李 立1，张 雄*，邱龙斌1，荣争辉1，姚蕊1
1.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500
摘要：物理实验是物理的基础，是物理教学的重要组成部分，是落实学生物理核心素养的重要手段。因此，实验必须贯穿于整个物理教学过程中，是物理教学不可或缺的部分。但是，地处云南边疆的中学，由于没有专门的实验室、实验室配备不齐全、实验仪器老化、缺乏等问题，最终导致了教师只能讲实验的教学现状，实验教学缺乏系统性和完整性，不利于边疆地区学生构建系统的认知，不利于培养和发展边疆地区学生的物理核心素养。基于此，笔者基于NB软件，提出了一种运用于云南边疆地区高中的教学模式，给出了具体的教学流程，以期能够打破传统教学的束缚，突破实验仪器的制约，为云南边疆地区一线教师的教学提供一定的借鉴和参考。
关键词：牛顿第一定律；NOBOOK；边疆地区；教学模式
随着信息技术的不断成熟和发展，以信息技术为支持的虚拟仿真实验的如雨后春笋般出现，为云南比边疆地区高中物理教学带来了更多的可能性。将虚拟仿真软件介入于物理教学，不仅能够解决边疆地区仪器缺乏等问题，还可以贯彻落实国家对边疆地区的信息化教学要求，同时也是促进教育公平重要步骤。《牛顿第一定律》是一节在教学中很容易被教师忽略的重要的课程。它不仅指明了力与运动的关系，同时还是牛顿定律的基础和前提。但是，由于学生在初中已经接触过，因此很多教师在上这一节课的时候，通常只是基于初中的基础将牛顿第一定律的内容复习一遍。这样一来，使得学生对于牛顿第一定律的理解具有不完整性和不深刻性。很多时候教师还容易忽略了伽利略理想实验的教学，在教学过程中缺失了理想实验的探究过程和思维外推过程，不利于学生的科学探究和思维的发展。尤其是地处云南边疆地区的高中，由于实验仪器缺乏，教师一般只能采取口头讲授的方法进行教学，这样更加不利于学生的发展。教师将本来生动的，直观的实验现象，转变为枯燥的，抽象的语言文字，久而久之，不仅使学生丧失了学习物理的兴趣，也会使得学生对物理产生畏难情绪，最终导致了厌学。针对这种情况，笔者基于NB辅助以牛顿第一定律教学的为例，尝试提出一种适应于云南边疆地区高中物理教学的新模式，并给出了具体的教学流程，以期能够为一线教师的教学带来一定的借鉴和参考。
1 课标与教材分析
新课标对牛顿第一定律的要求是：提升学生对于定律的理解，基于理解的基础，让学生能够运用将该知识运用于实际生产生活中[1]。即在教学过程中应该要求学生深入理解，基于理解的基础之下才能进行知识的运用。另外，经过笔者对新课标及新课标解读的分析得出，牛顿第一定律所涉及的核心素养内容包括：力是改变物体运动状态的原因的相互作用物理观念[2]；牛顿第一定律建立的历程中所体现的科学态度与责任；理想斜面模型的构建过程；理想斜面实验中体现的科学推理方法以及其中所体现的质疑、创新的科学思维等核心素养内容[3]。《牛顿第一定律》明确了学生之前所学的力和运动的定性关系，也是后续学习和研究力和运动的定量关系以及作用力和反作用里的基础和前提，具有承上启下的作用。因此，对于
这节课的学习应该在探究的基础上引导学生深入理解其内涵和外延，同时，让学生体会到理想实验的魅力之所在，激发学生的探究热情和学习兴趣。
2 传统教学中存在的问题
2.1 思维深度不足
高一年级的学生理性认识能力较弱，分析和推理能力较差，抽象思维和概括能力正处于初步发展阶段，因此，在理解斜面实验，进行思维外推的过程中会有较大的认识性困难。在传统的教学过程中，教师往往值关注知识的传授，从而忽略了知识的形成过程和历史发展脉络，所以导致学生对于知识的理解仅仅停留在文字表述上，学生对牛顿第一定律的内涵和外延理解不够深刻，具有片面性，这与课标的要求是相悖的。由于教师忽略了知识的探究过程，不利于学生构建正确的物质观念和相互作用观念，对于规律的学习得不到提炼和升华，思维深度不足，不利于学生物理核心素养的培养。
2.2 探究过程缺失
牛顿第一定律虽然不是直接由实验探究而来的，但是，其是基于伽利略的理想斜面实验探究，通过科学的思维外推得到的结论而总结建立的。伽利略理想斜面实验标志着物理学的真正开端，因此在教学中伽利略的理想斜面实验不仅是探究的科学方法，同时也是学生学习的重要内容。它不仅可以让学生理清知识的脉络，明确力与运动的关系，同时还能够促进学生对于牛顿第一定律进一步的理解和认识。但是，在云南边疆地区高中，由于在初中已经初步学习过牛顿第一定律，因此，在高中时一线教师很多只是将其所包含的内容复习一遍，再加上实验仪器的缺乏和实验占用过多课时等原因，导致了斜面实验探究过程缺失，或者某些教师只是通过口头讲授斜面实验，将动态的、直观的实验现象，变成了静止的、抽象的语言文字，这不仅不利于学生探究兴趣的培养，同时也会增加学生的思维障碍，让学生对探究过程一知半解，从而产生思维断层，碍于应试教育的大环境，最终只能选择死记硬背，学习缺乏系统性和完整性，不能够深入地理解其背后的内涵和外延。
2.3 人文价值浅薄
处于应试教育的大环境下，使学生熟练掌握考点以及如何提高学生成绩成为了传统教学中教师追求的目标，从而淡化了物理教学过程中所隐含的情感因素。这样一来，无法体现物理教学的人文价值，造成了教学过程中人文教育浅薄的教学现象。这种浅薄主要体现在：一方面，学生的科学探究兴趣不强，大部分学生对于科学探究不感兴趣，只是为了应付考试而去探究，不利于培养学生的探究能力，导致学生的社会责任感薄弱；另一方面，由于教师只是通过讲授进行教学，使得学生对于整个概念和规律的建立过程一知半解，不利于培养学生勇于质疑、敢于挑战权威，建立正确的科学态度和培养学生持之以恒的精神。
3 基于NB的牛顿第一定律教学案例及分析
3.1 NB简介
随着信息技术的不断发展，越来越多的以信息技术为支撑的虚拟仿真软件雨后春笋般出现。比如，金华科仿真教学软件、北京乐步教育的NOBOOK、东北师范大学的“东师理想云教学平台”，西北师范大学的初中物理实验仿真平台等。在信息技术教育常态化和云南边疆地区教育均衡发展的大背景下，本文主要采用由北京乐步教育开发的NOBOOK虚拟仿真实验教学软件（以下简称“NB”）。其具有互动性强，灵活性高，教学内容全，兼容性好等多个优点，因此已经成为大多数中学的主要教学辅助软件之一。它不仅能够完美适配于windows系统，也能够适配于MAC系统，不仅能够基于计算机平台，也可以在手机、平板上使用和操作。整个界面整洁美观、操作简单，在包含的实验中还提供了使用的教学视频，通俗易懂，让师生都能够轻而易举的学会如何使用，如下是初中版和高中版的NB界面：
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从界面中，可以看出对于高中而言，其教学内容包含了人教版和新人教版共254个物理实验。对于初中而言，其教学内容包含了人教版、苏科版、北师版、沪科版、粤教版、教科版以及浙教版共210个物理实验，因此可以看到其所包含的实验内容十分丰富和充足，能够完全满足日常教学。除此之外，师生还可以根据实验方案，通过NB构建的虚拟实验平台，根据实验需求，选择器材库中提供的仪器，构建自己的实验，从而极大的满足了学生课内以及课外的科学探究需求。
在NB上具有丰富的实验仪器数据库，操作简单、成本低、实验效果好、实验环境条件设置灵活、画面逼真，因此能够很好地解决云南边疆地区物理实验教学仪器缺乏等问题，使用NB介入边疆地区中学的物理教学能够一定程度满足学生的探究需求，激发学生的学习兴趣，更好地落实培养学生物理核心素养的要求。因此，本文以牛顿第一定律为例，尝试使用NB辅助教学，重现伽利略理想实验探究过程，为学生构建清晰的知识脉络，让学生进一步理解牛顿第一定律，从而为后续的学习奠定坚实的基础。
3.2 基于NB的牛顿第一定律教学案例
4.1 牛顿第一定律
教学目标：
【物理观念】
1、物质观念：理解惯性是物体的固有属性；惯性的大小只与物体的质量有关。
2、运动观念：惯性是一切物体保持运动或静止状态的前提。
3、相互作用观念：力是改变物体运动状态的原因。
【科学思维】
1、通过伽利略斜面实验的演示和科学的思维外推，体会理想实验在科学研究中的重要性。
【科学探究】
1、通过伽利略斜面实验的演示，体验科学家的艰辛科学探究历程。
2、重现牛顿第一定律的历史探究过程，体验和感悟伽利略通过理想实验科学外推得出动力学观点，笛卡尔补充和完善，牛顿站在巨人肩膀上总结出第一定律的科学发展历程。
【科学态度与责任】
1、重现定律的建立历程，体会物理规律探究过程的曲折坎坷，培养学生实事求是，持之以恒的科学精神。
2、通过体会伽利略理想斜面实验，知道质疑和创新的重要性。
3、在惯性的有关应用中，体会物理与实际生活的联系，树立正确的科学态度与责任观。
教学重点：理解牛顿第一定律和惯性，体会理想实验及其蕴含的科学方法和思维。
教学难点：理想实验的思维外推。
教学方法：讲授法、演示法
教学用具：铁架台、乒乓球、NB教学软件、教学多媒体、羽毛球筒、羽毛球
教学流程：
（一）新课引入：
师：在上课之前，老师请一位同学和老师一起完成一个小实验，请同学们仔细观察实验现象，并回答老师的问题。
展示教具，利用铁架台和乒乓球自制教具，将两个乒乓球分别悬挂在铁架台两侧，让学生用嘴使用同样大小的力吹两个乒乓球（其中一个为被处理过乒乓球）[4]。
师：这名同学用同样的力气吹了铁架台上的两个乒乓球，同学们观察到什么现象？
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生：左边的乒乓球被吹动了，右边的乒乓球没有被吹动依然保持静止。
师：该同学吹乒乓球，给乒乓球同样的力，为什么一个乒乓球从静止开始运动起来，而另一个乒乓球依然静止？乒乓球都受到力的作用，为什么乒乓球的运动情况却不同？那么力和运动究竟有什么关系？今天我们就一起来探究力和运动的关系。
师：力和运动究竟有什么关系呢？我们一起来做一个小实验，同学们试着用力推动课桌上的课本，当我们推它的时（有力作用）它运动，不推它（没有力作用）时它停止了，那么是不是也就说明力是物体运动的原因？
生1：没错，有力物体就运动，没力物体就不能维持运动，因此，力是物体运动的原因。
生2：我认为不对，初中学过力不是物体运动的原因，物体停了下来是因为受到了摩擦力。
生3：没错，如果没有摩擦力，物体就可以一直运动下去了。
师：很好，大家都敢于发表自己的观点，这一点是值得肯定的。现在，在同学之中总共有两种观点：1.力是维持物体运动的原因；2.力不是维持物体运动的原因。这两种观点也和古希腊时期的亚里士多德以及意大利的伽利略他俩的观点不谋而合，早在古希腊时期，人们就开始了对力和运动进行研究，著名学者亚里士多德根据直觉经验总结得出：力是物体运动的原因，这一个观点在当时维持了将近两千多年，当时的人们深信不疑。但是，两千多年后的意大利的科学家伽利略站了出来，发表了不同的观点，他认为：力不是维持物体运动的原因。并且提出了运用实验的方法去证明自己的观点。好，那么现在我们就分为亚里士多德代表队，和伽利略代表队，我们一起去探究一下力和运动究竟有什么关系。
（二）演示实验：
师：实践是检验真理的唯一标准，那么我们一起来回顾一下伽利略是如何证明自己的观点，从而说服亚里士多德的。
教师活动：教师打开预先安装好的NB虚拟仿真软件，搜索并打开“伽利略斜面实验”。其界面如下图3所示：
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师：伽利略将斜面1和斜面2拼接起来，其中斜面1固定不可移动，斜面2可以调节倾斜程度，现将小球由斜面1静止释放，请同学们猜想小球会运动斜面2的什么位置？
生1：小球会运动到与A点等高的地方。
生2：由于斜面有摩擦，小球会运动到斜面2上比A点低一点的地方。
师：那么结果究竟如何，我们一起来进行实验。（在软件中预设斜面考虑摩擦的情况）
教师演示，结果如下图4所示：
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师：同学们观察到的实验现象是什么？
生：小球没有运动到与A点等高的位置，而是比A点低一点。
师：为什么呢？
生：因为斜面具有摩擦。
师：那么，如果使斜面没有摩擦，小球会运动到......？
生：与A点等高。
教师设置斜面不考虑摩擦，进行演示实验。
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师：当斜面没有摩擦的时候，小球就会运动到与A点等高的位置。
师：因为现实中是不存在没有摩擦的斜面的，因此，我们后续的实验为了与实际相符，依然要在考虑摩擦的情况下进行。
师：请同学们思考，如果老师减小斜面2的倾角，那么小球会运动到斜面2的什么位置呢？
生：因为斜面具有摩擦，小球还是只能运动到斜面2比A点低一点的地方？
教师演示减小斜面倾角的实验过程得到如下图的结果：
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师：当老师不断减小斜面2与水平面的夹角时，你通过实验现象发现了什么？
生1：减小斜面倾角，小球运动到斜面2的位置依然比A点更低。
生2：每一次减小斜面倾角，小球运动到斜面2的高度是一样的，都比A点更低一点。
生3：我发现，小球在斜面2到达的高度是一样的，但是运动的距离变得更长了。
师：好，很好，同学们都观察得很细致，总结的也很全面，值得表扬。
师：因为斜面具有摩擦，所以小球运动到斜面2的位置总要比A点的等高位置低一点，但是由于斜面的摩擦相同，所以每次减小斜面2倾角的时候，小球总要运动到等高的位置，而且为了运动到等高的位置，当斜面2倾角越小，小球在斜面2上运动的距离就要更远。
师：那么，请同学们进一步思考，如果老师将斜面2放置水平，也就是将斜面2与平面的夹角变为零，那么小球的运动情况又如何？
生：根据刚才的结论，可以知道，小球会到达与之前等高的位置。
师：如果我将斜面放置水平了，小球还能达到等高位置吗？
生：它会为了达到等高的位置，在斜面2上一直运动下去。
师：哦，也就是说，小球为了达到之前的等高位置（因为斜面放置水平了，所以达不到），（小球为了达到）将会在斜面2上一直运动下去。那事实如何呢？我们一起来看实验结果。
教师将斜面放置水平，点击演示“开始”按钮进行演示，结果如下图：
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师：怎么样？小球一直运动下去了吗？
生：没有看到，小球掉到桌子下面了。
师：好，那么请同学们基于我们之前的结果，思考一下，假如斜面2无限长而且斜面2足够光滑没有摩擦，那么小球将会怎么运动？
生：假如没有摩擦而且无限长，小球会为了达到与A点等高的位置，在斜面2上一直运动下去。
师：一直运动下去，需要有力去维持吗？
生：不需要。
师：不需要力维持，小球依然可以一直运动下去，那么也就说明......？
生：物体的运动不需要力来维持。
师：好，那么小球一直运动下去，是我们亲眼看到的实际实验现象吗？
生：不是。
师：我们是在之前可靠的实验结论下，进行合理的思维外推（假设斜面足够长，假设斜面足够光滑）得到的“力不是维持物体运动的原因”这一实验结论，这样的研究方法就叫做“理想实验法”，理想实验法是一种重要的科学研究方法。它不是凭空捏造的实验，是以可靠的实验事实为依据的，它是一种逻辑推理活动，是人们在抽象思维中设想出来，而实际上无法做到的“实验”[5]。爱因斯坦曾经这样称赞伽利略，他说：“伽利略的理想实验标志着近代物理学的开端”。因此，在这节课中，我们不仅要学会物理知识，还要在探究过程中体会这种科学的研究方法。
（三）总结规律
师：伽利略通过理想实验得到了：“力不是维持物体运动的原因”。同时期的法国科学家笛卡尔也对力和运动进行了研究，他得到：“如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向。”那么现在请同学跟着老师一起将这个结论倒过来试着解读一下。
师：也就是说，假如运动中的物体受到力，那么......？
生：那么它将不能继续以统一速度沿直线运动，可能停下来可能偏离原来的运动方向。
师：速度可能改变、运动方向可能改变，也就是说物体的运动状态发生改变，物体受力物体的运动状态发生改变，由此我们可以得到.......力是改变.......？
生：力是改变物体运动状态的原因。
师：好，后来，牛顿站在巨人的肩膀上，总结了伽利略和笛卡尔等人的工作之后，总结得出了牛顿第一定律：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。好，请同学跟着老师一起来理解一下牛顿第一定律。
师：一切物体总保持两种状态，要么静止要么匀速直线运动，那么我们把物体这种性质就叫做......？
生：惯性。
师：很好，一切物体就说明了，任何物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性。
师：除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态，也就说明了力是......？
生：力是改变物体运动状态的原因。
师：如何理解物体运动状态改变呢，之前我们所学的哪个物理量是描述运动的？
生：速度，速度是描述物体运动状态变化的物理量，速度是矢量既有大小也有方向，也就是说，当速度的大小发生改变，或者方向发生改变，那么物体的运动状态也就发生了改变。
师：力是物体运动状态改变的原因，也可以说力是改变........？
生：力是改变速度的原因。
师：总结的很好，其实牛顿还提出了一个重要的科学概念------力。
师：一切物体都具有惯性，惯性是物体保持原来运动状态的属性，是一种物体固有的本领，本领有大小，那么惯性也有大小吗？与什么有关？
生：惯性有大小，惯性的大小只与物体的质量有关，物体质量大，惯性大，物体质量小，惯性小。
师：同学们表述得很正确，惯性是物体的固有属性，其大小只与物体的质量有关，与速度等没有关系。
师：那通过这节课的学习，同学们是否可以解释一下上课之前小实验的玄机？
教师揭秘其中一个小球被灌入了水和沙子。
师：乒乓球中被灌入了水和沙子，实际上是改变了乒乓球什么？
生：乒乓球的质量增大了。
师：那么同学们可以解释一下为什么一个乒乓球被吹动了，另一个没有被吹动吗？
生：因为，普通的乒乓球质量小，惯性小，有力作用时容易改变它的运动状态。被处理的乒乓球质量变大了，惯性也就变大了，给相同的力作用时，不容易改变它的运动状态，因此没有被吹动，保持原来的静止状态。
师：很好。
师：在课堂最后，老师再给大家演示一个小实验，大家注意观察，在课后可以去找到相关器材进行实验，并尝试用这节课学到的知识，解释其中的原因。
教师演示：
如图所示，为了取出羽毛球筒中的羽毛球，一手拿着球筒的中部，另一只手用力击打羽毛球筒的上端，则羽毛球会从筒的上端出来还是从下端出来？
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生：羽毛球会被从下面敲出来。
教师演示并提问：请在课后思考并解释其中的原因，如果把羽毛球筒倒回来，情况如何，为什么？
学生课后思考。
3.3 教学案例分析
本教学案例主要是针云南边疆地区实验教学仪器缺乏等问题，基于NB介入物理教学，辅助教师教学。通过借助NB软件辅助牛顿第一定律教学，使学生回顾和经历了整个斜面实验探究过程，并从探究过程中在教师的引导下，归纳总结得出实验结论。为学生构建清晰的知识脉络和认知框架，使学生在初中的基础上，进一步深入理解和巩固了牛顿第一定律，并为后续的牛顿第二定律和牛顿第三定律的教学奠定了坚实的基础。这种教学方式的使用，教学过程清晰，教学逻辑连贯，演示实验的现象生动直观，教学过程充满趣味性，突破了传统实验的制约，突破了实验教学仪器的束缚，解决了传统演示实验学生看不清，看不见等弊端，在实践教学过程中取得了较好的效果，提升了课堂教学的效率。
4 结论
在信息技术教育常态化大背景下，越来越多的新技术被运用于教学之中，并取得了较好的教学效果。对于信息技术与物理教学融合的研究已经屡见不鲜，但是将这些技术运用于边疆教育稍落后的地区中学的研究却少之又少。在云南边疆地区由于实验仪器缺乏，物理实验教学开展情况不容乐观，因此本文结合NB的优势，提出了云南边疆地区物理教学的新的教学模式，虽然文中只是以牛顿第一定律的教学为案例，但是NB或者是其他虚拟仿真实验软件，还能够在学生分组实验等多方面进行辅助，取得不错的教学效果。因此，对于边疆地区的物理教育工作者，我们应该不断更新自己的知识结构，丰富自己的知识和技能，不断去探索和开发出适合于本地区的物理教学模式和方法，将信息技术正确地、合理地运用与教学之中，充分发挥信息技术的优势，更好地提升和培养边疆地区中学生的物理核心素养。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：(2017版)[M].北京:人民教育出版社，2018.
[2]林婷婷. 基于“运动与相互作用观念”建构的教学实践研究[D].闽南师范大学,2019.
[3] 廖伯琴.普通高中物理课程标准(2017版)解读[M].北京:高等教育出版社，2018.
[4]韦叶平.激情·探究·对话·生成——“牛顿第一定律”教学设计介绍[J].物理教师,2012,33(06):20-22.
[5]冯校通. 基于Nobook的初中物理实验教学研究与实践[D].洛阳师范学院,2018.
作者简介：李立（1995-），性别：男，民族：彝，籍贯：云南普洱，在读研究生，单位：云南师范大学 物理与电子信息学院，研究方向：学科教学（物理）。单位所在省市邮编：云南昆明650500
项目资助：本文获云南师范大学2019年研究生科研创新基金项目（ysdyjs2019149）资助
*通讯作者：张雄，男，教授，博士生导师，学科教学（物理）和天体物理方向.