论文部分内容阅读
摘 要：牛顿第一定律是经典力学的基石，是培养学生运动与相互作用观的重要一环.以价值导向、课标引领、问题导向、任务驱动、情境导向、评价反馈作为设计思路，力争以“牛顿第一定律”的教学设计为例，摸索出一些可行的方法和途径.
关键词：牛顿第一定律;核心素养;教学设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）01-0050-03
作者简介：汤玉林（ 1972-） ，男，湖南浏阳人，硕士，中学正高级教师，研究方向：中学物理教学研究.
牛顿第一定律是经典力学的基石，是力学的第一原理.牛顿第一定律揭示了惯性是物体的固有属性和力是迫使物体改变运动状态的原因.本节教学的知识目标包括：对历史的相关研究历程进一步细化和评价;深入地实验和推理形成牛顿第一定律;了解物体惯性的大小与其质量有关;认识牛顿第一定律是经典力学的基石等.更重要的是在教学设计完成上述知识目标的同时，要关注运动与相互作用观念的形成与发展，要关注科学推理、科学论证的科学思维的培养，要关注证据、解释、交流的探究能力的提高，要认识科学发展及科学本质的科学态度与责任的提升.
1 基于核心素养的教学设计框架
物理教育的价值就是把人类社会积累的知识转化为学生个体的知识和观念，把前人从事智力活动的思想、方法转化为学生的认识能力和思维方式，把蕴含在知识载体中的观念、态度转化为学生的行为准则.所以物理教学的总体目标就是帮助学生从物理学的视角认识自然，理解自然，建构关于自然界的物理图景;引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力;引领学生认识科学的本质，形成科学态度、科学世界观和正确的价值观.而教学设计就是指教师为达成上述目标，对教学活动进行的系统规划、安排与决策.
根据核心素养及物理教学的总体目标制定了基于核心素养的教学设计框架如图1所示.
在上述框架的制定中坚持以价值导向，课标引领、问题导向、任务驱动、情境导向、评价反馈作为设计思路，从输出端开始思考教学，从预期结果开始思考教学，思考为了达成学习目标，学生需要什么，由关注知识的“讲授”转向关注学生的“学”.
2 “牛顿第一定律”的教学目标
根据上述框架制定牛顿第一定律的教学目标如下：
（1）通过对历史的相关研究历程进一步细化和评价，认识科学是不断发展的，科学是可证伪的，也能正确评价每一位科学家所作出的贡献.
（2）通过对伽利略对运动与相互作用的研究，体会理想实验在科学研究中的重要作用，培养科学推理和科学论证的思维能力.
（3）通过对牛顿第一定律的分析与解读，逐步渗透运动与相互作用的观念，认识牛顿第一定律是经典物理学的基石，是人类整个自然观的基石.
（4）通过探究惯性与质量的关系，提升为获取证据进行实验设计的能力.
（5）通过不同质量的物体惯性不同，所受重力也不同，但做自由落体运动时，加速度都为重力加速度的对比培养问题意识，在猜想的基础上培养实验能力.
3 “牛顿第一定律”教学设计的主要环节及设计意图
根据教学目标，把牛顿第一定律一节的教学过程分成以下几个环节，并对每一环节的设计意图进行说明.
3.1 对运动与力的关系的历程的细化和评价
3.1.1 亚里士多德及其研究
亚里士多德是古希腊文化的集大成者，他关于物理学的思想深刻地塑造了中世纪的学术思想，其影响力延伸到了文艺复兴时期.教学中通过生活中司空见惯现象的观察，比如用力推小车，小车就动，不推，小车就会停下来，直觉告诉我们运动和相互作用之间有着紧密的联系.对静止的物体推或拉，物体就动;停止推拉的作用，原来运动的物体便归于静止.亚里士多德观察了大量物体的运动，把地球上的运动分为自然运动和受迫运动.其中关于受迫运动的观点就是物体的运动要靠推、拉等外界作用來维持.
设计意图：回顾亚里士多德的研究过程，充分肯定亚里士多德所取得的成就.首先开始了对运动与力的研究，并且对其研究方法（如观察、思辨）的现实意义提出思考.通过亚里士多德的研究回顾，培养学生认识科学是不断发展和完善的，客观公正地评价科学家及其贡献.
3.1.2 伽利略的理想斜面实验
伽利略提出运动的物体之所以停下来，不是不受力，正好相反，是因为受到摩擦力或者空气、水等流体的阻力的影响.伽利略第一个发现摩擦力，找到了解决问题的突破口.据此伽利略提出猜想，水平面运动的物体如果不受摩擦等阻力的作用，将一直运动下去.
为了更好地论证自己的观点，伽利略设计了斜面实验.让一个球沿斜面滚下，在重力的作用下球的速度将增大，球冲上斜坡时，在重力作用下它会慢下来.这样在水平面上运动的物体，将不加速也不减速，因为水平面是下坡和上坡的中间情形.如图2所示.
为了使思路更明晰，将两个斜面平滑地连接起来，小球可以在上面运动.在对接斜面上铺上瑜伽带和湿棉布条，让学生观察小球在湿棉布上、瑜伽带、金属轨道上的运动，引导学生在实验的基础上推理得出：如果没有摩擦，小球将达到和释放等高的位置.如图3所示.接下来在这个推理等高的基础上进一步实验，减小对接斜面的倾斜角，再次实验，进一步减小斜面的倾斜角，再实验.引导学生观察并推理得出：如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，水平面上运动的物体会一直运动下去.如图4所示.
设计意图：回顾伽利略的研究过程，通过观察实验和推理得出如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，水平面上运动的物体会一直运动下去的结论.逐步培养学生的科学推理能力，体会实验和推理的研究方法.
3.1.3 亚里士多德的研究与伽利略的研究对比 再回顾一下亚里士多德和伽利略在研究方法上的不同，亚里士多德的研究方法为“观察”加“思辨”，而伽利略的研究方法为“实验”加“推理”.可以看出两者研究方法不同，认识层次不同，获得的结果也不同.
设计意图：充分肯定两者在研究过程中所起的作用，同时体会“理想实验”是在真实的科学实验事实的基础上，突出主要因素，忽略次要因素，通过抽象思维来深刻揭示自然规律的科学研究的重要方法.
3.1.4 笛卡尔的贡献
与伽利略同时代的法国著名哲学家、物理学家、数学家笛卡尔也对运动和力的关系进行了研究.他进一步指出：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，既不停下来也不偏离原来的方向.对比笛卡尔和伽利略的观点，引导学生分析得出：其一，伽利略观点中是一直运动下去，而笛卡尔进一步明确了匀速直线运动下去;其二，伽利略观点中的水平面在笛卡尔的观点中并没有提及，而只是说直线，沿任意方向的直线，拓宽了人们的视野.
设计意图：介绍笛卡尔的研究成果，进一步体会科学的研究历程，认识科学的本质.
3.2 理解牛顿第一定律及其意义
牛顿在总结前人成果的基础上，通过自己的研究，发表了物理学哲学著作《自然哲学之数学原理》，该书为经典力学规定了一套基本概念，提出了力学三定律，从而使经典力学成为一个完整的理论体系.该书的第一条定律写道：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态.后人把该定律称之为牛顿第一定律.牛顿第一定律虽只有短短三十几个字，但历经两千年，饱含了几代科学家的智慧和心血.牛顿站在巨人们的肩膀上，站得更高，看得更远.
3.2.1 牛顿第一定律的理解
从亚里士多德提出的推拉，再到伽利略认识到的摩擦都是力.牛顿的高明之处在于把这些复杂多样的相互作用抽象成了一个概念——力.力是改变物体运动状态的原因.描述物体运动状态的物理量为速度，速度变化有快慢，用加速度来描述.所以，力是使物体产生加速度的原因.
惯性是物体保持原有运动状态的固有属性.当物体受到外力作用时，惯性的存在会阻碍物体自身运动状态的变化.也就是说物体具有抵抗运动状态变化的本领.不同物体抵抗运动状态变化的本领并不相同.运动状态改变难即本领大，改变容易则这种本领小.
设计意图：介绍牛顿的创新与突破，抽象出了力的概念和惯性的概念，正确评价牛顿的贡献.与此同时逐步培养学生运动与相互作用的观念.
3.2.2 牛顿第一定律的意义
首先，第一定律中提到的一切物体不仅包括地面上的所有物体，也包括天上的日月星辰，打破了人们原有的天地有别的观念;其次，人们以往总把“静”和“动”放在不同的维度，第一定律中将静止和匀速直线运动统一在一起，即运动状态不变，而把运动状态改变和不變加以区分;再次，人们以往认为，力是维持物体运动的原因，即力产生速度，而第一定律认为力是改变物体运动状态的原因.即力产生加速度.通过以上分析就不难理解，人们为什么把牛顿第一定律称之为经典力学的基石、人类整个自然观的基石了.
设计意图：进一步介绍牛顿第一定律对人类自然观的影响，分析牛顿第一定律的基石作用.通过以上介绍，培养学生正确的自然观及面对科学的态度.
3.3 实验探究惯性与质量的关系
惯性是物体保持原有运动状态的属性.也可以说是物体具有抵抗运动状态改变的本领.运动状态改变越难，惯性越大，反之则越小.那么，如何使物体的运动状态改变？又如何比较物体运动状态改变的难易程度？提供的实验器材有：一根弹簧，一个金属球和一个高尔夫球，如图5所示.引导学生自己设计实验来说明运动状态改变的难易程度与什么有关.学生设计的实验有不恰当的（比如把弹簧立在桌子上，把球往下压然后释放），有基本的（比如把两个球放在压缩的弹簧两端并同时释放），有创新的（比如直接让两个运动的球发生碰撞），针对学生的实验设计进行点评和讨论.最后得出惯性与质量大小有关的结论.
设计意图：培养学生设计实验与制订方案的能力，基于证据得出结论并进行交流、评估的能力.
3.4 提出新的问题
铁球和高尔夫球惯性不同，质量（m）不同，所受重力（mg）也不同.但同时释放做自由落体运动时，加速度均为重力加速度g.引导学生进行猜想，然后课下完成论证猜想的作业.
设计意图：把新的问题的解决作为作业，对本节课的素养能力要求进行评价.进一步培养学生的探究能力.为下一节的教学打下伏笔.
新课标的理念要求注重体现物理学科本质，培养学生物理核心素养.那么，在教学一线的实践中如何更好地落实课标的理念，为学生终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下基础将是一线教师必须回答的课题.在教学设计中，将不断地用课标引领我们的教育改革，通过物理教学逐步培养学生正确的价值观念、必备品格和关键能力.
参考文献：
[1]林崇德.面向21世纪的学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.
[2]冯爽.教研员培训的探索与创新——以一次以名著阅读为线的物理教研员培训为例[J].基础教育课程，2020（12）：76-80.
[3]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.
（收稿日期：2020-11-07）
关键词：牛顿第一定律;核心素养;教学设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）01-0050-03
作者简介：汤玉林（ 1972-） ，男，湖南浏阳人，硕士，中学正高级教师，研究方向：中学物理教学研究.
牛顿第一定律是经典力学的基石，是力学的第一原理.牛顿第一定律揭示了惯性是物体的固有属性和力是迫使物体改变运动状态的原因.本节教学的知识目标包括：对历史的相关研究历程进一步细化和评价;深入地实验和推理形成牛顿第一定律;了解物体惯性的大小与其质量有关;认识牛顿第一定律是经典力学的基石等.更重要的是在教学设计完成上述知识目标的同时，要关注运动与相互作用观念的形成与发展，要关注科学推理、科学论证的科学思维的培养，要关注证据、解释、交流的探究能力的提高，要认识科学发展及科学本质的科学态度与责任的提升.
1 基于核心素养的教学设计框架
物理教育的价值就是把人类社会积累的知识转化为学生个体的知识和观念，把前人从事智力活动的思想、方法转化为学生的认识能力和思维方式，把蕴含在知识载体中的观念、态度转化为学生的行为准则.所以物理教学的总体目标就是帮助学生从物理学的视角认识自然，理解自然，建构关于自然界的物理图景;引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力;引领学生认识科学的本质，形成科学态度、科学世界观和正确的价值观.而教学设计就是指教师为达成上述目标，对教学活动进行的系统规划、安排与决策.
根据核心素养及物理教学的总体目标制定了基于核心素养的教学设计框架如图1所示.
在上述框架的制定中坚持以价值导向，课标引领、问题导向、任务驱动、情境导向、评价反馈作为设计思路，从输出端开始思考教学，从预期结果开始思考教学，思考为了达成学习目标，学生需要什么，由关注知识的“讲授”转向关注学生的“学”.
2 “牛顿第一定律”的教学目标
根据上述框架制定牛顿第一定律的教学目标如下：
（1）通过对历史的相关研究历程进一步细化和评价，认识科学是不断发展的，科学是可证伪的，也能正确评价每一位科学家所作出的贡献.
（2）通过对伽利略对运动与相互作用的研究，体会理想实验在科学研究中的重要作用，培养科学推理和科学论证的思维能力.
（3）通过对牛顿第一定律的分析与解读，逐步渗透运动与相互作用的观念，认识牛顿第一定律是经典物理学的基石，是人类整个自然观的基石.
（4）通过探究惯性与质量的关系，提升为获取证据进行实验设计的能力.
（5）通过不同质量的物体惯性不同，所受重力也不同，但做自由落体运动时，加速度都为重力加速度的对比培养问题意识，在猜想的基础上培养实验能力.
3 “牛顿第一定律”教学设计的主要环节及设计意图
根据教学目标，把牛顿第一定律一节的教学过程分成以下几个环节，并对每一环节的设计意图进行说明.
3.1 对运动与力的关系的历程的细化和评价
3.1.1 亚里士多德及其研究
亚里士多德是古希腊文化的集大成者，他关于物理学的思想深刻地塑造了中世纪的学术思想，其影响力延伸到了文艺复兴时期.教学中通过生活中司空见惯现象的观察，比如用力推小车，小车就动，不推，小车就会停下来，直觉告诉我们运动和相互作用之间有着紧密的联系.对静止的物体推或拉，物体就动;停止推拉的作用，原来运动的物体便归于静止.亚里士多德观察了大量物体的运动，把地球上的运动分为自然运动和受迫运动.其中关于受迫运动的观点就是物体的运动要靠推、拉等外界作用來维持.
设计意图：回顾亚里士多德的研究过程，充分肯定亚里士多德所取得的成就.首先开始了对运动与力的研究，并且对其研究方法（如观察、思辨）的现实意义提出思考.通过亚里士多德的研究回顾，培养学生认识科学是不断发展和完善的，客观公正地评价科学家及其贡献.
3.1.2 伽利略的理想斜面实验
伽利略提出运动的物体之所以停下来，不是不受力，正好相反，是因为受到摩擦力或者空气、水等流体的阻力的影响.伽利略第一个发现摩擦力，找到了解决问题的突破口.据此伽利略提出猜想，水平面运动的物体如果不受摩擦等阻力的作用，将一直运动下去.
为了更好地论证自己的观点，伽利略设计了斜面实验.让一个球沿斜面滚下，在重力的作用下球的速度将增大，球冲上斜坡时，在重力作用下它会慢下来.这样在水平面上运动的物体，将不加速也不减速，因为水平面是下坡和上坡的中间情形.如图2所示.
为了使思路更明晰，将两个斜面平滑地连接起来，小球可以在上面运动.在对接斜面上铺上瑜伽带和湿棉布条，让学生观察小球在湿棉布上、瑜伽带、金属轨道上的运动，引导学生在实验的基础上推理得出：如果没有摩擦，小球将达到和释放等高的位置.如图3所示.接下来在这个推理等高的基础上进一步实验，减小对接斜面的倾斜角，再次实验，进一步减小斜面的倾斜角，再实验.引导学生观察并推理得出：如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，水平面上运动的物体会一直运动下去.如图4所示.
设计意图：回顾伽利略的研究过程，通过观察实验和推理得出如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，水平面上运动的物体会一直运动下去的结论.逐步培养学生的科学推理能力，体会实验和推理的研究方法.
3.1.3 亚里士多德的研究与伽利略的研究对比 再回顾一下亚里士多德和伽利略在研究方法上的不同，亚里士多德的研究方法为“观察”加“思辨”，而伽利略的研究方法为“实验”加“推理”.可以看出两者研究方法不同，认识层次不同，获得的结果也不同.
设计意图：充分肯定两者在研究过程中所起的作用，同时体会“理想实验”是在真实的科学实验事实的基础上，突出主要因素，忽略次要因素，通过抽象思维来深刻揭示自然规律的科学研究的重要方法.
3.1.4 笛卡尔的贡献
与伽利略同时代的法国著名哲学家、物理学家、数学家笛卡尔也对运动和力的关系进行了研究.他进一步指出：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，既不停下来也不偏离原来的方向.对比笛卡尔和伽利略的观点，引导学生分析得出：其一，伽利略观点中是一直运动下去，而笛卡尔进一步明确了匀速直线运动下去;其二，伽利略观点中的水平面在笛卡尔的观点中并没有提及，而只是说直线，沿任意方向的直线，拓宽了人们的视野.
设计意图：介绍笛卡尔的研究成果，进一步体会科学的研究历程，认识科学的本质.
3.2 理解牛顿第一定律及其意义
牛顿在总结前人成果的基础上，通过自己的研究，发表了物理学哲学著作《自然哲学之数学原理》，该书为经典力学规定了一套基本概念，提出了力学三定律，从而使经典力学成为一个完整的理论体系.该书的第一条定律写道：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态.后人把该定律称之为牛顿第一定律.牛顿第一定律虽只有短短三十几个字，但历经两千年，饱含了几代科学家的智慧和心血.牛顿站在巨人们的肩膀上，站得更高，看得更远.
3.2.1 牛顿第一定律的理解
从亚里士多德提出的推拉，再到伽利略认识到的摩擦都是力.牛顿的高明之处在于把这些复杂多样的相互作用抽象成了一个概念——力.力是改变物体运动状态的原因.描述物体运动状态的物理量为速度，速度变化有快慢，用加速度来描述.所以，力是使物体产生加速度的原因.
惯性是物体保持原有运动状态的固有属性.当物体受到外力作用时，惯性的存在会阻碍物体自身运动状态的变化.也就是说物体具有抵抗运动状态变化的本领.不同物体抵抗运动状态变化的本领并不相同.运动状态改变难即本领大，改变容易则这种本领小.
设计意图：介绍牛顿的创新与突破，抽象出了力的概念和惯性的概念，正确评价牛顿的贡献.与此同时逐步培养学生运动与相互作用的观念.
3.2.2 牛顿第一定律的意义
首先，第一定律中提到的一切物体不仅包括地面上的所有物体，也包括天上的日月星辰，打破了人们原有的天地有别的观念;其次，人们以往总把“静”和“动”放在不同的维度，第一定律中将静止和匀速直线运动统一在一起，即运动状态不变，而把运动状态改变和不變加以区分;再次，人们以往认为，力是维持物体运动的原因，即力产生速度，而第一定律认为力是改变物体运动状态的原因.即力产生加速度.通过以上分析就不难理解，人们为什么把牛顿第一定律称之为经典力学的基石、人类整个自然观的基石了.
设计意图：进一步介绍牛顿第一定律对人类自然观的影响，分析牛顿第一定律的基石作用.通过以上介绍，培养学生正确的自然观及面对科学的态度.
3.3 实验探究惯性与质量的关系
惯性是物体保持原有运动状态的属性.也可以说是物体具有抵抗运动状态改变的本领.运动状态改变越难，惯性越大，反之则越小.那么，如何使物体的运动状态改变？又如何比较物体运动状态改变的难易程度？提供的实验器材有：一根弹簧，一个金属球和一个高尔夫球，如图5所示.引导学生自己设计实验来说明运动状态改变的难易程度与什么有关.学生设计的实验有不恰当的（比如把弹簧立在桌子上，把球往下压然后释放），有基本的（比如把两个球放在压缩的弹簧两端并同时释放），有创新的（比如直接让两个运动的球发生碰撞），针对学生的实验设计进行点评和讨论.最后得出惯性与质量大小有关的结论.
设计意图：培养学生设计实验与制订方案的能力，基于证据得出结论并进行交流、评估的能力.
3.4 提出新的问题
铁球和高尔夫球惯性不同，质量（m）不同，所受重力（mg）也不同.但同时释放做自由落体运动时，加速度均为重力加速度g.引导学生进行猜想，然后课下完成论证猜想的作业.
设计意图：把新的问题的解决作为作业，对本节课的素养能力要求进行评价.进一步培养学生的探究能力.为下一节的教学打下伏笔.
新课标的理念要求注重体现物理学科本质，培养学生物理核心素养.那么，在教学一线的实践中如何更好地落实课标的理念，为学生终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下基础将是一线教师必须回答的课题.在教学设计中，将不断地用课标引领我们的教育改革，通过物理教学逐步培养学生正确的价值观念、必备品格和关键能力.
参考文献：
[1]林崇德.面向21世纪的学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.
[2]冯爽.教研员培训的探索与创新——以一次以名著阅读为线的物理教研员培训为例[J].基础教育课程，2020（12）：76-80.
[3]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.
（收稿日期：2020-11-07）