牛頓第一定律教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

武敬偉

摘 要：牛頓運(yùn)動(dòng)定律是實(shí)踐啟發(fā)下的理性思辨結(jié)果，在概念形成的過程中，不斷受到生活中的錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)干擾。因此，在教學(xué)中必須多暴露前概念，形成思維沖突，在兩種概念的沖突中甄別、對比，有破有立，使學(xué)生建立起正確的運(yùn)動(dòng)觀，認(rèn)清生活中依據(jù)感性認(rèn)識(shí)所得到直接結(jié)論的錯(cuò)誤性和迷惑性。本文依據(jù)伽利略的研究歷程，設(shè)計(jì)了教學(xué)流程。

關(guān)鍵詞：牛頓第一定律；前概念；力與運(yùn)動(dòng)；思維沖突

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）3-0021-4

1 教材分析以及本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)現(xiàn)狀

牛頓第一定律是經(jīng)典物理學(xué)的基石，在科學(xué)史上第一次從本質(zhì)上厘清了運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系，為進(jìn)一步定量闡述力對運(yùn)動(dòng)的改變提供了前提和基礎(chǔ)。以人民教育出版社課程教材研究所《物理必修1》為例：教材在分別系統(tǒng)介紹了直線運(yùn)動(dòng)和相互作用力知識(shí)之后，提出了“學(xué)習(xí)了怎樣描述物體的運(yùn)動(dòng)，但沒有討論物體為什么會(huì)做這種或那種運(yùn)動(dòng)。要討論這樣的問題，就要研究運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系”[1]。所以，研究運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系是科學(xué)發(fā)展到一定程度的必然，教材安排順理成章。同時(shí)，也只有明確了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系之后才能理解加速度與外力之間的關(guān)系，才能打下理解牛頓定律的基礎(chǔ)。

然而，在當(dāng)前的教學(xué)活動(dòng)中，普遍存在著輕視牛頓第一定律的現(xiàn)象。其表現(xiàn)主要有以下兩個(gè)方面：

（1）有些教師認(rèn)為該部分內(nèi)容初中已經(jīng)涉及，且不是高中考察的重點(diǎn)，在教學(xué)要求上以識(shí)記為主，將學(xué)生看作被動(dòng)的接受者，教學(xué)方式簡單粗暴。

（2）部分教師認(rèn)為本節(jié)教學(xué)以物理學(xué)史為主，授課時(shí)對教學(xué)內(nèi)容未能進(jìn)行細(xì)致的再加工，按照教材照本宣科，強(qiáng)調(diào)物理史實(shí)，輕視物理方法的引導(dǎo)和物理思想的滲透，與教材設(shè)計(jì)者的意圖相背離。

2 本節(jié)教學(xué)難點(diǎn)歸因

相對牛頓第二、第三定律，牛頓第一定律教學(xué)難度更大。牛頓第一定律教學(xué)中的難點(diǎn)集中體現(xiàn)在直接的生活經(jīng)驗(yàn)感受對建立正確的物理概念的干擾。例如：“馬拉車，車就走；失去拉力車就?！薄捌噭x車，速度大滑行遠(yuǎn)，不容易停下來；速度小，滑行短，容易停下來。車子越難停下慣性越大”。這些現(xiàn)象在學(xué)生頭腦中形成了“力的存在是物體運(yùn)動(dòng)的原因”“物體速度越大慣性越大”等錯(cuò)誤的感受，對“運(yùn)動(dòng)不需要力維持，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”“慣性與速度無關(guān)，質(zhì)量是慣性唯一的量度”等正確概念的建立起到了極大的阻礙作用。

學(xué)生剛剛進(jìn)入高中物理的學(xué)習(xí)階段，尚未形成理性分析的習(xí)慣。遇到問題還習(xí)慣于根據(jù)觀察的感性認(rèn)識(shí)直接得到答案，對問題的理解更依賴于直接的經(jīng)驗(yàn)和表象。在學(xué)生頭腦中建立正確的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系絕非易事，學(xué)生常常依據(jù)頭腦中的直覺得到與亞里士多德相類似的觀點(diǎn)，雖然可以通過記憶背下“正確”的結(jié)論，但其潛意識(shí)仍然認(rèn)同唯心的結(jié)論，一旦利用牛頓第一定律分析具體問題，就會(huì)從潛意識(shí)出發(fā)得到錯(cuò)誤的結(jié)論。

3 教學(xué)難點(diǎn)突破策略的設(shè)想 教學(xué)流程的預(yù)設(shè)

通過對牛頓第一定律教學(xué)難點(diǎn)形成原因的分析，可以知道學(xué)生通過對生活現(xiàn)象的表象感受在頭腦中形成的錯(cuò)誤結(jié)論是建立正確概念的阻力。如何帶領(lǐng)學(xué)生突破既有的錯(cuò)誤概念，重新生成正確的概念，是本節(jié)教學(xué)的核心所在。

3.1 教學(xué)難點(diǎn)突破策略的設(shè)想

建立新的正確的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的觀點(diǎn)，必須先“破除”學(xué)生頭腦中的既有錯(cuò)誤觀點(diǎn)，不破不立。然而，學(xué)生頭腦中的觀點(diǎn)非一日形成，且有感性認(rèn)識(shí)佐證，使其摒棄錯(cuò)誤觀點(diǎn)就必須使他們真實(shí)地對這些觀點(diǎn)產(chǎn)生具有沖擊力的懷疑，進(jìn)而在教師的帶領(lǐng)下再分析，以建立正確的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的觀點(diǎn)。

因此，本節(jié)教學(xué)難點(diǎn)的突破策略為：基于對學(xué)生形成的既有概念分析，針對性地設(shè)置問題和場景，通過學(xué)生的分析得到與其既有概念相沖突的結(jié)果，以期形成思維沖突、激起疑惑，使學(xué)生對既有概念產(chǎn)生懷疑，重新回到問題本身。再通過理性分析和理想實(shí)驗(yàn)形成結(jié)論，進(jìn)一步通過對生活經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象形成思維沖突的案例進(jìn)行再分析，檢驗(yàn)理論的自洽性，使學(xué)生真切地感覺到后期形成的這個(gè)結(jié)論才是一個(gè)能自圓其說的、合理的結(jié)論。

3.2 教學(xué)流程的設(shè)計(jì)

（1）教學(xué)流程預(yù)設(shè)的理論依據(jù)

科學(xué)結(jié)論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者體會(huì)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動(dòng)過程，也很難清楚地解釋全部情況。波利亞在其提出的教學(xué)發(fā)生學(xué)原理中指出 “在教一個(gè)科學(xué)的分支（或一個(gè)理論、一個(gè)概念）時(shí)，我們應(yīng)該讓孩子重蹈人類思想發(fā)展中的那種最關(guān)鍵的步子，當(dāng)然我們不應(yīng)該讓他們重蹈過去的無數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，而僅僅是重蹈關(guān)鍵性步子”[2]。在本節(jié)教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)帶領(lǐng)學(xué)生重新經(jīng)歷伽利略曾經(jīng)經(jīng)歷的過程——“懷疑—假設(shè)—推證—得出結(jié)論”，了解探求客觀世界真理的一般方法。

（2）教學(xué)流程的設(shè)計(jì)（如圖1所示）

4 教學(xué)片斷

教學(xué)片斷1：

播放視頻：馬拉車，車運(yùn)動(dòng)，失去馬的拉力，車最終停止；

粗糙地面，施加拉力物體運(yùn)動(dòng)，拉力越大運(yùn)動(dòng)越快。

師：馬拉車車才運(yùn)動(dòng)，停止拉車車就會(huì)停下，你能得到什么結(jié)論？

生：物體受力才會(huì)運(yùn)動(dòng)，不受力就會(huì)停下來。

師：粗糙地面，施加拉力越大，物體運(yùn)動(dòng)越快，你能得到什么結(jié)論？

生：物體受到的力越大，運(yùn)動(dòng)得越快。

師：同學(xué)們總結(jié)得很全面。其實(shí)，早在2 000多年前一位偉人也得到了和你們相同的結(jié)論。

展示亞里士多德關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的觀點(diǎn)：力維持物體運(yùn)動(dòng)；力越大物體運(yùn)動(dòng)越快。

【設(shè)計(jì)意圖】本環(huán)節(jié)旨在暴露學(xué)生在生活中積累的感性結(jié)論。只有充分暴露學(xué)生頭腦中隱藏的前概念，將其擺在桌面，才有可能“破除”這種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)?！拔覀冊诮虒W(xué)中發(fā)現(xiàn)用非常規(guī)問題創(chuàng)設(shè)情境，通過學(xué)生討論、師生對話的方式可以有效暴露學(xué)生的前概念，然后抓住時(shí)機(jī)引導(dǎo)學(xué)生打破舊圖式，建立科學(xué)概念”[3]。

教學(xué)片斷2：

教師繼續(xù)安排事例展示：

師：我國第一艘海上作戰(zhàn)平臺(tái)“遼寧號(hào)”上，艦載機(jī)在降落時(shí)需要攔阻設(shè)施。那么，高速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)為什么能夠在有限的空間內(nèi)停穩(wěn)？

生：因?yàn)轱w機(jī)受到了攔阻繩的巨大阻力而使飛機(jī)停止。

師：也就是說，飛機(jī)因?yàn)槭芰ΧＶ埂?/p>

繼續(xù)展示事例2：

師：如圖2所示，沿斜面運(yùn)動(dòng)的物體，為什么在繩子拉緊后會(huì)停止？

生：因?yàn)槭艿搅死K的拉力。

事例3：播放跳水運(yùn)動(dòng)員入水后減速下降的視頻。

師：為什么跳水運(yùn)動(dòng)員入水后會(huì)逐漸減速直至停止下降？

生：因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員在水里要受到向上的水的浮力。

師：亞里士多德認(rèn)為受力是物體運(yùn)動(dòng)的原因，可是為什么這幾個(gè)例子中物體卻因?yàn)槭芰ΧＶ沽四?？受力到底是物體運(yùn)動(dòng)的原因還是使物體靜止的原因呢？可見，“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”這個(gè)觀點(diǎn)不可靠。

【設(shè)計(jì)意圖】 本環(huán)節(jié)旨在通過一系列的事例，使學(xué)生得到與既有認(rèn)識(shí)完全相反的結(jié)論，形成其認(rèn)知上的沖突。通過這種思維深處的矛盾困惑，達(dá)到對前概念的動(dòng)搖、懷疑，屬于“不破不立”中“破”的環(huán)節(jié)。對前概念“破”得越徹底，形成的思維沖突越劇烈，后期新概念的建立才會(huì)越省力、越有效。

教學(xué)片斷3：

展示如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置，請學(xué)生分析小車的運(yùn)動(dòng)過程：A到B過程，加速下滑；B到C過程，勻速運(yùn)動(dòng)；C到D過程，減速上滑。

原因分析可知，AB受到重力下滑力推動(dòng)，小車越來越快；CD受到重力下滑力阻礙，小車越來越慢。

通過分析可知，力既可以使物體由靜止運(yùn)動(dòng)起來，也可以使物體由運(yùn)動(dòng)停止下來。即使是同一個(gè)力，有時(shí)使物體運(yùn)動(dòng)，有時(shí)使物體停下?？梢?，使物體運(yùn)動(dòng)與否的關(guān)鍵因素不是力。那么，什么決定了物體的運(yùn)動(dòng)與否呢？

【設(shè)計(jì)意圖】本環(huán)節(jié)的目的在于進(jìn)一步“破除”學(xué)生思維深處的定勢，通過列舉力對運(yùn)動(dòng)效果的不唯一，說服學(xué)生力并不是使物體運(yùn)動(dòng)的原因。前概念被打破了，在學(xué)生的心中必然亟待建立一個(gè)新的力與運(yùn)動(dòng)學(xué)說，此時(shí)介紹伽利略對運(yùn)動(dòng)與力關(guān)系的研究就水到渠成了。

教學(xué)片斷4：在300多年前，先哲伽利略也在苦苦思考這樣一個(gè)問題。作為一位崇尚理性、極具創(chuàng)造性思維的學(xué)者，他想如果運(yùn)動(dòng)環(huán)境里完全沒有摩擦力影響，那么力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系是不是會(huì)更明晰一些。

介紹什么叫理想實(shí)驗(yàn)，知道理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)研究中的重要作用。

如圖4所示，帶領(lǐng)學(xué)生思考：

假如存在一個(gè)完全沒有摩擦的曲面，物體下滑后必將到達(dá)曲面另一側(cè)等高處；

假如另一側(cè)曲面較平緩，物體到達(dá)等高處勢必走更長的路程，坡面越平緩，小球通過的路程越長；

假如坡面無限平緩呢？小球在水平光滑面上永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，直到無窮遠(yuǎn)處，在這個(gè)過程中物體運(yùn)動(dòng)方向上并不受力。

可見：物體的運(yùn)動(dòng)是其自然的屬性，并不需要力維持。

在300多年前，由于實(shí)驗(yàn)手段的局限，伽利略只能借助于理想實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)論。在科技發(fā)達(dá)的今天，我們可以創(chuàng)造微摩擦環(huán)境，對其結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證：

如圖5所示，演示氣墊導(dǎo)軌和光電門。

【設(shè)計(jì)意圖】 本環(huán)節(jié)是本課的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，教師在授課時(shí)務(wù)必引導(dǎo)學(xué)生參與思考，使其經(jīng)歷概念“突破—建立”的過程。雖然理想實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)縝密靈巧，但是仍難免偏重于思維，教師在得到結(jié)論后加入氣墊導(dǎo)軌的實(shí)證環(huán)節(jié)，目的在于加強(qiáng)結(jié)論的可信度。

教學(xué)片斷5：既然力不是物體運(yùn)動(dòng)的原因，運(yùn)動(dòng)也不需要力維持，力到底起到什么作用？基于這個(gè)問題我們重新回顧剛才的例子，如圖6所示。

我們把物體的運(yùn)動(dòng)分為AB、BC、CD三個(gè)階段，結(jié)合物體的受力和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)：

（請學(xué)生列表分析，如表1所示）

介紹笛卡爾等科學(xué)家的貢獻(xiàn)并總結(jié)：

牛頓第一定律：一切物體總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。又叫做慣性定律。

【設(shè)計(jì)意圖】 在教師的引導(dǎo)下，進(jìn)一步通過實(shí)例分析，得到力在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化中的作用，有助于學(xué)生構(gòu)建完整的理論體系。

教學(xué)片斷6：牛頓第一定律說明物體具有維持自身運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。這種維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力越強(qiáng)，力改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難，相同的力改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越慢。我們把物體總試圖維持其運(yùn)動(dòng)大小和方向不變的能力稱作慣性。

那么，如何比較物體慣性的大小呢？慣性大小又和哪些因素有關(guān)呢？

舉例1：相同動(dòng)力作用下的小汽車和火車，誰的速度增加更快？誰維持運(yùn)動(dòng)大小和方向的能力（慣性）更強(qiáng)？

舉例2：載重卡車和摩托車以相同速度行駛，誰剎車減速更快？誰維持運(yùn)動(dòng)大小和方向的能力（慣性）更強(qiáng)？

結(jié)論：質(zhì)量越大，慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越不容易改變。

應(yīng)用：戰(zhàn)斗機(jī)在準(zhǔn)備空戰(zhàn)時(shí)為什么要甩掉副油箱？

【設(shè)計(jì)意圖】 此部分教學(xué)通過實(shí)例的分析，使學(xué)生理解慣性定義的內(nèi)涵。同時(shí)，在進(jìn)行慣性概念分析時(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化了“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”這一觀點(diǎn)。并通過實(shí)例的應(yīng)用分析，解決了具體問題，使學(xué)生形成了如下理論觀點(diǎn)：

1.運(yùn)動(dòng)不需要力來維持，在不受力或受力為零時(shí)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不改變；

2.力是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因；

3.物體具有維持自身運(yùn)動(dòng)的屬性，質(zhì)量是其慣性的唯一量度。

以上幾點(diǎn)相互聯(lián)系，形成良好的理論自洽，學(xué)生在構(gòu)建上述理論的過程中體會(huì)物理理論的自洽之美。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社 課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2010：67.

[2]波利亞.劉景麟，曹之江，鄒清蓮，譯.數(shù)學(xué)的發(fā)現(xiàn) 第二卷[M].呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社，1981：151-152.

[3]何賽君.牛頓第一定律教學(xué)的四點(diǎn)突破[J].物理通報(bào)，2011（6）：27.

（欄目編輯 劉 榮）