牛顿“说”:末日下的奇迹年

本文发布于2019/5/26 14:29:17 阅读(976)  推荐(0) 

填报单位:辽宁省科学技术馆 项目实施场所:场馆内实施
项目类型:展览教育类项目 目标人群年级:学生5-6年级
每次活动接待人数:24人 课时时长和课时数:每课时60分钟,共计1课时
课时和活动次数安排:每次/天1 课时,分1次/天进行 活动时段安排:学期内的周二至周五
1.项目研发团队
姓名性别年龄工作单位/部门/职务专业项目分工
姚博34辽宁省科技馆/科学教育部/业务主管材料加工工程
总体设计指导
姜琳30辽宁省科技馆科学教育部科技辅导员历史学课程设计及实施



2.项目研发背景与目标

对接《义务教育小学科学课程标准》中物质科学领域,了解牛顿光的色散、牛顿第一定律、万有引力三大原理,以“一切科学发现与结论必须要经过自然观察或科学实验的验证”为主题,综合利用本馆探索发现展厅“光岛”、“牛顿第一定律”、“万有引力”等展品为依托,基于“实证”的认识论、方法论、价值观为核心概念,以体验式学习、探究式学习、情境教学为主要教学方法,并采用展览参观、分组实验、观察记录、讲故事与小游戏相结合的活动形式。

3.项目设计概述

针对小学五、六年级《义务教育小学科学课程标准》中物质科学的教学内容,以“一切科学发现与结论必须要经过自然观察或科学实验的验证”为主题,综合利用本馆探索发现展厅“光岛”、“牛顿第一定律”、“万有引力”等展品为教学资源,以基于“实证”的认识论、方法论、价值观为核心概念,以体验式学习、探究式学习、情境教学为主要教学方法,以展览参观、分组实验、观察记录、讲故事与小游戏相结合的活动形式,以达成《义务教育小学科学课程标准》规定“太阳光包含不同颜色的光”及“力作用于物体,可以改变物体的形式和运动状态”的教学目标。

4.教学对象与受众分析

针对小学五、六年级学生。这一阶段的学生对世界有着强烈的好奇心,但独立探究能力和主动探究意识不强。对“七色光”“惯性定律”“万有引力”等已有一定了解,但大多是“间接经验”,缺少“直接经验”,既缺少探究的过程和方法,更未形成科学探究应有的意识和价值观。本教育活动将科学史与探究实验相结合,以学生动手实验代替灌输式教学,让学生体验并掌握“实证”科学方法和科学精神。

5.教学内容

对接《义务教育小学科学课程标准》物质科学领域中“太阳光包含不同颜色的光”及“力作用于物体,可以改变物体的形式和运动状态”的科学概念与科学知识内容,利用本馆探索发现展厅“光岛”、“牛顿第一定律”、“万有引力”等展品为教学资源,无多学科融合的安排。

6.教学目标

科学知识目标:掌握光的色散、牛顿第一定律、万有引力定律的原理及应用。 科学探究目标:了解“实证”的科学方法,会根据假设设计验证步骤;了解采用观察法、实验法、比较法、类比法、转换法、控制变量法等科学分析的思想方法。 科学态度目标:体验科学家的“实证”精神,培养学生提出假设,实验验证,解决问题的能力;了解牛顿经典物理学发现产生的社会背景,激发学生对物理学知识的兴趣;经历多重思维冲突过程,加深对科学思想方法,科学态度的重视,学会从多角度思考客观世界。 科学、技术、社会与环境目标:认识到到科学在生活中无处不在;了解社会和自然界一样其产生、运动、发展、变迁过程受自然法则的支配,要用自然科学法则研究社会现象。

7.教学场地与教学准备

教学场地

本馆探索发现展厅

教学准备

凸透镜、凹透镜、三棱镜、小圆片、光滑木板、毛巾、泡沫、玩具小汽车、学习单。

8.项目日程规划

次序

时间点

活动时长

活动内容

1

平日

1小时

牛顿“说”:末日下的奇迹年




9.教学过程

第一阶段:情境导入,交代时代背景,导入主题

阶段目标:了解奇迹年的时代背景,体会牛顿为科学界作出的巨大贡献。

教育活动脚本

设计思路

《圣经》预言人类将面临世界末日。1665-1666年,英国爆发鼠疫大流行,仅伦敦就死了8万人,小镇亚姆更是有3/4的人死于鼠疫,仿佛世界末日真的来了。剑桥大学遣散学生回家以躲过瘟疫,牛顿便是其中一员。在接下来的18个月里,他一个人独立完成了几项开天辟地的工作,为光学、力学、数学三大领域打下的坚实的基础。于是人们把1666年,也称为物理学的奇迹年。这原本让人绝望的“世界末日年”如何变成了给人希望的“物理学奇迹年”呢?本节课我们将透过一系列实验的观察与操作,去寻找答案。


◆设计意图

 利用“情境教学”法引导学生迅速进入学习状态,激发学生的学习兴趣。

◆学情分析

 学生对世界末日的话题很感兴趣,好奇心强,善于表现,需要老师的带领和引导。

◆教学策略

 以历史故事为开头,吸引学生的听课兴趣,让学生在思想高度集中但精神完全放松的情境下进行学习。引发学生对奇迹年的好奇。同时点明主题。

第二阶段:了解光的色散。

阶段目标:通过“光岛”展品,了解光的色散现象,掌握“实证”方法。

教育活动脚本

设计思路

教师活动:以牛顿研究光的色散的三个实验为线索,引导学生对于光的颜色的本质进行猜想,并通过自然观察与科学实验的验证,探寻答案。

(一)实验一:三棱镜分解白光实验

猜想:大多数学生通过书本或课堂了解到太阳光以及灯光这种自然光是七色光。但是这种说法真的正确么?由此引发学生思考,同时指出,一切科学发现与结论必须要接受自然观察与科学实验的验证,我们把这种方法叫做“实证”。

实证:将学生分成两组进行探究式实验,看看哪一组先制造出彩虹。通过操作与观察发现:把凸透镜和凹透镜放在白光上,白光的颜色没有变化;把三棱镜放在白光上,白光变成了七色光。

结论:白光只有通过三棱镜才会变成七色光,这就是著名的光的色散实验。

(二)实验二:三棱镜分解单色光实验

猜想:同学们,如果你们是牛顿,你们会怎样证明七色光不是由棱镜带来的而是阳光自身固有的?你们会怎么设计实验?

实证:展台上有红、蓝、绿三种单色光,它们恰好是组成七色光的一部分。学生用棱镜继续分解这三种单色光,观察发现,每种单色光的颜色没有发生变化。

结论:同学们,现在实验结果初步证明了七色光不是由棱镜带来的,而是阳光自身固有的,这也是牛顿的初步结论。这样就够了吗?这就能够彻底推翻“七色光由棱镜带来”的观点了吗?

如何通过进一步的实验更加确凿地证明“阳光由七色光组成”这一结论呢?如果你们是牛顿,会如何设计实验呢?

(三)实验三:单色光复合白光实验

猜想:白光既然能分解为七色光,那么七色光是否也可以复合为白光呢?

实证:把光谱成在一排小的矩形平面镜上,就可使光谱的色光重新复合为白光。调节各平面镜与入射光的夹角,使各反射光都落在光屏的同一位置上,这样就得到一个白色光班。

结论:七色光可以复合为白光,进一步证实了白光(阳光)是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光组成的复色光。由于每种单色光的频率不同,导致折射率不同,因此白光通过三棱镜时,被分解成七种色光,这就是光的色散现象,生活中常见的彩虹就是光的色散现象。

(四)总结提升

同学们思考一下,在上述实验和发现过程中,牛顿超越其他科学家的最伟大之处是什么?同学们自己在上述实验和发现过程中最有感触的又是什么?

◆设计意图

 通过三组实验,逐步验证白光是由七色光组成的这个结论。初步体会实证的科学方法和科学精神。

◆学情分析

 阳光由七色光组成是学生已知常识,大多数学生也玩过用棱镜把阳光分解为彩虹。但学生们尚不理解什么是“观点”什么是“事实”,也不熟悉如何通过“事实”验证“观点”的方法,更没有形成相应的认识论、价值观。

◆教学策略

 创设情境,营造情感氛围,通过复原牛顿研究光的色散的三个实验,让学生直观了解光的色散的知识点,同时体会并运用实证的科学方法探究科学原理。

第三阶段:了解牛顿第一定律

阶段目标:通过“牛顿第一定律”展品,了解定律含义,加深对“实证”的应用。

教育活动脚本

设计思路

(一)亚里士多德的猜想:

         最早提出这个问题并给出经验猜想的是古希腊学者亚里士多德。他观察到:物体(以玩具小车为例):有力的时候就动,没有力了就静止。于是他猜想:必须有力作用在物体上,物体才能运动;力是维持物体运动的原因。这一结论是否正确呢?

(二)伽利略的猜想:

         对亚里士多德的观点提出质疑的是16世纪的伽利略,他秉承着“实证”精神,做了一个小车实验,并得出结论:在没有外力的作用时,物体会保持原有的运动速度不变。这一结论与亚里士多德刚好相反。伽利略研究运动学的方法是把实验和数学结合在一起,既注重逻辑推理,又依靠实验检验。

学生完成小车实验,观察并记录小车运动情况。判断亚里士多德和伽利略谁的观点是正确的(见表1)。

实验次数

表面材料

阻力大小

滑行距离

速度变化快慢

1

毛巾

 

 

 

2

泡沫

 

 

 

3

木板

 

 

表1

(三)牛顿的猜想:

        亚里士多德和伽利略到底谁说的对呢?牛顿站在巨人的肩膀上,在伽利略科学实验和科学发现的基础上,进一步分析归纳出了“惯性定律”——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,也就是“牛顿第一定律”。

         学生通过“牛顿第一定律”这件展品来探究。展台上的气流形成空气垫,可以消除小圆片和展台之间的摩擦力。发射小圆片,在不受任何外力的作用下,观察小圆片的运动方向和运动速度是否发生变化。观察发现,小圆片沿着匀速直线运动。再观察小圆片静止状态时,不受任何外力的作用下,其运动状态不发生改变。由此得出牛顿第一定律:一切物体在不受外力的作用时,总保持静止状态或匀速直线运动状态。通过这一自然观察与科学实验的验证可以证明,亚里士多德提出的“力是维持物体运动的原因”这一观点是错误的。

         我们在坐公交车急刹车和突然起步时,身体的倾斜现象就是由于“惯性定律”造成的。

(四)总结提升

牛顿推翻亚里士多德观点的过程,本身即说明了“实证”的重要性。由哥白尼等人开启、由伽利略等人发展、由牛顿完成的“第一次科学革命”的重要成果之一,即是由古希腊“思辨的科学”发展为近现代“实证+思辨的科学”,牛顿第一定律即是这一转变的产物。


◆设计意图

 利用故事化的情境设置,将零散的知识点通过故事线串成知识链,增强学生的参与探究学习热情和兴趣。

◆学情分析

 学生通过实验对猜想进行验证,同时兴趣加深,想更迅速的通过自己的探究实验来解释当中的科学奥秘。

◆教学策略

 在学生提出猜想、观点、预判和进行讨论时,教师不做评价,而是通过后来的演示、体验、实验的实际结果证明其猜想的对错。


 

 第四阶段:了解万有引力定律

阶段目标:通过体验展品,了解万有引力定律,强化对“实证”的认识和应用。

教育活动脚本

设计思路

教师活动:

(一)体验展品,理解概念

        引导学生分三组体验展品“重力井”,并记下自己体重在地球和其他星球的数据。猜想:引导学生分三组体验展品“重力井”,理解“万有引力定律”的概念和内涵

(二)验证“万有引力”的正确性

         在那个时候,人们难以用实验的方法验证牛顿的“万有引力定律”,但后来的一系列天文学发现(自然观察)证实了该理论的正确性。例如哈雷根据“万有引力”计算得出的哈雷彗星轨迹与回归时间,哈雷彗星如期回归;赫歇尔根据“万有引力”计算出未知行星的轨道并使用望远镜在预定轨道附近发现天王星;勒威耶运用“万有引力”计算得出的未知行星轨道位置,伽勒根据勒威耶的计算结果发现了海王星……

◆设计意图

 利用展品的互动性和故事的趣味性,吸引学生的注意力,调动其观察思考的积极性。

◆学情分析

 教师如果只是单一地、死板地讲授知识点,随着时间的延长,学生会逐渐丧失兴趣。利用展品的互动及观察、故事的趣味性,增加学生参与探究学习的热情和兴趣。

◆教学策略

 通过体验展品,理解万有引力的概念和内涵,通过讲故事,加深学生对“实证”认识论、方法论、价值观的认识。

第五阶段:总结思考

阶段目标:强化“实证”的科学观。

教育活动脚本

设计思路

教师活动:希望牛顿的传奇故事可以让同学们明白,“实证”在科学探究中的重要作用,一切科学发现与结论必须要接受自然观察与科学实验的验证。这既是科学的认识论,也是科学的方法论,更是科学的价值观。牛顿科学发现的可贵之处在于他不盲从于前人的结论,也不是仅靠思辨、推理来做出结论,而是通过实验来发现和证明。


◆设计意图

  通过引导,使其分析总结,体会“实证”的科学方法和价值观。

◆学情分析

 学生在学习过程中缺少对学习方法的培养。

◆教学策略

引导学生以小组形式总结、分享。



 


10.项目成果及评估

采用调查问卷的方式,获取学生及学校教师反馈意见,学生与教师反馈课程效果良好,并希望多开设此类活动。本教育活动充分体现了“实证”作用和重要性。以学生喜闻乐见的形式,培养他们的实证精神,同时可以在学习的过程中亲自动手参与,激发了他们学习的热情。他们不仅收获了知识,更收获了快乐。在寓教于乐中,慢慢养成“学科学、爱科学、用科学”的良好习惯。

11.项目特色分析

1、本教育活动结合展厅资源,使学生通过展品互动、实践操作等方式深入了解科学原理。 2、教学过程对于探究学习、科技馆展品运用以及科学史的串联在设计方面有独到之处,有助于学生开阔视野,形成良好的思维品质与完善的科学素养。 3、课程标准倡导探究式学习为主的学习方式。在活动中,将科学的认识论、方法论、价值观引进展品的探究式教育活动中做了难能可贵的尝试,注重培养学生自主发现,自主探究的过程。

12.专家评语

专家1: 建议: 1、教学目标的定义更加准确; 2、以牛顿和科学史为线索,进一步提炼和弘扬科学精神,传播科学思想,倡导科学方法,培养科学思维; 3、课堂的容量满足一个建制班级的需要,适应学校对出行学生安全管理的方式; 4、注意文案的严谨与用词用语的准确性。

专家2:牛顿的几个经典实验非常重要,难度也比较大。如何能够设计实验让学生们理解知识同时理解科学本质是比较难的。本项目在此方面开展了尝试。但是还有很多需要打磨的地方。比如,这些实验在一次活动都体验学习,是不是量太大了?孩子们能掌握吗?有没有提前了解学生对此话题已经理解和掌握的程度?

专家3:继续增强学生动手探究的环节

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