對牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計的新思考

【摘 要】牛頓第一定律不但是牛頓運動定律的基石且以其思想性、深刻性，不管在物理學(xué)史上還是物理教學(xué)中都具有特殊重要的地位。有關(guān)牛頓第一定律的教學(xué)設(shè)計也是教學(xué)研究的熱點問題，筆者在多年關(guān)注此教學(xué)問題和教學(xué)實踐、觀摩學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，提出一些新的思考和認(rèn)識，以期對教學(xué)設(shè)計的創(chuàng)新和教學(xué)難點的突破有所啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)設(shè)計思路 相異構(gòu)想 氣體的慣性

【中圖分類號】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）03-0127-02

牛頓第一定律是牛頓運動定律的基石，在物理學(xué)史上，它揭示并否定了人們關(guān)于運動和力關(guān)系的錯誤觀點，改變了人類的自然觀和世界觀，它本身還包含著力、慣性這些極富成果的科學(xué)概念，成為物理學(xué)理論的支柱和基石。從物理課堂教學(xué)看，伽利略的研究過程蘊(yùn)涵了重要的科學(xué)方法，教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會牛頓第一定律的含義，充分說明伽利略“理想實驗”的實驗基礎(chǔ)和推理過程，展示伽利略斜面理想實驗的猜想依據(jù)、推斷結(jié)果這一思維過程，體驗感悟外推法的思想方法。筆者認(rèn)為，牛頓第一定律的教學(xué)設(shè)計是檢驗一個物理教師素養(yǎng)和教學(xué)水平的試金石，因此有關(guān)牛頓第一定律的教學(xué)設(shè)計是教學(xué)研究的熱點問題。當(dāng)然，教無定法，下面結(jié)合本人的教學(xué)實踐和多次聽課的收獲談?wù)勛约旱乃伎?，以期對教學(xué)設(shè)計的創(chuàng)新和教學(xué)難點的突破有所啟發(fā)。

一 對牛頓第一定律的新理解

1.牛頓第一定律揭示了運動和力的關(guān)系

在不考慮物體轉(zhuǎn)動的條件下，物體受力情況和其運動狀態(tài)是否變化有對應(yīng)的因果關(guān)系、可逆關(guān)系。其關(guān)系可總結(jié)為下面的文字公式：

說明：物體運動狀態(tài)不變是指物體運動速度的大小和方向均不隨時間變化。原來靜止，繼續(xù)保持靜止。原來以一定速度沿某方向運動，繼續(xù)保持原來的速度和方向運動，即勻速直線運動。所以運動狀態(tài)不變包括保持靜止和勻速直線運動。

說明：物體運動狀態(tài)的改變則包括物體運動速度的大小

或方向中任一方面的改變。速度大小的改變：由靜止變?yōu)檫\動、由運動變?yōu)殪o止、速度變小變大等。速度方向的改變：任何做曲線運動的物體。初中生往往忽略了物體運動方向的改變，如勻速圓周運動。此文字公式將定量發(fā)展為牛頓第二定律。

2.牛頓第一定律與伽利略相對性原理

在發(fā)現(xiàn)慣性定律的基礎(chǔ)上，伽利略提出了相對性原理：力學(xué)過程對靜止的慣性系和運動的慣性系完全相同。即是說，在一系統(tǒng)內(nèi)部所作任何力學(xué)的實驗都不能決定慣性系統(tǒng)是在靜止?fàn)顟B(tài)還是在做等速直線運動。對此，伽利略在《對話》中有生動描寫：“當(dāng)你在密閉運動著的船艙里觀察力學(xué)過程時，只要運動是勻速的，絕不忽左忽右擺動，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當(dāng)快，在跳躍時，你將和以前一樣，在船底板上跳過相同的距離，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠(yuǎn)……如果點香冒煙，則將看到煙霧像一朵云一樣向上升起，不向任何一邊移動。所有這些一致的現(xiàn)象，其原因在于船的運動是船上一切事物所共有的，也是空氣所共有的?！?/p>

如果在教學(xué)中能引導(dǎo)學(xué)生了解相對性原理，就會對牛頓第一定律有更加深刻地理解，對在火車上跳起后會落在起跳點前面或后面這些典型的疑難問題就不難解釋了。

二 對學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第一定律認(rèn)知心理上的新認(rèn)識

“偏見比無知離真理更遠(yuǎn)”，牛頓第一定律理解的困難，正是所謂“相異構(gòu)想”的干擾阻礙了學(xué)生對正確知識的接受，也錯誤地“同化”著一些新知識和新材料。

從20世紀(jì)70年代起，西方從事課程教學(xué)研究的學(xué)者，通過大量調(diào)查研究表明，早在正式學(xué)習(xí)科學(xué)課程前，兒童就通過對日常生活中一些現(xiàn)象的觀察和體驗，形成了一些非科學(xué)的概念和一些兒童階段特有的思維方式。專家們將學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)課程前形成的概念稱為前科學(xué)概念或簡稱為前概念，而把兒童圍繞前概念建立起來的特有錯誤思維結(jié)構(gòu)稱為“相異構(gòu)想”或“不同的概念框架”。

牛頓第一定律要揭示的是力和運動的關(guān)系，學(xué)生在地球上已經(jīng)生活了十幾年，對力和運動等生活中司空見慣的物理現(xiàn)象，大腦中早已有了許多直覺的認(rèn)識和思維定式，并把這些認(rèn)識當(dāng)作正確的。甚至連一些偉大的人物也犯這樣的錯誤，如古希臘的亞里士多德。正是這些“相異構(gòu)想”的普遍性和頑固性構(gòu)成了學(xué)習(xí)物理的最大阻礙。

如在理解運動和力的關(guān)系時，學(xué)生可能已形成以下“相異構(gòu)想”：（1）有力作用的物體才能運動；（2）飛出去的足球受到一個向前的沖力；（3）物體速度越快慣性越大。

我們教學(xué)設(shè)計應(yīng)當(dāng)圍繞如何通過理想實驗和其他一些實驗事實，引發(fā)原有概念與科學(xué)概念之間的沖突，揭示這些“相異構(gòu)想”的錯誤，建立科學(xué)的思維和認(rèn)識。在實施教學(xué)中，筆者還體會到一個物體如果不受任何力（或受力平衡）的作用，可能保持靜止，這一點生活直覺已在學(xué)生心中植根，因此，理解牛頓第一定律在于讓另一種可能——物體做勻速直線運動，也深入學(xué)生的潛意識。因此教學(xué)中要設(shè)法讓學(xué)生在頭腦中應(yīng)記住幾個圖像：（1）在完全光滑無限長的平面上，從一個斜面滑下的小球?qū)⒂肋h(yuǎn)運動下去。（這也是伽利略的理想實驗思想）（2）在此時此刻，美國人發(fā)射的多種航天器和宇宙飛船，如旅行者號、先驅(qū)者號等宇宙飛船，正在太空中以每秒十幾千米的速度飛行。

三 牛頓第一定律教學(xué)實施中的重難點和先后順序的新認(rèn)識

對于牛頓第一定律，要粗略地了解它不難，但要排除某些直覺經(jīng)驗的謬誤，真正通過實驗和推理牢固樹立準(zhǔn)確的科學(xué)概念，并且熟練地應(yīng)用于解決某些物理問題，對學(xué)生來說較難。因此，教學(xué)設(shè)計必須要有所創(chuàng)新、有所突破。筆者認(rèn)為，牛頓第一定律這一課，既有新概念的學(xué)習(xí)，又有規(guī)律的教學(xué)，慣性概念的理解是一個難點，而牛頓第一定律研究的又是物體不受力時的狀態(tài)，這是一種理想狀態(tài)，實際生活中并沒有不受力的物體，需要學(xué)生在實驗基礎(chǔ)上概括、推理、歸納、推廣，這又是一個難點，也是重點。因此，可確定教學(xué)目標(biāo)如下：（1）理解掌握慣性概念，理解牛頓第一定律的內(nèi)容（力是改變物體運動狀態(tài)的原因）。（2）讓學(xué)生經(jīng)歷實驗探究的過程，理解由真實實驗推廣到理想實驗的科學(xué)思想，體會分析歸納、推理總結(jié)的思維方法。（3）通過牛頓第一定律的建立，認(rèn)識到真理常隱藏在簡單的現(xiàn)象中，培養(yǎng)追求真理、勇于探索真理的科學(xué)精神。

進(jìn)一步確定本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計思路為通過設(shè)計創(chuàng)新實驗，讓學(xué)生動手、動腦、動口（經(jīng)歷過程，深度參與）。同時，將教材中先定律后慣性的順序，改變?yōu)橄葢T性后定律，首先幫助學(xué)生建立慣性的概念。這樣更有利于學(xué)生剔錯納新，主動建構(gòu)正確的知識結(jié)構(gòu)。

四 對演示實驗的新建議

有關(guān)慣性的演示實驗很多，有些如魔術(shù)表演般精彩，但已有的文獻(xiàn)和以往教學(xué)中對液體、氣體的慣性現(xiàn)象一般很少提及，對液體的慣性可讓學(xué)生觀察這樣的生活現(xiàn)象：在裝水的大玻璃杯中放入一漂浮食物，轉(zhuǎn)動玻璃杯觀察食物是否跟著轉(zhuǎn)動。對氣體的慣性，可設(shè)計這樣的演示實驗：先在一密閉廣口瓶中間鉆一小孔，里面放一點燃的蚊香，拍打廣口瓶的一端，觀察吐出的煙圈。

五 有利于開展課外研究性學(xué)習(xí)的拓展題

拓展題1：有關(guān)飛碟（UFO）事件的報告很多，飛碟到底是什么還未有定論。在許多報告事件中的飛碟有一個重要的飛行特性使科學(xué)家感到費解：飛碟能夠在高速飛行中突然直角轉(zhuǎn)彎。你覺得這種飛行特性有什么問題嗎？你自己能在快速奔跑中突然轉(zhuǎn)彎嗎，請上網(wǎng)查詢有關(guān)材料并作答。

拓展題2：地球赤道上一觀察者手上托著一個小球，如果地球?qū)π∏蛲蝗皇ヒ?，觀察者保持不動，忽略空氣阻力，則觀察者將觀察到小球在自己的上空：A.向東飛去；B.向西飛去；C.靜止不動；D.先向西飛去，再向東飛去。

參考文獻(xiàn)

[1]李志雄.力學(xué)啟蒙[M].北京：人民日報出版社，2004

〔責(zé)任編輯：林勁〕