PAGEPAGE6《牛頓第一定理》教學設計上海師院附屬實驗學校王運淼〖設計思想〗1．重視三維目標的和諧統一牛頓第一定理是牛頓數學學的基石，是熱學的第一原理，它改變了人們對自然的認識，改變了人們的世界觀。這就是，原先亞里士多德覺得物體運動須要力，而如今是運動不須要力。這樣的重大科學發覺，稱得上是真正的科學真理。為此，我在設計牛頓第一定理教學時，重視三維目標的和諧統一，讓中學生理解科學的完整內涵，同時在人文、德育方面給中學生以潛移默化的影響。2．創設情景，讓中學生體驗建構新知識的樂趣在小學階段，中學生對牛頓第一定律已有大致了解，曉得亞里士多德的觀點（力是維持物體運動的緣由）是錯的，也曉得伽利略通過研究澄清了運動和力的關系（力是改變物體運動狀態的緣由）。并且，在解決實際問題時，她們還經常下意識地用亞里士多德的觀點去剖析，這說明運動和力的正確關系在中學生的腦子中還沒有真正完善上去。為此，我在設計這節課的教學時，注意創設情景，突出研究過程和技巧，讓中學生腦子里的前概念與數學學里的科學概念激烈交鋒，引導中學生在現有知識經驗的基礎上主動構建新知識。〖教學目標〗1．知識與技能理解牛頓第一定理的內容和意義。
曉得慣性的概念，曉得慣性大小跟質量有關，才能正確解釋有關慣性的現象。2．過程與方式通過將研究物體運動緣由的相關史籍合理裁剪，融入化學教學，歷史地詮釋伽利略的批判精神、邏輯推理的方式、猜想與假說的氣魄和實驗驗證的科學作風，使中學生有身臨其境之感，體會他的研究方式、科學精神，得其真諦、有所借鑒。3．情感、態度與價值觀通過牛頓第一定理的教學，使中學生感受到化學學對人們的世界觀、自然觀、思維形式的改變都在起著重要的作用。從“嫦娥一號”從“嫦娥一號”引入亞里士多德的運動觀伽利略的研究笛卡兒的補充牛頓的總結理解牛頓第一定理1．引入看大屏幕：嫦娥一號奔月過程模擬動漫。提出問題：嫦娥一號宇宙飛船的運動相當復雜，而它的運動靠的是地面上的技術人員遙控。要想成功地控制它的運動，必須曉得它為何能這樣運動，也就是運動的誘因。關于運動的誘因問題是一個古老的話題。可以溯源到公元前4世紀。2．亞里士多德的質樸運動觀（1）回顧研究“落體運動”時對亞里士多德的認識中學生：西方最偉大的哲學家，古埃及的圣人。（2）介紹亞里士多德的運動觀他觀察了大量物體的運動，經過思索，把運動分成兩類，一類是自然運動，另外一類是受迫運動。自然運動：每位物體都有自己的固有位置，例如，火的自然位置在上，土的自然位置在下，氣和水在中間。
偏離固有位置的物體將趨于固有位置運動。地上物體的自然運動沿直線，輕者上升，重者增長；天體的自然運動永恒地順著圓周進行。受迫運動：物體的運動是在推或拉的外力作用下發生的。沒有外力，物體都會停止。（3）引導中學生認識受迫運動緣由的實質亞里士多德的偉大之處在于，他在找運動的緣由時跟推或拉的外力構建起關系來了。他總結的受迫運動緣由的實質是：運動須要力來維持，力是維持運動的緣由。按照中學的學習，多數中學生曉得這是錯的。并且，她們的潛意識里未必根不僅這些運動觀。（4）迸發中學生的潛意識，啟發中學生思索亞里士多德的運動觀聽起來很有道理。事實上這個觀點是沒有學過化學的人的一種質樸的運動觀。這些觀點從公元前4世紀誕生起，兩千年里沒人指責，仍然到了公元后16世紀，法國學院里化學講的還是這些觀點。我們學過中學數學了，都曉得這些觀點有問題，這么問題在哪呢？其實中學生能說出：力不是維持物體運動的緣由，是改變物體運動狀態的緣由。而且，她們很難結合生活中的實例說清楚運動和力的關系。這說明她們還沒有找到指責亞里士多德觀點的切入點。3．伽利略的研究（1）指責伽利略研究的切入點是：原先運動的物體之所以停出來莫非真的是沒有力的作用嗎？中學生：原先運動的物體之所以停出來，是由于有磨擦力或空氣、水等流體的阻力作用的結果。
（2）假定與推測假如沒有磨擦阻力、流體阻力的影響，在水平面上運動的物感受如何呢？中學生：物體將會仍然運動下去。現實生活中不可能沒有磨擦阻力、流體阻力的影響，因而，“在水平面上運動的物體將會仍然運動下去”是我們的推測。（3）理想實驗這些猜測究竟正確與否，如何研究呀？中學生：通過實驗，這是伽利略用到的研究方式。伽利略觀察到在斜坡上運動的物體，從高處滑出來運動得越來越快，沖上斜面運動得越來越慢。于是他設計了一個對接斜面實驗。演示1：先在對接斜面上鋪一塊麻布，從右側斜面上的某一高度處釋放一個小鋼球，觀察小球的運動情況，用一面旗子標記出小球抵達另左側斜面的最低點。演示2：把麻布拿出來，再做一遍。通過對比，發覺小球上升的更高了，而且比釋放時的高度還是低一點。這是哪些緣由呢？中學生：有磨擦。引導中學生推理：磨擦大時上升的高度小，磨擦小時上升的高度大，如果沒有磨擦呢？中學生：應該會上升到同樣的高度。演示3：在從同一高度釋放小球之前，先把另左側斜面的夾角增大，用旗子標記小球運動的最遠距離。現象：小球運動的距離變大了。思索：這是為何呢？中學生：機械能守恒。而且，在伽利略那種時代還沒有機械能守恒的思想。他是如何思索這個問題的呢？我們上面早已有過推理：如果沒有磨擦，從某一高度釋放，小球能沖上另左側斜面的同樣高度。
這么，夾角變小后，要想達到同一高度，小球運動的距離變大了。進一步降低斜面夾角，小球運動的距離會顯得更大。當兩側斜面的夾角增大到0時，會有哪些現象呢？演示4：從斜面的同一高度釋放小球，小球從斜面上滑下，在水平面上運動，最終從水平面上飛出。引導中學生推理：如果水平軌道足夠長，但是沒有磨擦，小球怎么運動呢？中學生：永遠運動下去！小球在水平軌道上運動時，水平方向有推或拉的外力作用嗎？中學生：沒有。這說明哪些呢？中學生：運動不須要力來維持。到此為止，我們驗證了上面的推測：假如沒有磨擦阻力、流體阻力的影響，在水平面上運動的物體將會仍然運動下去。結合右圖，領著中學生再回顧一下伽利略設計的實驗，引導中學生認識到，伽利略的這個實驗，是在事實的基礎上經過合理的外推的理想實驗。hhhh（4）進一步引導中學生剖析運動和力的關系物體遭到推或拉的外力，運動上去，是從靜到動；撤掉了推或拉的外力，物體最終會停出來，是從動到靜，這是由于有阻力作用。這么，運動和力究竟是哪些關系呢？提示：從靜到動，從動到靜，是物體的運動狀態發生了改變。中學生：力是改變物體運動狀態的誘因。（5）感受伽利略的科學研究方式想想看，在研究落體運動時我們就把這兩位偉人的觀點進行了對比，如今她們關于運動和力關系的觀點又擺在了一起。
之所以伽利略才能趕超前人的認識，緣由之一就是他在研究方式上與亞里士多德不同，有哪些不同呢？中學生：有實驗，有推理。理想實驗是在實驗的基礎上再進行合理的外推，實驗和推理完美結合，這是伽利略開創的科學研究方式。而在公元前4世紀，亞里士多德的研究方式主要是靜觀而不做實驗，思辨而不做定量的物理推演。從公元前4世紀到16世紀末17世紀初，之間有兩千年牛頓第一定律是錯的嗎，自然科學躊躇不前。而從伽利略到明天（2007年），大師輩出，不過幾百年的時間，對運動問題的研究深入延續下去，開創了熱學和全部數學學，乃至于整個現代科學。愛因斯坦對伽利略的評價：伽利略的發覺以及他所應用的科學的推理方式是人類思想史上最偉大的成就之一，并且標志著化學學的真正開端。4．笛卡兒的補充在伽利略研究的基礎上，跟伽利略同時代的數學學家、數學家笛卡爾，補充建立了伽利略的觀點：除非物體遭到力的作用，物體將永遠保持靜止或運動狀態，永遠不會自己沿曲線運動，而只保持在直線上運動。5．牛頓的總結又隔了一代人，出了一位大師級人物。他就是——學生：牛頓說隔了一代人一點都不委屈牛頓，伽利略是1642年逝世的牛頓第一定律是錯的嗎，牛頓是1643年誕生的。堪稱前赴后繼。牛頓在前人研究的基礎上，對運動和力的關系進行了全面的論述：一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它前面的力促使它改變這些狀態。
牛頓把力與運動的關系這個推論總締結第一定理。寫在了《自然哲學之物理原理》這本書里。出示這本書，提倡感興趣的中學生課外閱讀。牛頓說：假如我比笛卡兒看得遠一點，那是由于我是站在大神巨人的肩上。這既反映了牛頓謙虛的一面，同時也是不爭的事實。似乎“不受力”的情境在現實生活中很難看到，而且有些現象才能幫助我們認識理解這些理想情況。讓中學生舉例說明。如冰球球，輪滑，滑冰，等等。這種運動都是在體會磨擦力很小時帶來的運動樂趣。由此也可以幫助我們理解牛頓第一定理中“不受力”的情境。6．理解牛頓第一定理（1）力是改變物體運動狀態的誘因物體運動狀態改變，也就是物體運動的速率改變，所以力是改變物體速率的誘因。為了描述速率的變化的快慢，我們構建了加速度的概念，速率改變了，也就是物體有加速度了，所以力是形成加速度的誘因。前一段時間，有的朋友總是問為何加速度變大，變小？現今明白了吧？中學生：是由于外力在變化。（2）慣性與質量的關系“一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態”說的是哪些呢？中學生：慣性。“總保持”說明這是物體與生俱來的本領，一種抵抗運動狀態變化的本領——慣性。慣性大小與哪些誘因有關系呢？你能設計一個小實驗或舉一個生活中的實例加以說明嗎？讓中學生討論、交流。
通常中學生才能說出：質量越大，慣性越大。量度物體慣性大小的化學量就是其自身質量。并且很難通過生活中的實例或設計簡單的實驗來說清楚這個關系。這就須要班主任通過實驗和實例幫助學生理解慣性和質量的關系。小實驗（師生合作）：找一個肺活量大一點的女孩到上面來，深呼吸一下，吹班主任用線提著的兵乓球。兵乓球被高高吹來（中學生笑）。班主任再掏出一個跟兵乓圓球積差不多的鋼球，用線提著，讓中學生使勁吹。鋼球幾乎不動（中學生大笑）。通過這個小實驗就才能說明質量大的慣性大。雖然現實生活中事例太多了，但是按照質量和慣性的關系設計了很多娛樂項目，如兵乓球（展示圖片）。兵乓球撞木瓶，很有趣，最好是一個球過去，十個木瓶全倒了。想想看，有這些娛樂項目嗎？拿著木瓶去打兵乓球（中學生大笑）。在兵乓球跟木瓶碰撞的過程中彰顯了質量和慣性的關系。7．尾聲這節課在備考中學的基礎上，我們曉得了力是形成加速度的緣由，質量是慣性大小的量度。思索：外力才能改變物體的運動狀態；而物體有質量，有慣性，物體自身又在抵抗運動狀態的改變。可見，物體運動的加速度與力、質量有關，有哪些定量的關系呢？這就是我們下節課即將繼續探究的問題。附：板書設計第四章牛頓運動定理一、牛頓第一定理1．亞里士多德（公元前4世紀）的質樸運動觀自然運動，受迫運動受迫運動緣由的實質是：運動須要力來維持，力是維持運動的緣由。
2．伽利略（1564—1642）的研究（1）指責（2）假定與推測（3）理想實驗（4）運動和力的關系：力是改變物體運動狀態的緣由。（5）伽利略的科學研究方式實驗和邏輯推理的和諧結合。3．笛卡兒（1596—1650）的補充4．牛頓（1643—1727）的總結一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它前面的力促使它改變這些狀態。5．理解牛頓第一定理（1）力是改變物體運動狀態的緣由（2）慣性與質量的關系6．思索物體運動的加速度與力、質量有哪些定量的關系？〖教學療效評價與教學反省〗1．評價“牛頓第一定理”一課，是在新課標理念的影響下，我為宣武區、西市區的初三班主任做的一節公開課。從課堂教學療效來看，中學生在原有知識經驗的基礎上，在班主任的引導下，才能積極主動地構建新知識，對運動和力的關系有了更清晰的認識。在學習的過程中，她們對亞里士多德的貢獻有所了解，才能自主總結出伽利略開創的科學研究方式——實驗與推理完美結合。自始至終，多數中學生處于思索、研究的激動狀態，甚至延展到課外。在課下跟聽課班主任交流時，你們都一致覺得，這節課的教學挺好地彰顯了三維目標，注重“過程和技巧”的教學。中學生積極參與，興趣濃郁。2．反省在研究運動和力的關系的過程中，應當進一步強化與中學生的互動。最好在課前動員中學生檢索有關亞里士多德、伽利略、笛卡兒、牛頓的史籍，讓中學生自主評價她們的歷史戰功。