初中“牛頓第一定律”教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

朱春 邢紅軍 孫鐵楠

摘 要：鑒于初中牛頓第一定律教學(xué)中存在的困難，從牛頓第一定律“是什么”、牛頓第一定律“為什么”以及牛頓第一定律“變什么”三個(gè)角度出發(fā)，對(duì)初中牛頓第一定律進(jìn)行了創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在厘清牛頓第一定律的教學(xué)邏輯，使學(xué)生更易于理解和掌握牛頓第一定律，從而能夠更好地完成知識(shí)建構(gòu).

關(guān)鍵詞：教學(xué)設(shè)計(jì);教學(xué)邏輯;牛頓第一定律

文章編號(hào)：1008-4134（2020）06-0048 ? ?中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 教材分析與研究

現(xiàn)行人教版初中物理教材的“牛頓第一定律”編寫(xiě)，通過(guò)對(duì)比亞里士多德與伽利略的觀點(diǎn)，從而得出結(jié)論：運(yùn)動(dòng)的物體之所以會(huì)停下來(lái)，是因?yàn)槭艿搅俗枇?進(jìn)一步借助于“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”演示實(shí)驗(yàn)，從而得出了牛頓第一定律;教材最后給出了慣性概念，并利用“金屬片沒(méi)有隨小球飛出”“汽車(chē)剎車(chē)或啟動(dòng)時(shí)，乘客會(huì)前傾或后仰”等生活中的實(shí)例，來(lái)加深學(xué)生對(duì)慣性概念的認(rèn)識(shí)[1].

通過(guò)以上分析，不難看出，教材關(guān)于“牛頓第一定律”的編寫(xiě)還存在以下改進(jìn)的空間：首先，教材在牛頓第一定律的描述中，沒(méi)有講清楚并強(qiáng)調(diào)在理想狀態(tài)下，物體有且僅有兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).其次，教材在建立牛頓第一定律后，直接給出了慣性的概念，沒(méi)有講清楚正是由于物體具有慣性，物體才能夠保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).最后，教材雖建立了牛頓第一定律，但沒(méi)有提及若改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要什么條件，即沒(méi)有強(qiáng)調(diào)“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”.這就會(huì)影響學(xué)生對(duì)于牛頓第一定律的理解.基于上述分析，不難發(fā)現(xiàn)，教材并沒(méi)有很好地建構(gòu)邏輯，根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，初中生的認(rèn)知發(fā)展水平還停留在前運(yùn)算階段和具體運(yùn)算階段，混亂的邏輯容易使學(xué)生形成對(duì)牛頓第一定律的一種模糊認(rèn)識(shí).因此，為了使學(xué)生更加有效地學(xué)習(xí)牛頓第一定律，就有必要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)，從而幫助學(xué)生更好地理解這一規(guī)律的本質(zhì).有鑒于此，通過(guò)建構(gòu)清晰嚴(yán)密的教學(xué)邏輯，并結(jié)合教學(xué)比喻，使復(fù)雜的教學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)單化，以期幫助學(xué)生更好地掌握牛頓第一定律.

2 牛頓第一定律的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)

據(jù)以上分析，本文從牛頓第一定律的“是什么”、牛頓第一定律的“為什么”以及牛頓第一定律的“變什么”三個(gè)角度，對(duì)初中牛頓第一定律教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì).

2.1 牛頓第一定律的“是什么”——兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，就初中牛頓第一定律的教學(xué)研究大都著眼于破除學(xué)生頭腦中的錯(cuò)誤前科學(xué)概念，即“力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”，教學(xué)設(shè)計(jì)主要通過(guò)演示斜面小車(chē)實(shí)驗(yàn)，而后經(jīng)過(guò)合理的邏輯外推，最終建立牛頓第一定律.不可置否的是，斜面實(shí)驗(yàn)不僅具有很強(qiáng)的操作性，而且與伽利略設(shè)計(jì)的斜面實(shí)驗(yàn)有異曲同工之妙，通過(guò)還原物理學(xué)家對(duì)這一問(wèn)題的研究過(guò)程，幫助學(xué)生理解牛頓第一定律.然而，目前許多教材和教師都把重點(diǎn)放在了如何通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)并運(yùn)用極限推理來(lái)建立牛頓第一定律上，實(shí)驗(yàn)看似“轟轟烈烈”，但得出牛頓第一定律后卻沒(méi)有進(jìn)一步深入這一定律，講清楚牛頓第一定律到底“是什么”，只是生搬硬套牛頓第一定律的表述，因而并未真正觸及牛頓第一定律的本質(zhì).

初中牛頓第一定律的內(nèi)容為：一切物體在沒(méi)有受到力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[2].從牛頓第一定律的表述中不難看出，這一表述并沒(méi)有講清楚并強(qiáng)調(diào)物體在不受力的條件下有且僅有兩種狀態(tài)：靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而只是“保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”.由于對(duì)“兩種狀態(tài)”的處理較為隱晦，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這一定律的認(rèn)識(shí)不夠清晰.因此，應(yīng)向?qū)W生強(qiáng)調(diào)指出，根據(jù)牛頓第一定律，不受力的作用的物體，有且僅有兩種狀態(tài)：靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).并由此總結(jié)出兩個(gè)子結(jié)論：

結(jié)論1：原先靜止的物體，如果不受外力，將一直保持靜止.如靜止放置在書(shū)桌上的課本、靜止懸掛在教室上方的燈管，若不對(duì)其施加力的作用，它們將會(huì)一直保持靜止.

結(jié)論2：原來(lái)運(yùn)動(dòng)的物體，如果不受外力，將一直保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).如斜面實(shí)驗(yàn)的小車(chē)，若沒(méi)有阻力作用在小車(chē)上，小車(chē)將在水平面上一直保持勻速直線運(yùn)動(dòng)至無(wú)限遠(yuǎn);斜向上拋出的石塊，若沒(méi)有受到重力的作用，將以斜向上的初速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)[3].

也即是說(shuō)，如果物體不受外力，那么只存在兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).至此，學(xué)生在頭腦中便初步建立了牛頓第一定律的運(yùn)動(dòng)圖像.如圖1所示：

2.2 牛頓第一定律的“為什么”——慣性

通過(guò)第一階段的教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)了解到：一切物體在不受外力的作用時(shí)，將保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這是牛頓第一定律的“是什么”，進(jìn)一步，教師還要引導(dǎo)學(xué)生思考牛頓第一定律的“為什么”.即物體為什么會(huì)保持這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呢？這就需要引入慣性這一概念來(lái)進(jìn)行釋疑.

慣性是物體的固有屬性，是指物體對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的抵抗性，是物體保持當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種能力.慣性越大，物體保持當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力就越強(qiáng)[4]. 正因?yàn)橛袘T性的存在，物體才具有保持當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力，也即是說(shuō)，物體因?yàn)榫哂袘T性，所以現(xiàn)在是靜止?fàn)顟B(tài)，將一直保持靜止?fàn)顟B(tài)，現(xiàn)在是勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將一直保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).這就不難解釋?zhuān)瑸槭裁葱≤?chē)在不受力的情況下能夠一直保持勻速直線運(yùn)動(dòng)了.需要強(qiáng)調(diào)指出的是，不論物體是否受到力的作用，物體都具有慣性，慣性是物體的固有屬性.

如圖2所示，在自救匝道遠(yuǎn)離公路的一段鋪上石子，而靠近公路的一段不鋪設(shè)石子，這樣做的原因是：若將整個(gè)坡道都鋪滿(mǎn)石子，失控的貨車(chē)沖上匝道后，整個(gè)車(chē)子將被一下制動(dòng)下來(lái)，此時(shí)車(chē)身雖然停止運(yùn)動(dòng)，而車(chē)上裝載的貨物因?yàn)閼T性會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，這就會(huì)導(dǎo)致貨物將貨車(chē)駕駛室撞飛，具有巨大的危險(xiǎn)性;而若坡道起始不鋪設(shè)石子，失控的貨車(chē)沖上匝道后，貨車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，不僅“貨車(chē)”的速度得以降低，同時(shí)車(chē)上“貨物”的速度也得以降低，貨車(chē)再經(jīng)過(guò)坡道時(shí)，貨車(chē)和貨物便都能夠平安地制動(dòng)，從而避免發(fā)生危險(xiǎn).

2.3 牛頓第一定律的“變什么”——運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何改變

針對(duì)教材編寫(xiě)的第三個(gè)問(wèn)題：教材雖然建立了牛頓第一定律，但卻沒(méi)有明確提及改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要什么條件，即“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”.這就涉及到第三個(gè)教學(xué)重點(diǎn)環(huán)節(jié)，當(dāng)物體受到力的作用時(shí)，將會(huì)改變?cè)瓉?lái)的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

力是物體對(duì)物體的作用，這種作用能夠使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或形狀發(fā)生改變.從亞里士多德時(shí)代開(kāi)始，人們一直相信運(yùn)動(dòng)是由力來(lái)維持的.牛頓第一定律否定了這種根深蒂固的偏見(jiàn)，通過(guò)不受力作用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描繪，揭示出力才是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因[5].在小車(chē)實(shí)驗(yàn)中，在不受力作用的理想條件下，小車(chē)因?yàn)榫哂袘T性將一直保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，但不論是在毛巾還是平板上滑行，小車(chē)最終都會(huì)停止在水平面上的某個(gè)位置，這是因?yàn)樾≤?chē)與平板間存在摩擦阻力，正是這一阻力改變了小車(chē)勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，小車(chē)才最終停止運(yùn)動(dòng).

至此，學(xué)生便清楚了物體不受力時(shí)的兩種狀態(tài)：靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài);也清楚了為何物體保持這兩種狀態(tài)的原因以及如何改變這兩種狀態(tài).再通過(guò)將物體與人作比喻，就可以更加深入地理解牛頓第一定律.見(jiàn)表1.

從表1不難看出，在不受外力時(shí)，物體只有兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).人同樣只有兩種狀態(tài)：睡眠狀態(tài)和清醒狀態(tài);物體為何可以保持這兩種狀態(tài)？因?yàn)槲矬w具有慣性.人為何可以保持這兩種狀態(tài)？因?yàn)槿司哂猩?物體如何改變這兩種狀態(tài)？給物體施加力的作用.人如何改變這兩種狀態(tài)？得了要命的疾病.顯然，通過(guò)清晰順暢的教學(xué)邏輯，形象具體的教學(xué)比喻，深刻地揭示了牛頓第一定律的教學(xué)本質(zhì).

3 教學(xué)啟示

基于以上創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)，可以得到以下三點(diǎn)啟示.

3.1 物理教學(xué)要注重邏輯的完整連貫

邏輯完整連貫的物理教學(xué)有助于幫助學(xué)生建構(gòu)良好的認(rèn)知圖結(jié)構(gòu).基于此，本文的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)就包括了以下三個(gè)環(huán)節(jié)：（1）牛頓第一定律的“是什么”;（2）牛頓第一定律的“為什么”;（3）牛頓第一定律的“變什么”.很顯然，三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)，為學(xué)生呈現(xiàn)出了清晰的教學(xué)脈絡(luò)，并有助于學(xué)生系統(tǒng)完整地掌握牛頓第一定律.圖3為牛頓第一定律的教學(xué)邏輯圖. ? 3.2 重視“比喻”在物理教學(xué)中的作用

在牛頓第一定律的教學(xué)中，存在著從真實(shí)實(shí)驗(yàn)合理外推至理想實(shí)驗(yàn)、慣性概念抽象難懂、教學(xué)環(huán)節(jié)多而繁雜等諸多問(wèn)題，由于初中生的認(rèn)知發(fā)展水平尚處于前運(yùn)算階段和具體運(yùn)算階段，對(duì)較為抽象的牛頓第一定律往往難于理解.通過(guò)將物體比喻成人，學(xué)生就會(huì)在厘清牛頓第一定律理論脈絡(luò)的同時(shí)，更好地理解牛頓第一定律的本質(zhì).初中物理教學(xué)還有很多知識(shí)都可以運(yùn)用“比喻”，比如將電壓比作水壓、聲波比作水波以及電勢(shì)比作地勢(shì)等.在初中物理教學(xué)中，正確運(yùn)用“比喻”，不僅可以使抽象概念具體化，復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，還可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，從而有效地提高初中物理教學(xué)質(zhì)量.

3.3 注重詮釋物理概念的本質(zhì)

如何講好慣性這一概念，是許多初中物理教師面臨的一個(gè)難題.由于大多數(shù)初中學(xué)生對(duì)慣性的理解還停留在比較膚淺的認(rèn)識(shí)層面，而現(xiàn)行人教版初中物理教材在處理時(shí)，是根據(jù)牛頓第一定律引出了慣性的概念，顯然，這一處理方式還有待探討.這是因?yàn)?，牛頓第一定律成立的前提條件是物體不受力的作用，學(xué)生就可能會(huì)想，物體只有在不受力的作用時(shí)才具有慣性，若物體受力時(shí)，對(duì)于物體是否仍具有慣性卻不得而知，這樣學(xué)生很容易將物體不受力與慣性聯(lián)系在一起.因此，在慣性概念教學(xué)時(shí)，必須向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，一切物體不論是否受力，也不論是否受力平衡，還是是否運(yùn)動(dòng)，物體都具有慣性，慣性是物體的固有屬性.所以教師應(yīng)當(dāng)向?qū)W生澄清，牛頓第一定律也稱(chēng)為慣性定律，但并非是慣性的定律，從而加深學(xué)生對(duì)慣性概念本質(zhì)的理解.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2019-11-09）