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摘要
为解决学生不能透彻理解牛顿第一定律的内涵以及惯性量度的问题，本教学设计通过引领学生阅读教材和文献、亲身体验、利用理想化推理等方式，多维度多视角地让学生深入探究运动与力的关系；通过辨析在不同情境中物体受力与运动、物体惯性与质量关系的具体体现，促进学生利用理想化和逻辑推理等科学思维方法，建立起力与运动关系的物理观念。
［关键词］阅读；牛顿第一定律；惯性
一、教学背景
（一）课标要求
通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的相关现象、解决相关问题。其中“理解牛顿运动定律”就包含对牛顿第一定律的理解，牛顿第一定律是牛顿运动定律的基石，只有准确而深刻地理解了牛顿第一定律，才能在此基础之上，理解牛顿第二定律和第三定律，建立正确的“力与运动关系”的物理观念。
（二）学习任务分析
本章教材先阐述牛顿第一定律，指出牛顿在伽利略等前人的研究基础上建立了牛顿第一定律，明确指出牛顿第一定律是牛顿力学的基石。牛顿第一定律提出了两个重要的、基本的物理概念：力和惯性。
牛顿第一定律揭示了运动和力的关系：力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。
因此，它被称为牛顿物理学的基石。正是因为它纠正了长达近2000年的亚里士多德的错误，改变了人类的自然观和世界观，才导致牛顿第二定律的得出，并使牛顿以新的视角看待引力，进而令人信服地表明，天上和人间服从同样的力学规律。与此同时，它本身还包含着力、惯性和参考系这些极富成果的科学概念，成为物理学理论的基石。
学生要在本节课的学习中，体会到“牛顿第一定律”在科学中的地位与作用，了解科学的发现和发展。科学的发现都有其深刻的社会背景和科学背景，同时，科学家自身创造性的思维品质和敢于质疑、坚持真理的精神是科学方法建立的基础。本节课中，学生要学习伽利略理想实验的要点和逻辑推理的方法，初步建立物理观念中的力与运动观念，体会科学思维中的理想实验逻辑推理在科学发展中的作用，体会质疑精神、批判性思维的方法在科学发现中的作用。这些过程，都会提升学生的科学素养，发挥物理学科对提高学生核心素养的独特作用。
（三）学情分析
学生在初中已经初步学习过牛顿第一定律，但初中重点是研究阻力对运动的影响，学习的过程是让物体从斜面滚到平面，通过改变平面的材质，研究阻力对物体运动的影响。得出的结论是：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。关于惯性，初中学生得到的结论是：如果物体不受力的作用，原来静止的物体将一直保持静止状态；原来运动的物体将保持其速度一直运动下去。一切物体都有保持原有静止状态或匀速直线运动状态不变的性质，我们把这种性质叫作惯性。也就是说，伽利略理想斜面实验以及其中涉及的理想化方法以及逻辑推理，学生还没有深刻体会。对于为什么质量是惯性的量度，学生也没有深刻体会。学生会误以为只有在不受力时物体才会体现出惯性。这也构成了高中“牛顿第一定律”的学习障碍。
因此在本节课中，学生要经历伽利略斜面实验的研究过程，用改变斜面倾角观测实验现象以及理想化推理等方式，体会物理受力和运动的关系。尤其是要体会在受到力的作用，物体运动状态发生变化时，惯性是如何体现的？惯性是如何量度的？进而深刻地体会牛顿第一定律与笛卡儿、伽利略关于运动与力的关系表述的不同之处。
二、教学目标
（一）教学目标
1.通过阅读或者查阅资料等途径，体会牛顿是通过哪些现象得出牛顿第一定律的，体会人类认识自然规律的曲折过程，培养学生尊重事实、严谨认真的科学态度。
2.能够准确地表达牛顿第一定律的具体内容，并能对该定律所揭示的运动和力的关系问题有较深刻的理解。
3.了解伽利略关于物体的运动与力的关系的认识，了解伽利略的斜面实验和相应的推理过程，领会实验加推理的科学研究方法，培养学生科学推理能力和想象能力。
4.能通过实例说明质量是物体惯性大小的量度。
（二）教学重难点及教学策略
1.教学重点和难点
重点：伽利略理想实验、牛顿第一定律的内容、惯性的量度。
难点：理想实验的理想化与推理过程、理解惯性在运动中的具体表现。
2.重难点突破策略
理想实验作为一种科学思维方法，在物理研究中具有举足轻重的地位和作用，是本节的教学重点和难点。本节会带领学生，在实验事实的基础上，经历伽利略斜面实验理想化处理的过程，知道实验猜想的依据。帮助学生理解实验设计的思路、在实验事实和理想化处理之后，推断出理想化的实验结果。通过这一过程，使学生感悟理想实验的方法在物理学发展中的重要作用。惯性概念是学生学习物体的运动与受力关系的基础，“惯性”概念因为抽象，所以难懂，是本节的难点。在“惯性与质量”的教学中，除说明惯性是保持物体运动状态不变这一固有性质外，还将用较形象的语言辅助学生进一步理解惯性的概念，将通过研究物理在加速、减速、曲线运动时的惯性的体现来理解惯性。在比较惯性大小时，提供了一种方法，即物体质量不同，从静止达到某一速度的难易程度不同。
本节对质量的认识进一步提升，学生原来认为质量是表示物体所含物质的多少，学过本节后，意识到物体质量越大，抵抗物体运动状态改变的本领就越强，可以把质量作为抵抗运动状态改变的量度。这个过程明确了质量在动力学中的地位和意义。
三、学习评价
（1）在学习伽利略理想斜面实验的过程中，能够说出实验事实、理想化处理、科学推理的内容分别是什么。
（2）能够说出惯性在静止、匀速线运动、变速直线运动、曲线运动中的具体体现：保持现在的瞬时速度，一直运动下去。
（3）能够说出质量越大的物体，运动状态越不容易被改变。因此质量越大的物体，惯性越大。
（4）能够运用牛顿第一定律的观念，分析物体在加速、减速、曲线运动时惯性的体现。
（5）能够设计实验，用实验说明牛顿第一定律与参考系的关系。
四、教学过程
环节一：引入与回顾
教师为主的活动
引入：教师出示阅读材料：“爱因斯坦在《物理学的进化》一书中指出：有一个基本问题……难道还会有错？”教师出示初中物理教材“牛顿第一定律”的部分内容（见图1）。
引导学生一同回顾在初中研究力与运动关系时的实验过程和实验结论。学生为主的活动
活动1：阅读教师提供的材料，思考力和运动的关系，分步概括实验过程以及由实验得出的结论。
设计意图
通过阅读，回想起初中的学习内容，重点是研究过程涉及的理想化方法和对应的结论。
学生阅读时，抓住关键语句，弄清楚实验的关键信息和实验步骤，思考实验的方法。
环节二：再现经典
教师为主的活动
通过介绍伽利略的斜面实验，引导学生分析斜面实验的装置、现象、理想化方法、推理与推论。厘清与初中实验的不同之处。
学生为主的活动
活动1：
请大家观察下面的实验装置（见图2），对比我们初中曾经熟悉的实验装置，概括二者的区别。
活动2：
先预测再观察小球下滚和上滚的速度变化，然后思考和探究上升的高度与初始高度的关系。
设计意图
让学生经历伽利略理想化实验过程的细节，在此过程中学习理想化处理的细节和具体方法。此过程正是科学思维的学习和提升过程。
环节三：深入分析
教师为主的活动
引导学生再次阅读“牛顿第一定律”的具体内容，然后在理论的指导下，让学生结合具体实例分析物体如何保持“匀速直线运动状态或静止状态”。教师通过不同问题的解决逐步帮助学生应用牛顿第一定律分析动力学问题，这正是科学思维的建立过程。
学生为主的活动
活动1：请大家认真阅读教材上“牛顿第一定律”的内容，然后抓住定律中的关键词语，说说自己对牛顿第一定律中“运动状态”的理解。
活动2：请你说出在变速直线运动中、在曲线运动中物体总想保持的运动状态是什么？通过什么方式改变的运动状态？如果没有力，将会怎样？
设计意图
通过阅读了解牛顿第一定律，这是输入过程。通过表述说出自己的理解，这是输出过程。实例分析，是解决问题的过程。输出过程可以帮助教师和学生了解对“牛顿第一定律”的理解程度。
环节四：拓宽视野
教师为主的活动
演示实验：教师用线提着一个乒乓球，请学生吹动乒乓球。再把乒乓球换成铁球，请学生吹动铁球。
学生为主的活动
活动1：用吹气的方式吹动两个球（如图3），然后用语言描述哪个惯性大。
学生会发现：乒乓球很容易被吹动。无论用多大劲，几乎吹不动铁球。
活动2：用简洁的语句说明用质量量度惯性的合理性。思考辨析：“同一物体速度越大惯性就越大”这种观点是否正确？
设计意图
引领学生体会：物体惯性大的含义是物体运动状态不容易被改变，而质量大的物体运动状态不容易被改变。因此用质量作为物体惯性的量度。
五、作业布置
（一）基础作业
（1）地球在不停地自转。你从地面竖直向上跳起来后，落点和起跳点是同一位置吗？为什么？
（2）把一个物体向上抛出后，物体向上飞行的过程中，受到向上的力吗？物体为什么会向上飞行？
（二）拓展作业
下列关于物体惯性的说法中，哪些是正确的？哪些是错误的？
（1）被抛出的小球，尽管速度的大小和方向都改变了，但惯性不变。
（2）要使速度相同的沙袋在相同时间内停下来，对大沙袋用力比对小沙袋用力大，表明质量大的物体惯性大。
请说明：以上情境中，运动状态改变的具体表现是什么？如何量度运动状态的改变？什么原因促使或阻碍运动状态的改变？
（三）探究作业
把纸板放在桌子上，把小球放在纸板上，快速拽出纸板。分别以桌面和纸板为参考系，分析小球的受力与运动特点，说明牛顿第一定律是否成立。建立惯性系与非惯性系的概念。
六、板书设计
牛顿第一定律
七、教学反思
高一年级的学生，思维特点正从具体运算向形式运算过渡。高一学生对力与运动的认识在从分立的事件向有连接的关系过渡，在从表面的现象向内在的逻辑关系过渡。这个阶段是建立物理核心素养“力与运动观念”的关键时期。本节教学反思要重点反思学生“力与运动观念”建立的效果。
（一）基于学习者认知特点的目标达成度分析
学生能够应用理想化与逻辑推理的办法理解伽利略斜面实验，能够理解牛顿第一定律的字面含义。能够定性了解惯性大小与质量的关系。这达到了预设目标。
从伽利略斜面实验到牛顿第一定律逻辑过程是什么？惯性在不同运动中具体体现的是什么？运动状态改变的难易程度与运动状态改变了多少有什么区别？以上问题部分学生还没有完整清晰的认识。
（二）教学改进措施
在后续教学中，引领学生从牛顿第一定律开始，分析物理的受力和运动，循序渐进地建立力和运动的观念。
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