高中物理“牛頓第一定律”的PCK解析

杜愛(ài)慧 張淑君

(河南師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

1 牛頓第一定律教學(xué)中存在的問(wèn)題

牛頓第一定律作為牛頓運(yùn)動(dòng)定律的前提,學(xué)生在初中階段已經(jīng)進(jìn)行過(guò)學(xué)習(xí),因此很多教師在教授高中教材的這部分內(nèi)容時(shí),往往傾向于復(fù)習(xí)舊知識(shí)或默認(rèn)為學(xué)生已經(jīng)掌握,認(rèn)為學(xué)習(xí)第一定律就是為接下來(lái)學(xué)習(xí)牛頓第二定律打基礎(chǔ),很少仔細(xì)鉆研教材和課標(biāo)要求,也很少深入了解學(xué)生相應(yīng)的前概念,完全按照自己的理解和經(jīng)驗(yàn)來(lái)授課,缺乏必要的教學(xué)策略,最終導(dǎo)致學(xué)生不能透徹地理解牛頓第一定律包含的豐富內(nèi)涵,尤其是在力與運(yùn)動(dòng)、慣性等方面存在較大問(wèn)題,這些都給學(xué)生接下來(lái)的學(xué)習(xí)制造了障礙．

2 PCK理論的內(nèi)涵

針對(duì)目前牛頓第一定律教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題,我們可以根據(jù)舒爾曼教授提出的PCK理論來(lái)改善教學(xué)現(xiàn)狀．PCK是“學(xué)科教學(xué)知識(shí)”的簡(jiǎn)稱,是教師在教學(xué)中通過(guò)分析教材、學(xué)生和課堂,結(jié)合各個(gè)學(xué)科的特性、學(xué)生的心理特點(diǎn)、認(rèn)知水平和知識(shí)的掌握情況,把多種因素整合起來(lái)并以一種學(xué)生最易于理解的方式表達(dá)出來(lái)的知識(shí)形式．綜合多篇文獻(xiàn),[1-2]PCK主要包含以下4個(gè)方面(見(jiàn)表1).

表1 PCK理論的內(nèi)涵分析

續(xù)表

本文將從以上4個(gè)維度對(duì)牛頓第一定律進(jìn)行解析,以期能夠引起教師對(duì)該部分內(nèi)容的重視并能為教師有效改進(jìn)教學(xué)提供借鑒和參考．

3 “牛頓第一定律”教學(xué)的PCK解析

3.1 學(xué)科的知識(shí):牛頓第一定律的內(nèi)容及教育價(jià)值

(1) 牛頓第一定律的教學(xué)內(nèi)容.

教材給出了牛頓第一定律的文字?jǐn)⑹?即“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)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)”．其物理內(nèi)涵包括:① 明確了慣性的概念,即物體具有保持原來(lái)勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì),是物體自身所固有的屬性．慣性的兩種表現(xiàn)形式:“保持原狀”或“反抗改變”．② 揭示了力的本質(zhì),即力是物體與物體間的相互作用,是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因,而不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因．③ 牛頓第一定律成立的條件是質(zhì)點(diǎn)在慣性參考系中的運(yùn)動(dòng)描述．在這種參考系中,一個(gè)不受力或所受合外力為0的物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變．

(2) 牛頓第一定律的教育價(jià)值.

① 對(duì)科學(xué)家進(jìn)行正確評(píng)價(jià),培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維．對(duì)于亞里士多德提出的“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”這一錯(cuò)誤判斷,我們不能對(duì)亞里士多德全盤否定,應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合當(dāng)時(shí)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化等發(fā)展水平從哲學(xué)角度辯證看待其觀點(diǎn)及貢獻(xiàn),要讓學(xué)生學(xué)會(huì)辯證的、用發(fā)展的眼光思考問(wèn)題,形成正確的價(jià)值觀．② 具有敢于質(zhì)疑的精神和挑戰(zhàn)權(quán)威的勇氣．伽利略通過(guò)對(duì)現(xiàn)象觀察提出了自己的猜想,并進(jìn)行了理想斜面實(shí)驗(yàn),進(jìn)而通過(guò)邏輯推理得出“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”．雖然這個(gè)結(jié)論與當(dāng)時(shí)的觀念格格不入,但伽利略依然堅(jiān)持自己的觀點(diǎn),不畏懼權(quán)威,敢于對(duì)亞里士多德的論斷提出質(zhì)疑．伽利略這種敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、求真務(wù)實(shí)、實(shí)事求是的科學(xué)精神是促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展,使其成為新時(shí)代人才的必然要求,教師應(yīng)及時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生向伽利略學(xué)習(xí)．③ 重視研究歷程,領(lǐng)悟科學(xué)研究方法,理解科學(xué)本質(zhì)．牛頓第一定律經(jīng)過(guò)亞里士多德、伽利略、笛卡兒和牛頓等人對(duì)其進(jìn)行不斷的修正和完善,并最終作為基本原理正式提出．這一過(guò)程包含了合理外推法、理想實(shí)驗(yàn)法、邏輯推理法等豐富的科學(xué)方法,讓學(xué)生經(jīng)歷這個(gè)曲折又漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程,理解科學(xué)研究、科學(xué)思想的本質(zhì),有助于學(xué)生批判性思維的形成．同時(shí)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到:科學(xué)知識(shí)是科學(xué)家經(jīng)過(guò)不懈努力才得以形成的,使學(xué)生發(fā)自內(nèi)心的尊敬科學(xué)家、尊重知識(shí)．

3.2 課程的知識(shí):牛頓第一定律與其他教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系

牛頓第一定律是牛頓力學(xué)體系的基石,力學(xué)的第一原理,其中包含的基本概念奠定了經(jīng)典力學(xué)的概念基礎(chǔ)．通過(guò)對(duì)課標(biāo)和教材的分析確立教學(xué)目標(biāo)為:通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了解阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響,經(jīng)過(guò)分析、歸納和推理得出牛頓第一定律,并能用于分析實(shí)際現(xiàn)象;通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察、體驗(yàn)和實(shí)例分析,認(rèn)識(shí)到物體具有慣性,能表述慣性概念,應(yīng)用慣性解釋和解決生產(chǎn)、生活中的一些現(xiàn)象和問(wèn)題．

(1) 橫向聯(lián)系.

高中物理必修1第一、二章主要講質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),包括質(zhì)點(diǎn)靜止、勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻變速直線運(yùn)動(dòng)．第三章學(xué)習(xí)力,包括重力、彈力、摩擦力、力的合成與分解以及物體的受力分析．那么物體的運(yùn)動(dòng)和受力之間有怎樣的關(guān)系呢?接下來(lái)的牛頓第一定律就闡述了運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系,而這種關(guān)系正是高中物理的核心內(nèi)容,對(duì)于之后要學(xué)習(xí)的知識(shí)都將圍繞這種關(guān)系而展開(kāi)．因此牛頓第一定律在整個(gè)學(xué)科知識(shí)體系中具有承前啟后的作用．

(2) 縱向聯(lián)系.

學(xué)生在初中階段就已經(jīng)對(duì)牛頓第一定律有了一些基本認(rèn)識(shí),如定律的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)推理過(guò)程以及對(duì)生活中慣性現(xiàn)象的分析等．初中內(nèi)容不涉及慣性與質(zhì)量的關(guān)系,而高中教材中會(huì)明確指出描述物體慣性的物理量是它們的質(zhì)量,讓學(xué)生從物體慣性的角度認(rèn)識(shí)質(zhì)量,從而使學(xué)生更加深入的理解牛頓第一定律并糾正自己認(rèn)識(shí)上的偏差．牛頓第一定律為第二、第三定律提供了非常重要的指導(dǎo),為牛頓第二定律定量說(shuō)明力、質(zhì)量和加速度三者之間的關(guān)系奠定了基礎(chǔ),是研究動(dòng)力學(xué)的出發(fā)點(diǎn)．牛頓三定律是存在遞進(jìn)性的,它們是一個(gè)完整的理論體系,而且之后的力學(xué)知識(shí)都是在這三大定律的基礎(chǔ)上得以研究的．

3.3 學(xué)生的知識(shí):學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第一定律時(shí)可能存在的困難

表2 學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第一定律時(shí)的困難分析

3.4 教學(xué)策略的知識(shí):幫助學(xué)生理解牛頓第一定律的教學(xué)策略

(1) 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突.

在新課教學(xué)前,學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)已有所認(rèn)識(shí)和了解,但這些認(rèn)識(shí)大多來(lái)源于直接的生活經(jīng)驗(yàn)感受,是比較膚淺的甚至是錯(cuò)誤的．這就需要學(xué)生打破頭腦中原有的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),重新構(gòu)建新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)．通過(guò)創(chuàng)設(shè)能夠引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的問(wèn)題情境,進(jìn)而打破原有圖式結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài),有利于刺激學(xué)生的思維,激發(fā)其內(nèi)驅(qū)力．因此教師要根據(jù)學(xué)生已有的知識(shí)水平以及學(xué)生發(fā)展的內(nèi)在需要,創(chuàng)設(shè)科學(xué)有效的問(wèn)題情境,使學(xué)生真正參與其中,達(dá)到有效建構(gòu)的目的．

(2) 利用“問(wèn)題串”引導(dǎo)學(xué)生積極思考.

教學(xué)的過(guò)程應(yīng)該是一個(gè)不斷提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程．教師通過(guò)一系列的“問(wèn)題串”能使學(xué)生的思維清晰,更深刻地理解其正在探究的問(wèn)題,領(lǐng)悟探究活動(dòng)的精髓．[3]利用“問(wèn)題串”進(jìn)行教學(xué)時(shí),第一步,教師首先設(shè)置引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考的問(wèn)題,讓學(xué)生表達(dá)自己對(duì)問(wèn)題的看法;第二步,教師繼續(xù)提問(wèn)或通過(guò)反饋來(lái)辨別學(xué)生的回答,目的是明確學(xué)生對(duì)該問(wèn)題的理解程度;最后,引導(dǎo)學(xué)生反思自己的答案,借鑒參考別人的想法,并最終形成對(duì)問(wèn)題的正確理解．

(3) 抽象問(wèn)題具體化.

高中物理的知識(shí)比較抽象,高一學(xué)生雖然具備一定的分析推理和邏輯思維能力,但抽象思維水平不高,尚未形成理性分析的習(xí)慣,因此只靠單純的理論講解很難使學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容全面掌握．教師可以將物理知識(shí)具體化、生活化、形象化,利用學(xué)生熟悉并可以理解的方式進(jìn)行講授,具體如通過(guò)引入實(shí)例、打比方、做類比等方法展開(kāi)教學(xué)、這樣不僅可以幫助學(xué)生理解知識(shí),激發(fā)其物理學(xué)習(xí)的積極性,而且有利于學(xué)生學(xué)以致用意識(shí)的培養(yǎng)．

4 “牛頓第一定律”的教學(xué)案例

教學(xué)活動(dòng)1:課堂引入.

教師演示2個(gè)小實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)1,讓小車倒置,輪子朝上,在水平桌面上用力推小車后再撤去推力．現(xiàn)象:推它就動(dòng),撤去推力后小車就靜止在原地．學(xué)生們大多會(huì)根據(jù)觀察到的現(xiàn)象得出和亞里士多德相同的觀點(diǎn),即力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因,符合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)．這樣做的目的就是為了引出學(xué)生頭腦中錯(cuò)誤的前概念,教師可以適時(shí)說(shuō)明亞里士多德的觀點(diǎn),強(qiáng)化學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),為接下來(lái)引發(fā)認(rèn)知沖突作足鋪墊．接著演示實(shí)驗(yàn)2,讓小車正立,輪子接觸桌面,用同樣大小的力再去推小車．現(xiàn)象:撤去推力后小車運(yùn)動(dòng)一段距離之后才會(huì)停下來(lái),可以得出小車不受力后還可以向前運(yùn)動(dòng),此時(shí)學(xué)生頭腦中開(kāi)始出現(xiàn)認(rèn)知沖突,教師可以適時(shí)提出伽利略的觀點(diǎn):運(yùn)動(dòng)的物體不需要力來(lái)維持．請(qǐng)學(xué)生分析誰(shuí)的觀點(diǎn)正確?

活動(dòng)分析:利用認(rèn)知沖突策略,首先澄清學(xué)生頭腦中的錯(cuò)誤前概念,同一輛小車只因放置的方式不同就產(chǎn)生了不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論,引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突,調(diào)動(dòng)了學(xué)生探究其中原因的學(xué)習(xí)積極性,同時(shí)也明確了接下來(lái)要探究的問(wèn)題．

教學(xué)活動(dòng)2:區(qū)別力與慣性.

教師展示兩個(gè)情境并提出相應(yīng)問(wèn)題讓學(xué)生分析．首先展示情境1:播放拋出去的石子在空中繼續(xù)飛行、踢出去的足球在草地上不會(huì)立即停下來(lái)、公交車突然剎車時(shí)人會(huì)向前傾這些生活中的場(chǎng)景．針對(duì)情境提出問(wèn)題1:情景1中的物體為什么會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)而不會(huì)立即停下來(lái)呢?(設(shè)計(jì)意圖:明確學(xué)生是否把力與慣性混淆)問(wèn)題2:若混淆,問(wèn)力的概念及產(chǎn)生條件分別是什么?(力是物體與物體之間的相互作用;必須有施力物體和受力物體)問(wèn)題3:上述情境中的施力物體分別是什么?(學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中肯定會(huì)碰壁,引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)化角度思考問(wèn)題)問(wèn)題4:慣性是一種力嗎?(設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生反思自己的答案)教師展示情境2:展示幾幅物體受力情況不同的圖片,讓學(xué)生畫出力的示意圖并指出各個(gè)力的施力物體．通過(guò)對(duì)比以上兩類情境中的物體,分別從力和慣性的概念、力的三要素等方面來(lái)區(qū)分力與慣性．向?qū)W生提出問(wèn)題5:力和慣性的本質(zhì)分別是什么,它們之間有什么區(qū)別?(設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生最終形成對(duì)問(wèn)題的正確理解)

結(jié)論:慣性不是一種力,因?yàn)樗鼪](méi)有施力物體,慣性的大小沒(méi)有具體數(shù)值,也沒(méi)有方向和作用點(diǎn)．慣性是物體本身的固有屬性,是使物體保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的原因,而力則是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因．

活動(dòng)分析:利用問(wèn)題串的教學(xué)策略,通過(guò)層層遞進(jìn)的提問(wèn)和適時(shí)的引導(dǎo),讓學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入思考并形成正確理解．

教學(xué)活動(dòng)3:慣性的大小只與物體的質(zhì)量有關(guān).

播放生活中常見(jiàn)的慣性現(xiàn)象,讓學(xué)生結(jié)合生活體驗(yàn),真切感受到慣性與質(zhì)量的關(guān)系．如:火車啟動(dòng)時(shí),空車和滿載時(shí)哪個(gè)更好啟動(dòng)?騎自行車剎車時(shí),單人時(shí)和載人時(shí)哪個(gè)更容易停下來(lái)?

活動(dòng)分析:利用抽象問(wèn)題具體化策略,可以將理論和實(shí)際緊密聯(lián)系起來(lái),既解釋了生活現(xiàn)象,又深化了學(xué)生對(duì)理論的理解．讓學(xué)生感受到物理存在于生活的各個(gè)方面,有助于樹(shù)立理論聯(lián)系實(shí)際的良好學(xué)風(fēng)．

教學(xué)活動(dòng)4:慣性大小與速度無(wú)關(guān).

例題.一個(gè)小車以15m/s的速度行駛,它完全停下來(lái)需要3s;當(dāng)這個(gè)小車以20m/s的速度行駛時(shí),它要完全停下來(lái)需要4s,問(wèn):兩個(gè)過(guò)程中小車的慣性大小相同嗎?對(duì)本題來(lái)說(shuō),運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度具體指的是什么?

經(jīng)過(guò)交流發(fā)現(xiàn),對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題,認(rèn)為慣性不一樣的學(xué)生給出的原因是,小車在第二種情況停下來(lái)所需時(shí)間大于第一種情況,所以說(shuō)它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較難改變,即慣性較大．支持慣性不變的多數(shù)學(xué)生的理由則是因?yàn)槲覀冎耙呀?jīng)學(xué)習(xí)過(guò)慣性只和質(zhì)量有關(guān),因?yàn)槭峭惠v小車,質(zhì)量不變所以慣性不變．只有極少部分學(xué)生是真正理解了慣性的本質(zhì)．對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題,要引導(dǎo)學(xué)生比較單位時(shí)間內(nèi)汽車速度的變化量,明確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度并不是指小汽車從運(yùn)動(dòng)到靜止這個(gè)過(guò)程所用時(shí)間的長(zhǎng)短,而是說(shuō)在單位時(shí)間內(nèi)汽車的速度的變化量,變化量越大,我們就說(shuō)它越容易改變,即慣性越?。畬?duì)于本題中的小車,不管它以多大的速度行駛,剎車時(shí)單位時(shí)間內(nèi)速度的改變量都是5m/s．因?yàn)檫€是同一輛小車,它的質(zhì)量沒(méi)變,所以慣性不變．

活動(dòng)分析:慣性是一個(gè)很抽象的概念,中學(xué)生的抽象思維發(fā)展水平還不高,對(duì)于慣性本質(zhì)的理解還存在困難,需要借助于具體的問(wèn)題來(lái)幫助理解．利用抽象問(wèn)題具體化策略可以幫助學(xué)生順利形成對(duì)慣性的理解．

以上我們基于PCK理論深入分析了牛頓第一定律的教學(xué)．對(duì)于高中物理教學(xué),我們可以從PCK內(nèi)涵的4個(gè)方面重點(diǎn)分析教學(xué)內(nèi)容,基于物理學(xué)科的特點(diǎn)以及物理學(xué)科中最核心的知識(shí)基礎(chǔ),落實(shí)到當(dāng)前課堂所要教授的具體知識(shí)上,不僅要對(duì)課程知識(shí)進(jìn)行整體把握和分析,還要深入了解學(xué)生對(duì)于該知識(shí)的認(rèn)識(shí),包括有利和不利的因素以及學(xué)生可能出現(xiàn)的困難等,然后以最易于學(xué)生理解的方式組織和展開(kāi)教學(xué)活動(dòng),提高課堂教學(xué)的有效性．