“牛人牛事”——我教“牛頓第一定律的形成”

對于教學中的任何問題，都有很多值得挖掘、思考、深入的地方，以期把學生領入“物理世界”，體會“物理之美”，突出學科教學的德育屬性、美育屬性、方法屬性等。

初中物理所講知識較淺顯，以現象、簡要規律為主，這就使得很多同學產生誤解——認為物理過于簡單、只是背誦知識、早期物理學家“思維簡單”。在引導學生學習牛頓第一定律時，這種問題尤其突出，很多同學對亞里士多德理論在當時被廣泛接受表示出了不可理解，同時認為伽利略的斜面實驗很簡單，牛頓只是做了一些“總結性”工作。

為了扭轉這種局面，我進行了全新的教學設計，突出“物理學史”與“物理學本質”。具體教學目標與設想如下：

（1）通過牛頓第一定律建立的過程，理解科學知識的暫定性。

對力與運動關系的思考自古以來就是人們關心的問題，它與人們日常生活聯系密切。最早可追溯至古希臘時期，后經過伽利略、笛卡兒、牛頓等人的研究建立了牛頓第一定律，愛因斯坦相對論的建立又進一步發展了這一認識。

在初中階段，需要簡單介紹亞里士多德、伽利略和牛頓等科學家及其貢獻。通過這一過程，幫助學生體會人們對力與運動關系認識的逐步深化，并最終建立牛頓第一定律的過程。

（2）通過伽利略對力與運動關系的研究，理解科學探究的過程和研究方法的多樣性。

伽利略的研究是教材中強調的重點，現有教材一般只是演示伽利略的理想實驗或讓學生探究摩擦力對物體運動的影響，從而獲得力與運動的基本關系，突出探究、科學方法。

首先，伽利略的研究過程基本是按照觀察和提出問題、形成假設、檢驗求證、得出和解釋結論的過程進行的，體現了科學探究的要素與過程。

其次，伽利略之所以對牛頓第一定律的建立做出重大貢獻，主要源于其創立的科學研究方法，一般教材都非常重視科學方法教育——特別是實驗和推理這兩種重要方法，缺少科學本質視角的關注。對于同樣的觀察和經驗，伽利略和亞里士多德給出的解釋完全不同，這說明科學雖然以經驗為基礎，但不能拘泥于直觀的經驗，還非常重視邏輯推理。

此外，伽利略的理想實驗法體現了科學研究的創造性特征。

（3）通過牛頓第一定律的形成和最終確立的過程，理解證據的重要性，并知道科學知識的可預測性。

伽利略對亞里士多德觀點的質疑與研究過程，以及人們對力與運動關系認識的每一次發展都體現了證據在科學研究中的重要性，一個論斷或解釋的正確與否，都取決于實驗的檢驗。

同時，在不能直接驗證一個科學結論或論斷的正確性時，可以通過對推論的檢驗或其解釋功能間接驗證其正確性，這體現了科學知識的可預測性。

在此思想基礎上，進行教學設計與實施，先把一些主要環節加以呈現：

活動1

討論：維持物體的運動需要力嗎？——體會證據的重要性。

提供體現力與運動關系的情景，如展示圖片、視頻：關閉發動機的列車會停下來；自由擺動的秋千會停下來；打出去的球會停下來。也可引導學生回憶生活中的體驗，如騎車、踢球。

問題1：維持物體的運動需要力嗎？

教師介紹亞里士多德的觀點：如果要使一個物體持續運動，就必須對它施加力的作用。如果這個力被撤銷，物體就會停止運動。

教師介紹伽利略的觀點：物體的運動不需要力來維持。

問題2：這兩種觀點你支持哪一個？為什么？

學生會舉出各種例子來支持自己的觀點。

在學生充分發表自己觀點的前提下，教師說明伽利略對亞里士多德的質疑與提出的證據，并說明：在科學研究中證據的重要性，證據可以驗證或質疑權威。

以學生日常生活經驗為出發點創設問題情境，喚起學生已具備的感性經驗，并激發他們對問題的思考，暴露學生關于力與運動關系的原有認識。介紹歷史上亞里士多德與伽利略等人的觀點，讓學生為他們支持的觀點進行辯護。

在現有教學中，這種處理基本上是人教版教材的處理方式，很多教師在教學中也會如此進行。但是，以往教學目的只在于引入新課，為學生認識運動與力的關系提供概念轉變的情境，而本節課的設計還強調該環節對學生理解證據重要性的價值。

活動2

探究：摩擦力對物體運動的阻礙——認識科學探究過程與方法。

實驗探究：比較小車沿斜面滑下，在毛巾、棉布、桌面、玻璃等不同表面上運動距離的關系。

教師引導學生進行邏輯推理，得出研究結論：表面越光滑，運動的距離就越遠，所受摩擦力越小，速度減小得越慢；如果表面絕對光滑，物體受到的阻力為零，速度不會減慢，將以恒定不變的速度永遠運動下去。

這一部分是學生通過探究過程，獲得摩擦力對物體運動的阻礙關系的認識，在這一過程中學生通過直接的科學體驗，可以進一步認識證據的重要性以及實驗、邏輯推理的方法，初步體會到科學方法的多樣性。

教師在此基礎上介紹伽利略的理想實驗和研究結論。

問題3：研究伽利略的研究過程，其中用到了哪些科學方法？對于科學研究方法，你覺得有什么特點？

運用到的方法包括：實驗、推理、聯想。體現研究方法的多樣性和科學探究的創造性。

學生通過實驗探究和對伽利略理想實驗的學習，獲得運動與力關系的認識。這個實驗亦是教材內容，是教師在課上都會演示或讓學生探究的，同時教師也都會通過邏輯推理得出結論，但是較少將其中蘊含的科學本質內容顯現出來。對于某些水平較高的學生，突出伽利略理想實驗中蘊含的豐富的想象力和創造精神，可以讓其體會科學探究的創造性特征。

活動3

講授：牛頓第一定律——體會科學知識的暫定性。

介紹笛卡兒和牛頓的研究和發展，得出牛頓第一定律的表述：一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。講解牛頓第一定律。

帶領學生回顧牛頓第一定律建立的過程，說明亞里士多德—伽利略—笛卡兒—牛頓理論演化的軌跡，以及他們關于牛頓第一定律的主要觀點，指出：科學知識是暫定性的，要以發展的眼光看待它。

幫助學生厘清牛頓第一定律建立和發展的過程，并引導他們認識牛頓第一定律。

活動4

思考：你有什么收獲？

幫助學生思考本節課都有哪些收獲？引導學生從物理學史、科學知識能力、科學本質教育角度發表觀點。

這與現在某些教學處理的區別在于不僅強調理想實驗的方法，而且將定律發展不同階段的歷史文化背景和科學家因此而具有的局限性結合起來，使學生能夠獲得更加真實的歷史圖景，從而深入領會科學本質。

案例分析及反思

通過觀察學生課堂表現、課后作業，通過課后訪談，發現有很多“生成性”的結果。

（1）很有意思，思想深刻，挖掘出了物理“背后的好東西”。

（2）對亞里士多德理論在當時被廣泛接受表示出了可理解性。支持依據是：亞里士多德的觀點更符合人們的日常經驗；亞里士多德的權威地位；當時不具備驗證“慣性定律”的實驗條件。

（3）伽利略能對牛頓第一定律的建立做出重大貢獻的原因是：伽利略對自然科學的強烈興趣、求知欲望和敢于質疑權威的精神；伽利略的研究方法科學、合理、邏輯清晰；伽利略敢于對當時普遍存在的理論提出質疑，并對生活中的現象進行推理，打破思維慣性，思想局限性小。

（4）很多同學意識到了科學的暫定性；對科學探究過程有了更深刻的認識，如認為形成對自然現象的假設和預測是形成新知識的必要環節、意識到了觀察的重要性；關注到了證據的重要性、科學研究的主觀性與創造性。

（5）學生對這種方式比較贊同，并希望以后更多地滲透物理學史教學，展現物理奇妙的研究過程，覺得這樣更有“物理味兒”，學得更“深刻”；渴望了解什么是科學，體會科學本質；大部分學生對培養物理學學習興趣、養成良好的科學態度和科學精神，表示出比較肯定的態度，認為這樣會對理解和掌握科學研究方法、理解科學探究和培養探究能力、領悟物理學基本思想和觀念有幫助或幫助很大。

總之，對于教學中的任何問題，都有很多值得挖掘、思考、深入的地方，以期把學生領入“物理世界”，體會“物理之美”，突出學科教學的德育屬性、美育屬性、方法屬性等。

物理組
郭亮亮