摘 要：牛頓第一定律是經典力學的基石，是培養(yǎng)學生運動與相互作用觀的重要一環(huán).以價值導向、課標引領、問題導向、任務驅動、情境導向、評價反饋作為設計思路，力爭以“牛頓第一定律”的教學設計為例，摸索出一些可行的方法和途徑.

關鍵詞：牛頓第一定律;核心素養(yǎng);教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）01-0050-03

作者簡介：湯玉林（ 1972-） ，男，湖南瀏陽人，碩士，中學正高級教師，研究方向：中學物理教學研究.

牛頓第一定律是經典力學的基石，是力學的第一原理.牛頓第一定律揭示了慣性是物體的固有屬性和力是迫使物體改變運動狀態(tài)的原因.本節(jié)教學的知識目標包括：對歷史的相關研究歷程進一步細化和評價;深入地實驗和推理形成牛頓第一定律;了解物體慣性的大小與其質量有關;認識牛頓第一定律是經典力學的基石等.更重要的是在教學設計完成上述知識目標的同時，要關注運動與相互作用觀念的形成與發(fā)展，要關注科學推理、科學論證的科學思維的培養(yǎng)，要關注證據、解釋、交流的探究能力的提高，要認識科學發(fā)展及科學本質的科學態(tài)度與責任的提升.

1 基于核心素養(yǎng)的教學設計框架

物理教育的價值就是把人類社會積累的知識轉化為學生個體的知識和觀念，把前人從事智力活動的思想、方法轉化為學生的認識能力和思維方式，把蘊含在知識載體中的觀念、態(tài)度轉化為學生的行為準則.所以物理教學的總體目標就是幫助學生從物理學的視角認識自然，理解自然，建構關于自然界的物理圖景;引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法，養(yǎng)成科學思維習慣，增強創(chuàng)新意識和實踐能力;引領學生認識科學的本質，形成科學態(tài)度、科學世界觀和正確的價值觀.而教學設計就是指教師為達成上述目標，對教學活動進行的系統(tǒng)規(guī)劃、安排與決策.

根據核心素養(yǎng)及物理教學的總體目標制定了基于核心素養(yǎng)的教學設計框架如圖1所示.

在上述框架的制定中堅持以價值導向，課標引領、問題導向、任務驅動、情境導向、評價反饋作為設計思路，從輸出端開始思考教學，從預期結果開始思考教學，思考為了達成學習目標，學生需要什么，由關注知識的“講授”轉向關注學生的“學”.

2 “牛頓第一定律”的教學目標

根據上述框架制定牛頓第一定律的教學目標如下：

（1）通過對歷史的相關研究歷程進一步細化和評價，認識科學是不斷發(fā)展的，科學是可證偽的，也能正確評價每一位科學家所作出的貢獻.

（2）通過對伽利略對運動與相互作用的研究，體會理想實驗在科學研究中的重要作用，培養(yǎng)科學推理和科學論證的思維能力.

（3）通過對牛頓第一定律的分析與解讀，逐步滲透運動與相互作用的觀念，認識牛頓第一定律是經典物理學的基石，是人類整個自然觀的基石.

（4）通過探究慣性與質量的關系，提升為獲取證據進行實驗設計的能力.

（5）通過不同質量的物體慣性不同，所受重力也不同，但做自由落體運動時，加速度都為重力加速度的對比培養(yǎng)問題意識，在猜想的基礎上培養(yǎng)實驗能力.

3 “牛頓第一定律”教學設計的主要環(huán)節(jié)及設計意圖

根據教學目標，把牛頓第一定律一節(jié)的教學過程分成以下幾個環(huán)節(jié)，并對每一環(huán)節(jié)的設計意圖進行說明.

3.1 對運動與力的關系的歷程的細化和評價

3.1.1 亞里士多德及其研究

亞里士多德是古希臘文化的集大成者，他關于物理學的思想深刻地塑造了中世紀的學術思想，其影響力延伸到了文藝復興時期.教學中通過生活中司空見慣現(xiàn)象的觀察，比如用力推小車，小車就動，不推，小車就會停下來，直覺告訴我們運動和相互作用之間有著緊密的聯(lián)系.對靜止的物體推或拉，物體就動;停止推拉的作用，原來運動的物體便歸于靜止.亞里士多德觀察了大量物體的運動，把地球上的運動分為自然運動和受迫運動.其中關于受迫運動的觀點就是物體的運動要靠推、拉等外界作用來維持.

設計意圖：回顧亞里士多德的研究過程，充分肯定亞里士多德所取得的成就.首先開始了對運動與力的研究，并且對其研究方法（如觀察、思辨）的現(xiàn)實意義提出思考.通過亞里士多德的研究回顧，培養(yǎng)學生認識科學是不斷發(fā)展和完善的，客觀公正地評價科學家及其貢獻.

3.1.2 伽利略的理想斜面實驗

伽利略提出運動的物體之所以停下來，不是不受力，正好相反，是因為受到摩擦力或者空氣、水等流體的阻力的影響.伽利略第一個發(fā)現(xiàn)摩擦力，找到了解決問題的突破口.據此伽利略提出猜想，水平面運動的物體如果不受摩擦等阻力的作用，將一直運動下去.

為了更好地論證自己的觀點，伽利略設計了斜面實驗.讓一個球沿斜面滾下，在重力的作用下球的速度將增大，球沖上斜坡時，在重力作用下它會慢下來.這樣在水平面上運動的物體，將不加速也不減速，因為水平面是下坡和上坡的中間情形.如圖2所示.

為了使思路更明晰，將兩個斜面平滑地連接起來，小球可以在上面運動.在對接斜面上鋪上瑜伽帶和濕棉布條，讓學生觀察小球在濕棉布上、瑜伽帶、金屬軌道上的運動，引導學生在實驗的基礎上推理得出：如果沒有摩擦，小球將達到和釋放等高的位置.如圖3所示.接下來在這個推理等高的基礎上進一步實驗，減小對接斜面的傾斜角，再次實驗，進一步減小斜面的傾斜角，再實驗.引導學生觀察并推理得出：如果沒有摩擦阻力、流體阻力的影響，水平面上運動的物體會一直運動下去.如圖4所示.

設計意圖：回顧伽利略的研究過程，通過觀察實驗和推理得出如果沒有摩擦阻力、流體阻力的影響，水平面上運動的物體會一直運動下去的結論.逐步培養(yǎng)學生的科學推理能力，體會實驗和推理的研究方法.

3.1.3 亞里士多德的研究與伽利略的研究對比

再回顧一下亞里士多德和伽利略在研究方法上的不同，亞里士多德的研究方法為“觀察”加“思辨”，而伽利略的研究方法為“實驗”加“推理”.可以看出兩者研究方法不同，認識層次不同，獲得的結果也不同.

設計意圖：充分肯定兩者在研究過程中所起的作用，同時體會“理想實驗”是在真實的科學實驗事實的基礎上，突出主要因素，忽略次要因素，通過抽象思維來深刻揭示自然規(guī)律的科學研究的重要方法.

3.1.4 笛卡爾的貢獻

與伽利略同時代的法國著名哲學家、物理學家、數學家笛卡爾也對運動和力的關系進行了研究.他進一步指出：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動，既不停下來也不偏離原來的方向.對比笛卡爾和伽利略的觀點，引導學生分析得出：其一，伽利略觀點中是一直運動下去，而笛卡爾進一步明確了勻速直線運動下去;其二，伽利略觀點中的水平面在笛卡爾的觀點中并沒有提及，而只是說直線，沿任意方向的直線，拓寬了人們的視野.

設計意圖：介紹笛卡爾的研究成果，進一步體會科學的研究歷程，認識科學的本質.

3.2 理解牛頓第一定律及其意義

牛頓在總結前人成果的基礎上，通過自己的研究，發(fā)表了物理學哲學著作《自然哲學之數學原理》，該書為經典力學規(guī)定了一套基本概念，提出了力學三定律，從而使經典力學成為一個完整的理論體系.該書的第一條定律寫道：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài).后人把該定律稱之為牛頓第一定律.牛頓第一定律雖只有短短三十幾個字，但歷經兩千年，飽含了幾代科學家的智慧和心血.牛頓站在巨人們的肩膀上，站得更高，看得更遠.

3.2.1 牛頓第一定律的理解

從亞里士多德提出的推拉，再到伽利略認識到的摩擦都是力.牛頓的高明之處在于把這些復雜多樣的相互作用抽象成了一個概念——力.力是改變物體運動狀態(tài)的原因.描述物體運動狀態(tài)的物理量為速度，速度變化有快慢，用加速度來描述.所以，力是使物體產生加速度的原因.

慣性是物體保持原有運動狀態(tài)的固有屬性.當物體受到外力作用時，慣性的存在會阻礙物體自身運動狀態(tài)的變化.也就是說物體具有抵抗運動狀態(tài)變化的本領.不同物體抵抗運動狀態(tài)變化的本領并不相同.運動狀態(tài)改變難即本領大，改變容易則這種本領小.

設計意圖：介紹牛頓的創(chuàng)新與突破，抽象出了力的概念和慣性的概念，正確評價牛頓的貢獻.與此同時逐步培養(yǎng)學生運動與相互作用的觀念.

3.2.2 牛頓第一定律的意義

首先，第一定律中提到的一切物體不僅包括地面上的所有物體，也包括天上的日月星辰，打破了人們原有的天地有別的觀念;其次，人們以往總把“靜”和“動”放在不同的維度，第一定律中將靜止和勻速直線運動統(tǒng)一在一起，即運動狀態(tài)不變，而把運動狀態(tài)改變和不變加以區(qū)分;再次，人們以往認為，力是維持物體運動的原因，即力產生速度，而第一定律認為力是改變物體運動狀態(tài)的原因.即力產生加速度.通過以上分析就不難理解，人們?yōu)槭裁窗雅ｎD第一定律稱之為經典力學的基石、人類整個自然觀的基石了.

設計意圖：進一步介紹牛頓第一定律對人類自然觀的影響，分析牛頓第一定律的基石作用.通過以上介紹，培養(yǎng)學生正確的自然觀及面對科學的態(tài)度.

3.3 實驗探究慣性與質量的關系

慣性是物體保持原有運動狀態(tài)的屬性.也可以說是物體具有抵抗運動狀態(tài)改變的本領.運動狀態(tài)改變越難，慣性越大，反之則越小.那么，如何使物體的運動狀態(tài)改變？又如何比較物體運動狀態(tài)改變的難易程度？提供的實驗器材有：一根彈簧，一個金屬球和一個高爾夫球，如圖5所示.引導學生自己設計實驗來說明運動狀態(tài)改變的難易程度與什么有關.學生設計的實驗有不恰當的（比如把彈簧立在桌子上，把球往下壓然后釋放），有基本的（比如把兩個球放在壓縮的彈簧兩端并同時釋放），有創(chuàng)新的（比如直接讓兩個運動的球發(fā)生碰撞），針對學生的實驗設計進行點評和討論.最后得出慣性與質量大小有關的結論.

設計意圖：培養(yǎng)學生設計實驗與制訂方案的能力，基于證據得出結論并進行交流、評估的能力.

3.4 提出新的問題

鐵球和高爾夫球慣性不同，質量（m）不同，所受重力（mg）也不同.但同時釋放做自由落體運動時，加速度均為重力加速度g.引導學生進行猜想，然后課下完成論證猜想的作業(yè).

設計意圖：把新的問題的解決作為作業(yè)，對本節(jié)課的素養(yǎng)能力要求進行評價.進一步培養(yǎng)學生的探究能力.為下一節(jié)的教學打下伏筆.

新課標的理念要求注重體現(xiàn)物理學科本質，培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng).那么，在教學一線的實踐中如何更好地落實課標的理念，為學生終身發(fā)展、應對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎將是一線教師必須回答的課題.在教學設計中，將不斷地用課標引領我們的教育改革，通過物理教學逐步培養(yǎng)學生正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力.

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（收稿日期：2020-11-07）