《牛頓第一定理》教學(xué)設(shè)計(jì)
一、三維目標(biāo)
1．知識與技能
⑴體會伽利略的理想實(shí)驗(yàn)思想方式。
⑵理解牛頓第一定理的內(nèi)容及意義；理解力和運(yùn)動的關(guān)系。
⑶理解慣性的概念，曉得質(zhì)量是慣性大小的量度。
2．過程與技巧
⑴通過回顧歷史探究過程理解牛頓第一定理的產(chǎn)生過程。
⑵理解理想實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的重要方式。
3．情感心態(tài)與價(jià)值觀
⑴通過運(yùn)動和力的關(guān)系的歷史探究過程，使中學(xué)生感受規(guī)律的產(chǎn)生都有一個(gè)從感性到理智、從低級到中級的形成、發(fā)展和演化的過程。
⑵通過理想斜面的教學(xué)，感受理想實(shí)驗(yàn)的魅力。
二、教材剖析
牛頓運(yùn)動定理是整個(gè)熱學(xué)體系的基石，而牛頓第一定理又是這個(gè)“基石”中的“基石”，它定性地闡明了力和運(yùn)動的關(guān)系，提出慣性的概念，為定量研究力和運(yùn)動的關(guān)系拉開了帷幕。
小學(xué)教材與高中相比，主要有四方面的不同。
一是定理內(nèi)容深淺不同：小學(xué)教材表述為“一切物體在沒有遭到外力作用的時(shí)侯，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)”；小學(xué)教材表述為“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直至有外力促使它改變這些狀態(tài)為止”。小學(xué)教材中的敘述具有更為豐富的內(nèi)涵，它指出了力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的緣由，突出了第一定理的獨(dú)立性和重要意義，也為學(xué)習(xí)牛頓第二定理做了一定的鋪墊。
二是慣性的認(rèn)識層次不同：小學(xué)指出一切物體都有慣性，中學(xué)注重慣性與質(zhì)量的關(guān)系。
三是實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、探究及思維深度不同：小學(xué)為斜面貨車實(shí)驗(yàn)；中學(xué)為伽利略理想實(shí)驗(yàn)，突出了理想實(shí)驗(yàn)這些科學(xué)方式的價(jià)值所在。
四是情感、態(tài)度、價(jià)值觀的彰顯不同：小學(xué)對牛頓第一定理構(gòu)建的歷史一語帶過，小學(xué)教材回顧了牛頓第一定理得出的整個(gè)歷史過程，讓中學(xué)生感受一個(gè)規(guī)律的獲得是一代又一代科學(xué)家們努力探求的結(jié)果，才能迸發(fā)中學(xué)生追求科學(xué)，敢于創(chuàng)新的情感。
三、學(xué)情剖析
經(jīng)過小學(xué)的學(xué)習(xí)，中學(xué)生初步曉得了牛頓第一定理的內(nèi)容和慣性的概念，并且對于牛頓第一定理的數(shù)學(xué)學(xué)史內(nèi)容幾乎沒有了解，雖然了解也是過分片面和自私，科學(xué)的探究過程是一代代人不斷努力的結(jié)果，中間要經(jīng)歷好多的失敗和磨難，然而這種沒有阻斷人們科學(xué)探究真知的腳步，總結(jié)前人的觀點(diǎn)，不斷的迸發(fā)自己的創(chuàng)新和創(chuàng)造靈感，勇敢的付諸實(shí)踐，最終得到科學(xué)真理。這種數(shù)學(xué)學(xué)史內(nèi)容有挺好的教育價(jià)值和教育意義。
中學(xué)生對于“質(zhì)量是慣性惟一的量度”更是欠缺認(rèn)識，憑著自己的生活經(jīng)驗(yàn)，覺得速率也是慣性的量度。班主任要在課堂上充分引導(dǎo)，配合實(shí)驗(yàn)、結(jié)合生活例子來澄清概念。
教學(xué)實(shí)踐表明，中學(xué)生在腦子中完善正確的力和運(yùn)動關(guān)系的過程，并非一帆風(fēng)順，往往產(chǎn)生與亞里士多德相像的觀點(diǎn)，且根深蒂固。處理具體的實(shí)際問題時(shí)，一些直覺的錯(cuò)誤觀點(diǎn)不時(shí)冒下來，存在著嚴(yán)重的"口是心非"問題。
四、教學(xué)重難點(diǎn)
1．教學(xué)重點(diǎn)：通過回顧歷史探究過程理解牛頓第一定理；慣性的理解。
2．教學(xué)難點(diǎn)：力和運(yùn)動的關(guān)系；慣性和質(zhì)量的關(guān)系。
五、教研課題
數(shù)學(xué)學(xué)史在教學(xué)中的有效滲透的研究
六、教學(xué)方式
微課教學(xué)法、實(shí)驗(yàn)探究、講授法、討論法。
七、教具
自制伽利略理想實(shí)驗(yàn)教具、微課視頻、氣墊滑軌、滑塊、小車、軌道、教學(xué)講義、光電門傳感、鐵架臺、氣泵、傳感器軟件、希沃白板、手機(jī)或Pad等聯(lián)通終端。
五、教學(xué)活動和過程設(shè)計(jì)
（一）實(shí)驗(yàn)微視頻，引入課題
用手機(jī)鏈接希沃白板，用手機(jī)或Pad等聯(lián)通終端掃描講義中的二維碼，觀看課題組自制的微課視頻，即生豬肉碰撞實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)中用運(yùn)動的鴨蛋用實(shí)驗(yàn)中的問題引入新課。
【設(shè)計(jì)意圖】
通過實(shí)驗(yàn)小視頻引入新課，可以極大的調(diào)動中學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣，中學(xué)生帶著思索和興趣步入新課的學(xué)習(xí)，可以極大的提高課堂的效率，但是實(shí)驗(yàn)視頻可以反復(fù)觀看，中學(xué)生們可以就實(shí)驗(yàn)視頻中提出的問題在課后進(jìn)行討論，極大的拓展和補(bǔ)充了課堂學(xué)習(xí)的不足。
（二）回顧歷史，探究定理
1．歷史觀點(diǎn)的碰撞
（1）亞里士多德和伽利略的觀點(diǎn)對比
（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一：
①繩子拉車車就動，不拉不動（如圖1）
②細(xì)致觀察，手停止運(yùn)動，面包車并沒有馬上停止運(yùn)動（如圖2）
③減小磨擦，用有輪子的一面做實(shí)驗(yàn)，撤掉拉力后面包車滑行得更遠(yuǎn)（如圖3）。
（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)二：
氣墊滑軌實(shí)驗(yàn)（如圖4），通過光電門測出滑塊在滑軌上任意兩點(diǎn)的速率，滑塊看起來做勻速，實(shí)踐還是在做減速運(yùn)動，說明現(xiàn)今科技這么發(fā)達(dá)，而且難以找到一個(gè)完全沒有磨擦的環(huán)境。
【設(shè)計(jì)意圖】
通過氣墊滑軌實(shí)驗(yàn)，讓中學(xué)生曉得就現(xiàn)今的科技水平都未能找到一個(gè)沒有磨擦的環(huán)境，伽利略是怎樣讓你們心服口服的相信他的觀點(diǎn)。可以挺好的過渡到伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，并有效迸發(fā)中學(xué)生進(jìn)一步探究和學(xué)習(xí)理想實(shí)驗(yàn)的興趣。
2.體驗(yàn)理想實(shí)驗(yàn)的魅力
【演示實(shí)驗(yàn)】演示伽利略擺實(shí)驗(yàn)。
①球從等低點(diǎn)釋放，經(jīng)過向上加速擺到最高點(diǎn)，再向下減速擺到等低點(diǎn)。
②在中間插上鐵釘，擺球條紋過程中間擺繩被鐵釘絆到，而且小球一直才能抵達(dá)等低點(diǎn)。
③換一個(gè)位置插上鐵釘，擺球條紋過程中間擺繩被鐵釘絆到，而且小球一直才能抵達(dá)等低點(diǎn)。
【演示實(shí)驗(yàn)】演示伽利略理想實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
實(shí)驗(yàn)事實(shí)
邏輯推理（無磨擦，右斜面足夠長）
右斜面固定，在軌道上墊上紅色綢帶
磨擦較大高一物理實(shí)驗(yàn)視頻大全，球能滾到的高度離等高線有一定的距離
取下繃帶，小球應(yīng)當(dāng)會滾到更高的位置才停
右斜面固定
磨擦越小，球滾得越高
球?qū)L上原來的高度
減少右夾角
球沿斜面滾得越遠(yuǎn)
球沿斜面滾得越遠(yuǎn)，仍然滾到原先的高度
放平右斜面
球滾得最遠(yuǎn)
球?yàn)榱诉_(dá)到原先的高度，而且軌道是平的，球?yàn)榱诉_(dá)到原先的高度，將始終滾動下去
【設(shè)計(jì)意圖】
伽利略從伽利略擺得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)了伽利略理想實(shí)驗(yàn)，
通過伽利略擺到伽利略理想實(shí)驗(yàn)，層層遞進(jìn)，凸顯伽利略設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的巧妙技巧，而且挺好的還原了數(shù)學(xué)學(xué)史過程，讓中學(xué)生明白理想實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究過程，迸發(fā)中學(xué)生對理想實(shí)驗(yàn)的探求欲和創(chuàng)造力。伽利略擺實(shí)驗(yàn)可以為理想實(shí)驗(yàn)做個(gè)挺好的鋪墊。
通過演示和班主任的啟發(fā)引導(dǎo)，體驗(yàn)理想實(shí)驗(yàn)過程和推理的魅力，讓中學(xué)生曉得通過實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)過理想化的處理，發(fā)揮理想思維的力量最終可以大大趕超科技水平的限制。伽利略理想實(shí)驗(yàn)給我們的不僅僅是一個(gè)推論，更重要的是留給我們一個(gè)有效的科學(xué)研究的方式，即實(shí)驗(yàn)加推理的科學(xué)研究方法。
3.牛頓第一定理
【PPT講義】呈現(xiàn)伽利略和笛卡爾的觀點(diǎn)和伽利略的觀點(diǎn)，讓中學(xué)生進(jìn)行對比剖析，找出笛卡爾補(bǔ)充和建立了什么內(nèi)容。
【設(shè)計(jì)意圖】
通過師生共同品位牛頓第一定理，使中學(xué)生曉得牛頓第一定理的適用范圍是一切物體，而且首次提出了平衡狀態(tài)，即“勻速直線運(yùn)動狀態(tài)”和“靜止?fàn)顟B(tài)”，而且解決了物體運(yùn)動的緣由是為了保持原先的運(yùn)動狀態(tài)，即物體具有“慣性”，并強(qiáng)調(diào)力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的誘因。通過分析曉得牛頓第一定理是對伽利略和笛卡爾等科學(xué)家觀點(diǎn)的總結(jié)、歸納和提高，明晰了力和運(yùn)動的關(guān)系，但是提出了好多全新的數(shù)學(xué)概念。
（三）認(rèn)識慣性及慣性的大小
1．回顧慣性的概念
【視頻播放】人短跑、小狗跳高視頻、奇幻煙圈、汽車碰撞頓時(shí)
2．進(jìn)一步認(rèn)識慣性及慣性的大小
討論：慣性的大小由什么誘因決定？讓中學(xué)生通過列舉生活中的實(shí)例說明自己的觀點(diǎn)
【視頻播放】播放飛行員為了躲避飛彈的襲擊，在飛行過程中拋棄副油箱的視頻片斷。
【視頻播放】播放太空艙中的失重環(huán)境視頻片斷。
討論：在太空的失重環(huán)境，以一定的速率推出一個(gè)標(biāo)槍，遇到人的頭是否會痛？讓中學(xué)生辨析慣性是否更力有關(guān)。
【設(shè)計(jì)意圖】
慣性是留給中學(xué)生印象很深刻、很重要的數(shù)學(xué)概念，通過生活實(shí)例和視頻追憶了小學(xué)慣性知識，迸發(fā)了中學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。通過進(jìn)一步學(xué)習(xí)曉得慣性的大小反映了改變物體運(yùn)動狀態(tài)的難易程度，通過討論和辨析曉得慣性大小的惟一量度是質(zhì)量，與運(yùn)動狀態(tài)和物體受力情況是無關(guān)的。通過學(xué)習(xí)提升了對慣性的理解。
（四）總結(jié)與應(yīng)用
1、總結(jié)與歸納
回顧牛頓第一定理的科學(xué)發(fā)展史
①亞里斯多德、伽利略、笛卡爾、牛頓等幾代科學(xué)家的科學(xué)探究和弘揚(yáng)。
②科學(xué)研究方式：經(jīng)驗(yàn)得推論→實(shí)驗(yàn)+推理得推論
2、應(yīng)用與提高
假如課堂有時(shí)間剩余，讓中學(xué)生分組討論，請中學(xué)生自己應(yīng)用這堂課學(xué)過的知識來解釋課前的小實(shí)驗(yàn)，靜止的豬肉為何容易破。班主任啟發(fā)引導(dǎo)，并總結(jié)中學(xué)生觀點(diǎn)
假如課堂沒有時(shí)間剩余可以讓中學(xué)生課后用手機(jī)或Pad等聯(lián)通終端掃描講義中的二維碼看課題組自己制做的微課視頻，看視頻中解釋的是否和自己想的一樣。
【設(shè)計(jì)意圖】
通過總結(jié)梳理，讓中學(xué)生曉得牛頓第一定理科學(xué)發(fā)展史是一個(gè)漫長的科學(xué)探究過程，經(jīng)歷了亞里士多德、伽利略、笛卡爾和牛頓等科學(xué)家的不懈努力和探求，是一種科學(xué)的弘揚(yáng)，同時(shí)牛頓第一定理的構(gòu)建過程標(biāo)志著科學(xué)研究方式的進(jìn)步和飛躍，有效的滲透了數(shù)學(xué)學(xué)史教育。
通過對課前問題的討論，掃尾呼應(yīng)，挺好的做到了從數(shù)學(xué)到生活，在從生活到化學(xué)的過程，強(qiáng)化了中學(xué)生對本節(jié)課所學(xué)知識的理解和應(yīng)用能力。中學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決了課前的問題，致使中學(xué)生體驗(yàn)到的成就感，并提高了她們解決問題的能力和學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣。
六、教學(xué)設(shè)計(jì)反省
牛頓第一定理的最終得出歷經(jīng)幾代科學(xué)家的探求和發(fā)覺過程，是一堂生動的數(shù)學(xué)學(xué)史教育課，上好這堂課才能讓中學(xué)生對化學(xué)的科學(xué)本質(zhì)有全新的認(rèn)識，同時(shí)讓中學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)推理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)研究的重要方式，因而真正達(dá)成牛頓第一定理教學(xué)的三維目標(biāo)任務(wù)。
這堂課所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)“氣墊滑軌實(shí)驗(yàn)”、“伽利略擺實(shí)驗(yàn)”、“伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)”是為了突破本節(jié)課的重點(diǎn)，即牛頓第一定理的得出過程這一科學(xué)發(fā)展史，因而在教學(xué)時(shí)間分配上更多的注重于這個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，讓學(xué)士理解每個(gè)科學(xué)家的貢獻(xiàn)，充分理解牛頓第一定理的數(shù)學(xué)學(xué)史內(nèi)容。
中學(xué)生在中學(xué)就早已接觸過慣性的內(nèi)容，所以在慣性的教學(xué)中主要發(fā)揮中學(xué)生的能動性，積極的發(fā)別自己的觀點(diǎn)，在課前和課后打算了微課視頻高一物理實(shí)驗(yàn)視頻大全，掃尾呼應(yīng)，讓中學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，并應(yīng)用所學(xué)的知識去解決生活中的數(shù)學(xué)問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生活到化學(xué)，化學(xué)到生活的過程，讓中學(xué)生真正對化學(xué)學(xué)習(xí)形成興趣。