初高中物理教材對(duì)牛頓第一定律的編寫對(duì)比分析

王曉迪，曾雙維

（貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550000）

牛頓第一定律在初高中的教材中都有呈現(xiàn)，足以證明該節(jié)內(nèi)容的重要性，該節(jié)內(nèi)容知識(shí)呈現(xiàn)出一種螺旋式上升的特點(diǎn)，學(xué)生經(jīng)過(guò)初中階段的學(xué)習(xí)，能知道大部分知識(shí)并能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地表達(dá)出來(lái)，因此高中階段在進(jìn)行牛頓第一定律的教學(xué)時(shí)，需要明確初高中階段教材對(duì)“牛頓第一定律”的內(nèi)容設(shè)計(jì)有什么區(qū)別與聯(lián)系、側(cè)重點(diǎn)是什么、初高中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展情況有何異同，各個(gè)階段教師在教學(xué)中需要注意哪些教學(xué)問(wèn)題，正確把握教學(xué)的度，讓初中學(xué)生學(xué)得明白，高中學(xué)生學(xué)得有深度。

一、牛頓第一定律的建立線索

（一）初中教材：以“阻力”為線索建立牛頓第一定律

以人教版教材為例，牛頓第一定律出現(xiàn)在八年級(jí)下冊(cè)第八章第一節(jié)，如圖1，教材一開始通過(guò)生活中滑板車的例子提出物體運(yùn)動(dòng)需要力，板車停下的原因是受到阻力，然后從兩個(gè)緯度：“運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持”“運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持”提出阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)斜面木板實(shí)驗(yàn)外推水平木板越來(lái)越光滑時(shí)物體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)而得到牛頓第一定律的內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)，初中關(guān)于牛頓第一定律的建立以阻力為線索，然后采用實(shí)驗(yàn)外推進(jìn)而建立“牛頓第一定律”的概念。

圖1 初中教材以"阻力"為線索

（二）高中教材：以“歷史”為線索建立牛頓第一定律

以人教版2019 版教材為例，教材設(shè)計(jì)了“問(wèn)題”欄目，以問(wèn)題導(dǎo)入新課，讓學(xué)生在初中所學(xué)基礎(chǔ)上回答牛頓第一定律揭示了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)遵循怎樣的規(guī)律，然后從“歷史”發(fā)展出發(fā)，如圖2，介紹了亞里士多德關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的觀點(diǎn)，提出力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，緊接著介紹伽利略通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)推翻亞里士多德觀點(diǎn)，最后由笛卡爾進(jìn)行補(bǔ)充、牛頓總結(jié)得到牛頓第一定律的內(nèi)容。高中教材從亞里士多德到伽利略再到笛卡爾和牛頓，先后敘述了四位科學(xué)家關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的思考與觀點(diǎn)，通過(guò)回顧科學(xué)家對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的探索過(guò)程，以歷史為線索講述了科學(xué)家對(duì)牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，以時(shí)間為主線得到牛頓第一定律的概念。

圖2 高中教材以"歷史"為線索

初高中教材關(guān)于牛頓第一定律的建立過(guò)程線索不同，初中從生活出發(fā)以阻力為線索最終得到牛頓第一定律的內(nèi)容，而高中則選擇以歷史為線索根據(jù)時(shí)間軸得到牛頓第一定律的內(nèi)容。相同的是，兩種方式均得到“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”的結(jié)論以及牛頓第一定律內(nèi)容。

二、牛頓第一定律的表述

初中物理教材對(duì)牛頓第一定律的陳述為：“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)?！比鐖D3，該表述強(qiáng)調(diào)力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。高中物理教材對(duì)牛頓第一定律的陳述為：“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)?！比鐖D4，強(qiáng)調(diào)力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

圖3 初中教材牛頓第一定律表述

圖4 高中教材牛頓第一定律表述

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，初中牛頓第一定律的表述雖然不能體現(xiàn)力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，但是便于初中學(xué)生理解；高中的表述揭示了力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，更有深度，高中學(xué)生認(rèn)知方面有所提高，理解起來(lái)也容易。

三、牛頓第一定律內(nèi)容編寫的側(cè)重點(diǎn)

（一）初中教材：側(cè)重于“慣性”

初中物理教材中在給出了牛頓第一定律內(nèi)容之后，重點(diǎn)介紹了慣性，詳細(xì)介紹了慣性的概念、性質(zhì)、影響因素、生活中常見的慣性現(xiàn)象解釋，關(guān)于慣性部分的內(nèi)容篇幅明顯大于牛頓第一定律的建立過(guò)程，如圖5，也就是說(shuō)，初中牛頓第一定律這節(jié)課的側(cè)重點(diǎn)是慣性。

圖5 初中教材"慣性"

（二）高中教材：側(cè)重于“牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程”

高中教材采用較大篇幅敘述科學(xué)家對(duì)于牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)，尤其詳細(xì)介紹了伽利略的理想實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如圖6，以“理想實(shí)驗(yàn)的魅力”為主題，介紹了伽利略對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，它如何設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)以及理想實(shí)驗(yàn)中涉及的科學(xué)研究方法。而對(duì)于慣性知識(shí)的講解僅強(qiáng)調(diào)了質(zhì)量是描述物體慣性的物理量，并在擴(kuò)展學(xué)習(xí)中介紹了慣性系。由此可以看出，高中側(cè)重牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)科學(xué)家對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的研究思維。

圖6 高中教材"理想實(shí)驗(yàn)的魅力"

所以，初中牛頓第一定律這節(jié)課上，慣性的知識(shí)是側(cè)重點(diǎn)，也就是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)，高中教材中牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程是側(cè)重點(diǎn)，科學(xué)家研究力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系中的思維是本節(jié)課教學(xué)重點(diǎn)。

四、學(xué)生心理認(rèn)知發(fā)展對(duì)教材編寫的影響

（一）初中學(xué)生認(rèn)知主要來(lái)源于親身經(jīng)歷及對(duì)具體事物的認(rèn)識(shí)

根據(jù)皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段理論，中學(xué)階段學(xué)生認(rèn)知發(fā)展處于從具體思維到抽象思維的過(guò)渡階段，所以初高中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律有所不同。初中學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收學(xué)習(xí)主要來(lái)源于對(duì)具體事物的認(rèn)識(shí)或者親身經(jīng)歷的感受。初中教材中關(guān)于牛頓第一定律的建立，從生活中滑板車實(shí)例引出阻力，進(jìn)而從阻力出發(fā)利用木板設(shè)計(jì)不同接觸面上物體運(yùn)動(dòng)情況來(lái)探究阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，從引入到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)均來(lái)源于生活，從學(xué)生親身經(jīng)歷和學(xué)生直接可感知的具體事物出發(fā)，符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展情況。同時(shí)，通過(guò)前面的分析知道初中階段側(cè)重于“慣性”，慣性是生活中常見的現(xiàn)象，學(xué)生在生活中經(jīng)常體會(huì)到剎車、公交車轉(zhuǎn)彎等常見慣性現(xiàn)象，都是具體的事物和學(xué)生的親身感受，符合初中教材對(duì)“慣性”知識(shí)的側(cè)重安排，整個(gè)教材安排遵循“從生活走向物理，從物理走向生活”的基本理念。

（二）高中學(xué)生認(rèn)知來(lái)源于學(xué)生對(duì)具體概念、規(guī)律的思維過(guò)程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的思維方式與能力的培養(yǎng)

高中階段，學(xué)生需要學(xué)習(xí)的是具體的概念、規(guī)律等抽象知識(shí)。高中教材以科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)歷史為線索建立牛頓第一定律，學(xué)生通過(guò)認(rèn)識(shí)科學(xué)家在當(dāng)時(shí)對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的思考，體會(huì)科學(xué)家的思維過(guò)程，并側(cè)重于伽利略理想實(shí)驗(yàn)的介紹，這些都是抽象的，不再是生活中的具體事物，需要學(xué)生有一定的抽象思維能力去感受、想象、認(rèn)識(shí)規(guī)律的產(chǎn)生過(guò)程，體現(xiàn)了高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維、科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，所以高中階段教材關(guān)于牛頓第一定律的建立線索與側(cè)重點(diǎn)是符合高中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的。

五、總結(jié)與建議

基于以上對(duì)初高中物理教材中牛頓第一定律的編排以及初高中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展情況分析，初高中物理教材關(guān)于牛頓第一定律的編寫有明顯的區(qū)別：初中以“阻力”為線索展開，高中以“歷史人物”為線索展開；初中側(cè)重于“慣性”，高中側(cè)重于“理想實(shí)驗(yàn)”；此外，初中學(xué)生獲取知識(shí)來(lái)源于具體事物或親身經(jīng)歷，高中學(xué)生獲取知識(shí)需要更高的抽象思維能力，所以教師在面對(duì)不同階段的學(xué)生時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取合適的方式進(jìn)行教學(xué)，以促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，基于以上分析，對(duì)初高中教師在進(jìn)行牛頓第一定律的教學(xué)提出如下建議。

1.初中階段：不建議在課堂上進(jìn)行伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，而應(yīng)當(dāng)抓住阻力為線索，進(jìn)行阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響實(shí)驗(yàn)，得到牛頓第一定律。教師需注意本節(jié)課的側(cè)重點(diǎn)是“慣性”，教學(xué)中要留有足夠的時(shí)間并準(zhǔn)備充分的生活實(shí)例；在教學(xué)過(guò)程中注意結(jié)合學(xué)生生活實(shí)際進(jìn)行教學(xué)，從學(xué)生生活出發(fā)，符合學(xué)生認(rèn)知。

2.高中階段：不建議將初中阻力影響運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)搬到高中課堂中進(jìn)行，而是著重于伽利略理想實(shí)驗(yàn)的介紹，體現(xiàn)高中階段的教學(xué)深度。教學(xué)中側(cè)重于伽利略的理想實(shí)驗(yàn)及對(duì)牛頓第一定律的本質(zhì)分析，強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生感受科學(xué)家的科學(xué)思維，尤其是伽利略“理想實(shí)驗(yàn)”的美妙之處，注重學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究能力的培養(yǎng)；關(guān)于慣性的知識(shí)，初中階段學(xué)生已經(jīng)熟練掌握，簡(jiǎn)單說(shuō)明介紹即可。