逻辑推理相结合的科学研究方法，更好地理解科学的本质，从而促进科学素养的提高。 参考文献： [1]郑青岳.牛顿第一定律教学中的思维因素分析[J].中学物理教学参考，2011，（12）：13. [2]钟霄参.物理学史[M].杭州：浙江教育出版社，1985. [3]王全，母小勇. “科学史—探索”教学模式的“重演”论基础[J]. 课程.教材.教法，2008，（7）：62. （栏目编辑 邓 磊） |
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