基于物理學(xué)史的“牛頓第一定律”的數(shù)字化教學(xué)設(shè)計

高 嵩 秦 飛

（山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東濟南 250014）

基于物理學(xué)史的“牛頓第一定律”的數(shù)字化教學(xué)設(shè)計

高 嵩 秦 飛

（山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東濟南 250014）

本文充分挖掘了物理學(xué)史的認知功能，借助數(shù)字化實驗技術(shù)手段，對牛頓第一定律的教學(xué)進行優(yōu)化，通過帶領(lǐng)學(xué)生重走歷史，使學(xué)生在一系列的實驗探究中體會到，人們對力與運動關(guān)系認識歷史的曲折性.這不僅體現(xiàn)了物理學(xué)史與物理教學(xué)的有機結(jié)合，而且注重了物理核心素養(yǎng)的滲透.

牛頓第一定律；物理學(xué)史；數(shù)字化實驗

牛頓第一定律作為牛頓運動定律的重要組成部分，是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)與核心內(nèi)容，課標(biāo)對本節(jié)課的要求是：理解牛頓運動定律，用牛頓運動定律解釋生活中的有關(guān)問題.［1］這部分內(nèi)容在現(xiàn)行人教版及司南版教材的安排上，既細致地解釋了牛頓第一定律的內(nèi)容和物理思想，又介紹了亞里士多德、伽利略，以及笛卡兒等人的思考和成果，這就給學(xué)生展開了一幅歷史的畫卷，讓學(xué)生既感受到探索自然的樂趣，又深刻體會到科學(xué)家研究的思路和方法，更領(lǐng)略到科學(xué)發(fā)展的魅力.這一切都提示我們在教學(xué)中不能僅僅局限于對定律本身的文字的記憶，更要關(guān)注科學(xué)研究方法的形成和科學(xué)思維的發(fā)展.

1 問題的提出

以人教版教材為例，“牛頓第一定律”一節(jié)共分為以下3個部分：從歷史過程入手，展現(xiàn)不同時期物理學(xué)家的研究方法及思想，對定律詳細說明，以及對慣性大小的論述.通過對大量教學(xué)案例的調(diào)查分析，我們發(fā)現(xiàn)教師往往完全按照教材實施教學(xué)，而這種照本宣科的方式存在諸多誤區(qū)，主要表現(xiàn)為以下幾方面.

首先直接從物理學(xué)史講起，介紹亞里士多德和伽利略的觀點.然而此種方式過于生硬，不利于學(xué)生從運動學(xué)和力學(xué)知識的學(xué)習(xí)過渡到動力學(xué)模塊；對學(xué)生“有力才有運動”這一前概念的重視程度也不夠；并且對物理學(xué)家的貢獻缺乏客觀全面的評價.

其次利用動畫或傳統(tǒng)儀器講解伽利略斜面實驗，繼而介紹笛卡兒的補充觀點，及牛頓對前人研究總結(jié)得出牛頓第一定律.然而動畫模擬雖然形象生動但缺乏真實性；傳統(tǒng)儀器傾角改變范圍小，同時大部分是通過小球滾動來人工獲取實驗數(shù)據(jù)的，實驗數(shù)據(jù)粗略，誤差大且不易測量.并且學(xué)生學(xué)完伽利略的研究后往往會有疑問：伽利略已經(jīng)說明了力不是維持物體運動的原因，為什么笛卡兒又要進行補充，以及為什么定律最終以牛頓命名？大多數(shù)教師對此缺乏細致講解，使學(xué)生不能很好理解該部分內(nèi)容.

最后由牛頓第一定律引申出慣性，并直接介紹質(zhì)量是其唯一量度，而大多數(shù)學(xué)生可能對此難以理解，只是單純依靠文字記憶.而牛頓第一定律引申出的“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”，實際是對牛頓第二定律的定性描述，并且學(xué)習(xí)了牛頓第二定律的定量描述F＝ma后，學(xué)生對“質(zhì)量是慣性的唯一量度“的理解可能將會更加直觀深刻.

物理學(xué)史集中體現(xiàn)了人類探索和逐步認識物理世界的現(xiàn)象、特性、規(guī)律和本質(zhì)的歷程，［2］其中人們對力與運動關(guān)系的認識過程是一個漫長的歷史，甚至可以追溯至公元前4世紀(jì)的亞里士多德，他通過對日常生活的觀察，將運動分為自然運動和強迫運動，認為除了自然運動外，所有其他的運動都只能在外力強迫下才能進行，即力是維持物體運動的原因.盡管這一觀點是錯誤的，但其中已有靜止慣性的思想.伽利略通過理想斜面實驗推翻了亞里士多德的觀點，證明了“力不是維持物體運動的原因”，并把“地球上的物體在不受阻力的情況下可以永遠以某個速度運動下去”看作慣性運動，但認為這種“慣性運動”遵守的是“圓周慣性原理”.［3］此后，笛卡兒補充和完善了伽利略的觀點，認為除非受到外力的作用，否則物體將永遠保持其靜止或勻速直線運動狀態(tài).但二者只是描述了慣性運動，最終牛頓對前人的研究高度總結(jié)，得到了牛頓第一定律.

這一清晰的歷史主線為我們的教學(xué)提供了思路，但如果教師完全按照教材編寫的思路實施教學(xué)，單純地向?qū)W生講解歷史，有時會很難使學(xué)生有效領(lǐng)會科學(xué)的思維方法，甚至還會阻礙學(xué)生對物理規(guī)律的知識構(gòu)建.［4］為了解決上述教學(xué)問題，在本節(jié)設(shè)計中，我們以物理學(xué)史為主線，整合多元化實驗資源，以期望深刻細致地說明該定律的發(fā)展歷史及意義.

2 “牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

物理學(xué)史在物理教學(xué)中的滲透有助于活躍思維，增強科學(xué)意識，使學(xué)生更自覺地繼承前人的事業(yè)，有效地進行學(xué)習(xí)和探究.本節(jié)緊緊圍繞牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過程，整合多元化實驗資源，從學(xué)生分組推動小車實驗引出亞里士多德和伽利略的研究歷史，到傳統(tǒng)儀器與現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)結(jié)合重現(xiàn)伽利略斜面實驗，最后介紹笛卡兒和牛頓等物理學(xué)家的研究歷史，并將慣性這一學(xué)生當(dāng)時可能難以理解的部分放到牛頓第二定律中講解.使學(xué)生了解物理學(xué)家的研究歷程，體會物理學(xué)家的科學(xué)研究方法，最終達到深入領(lǐng)會牛頓第一定律的教學(xué)目標(biāo).

下面將結(jié)合具體教學(xué)流程對該節(jié)設(shè)計進行詳細說明，如圖1所示.

2.2 教學(xué)過程

圖1 教學(xué)流程圖

2.2.1 創(chuàng)設(shè)情境，引入探究課題

觀察生活，引入力與運動的關(guān)系.

教材從生活經(jīng)驗入手，通過故事形式直接引入亞里士多德與伽利略的觀點，而學(xué)生剛學(xué)完運動學(xué)與力學(xué)的知識，用此種方式引入到動力學(xué)部分過于生硬，也不利于學(xué)生知識的建構(gòu).在教學(xué)中教師為學(xué)生展示（如圖2）：籃球場上拋出的籃球，運動場上運動員的跳遠過程，公路上被推動的汽車及冰面上剎車的汽車等實例，讓學(xué)生觀察這些實例中普遍存在的現(xiàn)象.

圖2 生活中力與運動的實例

引導(dǎo)學(xué)生思考：生活中的諸多實例都存在著力現(xiàn)象與運動現(xiàn)象，那二者之間是否存在著一定的關(guān)系？

設(shè)計意圖.

從生活實例入手，既貼近生活，使學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)充滿親切感；又使學(xué)生從運動學(xué)和力學(xué)的知識的學(xué)習(xí)平滑過渡到動力學(xué)模塊，符合學(xué)生的認知結(jié)構(gòu).

2.2.2 動手實驗，初步探究課題

分組操作，觀察力與運動的關(guān)系.

提供如圖3所示的玩具車，將學(xué)生分成兩組，分別推動車底向上及車身向上的小車，觀察小車的運動情況，并由此猜測力與運動的關(guān)系.

圖3 實驗所用小車

第1組學(xué)生推動車底向上的小車，發(fā)現(xiàn)在力的推動下小車由靜止開始運動，而撤去推力后小車停止運動，教師引導(dǎo)學(xué)生思考此現(xiàn)象中力與運動的關(guān)系，學(xué)生很容易得出：有力才有運動.教師由此介紹亞里士多德的觀點：力是維持物體運動的原因.

第2組學(xué)生推動車身向上的小車，發(fā)現(xiàn)在力的推動下小車由靜止開始運動，但撤去外力后小車運動一段距離后停下.教師由此現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生進一步思考力與運動的關(guān)系，學(xué)生得出：并非有力才有運動.教師由此介紹伽利略的觀點：力不是維持物體運動的原因.

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧兩位物理學(xué)家的思想，使學(xué)生認識到亞里士多德得出錯誤觀點的原因：忽略了摩擦力的影響.

設(shè)計意圖.

理性認識是建立在感性認識的基礎(chǔ)上的，而學(xué)生的感性認識大多來源于日常生活.由生活實例引入力與運動關(guān)系的探究，并讓學(xué)生通過推小車的體驗活動，使學(xué)生在學(xué)生與學(xué)生及學(xué)生與教師的對話與交往中建構(gòu)知識.但并不是所有背景知識都能幫助學(xué)生建立正確的、可靠的物理知識聯(lián)系.亞里士多德由生活經(jīng)驗得出：力是維持物體運動的原因.這種生活經(jīng)驗形成的背景知識幾乎存在于每個人的頭腦中.我們不能以現(xiàn)代科學(xué)觀點來全盤否定亞里士多德的偉大貢獻，應(yīng)當(dāng)要尊重這種認知規(guī)律.［5］所以在教學(xué)中設(shè)計兩組對照操作，通過兩組學(xué)生觀察到的不同現(xiàn)象的對比分析，找出亞里士多德當(dāng)時得出錯誤結(jié)論的原因，讓背景知識在課堂教學(xué)中發(fā)揮它的價值.

2.2.3 演示實驗，深度探究課題

重現(xiàn)歷史，展示研究現(xiàn)象.

教師介紹伽利略的研究歷史，并利用自制教具及相應(yīng)軟件進行演示實驗，實驗現(xiàn)象如圖4、圖5所示.

展示實驗儀器后進行介紹：這是一個雙斜面軌道，一側(cè)斜面固定，另一側(cè)斜面傾角可調(diào).利用二維運動傳感發(fā)射器替代傳統(tǒng)小球，將接收器通過數(shù)據(jù)線連接到電腦上驅(qū)動相應(yīng)軟件，發(fā)射器從軌道頂端釋放后滑行，其運動軌跡實時記錄于軟件界面上，并自動測量上升高度及運動路程.

實驗后學(xué)生將多次運動軌跡同時比較，發(fā)現(xiàn)隨斜面傾角減小，小球運動路程變遠，但上升高度基本不變.

圖4 小球運動示意圖

圖5 軟件界面上顯示的實驗圖表

教師進一步提問：如果斜面足夠長而且摩擦足夠小，將第二個斜面放平，小球?qū)鯓樱?/p>

學(xué)生回答：將會一直運動下去.

教師結(jié)合實驗思想講解：若忽略阻力，小球釋放后將上升到等高處，并且隨著第二個斜面傾角的減小，小球?qū)⒗^續(xù)上升到等高處，但此時它將在斜面上運動的更遠一些……直至將第二個斜面放平，小球由于無法上升到等高處將一直運動下去，以此證明了物體的運動不需要力來維持.

通過上述操作與講解，使學(xué)生體會到：我們不能消除一切阻力，也無法將第二個斜面做得無限長，所以伽利略斜面實驗是“理想實驗”，是將實驗與邏輯推理相結(jié)合的一種研究方法.

分析局限，感受曲折歷史.

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：力與運動的探究歷程是否已經(jīng)完善？如果不是，伽利略的觀點又有何局限性？讓學(xué)生依照伽利略的“如果不受力，小球?qū)⒁恢边\動下去”的設(shè)想展開想象并合理外推，在這樣的引導(dǎo)下學(xué)生出現(xiàn)了兩種考慮，一種認為小球最終沿著地球表面做圓周運動，另一種認為小球?qū)刂本€飛出地球.如圖6所示，教師借助動畫演示伽利略的觀點：小球運動到地球邊緣后，沿地球表面持續(xù)做圓周運動，即物體遵循圓周慣性定理.而地球上的物體仍舊受到地球引力的作用，所以，伽利略并未解決力與運動間的關(guān)系.之后適時向?qū)W生介紹笛卡兒對此的補充觀點：除非受到外力的作用，否則物體將永遠保持其靜止或勻速直線運動狀態(tài).

但是二者均只考慮了物體不受力的情況，如果受力的話又會怎樣？所以力與運動的關(guān)系問題還未明確解決.

圖6 小球運動模擬動畫

設(shè)計意圖.

（1）實驗設(shè)計背景.

伽利略斜面實驗是學(xué)習(xí)牛頓第一定律，領(lǐng)會科學(xué)推理的重要實驗，其卓越之處不是實驗本身，而是實驗所使用的獨特的方法，即在實驗的基礎(chǔ)上，進行理想化推理，它標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端.初高中課本中對其都有詳細描述，在實際教學(xué)中，許多教師雖然知道該實驗的重要性，但考慮到實驗器材體積大、操作難、誤差大、耗時長等原因，將該“必做”實驗改為了“講實驗”.即使是在課堂中做實驗，一般也是采用讓小球從幾個傾角不同的固定軌道滾下的方法進行演示，對比每次小球可以達到的高度.這樣斜面傾角就不能任意改變，而小球到達最高點的瞬間難以撲捉，所以實驗數(shù)據(jù)記錄粗略，誤差大.而近年來，DIS實驗憑借其簡潔、易用、貼近課堂教學(xué)等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用于中學(xué)物理課堂中，使許多難以實現(xiàn)或轉(zhuǎn)瞬即逝的實驗呈現(xiàn)在師生面前.所以我們將現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)儀器融合，以此來解決上述教學(xué)難題.

（2）實驗設(shè)計思路.

我們的自制教具將傳統(tǒng)儀器與現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)有機整合，提供一種數(shù)字化的伽利略斜面實驗演示裝置，實現(xiàn)實驗的靈活性、準(zhǔn)確性及可觀測性.通過數(shù)字化設(shè)備，利用二維運動傳感發(fā)射器替代傳統(tǒng)小球，將接收器通過數(shù)據(jù)線連接到電腦上驅(qū)動相應(yīng)軟件，發(fā)射器從二維離心軌道頂端釋放后滑行，其運動軌跡實時記錄于軟件界面上，并自動測量上升高度及運動路程，代替人工觀測，現(xiàn)象直觀明顯，并減小了人為因素造成的實驗誤差，由此分析釋放高度與上升最高點的關(guān)系.通過調(diào)節(jié)軌道的傾角可方便進行多次實驗，分析傾角變化與上升高度及運動路程的關(guān)系.

對應(yīng)軟件界面主要分為3個區(qū)域，右上為運動軌跡顯示區(qū)，可以實時記錄小球的運動軌跡；左上為數(shù)據(jù)記錄區(qū)，用于記錄小球在最高點處的x、y、h值；下側(cè)為圖像顯示區(qū)，可以將小球的運動軌跡拍照后顯示在圖框中.通過此軟件實現(xiàn)了智能記錄與測量，增加了實驗的準(zhǔn)確性、可視性及可操作性.

（3）實驗實施效果.

筆者利用自制教具重現(xiàn)了伽利略的“理想實驗”，將轉(zhuǎn)瞬即逝的實驗結(jié)果通過數(shù)字化技術(shù)呈現(xiàn)在師生面前.首先通過釋放小球后運動軌跡的展示，使學(xué)生意識到：若忽略阻力，小球?qū)⑦\動到釋放等高處；之后逐次改變斜面傾角的操作，使學(xué)生觀察到：隨斜面傾角的減小，小球的運動路程逐漸增大，而上升高度基本不變；多次運動軌跡的比較，更有助于學(xué)生對實驗思想的理解.使學(xué)生在這個過程中真正理解伽利略斜面實驗.

2.2.4 深入總結(jié)，形成物理規(guī)律

根據(jù)史實，深度剖析定律.

教師繼續(xù)講解物理學(xué)史的發(fā)展，介紹牛頓對前人研究的總結(jié)成果：一切物體總保持勻速運動直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)，即牛頓第一定律.與學(xué)生分析定律中的關(guān)鍵點：一切物體是對個別物體研究基礎(chǔ)上的歸納，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，明確揭示了力與運動的關(guān)系.

至此，經(jīng)過以上分析，學(xué)生既體會到了人們對力與運動關(guān)系認識歷史的曲折性，也理解了牛頓對該問題認識的徹底性.

趣味演示，知識遷移與深化.

教師利用自制教具演示生活中小車上的重物下落情境，如圖7所示.用玩具小車模擬勻速汽車，用單片機控制電磁鐵，電磁鐵吸引鐵球.在小車勻速運動過程中，鐵球下落.

學(xué)生觀察到：鐵球在勻速小車上下落后落在正下方的盒子中，使盒子中的感應(yīng)燈變亮.

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么鐵球會落在正下方的盒子里？能否用本節(jié)課所學(xué)的知識進行解釋？并將此問題作為課下作業(yè)，讓學(xué)生自主預(yù)習(xí)后面的知識.

圖7 小車上重物下落演示教具

設(shè)計意圖.

對于慣性的解釋，一般在教學(xué)中的處理方式是向?qū)W生說明“物體具有保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫做慣性.并指出質(zhì)量是慣性的唯一量度.但對大多數(shù)學(xué)生而言還是難以理解，只是單純進行文字記憶.但由牛頓第一定律引申出的“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”，實際是對牛頓第二定律的定性描述，并且學(xué)習(xí)了牛頓第二定律的定量描述F＝ma后，對質(zhì)量是慣性的唯一量度的理解將會更加直觀深刻.所以此處設(shè)置小車上重物下落的實驗既使學(xué)生在知識學(xué)習(xí)后興趣再次激發(fā)，也通過對此現(xiàn)象的解釋為后面慣性的學(xué)習(xí)埋下伏筆.因此將慣性部分放到下節(jié)講解，更符合學(xué)生的認知情況.并且該實驗與課后題目中的飛機投彈原理相似，使學(xué)生在做中學(xué)，將實踐與知識相結(jié)合.

3 教學(xué)反思

3.1 物理學(xué)發(fā)展的歷史情境再現(xiàn)有利于學(xué)生理解科學(xué)家對物理問題的推理過程

物理學(xué)史是物理學(xué)發(fā)生、發(fā)展的歷史，在教學(xué)中適當(dāng)滲透物理學(xué)史，可以使學(xué)生對該部分知識的學(xué)習(xí)充滿興趣.所以本節(jié)設(shè)計以物理學(xué)史的發(fā)展為主線，在學(xué)生對力與運動關(guān)系充滿疑惑時，教師為學(xué)生提供小車讓其動手實驗，第一組學(xué)生推動車底向上的小車，發(fā)現(xiàn)有推力時小車才運動，驗證了亞里士多德的觀點；第二組學(xué)生推動車身向上的小車，發(fā)現(xiàn)無推力時小車也能運動，驗證了伽利略的觀點.教師通過此設(shè)計將物理學(xué)家的觀點演示為實驗，使學(xué)生重走歷史，自己作為當(dāng)時的“物理學(xué)家”，真切感受到研究過程.

并且物理學(xué)家的研究方法是經(jīng)過多年的實踐與總結(jié)而形成的，對我們的教學(xué)過程具有指導(dǎo)意義.而伽利略的斜面實驗是一個經(jīng)典的“理想實驗”，在向?qū)W生介紹該實驗時，采用傳統(tǒng)儀器與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新方法，將該實驗重現(xiàn)，使學(xué)生直觀明顯地觀察到小球的運動軌跡，分析實驗結(jié)果得：若忽略一切阻力，將第二個斜面放平后小球?qū)⒁恢边\動下去，即物體的運動不需要力來維持.雖然我們不能消除一切阻力，也無法將第二個斜面做得無限長，但通過對該實驗的重現(xiàn)，可以使學(xué)生掌握這種將實驗與邏輯推理相結(jié)合的科學(xué)的研究方法.

3.2 數(shù)字化實驗技術(shù)有利于理論與現(xiàn)實的結(jié)合

信息時代的科學(xué)研究除了傳統(tǒng)的實驗研究和理論研究，還出現(xiàn)一種新形態(tài)——數(shù)字化探究實驗.目前理科實驗中，已經(jīng)引入與計算機、多媒體、傳感器相關(guān)的實驗.這些實驗的出現(xiàn)對學(xué)生和教師的問題處理能力、數(shù)據(jù)分析能力、圖像分析能力提出了更高的要求.而且傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往難以激起學(xué)生對物理知識的學(xué)習(xí)興趣和動力.所以我們采用創(chuàng)新手段，將數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)儀器相結(jié)合，通過多次改變斜面傾角及智能記錄與測量，增加了伽利略斜面實驗的準(zhǔn)確性、可視性及可操作性.使學(xué)生在該過程中，直觀準(zhǔn)確地理解伽利略斜面實驗，利于對牛頓第一定律的知識構(gòu)建.

并且隨著社會的不斷進步，科技手段的提高以及技術(shù)的多樣化，越來越多的研究需要計算機輔助進行數(shù)據(jù)信息的收集和處理工作，這所強調(diào)的信息素養(yǎng)及現(xiàn)代傳統(tǒng)的融合可以為學(xué)生步入社會做好必要的能力準(zhǔn)備.［6］

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2015年版）［M］.北京：人民教育出版社，2015.

2 弗·卡約里.物理學(xué)史［M］.北京：中國人民大學(xué)出版社，2010.

3 王其超，高守寶.物理規(guī)律教學(xué)方法與案例［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2015.

4 葉東福.基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)策略［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2016（12）：6－7.

5 陳運保，趙亮.牛頓第一定律的發(fā)展歷史及其教育價值［J］.物理教師，2016（7）：32－35.

6 韓蔚，項華，吳俊杰.《復(fù)演伽利略斜面實驗》的教學(xué)設(shè)計與反思［J］.中小學(xué)信息技術(shù)教育，2012（11）：63－64.

2017－03－06）