利用“自創(chuàng)性實驗”突破“慣性”教學(xué)難點

王愛生　陳國友

慣性是初中物理教學(xué)內(nèi)容中最主要的基本概念，是全日制義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗稿)中規(guī)定的認(rèn)知達(dá)到理解層次的五個知識點之一。恩格斯說：“慣性是全部力學(xué)的出發(fā)點?！币虼?，具有清晰的慣性概念意味著能正確把握力與運(yùn)動的關(guān)系，有助于順利地建立力學(xué)知識體系。然而，我們的教學(xué)實踐和相關(guān)的研究都證實了，中學(xué)生對慣性概念的理解不盡如人意，主要表現(xiàn)在學(xué)生把慣性概念背得滾瓜爛熟，卻沒有構(gòu)建科學(xué)合理的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。學(xué)生一接觸到實際問題，用慣性知識解決時往往就犯經(jīng)驗性的前概念錯誤。因此，“慣性”一節(jié)歷來也就成了教學(xué)中的難點。這是因為：

首先，慣性概念本身內(nèi)涵的抽象。慣性是物體本身固有的一種屬性，與物體是否受力、是否運(yùn)動及怎樣運(yùn)動無關(guān)，其大小只與質(zhì)量有關(guān)，且還不能量度，沒有單位。雖然其大小與受力大小無關(guān)，卻只能與受相同的力時，運(yùn)動狀態(tài)改變難易程度情況來表征慣性大小，無法獨立體現(xiàn)，必須以運(yùn)動狀態(tài)為依托，才能體現(xiàn)出來。這些似是而非的知識，足以使初涉物理的學(xué)生“掙扎”了。

其次，錯誤的前概念干擾。學(xué)生的前科學(xué)概念既是學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)，受學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的影響，同時也是學(xué)生在非正式教育情景中自我構(gòu)建的結(jié)果。因此，這些解釋一旦成為學(xué)生自身較為固定的認(rèn)識便具有穩(wěn)固的地位，不但不易轉(zhuǎn)變，而且還會對學(xué)生思維活動產(chǎn)生影響，具有頑固、廣泛等特點。學(xué)生雖在日常生活中經(jīng)常見到種種“慣性現(xiàn)象”，但因為尚未學(xué)習(xí)有關(guān)物理知識，故根本不知道這就是物體具有慣性的表現(xiàn)。非但如此，反而由于對生活經(jīng)驗的誤解及誤傳而形成種種似是而非的科學(xué)慣性的認(rèn)識。

一、“慣性”教學(xué)中存在的問題

執(zhí)教者對教科書編排上的依賴。建國以來的教科書都是把慣性概念教學(xué)緊密銜接在牛頓第一定律之后。我們認(rèn)為，其意圖是立足于利用學(xué)生原有對牛頓第一定律的理解及實驗現(xiàn)象為場景，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景，讓學(xué)生在經(jīng)歷和實踐中實現(xiàn)自我領(lǐng)悟，在反思中重構(gòu)自己的經(jīng)驗，體現(xiàn)以經(jīng)驗出發(fā)，使知識利實現(xiàn)同化，教師在對其傳授過程中，重點集中在學(xué)生理解、接受、最終建立起“物體不受外力時，總保持原來的勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)”的物理模型，該物理模型反映的是物體不受力時的運(yùn)動規(guī)律，此規(guī)律的核心就是運(yùn)動狀態(tài)不變。然而在實際教學(xué)中，課本僅提供一個了“伽利略斜面理想實驗”，該實驗又不能直接證明牛頓第一定律成立。在這種缺乏足夠的感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上運(yùn)用思維概括出慣性定律，學(xué)生在理解上普遍存在困難。因此，從這一“不牢固”的該知識點為起始知識，接著學(xué)習(xí)慣性概念，猶如樓房建立在沙漠上。

二、基于“自創(chuàng)性實驗”教學(xué)設(shè)計的理由

“自創(chuàng)性實驗”這一概念是從實驗技術(shù)先進(jìn)性、新穎性、適用性的角度分類的，“自創(chuàng)性實驗”界定為在教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行物理教育的一切素材構(gòu)成的，為解決具體問題、體現(xiàn)自主創(chuàng)新的個性化物理實驗活動。狹義的理解為“已有實驗”之外的能夠利用的一切資源(低成本的生活資源；高科技的激光筆、手機(jī)；價格高的微波爐、攝像機(jī)、多媒體；賴以生存的大自然；具有生命的人體等)在物理實驗教學(xué)中形成的自主創(chuàng)新性的個性化實驗活動。其特征是具有：廣泛性、潛適用性、個體開放性、生活性、同質(zhì)性等?；谶@樣課程資源支撐下，會實現(xiàn)如下的目標(biāo)：

1從認(rèn)識論上來看

學(xué)生是認(rèn)識事物的客體，是從具體的感性認(rèn)識上升為抽象的理性認(rèn)識，又返回實踐的過程。概念、規(guī)律抽象晦澀是學(xué)生認(rèn)識過程中必須克服的障礙。而“自創(chuàng)性實驗”的探究實驗體驗，符合學(xué)生認(rèn)識事物的過程，可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，提高認(rèn)識客體的效益，有助于豐富學(xué)生的想象。

2從思維發(fā)展規(guī)律來看

初中學(xué)生思維大多數(shù)以具體形象思維為主，然后過渡到抽象邏輯思維，按著皮亞杰的認(rèn)識發(fā)展階段理論衡量，初中生的物理思維基本上還處于具體運(yùn)算階段，即這個階段的思維一般還離不開具體事物的支持，思維還要依靠實物和能觀察到的事物來進(jìn)行，不能依靠詞語、假設(shè)等進(jìn)行。他們的學(xué)習(xí)往往要用直觀的方法，常常需要直觀的材料和方法來支持他們學(xué)習(xí)知識。

3從非智力因素來看

充分利用直觀手段，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，讓學(xué)生看得見、摸得著，能獲得鮮明生動的形象，容易吸引學(xué)生的注意，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和熱情，并引起探索的動機(jī)和行為，從而培養(yǎng)學(xué)生行成穩(wěn)定的學(xué)習(xí)態(tài)勢和長久的志趣以及對學(xué)生的意志和實事求是的科學(xué)態(tài)度都是大有益處的。更重要的是能促進(jìn)非智力因素的全面和諧的發(fā)展，因而在認(rèn)知活動中激發(fā)智力因素的有效發(fā)揮。

三、基于自創(chuàng)性實驗的教學(xué)設(shè)計

設(shè)計理念：僅僅通過純粹的講授或簡單的實驗演示對于轉(zhuǎn)變學(xué)生原有的慣性概念以及力與運(yùn)動關(guān)系的錯誤認(rèn)識效果欠佳。借鑒科學(xué)發(fā)展的歷史特別是伽利略開創(chuàng)性的研究方法實驗與科學(xué)推理，以及美國著名的物理教育家莉蓮，麥克德莫特提出錯誤前概念的轉(zhuǎn)變需要經(jīng)歷“引出、挑戰(zhàn)、轉(zhuǎn)換”一系列的過程。設(shè)置一個能夠暴露出學(xué)生常犯錯誤的情境，在幫助學(xué)生最終認(rèn)識到其中的內(nèi)在矛盾之后，再要求他們運(yùn)用必要的邏輯推理加以解決。我們提出采取科學(xué)探究的教學(xué)模式，針對學(xué)生原有的錯誤認(rèn)識設(shè)計問題情景，通過進(jìn)行一系列活動與實驗，引出并挑戰(zhàn)學(xué)生的錯誤認(rèn)識，逐步實現(xiàn)學(xué)生原有概念的轉(zhuǎn)變。這不僅使學(xué)生對知識獲得概念性理解，實現(xiàn)不同情景的順利遷移，同時培養(yǎng)學(xué)生批判性思維，學(xué)會反思自己的認(rèn)識，學(xué)會采用科學(xué)方法探究事物本質(zhì)，養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度，正確理解科學(xué)。

1創(chuàng)設(shè)游戲?qū)嶒?，產(chǎn)生思維沖突，引出“慣性”課題

教育家夸美紐斯說：“教學(xué)不是從語言開始的，它是從觀察事物開始的?！蓖ㄟ^自創(chuàng)性實驗，使觀察到的物理現(xiàn)象和結(jié)論與學(xué)生的原有的錯誤前概念產(chǎn)生沖突，讓學(xué)生暴露出錯誤觀念，從而正確看待自己原有的生活經(jīng)驗，把對事物表面現(xiàn)象觀察所得到的經(jīng)驗與物理知識不一致的地方提出來進(jìn)行反思，找出矛盾所在，經(jīng)歷思想上的沖突和震撼，實現(xiàn)了對學(xué)生原有錯誤認(rèn)識的引出和挑戰(zhàn)，此時學(xué)生們有一種驚奇與困惑，思維正處于一種“心求異而不能，口欲言而非達(dá)”的境地，對新知的探究異常強(qiáng)烈，這時引入新課效果會事半功倍。

教師提問：如圖1所示，鐵塊用細(xì)線纏繞系牢后，用手下拉繩端，細(xì)繩是從鐵塊上面斷，還是從鐵塊的下面斷，猜想一下，并說一下你的理由?此刻學(xué)生情緒高漲，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為從A物體的上面斷。這是因為A物體上面細(xì)繩受到鐵塊和拉力的共同作用。這時教師慢慢的下拉繩端，果然，從A物體的上面斷。學(xué)生為自己猜測正確而高興，得到成功喜悅的體驗。

教師又問：細(xì)繩到底從哪里斷呀?幾乎所有的學(xué)生認(rèn)為從A的上面處斷開(原來認(rèn)為從A物體下面斷的學(xué)生也猶豫不決了)，此時教師用手迅速下拉細(xì)端，由于鐵塊的慣性的“保護(hù)作用”細(xì)繩從物體A的下面斷。重復(fù)操作都從A物體的下面斷。說明，如果學(xué)生情緒不夠高漲，激情不足時，回

過來再問到底哪里斷，選擇大多數(shù)學(xué)生相反的結(jié)論去操作。最后達(dá)到老師說，哪里斷就哪里斷的操作時，就一定會因起強(qiáng)烈的震撼的。

2充分利用自創(chuàng)性實驗，豐富感性認(rèn)識，形成正確概念。

中學(xué)生的抽象思維在很大程度上屬經(jīng)驗型，需要感性經(jīng)驗支持。因此教學(xué)中應(yīng)了解學(xué)生的實際，通過實物演示消除錯誤概念。造成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的不平衡，促成原有知識結(jié)構(gòu)的順應(yīng)，用科學(xué)的概念代替原有的錯誤觀念，實現(xiàn)錯誤前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。

探究實驗1：倒立啤酒瓶中抽出紙條。一張紙條放在桌邊上，將空啤酒瓶倒立在桌面上，如何將啤酒瓶不倒的情況下，將迅速紙條抽出啤酒瓶沒有傾倒。討論分析得出結(jié)論：物體具有維持靜止的性質(zhì)。

探究實驗2：放在遙控小車上的木塊。勻速拉動時小車遇到障礙物會向前滑動而掉落(比教科書上豎立木決傾倒直觀容易分析得出慣性)。討論分析得出結(jié)論：物體具有維持運(yùn)動的性質(zhì)。

探究實驗3：如圖2所示，懸在遙控電動小車上的小球，學(xué)生探究時，發(fā)現(xiàn)遙控電動小車突然開動時，懸掛的小球保持靜止不動的狀態(tài)，觀察時好像向后運(yùn)動。而遙控電動電動小車突然靜止時，懸掛的小球會保持原來的運(yùn)動狀態(tài)，繼續(xù)向前運(yùn)動。討論分析得出結(jié)論：物體具有維持運(yùn)動和靜止的性質(zhì)。

探究實驗4：兩個瓷碗盛水(目的是增大慣性和趣味性)，放置在桌上，將一根木條放在兩瓷碗上，然后用一個較重的鐵絲向木條中間砸去，木條立即兩截，碗中的水紋絲不動，有驚無險。也能得出：物體具有維持運(yùn)動和靜止的性質(zhì)。

基于上述，我們發(fā)現(xiàn)靜止的物體具有保持靜止的屬性，運(yùn)動的物體具有保持運(yùn)動狀態(tài)的屬性，可謂“動則恒動，靜則恒靜”。我們把物體具有原來的運(yùn)動狀態(tài)不變的性質(zhì)，叫做慣性。

3固、液、氣都有慣性的探究實驗

布魯納認(rèn)為，學(xué)生在其中經(jīng)歷某件事情越是多樣，就越有可能把該事情與其他事件聯(lián)系起來，多種多樣的訓(xùn)練，有助于增強(qiáng)各事物之間的共同之處，指出每一事物的獨特之處。自創(chuàng)性實驗可提供足夠多變式實驗的課程資源，包含大量某一物理概念的不同事例，包括正面的和反面的例子，實驗變式往往具有物理概念的相同本質(zhì)但具有不同形式，通過對物理概念的足夠數(shù)量的不同實驗變式的徹底習(xí)得，使學(xué)生能形成正確的概括，有助于轉(zhuǎn)變錯誤的前概念和科學(xué)概念的掌握及知識的遷移。

探究實驗5：如圖3所示，懸在遙控電動小車上的小瓶中的水從小孔下滴成流線型滴到燒杯中，學(xué)生探究時，發(fā)現(xiàn)遙控電動小車突然開動時，瓶中的水從小孔下滴的流線保持靜止不動的狀態(tài)，觀察時好像向后傾斜。而遙控電動電動小車突然靜止時，懸掛的小球會保持原來的運(yùn)動狀態(tài)，繼續(xù)向前運(yùn)動。觀察時流線的水流，好像前傾斜似的。討論分析得出結(jié)論：說明運(yùn)動的水也具有慣性，要保持原來(沿水平方向)的運(yùn)動狀態(tài)。

探究實驗6：在一個透明玻璃杯中盛有清水，清水中放一浮標(biāo)，浮標(biāo)的作用是為了便于學(xué)生觀察水的運(yùn)動情況，如圖4所示，先讓浮標(biāo)靜止(表明水也是靜止的)。用手轉(zhuǎn)動玻璃杯，讓學(xué)生觀察浮標(biāo)的運(yùn)動情況，結(jié)果浮標(biāo)靜止不動，瓶中水也不運(yùn)動。該實驗說明靜止的液體具有慣性。

探究實驗7：吹點燃的蠟燭。如圖5所示，將蠟燭沿直線相隔約50cm依次放置于桌面上。點燃蠟燭，在其一端3cm處短促而用力吹一口氣就停止。這時可以觀察到近處的燭焰先被吹動(甚至被吹滅)，隨后，遠(yuǎn)處的燭焰也依次被吹動了。這個探究實驗表明：空氣被吹動后，雖然已不在用力吹了，伹它并不立即停止下來，從而說明了氣體也有慣性的。

說明：也可找?guī)讉€學(xué)生出來做游戲，每個學(xué)生手中拿著長的紙條，依次站立，用扇子扇或用口吹氣。效果也很好的。

探究實驗8：在洗滌劑和少量甘油的混合液中插入由竹尖和棉線組成可折的框架，取出框架時會形成面積約為600cm²的皂膜，然后，將帶皂膜的框架迅速水平移動，結(jié)果在講臺上方(原來帶膜框架的位置處)形成一個直徑約為20cm的大皂泡。因為大皂泡內(nèi)封裝的是空氣，此實驗可說明靜止的氣體也具有慣性。

通過以上實驗的探討，可知固體具有慣性、液體具有慣性、氣體也具有慣性，從而在充分的感性基礎(chǔ)上建立為一切物體都具有慣性規(guī)律。

4慣性大小與質(zhì)量大小有關(guān)的實驗

探究實驗9：如圖6所示，桌面上放置一個乒乓球及與乒乓球等體積的鐵球。用玩具高壓射水槍(帶有貯氣筒的)用力對遠(yuǎn)處的乒乓球、鐵球射水，讓學(xué)生觀察到水噴射后乒乓球很輕易地被沖走了，而鐵球幾乎不動：表明質(zhì)量大的鐵球保持物體靜止慣性大，即物體的質(zhì)量越大，慣性越大。

四、基于“自創(chuàng)性實驗”教學(xué)的思考

慣性概念教學(xué)的關(guān)鍵是要完成從生活經(jīng)驗到科學(xué)概念的認(rèn)知重構(gòu)。而教科書是在關(guān)于牛頓第一定律學(xué)習(xí)后，隊知結(jié)構(gòu)還沒有形成清晰、穩(wěn)定的知識組塊前提下講授的，認(rèn)知結(jié)構(gòu)不能得到優(yōu)化。因此。慣性的概念不能很好的同化，為此，我們沒有把慣性概念教學(xué)以牛頓第一定律為基石來講授，而是通過10個自創(chuàng)性實驗，讓學(xué)生充分暴露原有認(rèn)識的錯誤或模糊，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗探究弄清本質(zhì)，形成一個獨立的新的“固定點”。通過我們的教學(xué)實踐感受到本教學(xué)的設(shè)計，符合了學(xué)生生活需要和知識發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，通過自創(chuàng)性實驗提供真實情境，由淺入深，由粗到精，最后抽象概括出本質(zhì)概念。使教學(xué)成為極富有創(chuàng)造性和個性化的探究活動，學(xué)生體驗了探究過程，感受到了成功喜悅，也實現(xiàn)了“用教材而不是教教材”和充分挖掘和豐富課程資源的理念。

編輯張燁