王辉
绍兴市上虞区小越中学，浙江 绍兴 312000
摘要：本文以高中物理人教版“牛顿第一定律”为例，阐述了基于学生物理科学思维的教学策略，遵循学生的认知和思维发展规律，帮助学生突破物理思维的障碍，引领其探寻物理规律的发现过程，在探寻中提高认知，发展科学思维。
关键词：科学思维；牛顿第一定律；惯性；课堂教学
牛顿第一定律（又称惯性定律）是高中物理必修一第四章第一节的内容，它看似简单，实则深刻，是牛顿力学的重要基石之一。学生们对于牛顿第一定律是有一定的前概念的，但这种凭借生活经验形成的前概念恰恰会导致了他们对于牛顿第一定律的虚假掌握，要达到真正理解牛顿第一定律并不容易。
在实际教学中很多教师对这一块的内容往往是一带而过，其实在牛顿第一定律这节内容教学内涵非常的丰富，对于培养学生物理学科的核心素养尤为有利，尤其是科学思维的培养，科学思维是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。在牛顿第一定律这节课中，我们可以在定律发现的一系列过程教学中对知识的来龙去脉进行突破，利用科学思维来透过现象，真正深刻地触及到牛顿第一定律的本质。本文以牛顿第一定律为例，探讨在物理实际教学中培养学生科学思维的策略。
1、制造认知冲突，体验定律形成过程。
课前准备一辆小车，一块长木板。教师在课堂上演示两个实验：实验1用手推动小车是原本静止的小车在长木板上运动；实验2推动小车后离手小车仍然在长木板上运动。
问题1：如何能够使在长木板上静止的小车开始运动？
生：用手去推或者拉着它就可以使其运动。
师：是什么原因使原本静止的小木块运动？
教师通过适当的引导使学生思考运动和力之间的关系，结合生活经验，学生比较容易得出：物理运动是有力的存在，即物理的运动需要力来维持。
问题2：当小车运动后，离手之后还能再运动一段距离，这又是什么原因？
教师通过一些引导使学生得出此时的运动不需要力的维持。
师：为什么会有两种截然不同的结果产生？
设计意图：通过实验现象提出问题，唤醒学生们的思维，让学生能够初步的了解力与运动存在着联系，能够使学生从运动学过渡到动力学，符合其认知的规律。
人们对于力与运动关系的了解是一个漫长的过程，是一个从错误的到正确的过程，这其中有着科学认知的规律，从亚里士多德到伽利略，从笛卡尔到牛顿，每一次后者都是在前人的观点上利用科学思维提出新的观点并逐步的完善，让人们离真相越来越近。
在“牛顿第一定律”这一节中，课本首先提出了亚里士多德凭借生活经验和主观直觉得到的维持将近两千年的错误结论“力是维持物体运动状态的原因”，这种生活经验所得几乎存在在每个人的意识中。伽利略提出了质疑，并通过理想斜面实验证明了“力不是维持物体运动的原因”，反驳了亚里士多德的观点，并指出了其得到错误结论的原因。教师在此部分的教学中因根据两个实验着重引导学生回顾两位科学家的思路，对观察到的不同实验现象做对比，从而得到“阻力对物体运动的影响”，让学生感受到科学规律的探究过程是一个思维碰撞的过程，这样有助与活跃学生的思维，培养学生的质疑能力，创新能力，为后阶段“理想斜面”实验的科学推理和建模做好准备。
2、进行知识重演，渗透科学思维方法。
课堂上要尽可能让学生去重演物理知识的发生和发展，引导学生积极的思考，构建相应的物理概念和规律，以此来渗透科学思维，在牛顿第一定律的教学中，笔者发现教材上只有对“理想实验”的理论分析，而没有具体的实验操作步骤，通过课前准备斜面演示实验，试图尝试还原历史实验情景，进行重新探究，推理。并用气垫导轨的实验来加以验证，渗透理想实验方法。
2.1 课堂实验活动---斜面实验。
第一组实验：在斜面上BC段放长纱布，较短纱布，不放纱布，用以改变斜面BC段的摩擦。
师：这一组三个小实验中，我们看到了什么？
生：看到了不放纱布在BC段时小球运动的最高，短纱布其次，长纱布的运动的最短。
师：从物理上来解释，是什么导致了这一现象？
生：是阻力，摩擦力的存在导致的。
师：那如果没有摩擦力呢？
生：猜测会到与A点等高的C点。
第二组实验：在BC段上涂些机油，并将BC段逐渐的放平坦。
师：这一组实验中我们在BC段涂上机油是为了什么？
生：尽可能的减小阻力。
师：我们看到了什么现象？
生：在BC段光滑和越来越平坦的情况下，小球运动的越来越靠近与A等高的C点，运动距离也越来越远。
师：如果将BC段完全放平坦，直至水平，你们推测会有怎样的结果产生？
生：小球会为了找到与A点等高的点一直运动下去。
师：那么小球在水平面上运动需要力来维持吗？
生：并不需要力来维持。
师：现实中能这样一直运动吗？
生：那肯定是不能的，因为摩擦力的存在，也因为水平轨道不能无限的延长。
2.2 课堂学生活动---思考交流
问题1：理想实验为什么叫理想实验？是不是空想实验？
问题2：理想实验的事实依据是什么？有哪些合理的推理？
2.3 课堂实验活动---气垫导轨实验
实验现象：物块在气垫上是做匀速直线运动。
实验结论：力是改变物理运动的原因，这就是当年伽利略用理想实验得到的结论。
设计意图：本段的设计是通过实验与验证能够使学生体会到：摩擦力不可消除，平面也不能无限长，从而知道伽利略的实验是“理想实验”，是将实验和逻辑推理相结合的一种研究方法。
3、衔接实验结论，科学解读“牛一”定律。
伽利略通过“理想实验”得出的结论中只提到了速度大小不变永远运动下去，没有提到速度的方向会怎样变化。这个问题是有法国的科学家笛卡尔给予补充的，他指出了如果运动物体不受任何力的作用，不仅速度的大小不变，连运动的方向也不会发生改变，将沿着原来的方向匀速运动下去。而后，牛顿总结了伽利略、笛卡尔等人的研究，从而有了牛顿第一定律：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。
师：这一定律是牛顿对于前人的总结而形成的，那么，“力是改变物体运动状态的原因”在哪里得到了提现？
生：“除非作用在它上面的力迫使它改变这样状态”就是说明“力是改变物体运动状态的原因”。
师：那么定律的上半句在阐述一件什么事？
生：任何物体在不受到力的时候的“自然”状态。
师：的确，牛顿第一定律表明，物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，这种性质我们称其为惯性，所以我们又称牛顿第一定律为惯性定律。
3.1课堂活动---思考交流
问题1：我们能不能设计一个实验来验证牛顿第一定律？
问题2：能不能用生活实例来说明惯性的存在？
3.2课堂活动---小车碰撞实验
木块竖立在小车上随小车一起向前匀速慢行，当遇到障碍物时小车受阻瞬间停下，木块如何运动？
本实验中，教师引导学生得出：遇到障碍之前，小车和木块相对静止，一起同速匀速，碰到障碍物后，小车瞬停，而木块前倾，这是由于木块的惯性而导致的。
3.3课堂活动---打纸条实验
师：上述实验中我们改变橡皮的质量大小，重复操作，我们观察到了什么现象？
生：在更换橡皮质量重复操作中我们发现橡皮的质量越大它的静止状态越稳定，也就是说它的惯性会越大。
物体的惯性越大，想要改变原来的状态就越不容易，而质量越大的物体，改变原来的运动状态越不容易，惯性越大。质量小的物体改变状态就越简单，惯性也就越小。
设计意图：对于惯性的解释，一般教学中都以老师口头阐述为主，告诉学生什么是惯性，并指出用质量来衡量惯性，但对于大部分学生而言，仍是难以理解只能用文字加以记忆，两个实验的表达可以让学生们又一个形象的意识，并能过通过两个实验找寻生活中的惯性实例，运用科学思维进行建模，使学生对惯性的概念实现自主构建。
4、结束语
牛顿第一定律作为规律教学，笔者从学生的认知规律出发，结合科学思维，通过物理学史的发展主线，以实验活动为核心，将问题、实验、探究3者做了有效的结合，达成了从物理视角循序渐进地认知客观规律，倡导学生“观察、思考、建模”，引导学生主动学习，有效发展其科学建模、科学推理、解释与讨论、质疑与创新的科学思维。
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