牛顿第一定律探究式教学案例.doc

牛顿第一定律探究式教学案例2008年12月，江宁区优质课评比确定“牛顿第一定律”为比赛课题。非常清晰地记得，我参加过的大大小小的新课程培训中，都有专家以“牛顿第一定律”为例来阐述新课程的有关理念。不仅仅因为它在牛顿力学中占有重要的地位，新课程背景下，本课题非常具有代表性：学生应该以什么样的方式认识力与运动的关系？怎样通过伽俐略理想实验的教学体现新课程的理念，落实三维目标？作为初中与高中知识的衔接和升华，怎样处理教材？怎么突破“质量是惯性的唯一量度”这个难点？组委会选取该课题为比赛课题，可谓用心良苦。集教研组之智慧，笔者获得了比赛第一名。借此机会整理成文，与大家一起探讨，以求更大的进步。一、三维目标设置（一）知识与技能1、理解力和运动的关系，知道物体的运动不需要力来维持。2、理解牛顿第一定律，知道它是事实与逻辑推理的结果。3、理解惯性的概念，知道质量是惯性大小的量度（二）过程与方法1、学生观察分析生活中的现象，分析力和运动的关系，回顾历史。2、在回顾伽利略对自由落体运动研究的基础上体会理想实验的魅力，进一步认识伽利略的科学方法。3、解析牛顿第一定律的内容，运用牛顿第一定律分析生活中的现象。4、通过实例分析认识惯性，归纳出影响惯性大小的因素。（三）情感、态度与价值观1、通过对力与运动关系的探究历程，培养学生善于分析、敢于质疑的科学精神。体会理想实验的魅力，培养学生科学研究问题的态度和方法，激发学习兴趣。2、通过对牛顿第一定律的运用、对影响惯性大小的因素的分析，培养分析解决问题的能力，提升学生的思维品质。二、教学重点1、理解力和运动的关系。2、理解牛顿第一定律，知道惯性与质量的关系。三、教学难点惯性与质量的关系。四、教学过程与分析片段一：改变知识呈现方式之探究力与运动的关系展示图片：人造卫星、火箭、飞船。我们怎样才能准确地控制人造卫星、火箭和飞船的运动？这需要明确它们的力和运动的关系。今天我们通过牛顿第一定律的学习来初步认识力和运动的关系。探究力和运动的关系问：力和运动究竟是什么关系呢？请大家通过实验探究。 教师引导，用力拉木块，木块运动，撤去拉力，木块停止运动；推凳子，凳子运动，撤去推力，凳子停止运动；推书，书动，撤去推力，书停止运动。通过体验，教师力图引诱学生得出“运动需要力来维持”的错误结论。课堂实践证明，学生的认识大致分为三类：A生认为是的，运动需要力来维持；B生小声嘀咕：我也认为是这样的，可初中好象学过这种说法是错误的；C生非常肯定以上说法不对，力是改变运动状态的原因而不是维持运动的原因。问：我们分明看到运动需要力来维持，推物物动，不推，物体停止运动。有同学持反对意见，难道还能举出反例来吗？生：桌子上的小钢球，在撤去推力后还会继续运动一段距离。（A生、B生恍然大悟）问：同学们还能举出这样的例子来吗？ 生举例：如自行车蹬一段时间后停止蹬车，自行车会滑行一段距离；足球踢出去后继续滚动 问：为什么会出现两种现象呢？矛盾吗？ 生：不矛盾。由于摩擦力的作用，撤去力后物体停下来。 问：你怎么验证以上设想“由于摩擦力影响”？生：实验。改变平面的粗糙程度。问：如果没有摩擦力，会有什么样的现象？你怎样检验自己的设想？生：（怎样检验设想，学生哑然）问：你遇到了什么样的困难？生：没有摩擦，实验怎么做呢？师：刚才我们探究力和运动的关系的过程，实际上是在重温着几千年前伟大的科学家们所做的工作。让我们回顾历史，看看伽利略怎样解决我们的困难。分析：力是改变物体运动状态的原因而不是维持物体运动状态的原因，学生初中已有初步的认识。那么，是否我们就可以轻描淡写的提出“力是改变物体运动状态的原因”的结论呢？或者是以复习初中知识的方式，简单地否定亚里士多德的观点呢？或者简单地举例说说，不要动手实验了？还有必要探究吗？首先，我们可曾留意到平时问学生问题，学生不假思索赶紧翻书寻找答案的现象？要改变这样的现状，需要我们老师在课堂上尽可能多的创造机会，让学生动一动，做一做，对学生思考问题的方式会产生积极的影响。其次，象A生、B生这样仅凭经验来认识问题的人不在少数，生B还在真实的物理现象与旧知识的交织中不知所措。生C的认识也需要升华，他们现有的认识仍然是模糊肤浅的，正如学过惯性的学生会回答惯性的大小由质量决定但并不能真正理解一样。这是一个培养学生科学思维方式的宝贵契机。如果轻描淡写一带而过，学生虽然能马上更正错误，但对现象的感受和对本质的认识处于分离状态。他们需要一个思辩、判断的过程来震撼心中存在已久的片面认识。 错误是改进建构的契机。诱陷策略在此运用再也恰当不过了。诱导学生得出错误的结论，在认知的矛盾冲突中矫正原来片面看待问题的思维方式。情境创设关乎诱陷的成败。笔者曾非常担心：学生不上当怎么办？教研组老师给笔者打了一个不太恰当的比方：大家都知道“皇帝的新装”这个故事，在特定的环境下，没穿衣服也变成穿衣服了。要想学生上当，看你怎么引导怎么“煽情”了。笔者终于明白：要精心创设情境引导学生，所以带领学生推书、推凳子，推木块（小钢球虽然放在桌子上但我暂时不提及）；推动的同时我浓墨重彩地渲染着气氛，“大家看啊，推书，书就动了；不推，它就停了”学生在兴奋中进入了忘我的境界，和谐的气氛让学生敢于表达心中真实的想法。正式比赛时，笔者提问的第一个学生即为A类学生，教学效果达到了最佳。笔者设想：如果第一个提问到了C类学生，不必去追问“什么叫改变运动状态“为什么刚才物体撤去力物体会停下来”诸如此类的问题，无论学生能不能说清楚都会给后面的教学带来麻烦。只需让他举出反例即可，这同样打破了A、B学生的错误认识和片面的思维方式，我们的目的达到了。片段二、突出思想方法，促成三维目标之历史的回顾1、亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因 2、伽利略的研究师：首先我们简单回顾一下伽利略在研究自由落体运动规律时运用的科学方法。师生一起回顾：伽利略科学研究方法包含了“观察提出假设逻辑推理和实验检验对假说进行修正和推广”基本要素。生活中观察到重物比轻物下落快的现象，亚里士多德得出什么结论？伽利略怎么推理，得到什么结论？他提出什么样的猜想与假说？怎样验证？问：在无法用计时工具测量自由落体时间的背景下，伽利略怎样将实验事实与逻辑推理巧妙地结合起来？师：今天我们将看到，天才的伽利略用同样的思想方法事实与逻辑推理相结合来解决我们刚才遇到的困难。师：关于伽利略对力和运动关系的认识，请同学们阅读课本后，回答以下问题。问：伽利略首先注意到什么现象？（当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，向上滚动时速度减小）他提出什么样的猜想？（当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减）实践检验是什么结果？（即使沿水平面滚动，球也越来越慢，最后停下来）他又认为是什么原因？（摩擦阻力的结果）他又怎么检验猜想？（观察到表面越光滑，球滚的越远） 演示：让小车从同一斜面上的同一位置滑下，运动到不同的水平面上，一是毛巾表面，二是棉布表面，三是较为光滑的木板表面，会看到沿毛巾表面运动的距离最小，速度改变最快；沿木板表面运动的距离最远，速度改变最慢。 问：基于以上的可靠事实，伽利略作出什么样的大胆推断？ 为了进一步说明他的思想，伽利略设计了怎样的一个实验？多媒体演示：伽利略理想实验。动态出以下效果：（1）对称斜面，摩擦越小，小球滚动的高度越接近原来的高度。（事实）（2）对称斜面，没有摩擦，小球达到原来的高度。（推理）（3）减小另一侧斜面倾角，小球从同一位置释放，将达到原来的高度。但倾角越小，滚动距离越远。（进一步推理）（4）把另侧斜面放平，球就会一直滚动下去。（更大胆的推理）问：伽利略得出了什么样的结论？师：伽利略理想实验将事实与逻辑推理巧妙地结合，得出正确的结论，纠正了人们维持两千多年的错误认识。他的科学方法和重大发现赢得爱因斯坦的高度评价。投影：伽俐略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端！ 爱因斯坦（师观察学生此时还有些陶醉，有学生小声嘀咕：“伽利略真聪明”）3、笛卡儿补充完善了伽利略的观点除非物体受到力的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，永远不会使自己作曲线运动，而只保持在直线运动。4、牛顿在前人的研究基础了上，总结提出牛顿第一定律。分析伽利略理想实验是本节课突出的思想方法。怎样通过它体现新课程的特点？教研组讨论后认为：通过对自由落体运动研究中伽利略科学方法的回顾，与这里的理想实验方法前后呼应，将会成为教材处理中的一个亮点。另外，在我以往的教学经验中，学生学过这一节后似乎只知道到有这么一个方法，并不清晰该思想方法的形成过程，更谈不上体会理想实验的魅力，三维目标没有得到落实。回顾自由落体运动研究中伽利略科学方法，并通过问题情境呈现伽利略理想实验，学生对伽利略科学方法就有了清晰的认识，并由衷敬佩伽利略的聪明才智。看到学生陶醉其中，听到学生嘀咕“伽利略真聪明”，笔者以为理想实验显现出了它的魅力来了。教研室王德飞老师评价说：教学中重视思想方法的认识过程。把伽利略理想实验的猜想依据、设计思路、推断结果这一思维过程通过教师设置的问题情境让学生展开讨论、交流和探究。片段三、乘势追击，夯实三维目标之牛顿第一定律牛顿第一定律的表述：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问：牛顿第一定律从几个方面阐述了力和运动的关系？学生讨论回答：两个方面。不受力时，物体保持匀速直线运动状态或静止状态；受力时，力迫使它改变运动状态。师总结：牛顿第一定律表明，力不是维持物体运动状态的原因，而是改变运动状态的原因。牛顿第一定律还揭示了一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，即惯性，所以牛顿第一定律又叫做惯性定律。 问：牛顿第一定律可以用实验来验证吗？为什么？师：完全不受力的理想情况是难以实现的，但是我们可以在气垫导轨上做一个近似的实验。演示：气垫导轨实验。师：气垫导轨实验为牛顿第一定律提供了可靠的事实基础。生活中还有很多这样的事实，比如冰球场上，冰球离开球杆后，能以几乎不变的速度继续前进。生活中合力为零的情况可以等同于不受力。牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行推理的产物。分析 牛顿第一定律的教学中，强调“气垫导轨近似实验以及生活中很多事实，都为牛顿第一定律提供了可靠的事实基础”，再认识事实与逻辑推理相结合的科学方法，再体会科学家的聪明才智和物理学科学方法的魅力，本节课的思想方法和情感线索贯穿始终并得以升华。另外，有老师提出：牛顿第一定律，在以往比较成熟的教学内容（即力不是维持物体运动的原因，力是改变物体运动状态的原因，一切物体都有惯性）基础上还有什么需要挖掘呢？那就是要突出“外力迫使物体改变运动状态”的“迫使”，借此使学生对外力的作用有更深刻的认识，并帮助学生理解惯性物理量的含义。由此，笔者有了下面的教学设计。片段四、突出重点，突破难点之惯性问：牛顿第一定律表明，不受力时，原来静止的物体保持静止，原来匀速运动的物体将保持匀速运动。在桌面上滚动的小钢球，保持原来的运动状态了吗？（没有，运动状态改变了，速度越来越小）问：小钢球保持原来运动状态的性质在吗？它为什么没有保持住原来的运动状态？学生思考，体会惯性是物体的固有属性，并深刻认识外力的作用是：迫使物体运动状态发生改变。问：若小钢球以3m/s的初速度运动，某时刻速度减小为1m/s，此时摩擦力突然消失，小钢球将怎样运动？（以1m/s保持匀速直线运动）师：由此可见，外力一旦消失，物体保持原来运动状态的性质便显现出来。问：小钢球速度逐渐减小，但它惯性存在，它的惯性大小如何变化？生A：速度减小，惯性减小（此类学生很多，而且是不假思索地回答）生B：惯性不变。（此类学生很少，事先预习过或者老师一提问他就从书上找答案。让其解释为什么，说不出理由来。）问：当小钢球速度为零，即静止以后，它将保持什么状态？它保持原来运动状态的性质有没有因为速度减小为零而消失？生：哦惯性没有消失。（恍然大悟）问：根据以上分析你可以得到什么结论？学生讨论，得出结论：惯性大小与速度无关。师：惯性是物体的一种固有属性，它是物体抵抗运动状态变化的本领。惯性的大小，即抵抗运动状态变化的本领的大小。同学们设想一下，物体的本领应该由什么来决定呢？（强调“本领”一词，学生立刻认识到本领应该由物体本身来决定。）问：本领由物体本身来决定。物体抵抗运动状态变化的本领，由物体本身的什么因素决定呢？演示一：推空车，推满载货物的车。谁的运动状态难改变？难改变即表示惯性大还是小？演示二：推皮球，推铅球。谁的运动状态难改变？谁的惯性大？阅读：东汉王充所著论衡一书状留篇中指出：“车行于陆，船行于沟，起满而重者行迟，空而轻者行疾。”其中蕴涵着什么道理？师：同学们分析归纳，惯性大小由什么因素决定？你对“质量”概念有了什么新的认识？ 师生共同总结得出结论：惯性大小由质量决定。 质量不仅反映物体所含物质的多少，它还决定着物体抵抗运动状态本领的大小。分析高中物理中，“惯性”的学习重点在于认识惯性的本质，难点在于理解“惯性的大小由质量来量度”。前面提到要突出“外力迫使物体改变运动状态”的“迫使”，怎样突出呢？还有，怎样纠正学生通常认为“惯性大小与速度有关”的错误认识呢？当时，我校正如火如荼地开展以问题式教学为主题的智慧课堂教研活动，笔者由此想到通过问题链的形式将二者有机结合起来，层层推进，为突破难点作好铺垫。问题的层次非常清晰：（1）物体保持运动状态的性质始终存在，没有保持住是因为外力“迫使”其改变运动状态。（2）一旦外力撤去，物