“牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計(jì)探討

摘要：牛頓第一定律作為動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，分兩次出現(xiàn)在初、高中的物理教學(xué)中，但相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)其理解和掌握的情況卻不盡人意，這與當(dāng)前高中階段輕視牛頓第一定律的概念教學(xué)有很大關(guān)系。本文對(duì)牛頓第一定律的教學(xué)策略與設(shè)計(jì)作了探討，為改變上述現(xiàn)狀提供了可借鑒的思路或參考。

關(guān)鍵詞：牛頓第一定律；教學(xué)設(shè)計(jì)；力和運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2006)10(S)-0014-3

1問題的提出

多年的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在頭腦中建立正確的力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的過程，并非一帆風(fēng)順，常常形成與亞里士多德相似的觀點(diǎn)，且根深蒂固。有調(diào)查顯示：有關(guān)力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的錯(cuò)誤理解是非常普遍的，也是較為嚴(yán)重的①。這種狀況在某些學(xué)生身上甚至可能持續(xù)到高中畢業(yè)。牛頓第一定律的內(nèi)容甚至能一字不差地背得爛熟，但處理具體的實(shí)際問題時(shí)，一些直覺的錯(cuò)誤觀點(diǎn)——即誤概念(Misconception)不時(shí)冒出來(lái)。在這一部分學(xué)生的頭腦中存在著嚴(yán)重的“口是心非”問題，其原因應(yīng)引起一線教師的反思。

筆者發(fā)現(xiàn)，在目前的高中教學(xué)中，有一種輕視牛頓第一定律教學(xué)的傾向。相當(dāng)多的教師認(rèn)為，最有效的方法是按邏輯次序直接傳授給學(xué)生正確的知識(shí)。這實(shí)際上是把學(xué)生視為一張白紙，試圖直接將“真理”寫上去。這樣做對(duì)消除學(xué)生由于直覺產(chǎn)生的類似亞里士多德的錯(cuò)誤是極為不利的。

2教材分析

事實(shí)上，人類對(duì)力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系問題的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)曲折漫長(zhǎng)的歷史過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程將大體重演這一過程。高中教材安排“牛頓第一定律”這節(jié)課的目的并不是簡(jiǎn)單的重復(fù)，與初中相比，至少有三方面的不同，一是知識(shí)內(nèi)容(定律的表達(dá))不同：初中——一切物體在沒有受到外力作用的時(shí)候，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：高中——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)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。高中教材中的表述具有更為豐富的內(nèi)涵，它強(qiáng)調(diào)了力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，突出了第一定律的獨(dú)立性和重要意義，也為學(xué)習(xí)牛頓第二定律做了一定的鋪墊，便于學(xué)生在頭腦中建構(gòu)一個(gè)動(dòng)力學(xué)的完整的系統(tǒng)理論。二是過程、方法(主要是演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、探究及思維深度)不同：初中——讓小車從斜面頂端滑下，分別滑到鋪有毛巾、棉布、木板的平面上；高中——演示伽利略對(duì)接斜面實(shí)驗(yàn)并推理，氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)的近似驗(yàn)證，突出了理想實(shí)驗(yàn)這種科學(xué)方法的價(jià)值所在。三是情感、態(tài)度、價(jià)值觀的體現(xiàn)不同：初中僅對(duì)牛頓第一定律建立的歷史一語(yǔ)帶過，高中教材在回顧歷史基礎(chǔ)上，借助于課后閱讀材料(愛因斯坦談伽利略的貢獻(xiàn))進(jìn)行歷史反思，突出科學(xué)推理(此處借助于理想實(shí)驗(yàn))的重要作用，特別是對(duì)糾正直覺錯(cuò)誤作用的肯定。

3教學(xué)策略 

經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)生們的前概念來(lái)源于自己的直覺。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)該充分利用這一頗具活力的課程資源，在學(xué)生原有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行特別的教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生將前概念轉(zhuǎn)化為正確概念。

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是：借鑒往屆學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中反映出的一般性問題的積累，認(rèn)真研究本屆學(xué)情，針對(duì)學(xué)生存在的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，針對(duì)學(xué)生思維的盲點(diǎn)、新舊認(rèn)知產(chǎn)生劇烈碰撞的疑點(diǎn)或展現(xiàn)物理科學(xué)方法的有效點(diǎn)，切中要害地提出一些問題。成功創(chuàng)設(shè)問題情境，可以激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突和探究欲望，使之進(jìn)入一種“憤悱”狀態(tài)。在問題解決過程中，讓學(xué)生暴露出自己的觀點(diǎn)，創(chuàng)建認(rèn)知沖突局面，展開討論或辯論，到一定火候，借助實(shí)驗(yàn)、觀察和推理，正本溯源，廓清誤解。通過問題解決，促使學(xué)生理性思考，改善自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，同時(shí)感悟科學(xué)的本質(zhì)，領(lǐng)略科學(xué)精神的真諦，接受科學(xué)思想方法的熏陶。 

4教學(xué)設(shè)計(jì)

(一)創(chuàng)設(shè)問題情境

思維永遠(yuǎn)是從問題開始的。因此，首先根據(jù)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)，要求他們思考并回答下列問題：

1、要改變一個(gè)靜止的物體的位置，即使它運(yùn)動(dòng)起來(lái)，你有什么辦法?運(yùn)動(dòng)與什么因素有關(guān)?(暴露直覺經(jīng)驗(yàn)：運(yùn)動(dòng)與力的作用有關(guān))

2、一輛四匹馬拉的車比一輛兩匹馬拉的車走得更快。由此你可以得出什么結(jié)論?(暴露直覺經(jīng)驗(yàn)：力越大，運(yùn)動(dòng)得越快)

3、在水平路面上用力推車，車才運(yùn)動(dòng)；停止用力，車靜止。由此你能得出什么結(jié)論?(暴露直覺經(jīng)驗(yàn)：運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持)

4、在第3個(gè)問題中，停止用力后，小車是否立刻停止?怎樣增加小車?yán)^續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離?(引導(dǎo)學(xué)生深入研究第3個(gè)問題，目的是引起學(xué)生對(duì)直覺經(jīng)驗(yàn)的反思，在學(xué)生中間產(chǎn)生對(duì)立面或在每個(gè)人的頭腦中產(chǎn)生認(rèn)知沖突)。

總結(jié)一下自己的觀點(diǎn)，并把它寫下來(lái)。你還能舉出哪些實(shí)例來(lái)支持或證明自己的觀點(diǎn)?

(二)展開辯論

將學(xué)生的不同回答進(jìn)行分類，不外乎以下兩種對(duì)立的觀點(diǎn)：

(1)有力才有運(yùn)動(dòng)，且對(duì)一個(gè)物體的作用力越大，物體運(yùn)動(dòng)得越快，停止用力，物體將不再運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)本身標(biāo)志有沒有外力作用于物體上。因此，物體的運(yùn)動(dòng)與力有關(guān)。

(2)物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持，力可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

將持有第一種觀點(diǎn)的學(xué)生姑且作為“正方”，持第二種觀點(diǎn)的學(xué)生作為“反方”，展開辯論。最終，焦點(diǎn)會(huì)集中在：力和運(yùn)動(dòng)(或速度)有關(guān)，還是力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變有關(guān)。為了教學(xué)需要，教師應(yīng)站在“正方”，盡自己所能堅(jiān)持己見，調(diào)動(dòng)“反方”的一切積極因素，直到“反方”將更充分的理由挖掘出來(lái)進(jìn)行反駁，證偽“正方”，將更多學(xué)生的思維引導(dǎo)到理性批判的軌道，最終將認(rèn)識(shí)統(tǒng)一到“反方”觀點(diǎn)上來(lái)。 

(三)實(shí)驗(yàn)觀察和探究——為上述觀點(diǎn)尋找感性支持，用演示實(shí)驗(yàn)充分揭示摩擦力對(duì)物體的作用和對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。 

1、演示斜面實(shí)驗(yàn)

把金屬絲彎成如右圖所示的軌道，讓玻璃小球從左邊某一位置A滑下，達(dá)到右邊最高點(diǎn)B，可以看到B比A低。

分析原因并進(jìn)行推理和猜測(cè)：若減小摩擦力和空氣阻力的影響，結(jié)果怎樣?將條件推向極端——當(dāng)摩擦力和空氣阻力為零時(shí)呢?

當(dāng)然，此種情況用實(shí)驗(yàn)做不到。但伽利略正是根據(jù)這一推理構(gòu)想了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，找到了隱藏在表面現(xiàn)象之后的力和運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)。

2、介紹伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上，牛頓第一定律是利用邏輯思維對(duì)事實(shí)進(jìn)行分析的產(chǎn)物，不可能用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證。并進(jìn)行思維點(diǎn)撥：該理想實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是什么?進(jìn)行推理時(shí)忽略了什么次要因素?抓住了什么主要因素?

3、氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)對(duì)上述結(jié)論的近似驗(yàn)證：雖然物體不受阻力的條件無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但隨著科技的進(jìn)步可以將摩擦力減小到很小，以接近理想情況。介紹氣墊導(dǎo)軌減小摩擦力的方法和光電門的作用。現(xiàn)象：滑塊在氣墊導(dǎo)軌上的速度幾乎不變(兩端除外)，進(jìn)而說(shuō)明伽利略觀點(diǎn)的正確性。

(四)歷史回顧

1、閱讀課本內(nèi)容和課后《閱讀材料》，了解人類探索力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的曲折與艱辛。

2、回答問題：

(1)從人類對(duì)力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的探究過程，你得到什么啟示?

引導(dǎo)學(xué)生反思直覺經(jīng)驗(yàn)的錯(cuò)誤原因——僅憑對(duì)觀察現(xiàn)象的直覺，沒有進(jìn)一步理論思維，因此造成必須施加一定的外力才能使運(yùn)動(dòng)得以維持的假象；洞察伽利略是如何站在巨人的肩膀上，突破亞里士多德觀念的束縛，找到真正解決問題的出路的。

亞里士多德的力維持運(yùn)動(dòng)的觀念所以能延續(xù)兩千多年，正是由于人們過分相信了“直覺”而沒拿起“實(shí)驗(yàn)”這一科學(xué)研究的武器。伽利略被人們譽(yù)為“實(shí)驗(yàn)科學(xué)之父”是當(dāng)之無(wú)愧的。

(2)定律為什么不以伽利略的名字命名?(使學(xué)生了解從亞里士多德、伽利略、笛卡兒到牛頓，人們對(duì)慣性定律的認(rèn)識(shí)是如何逐步逼近真理的)

(3)牛頓第一定律包含了哪些內(nèi)容?(使學(xué)生對(duì)定律的認(rèn)識(shí)比初中提高一步)

(五)問題解決

1、牛頓第一定律

(1)內(nèi)容：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)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。

與學(xué)生共同總結(jié)：該定律包含幾層含義?與初中的表達(dá)方式有何不同?這一規(guī)律的意義何在?

(2)意義：正確回答了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系問題，明確了力的作用效果是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。揭示了任何物體都具有一種保持其原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性即慣性。

2、慣性概念的理解與辨析

(1)慣性概念：一切物體具有的保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)(原來(lái)靜止的保持靜止，原來(lái)運(yùn)動(dòng)的保持這個(gè)速度勻速運(yùn)動(dòng))。

(2)理解與辨析：

慣性是物體的固有屬性——一切物體(包括固、液、氣體)具有的保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的本性(可比喻為“惰性”)。既是本性，則凡物體時(shí)刻皆具有，不會(huì)隨外界條件或自身狀態(tài)的變化而變化或消失(通過生活中的實(shí)例說(shuō)明)。

辨析錯(cuò)誤概念：外力大則慣性小，外力小則慣性大；高速運(yùn)動(dòng)的火車急剎車后仍有巨大的慣性、踢出去的足球有向前的沖力；速度大、剎車難是因?yàn)樗俣却蟆T性也大等。

小結(jié)：慣性不是力、不是速度(教學(xué)實(shí)踐證明，對(duì)于慣性的理解，想通過一節(jié)課的教學(xué)讓學(xué)生真正掌握并非易事，還需要在后續(xù)教學(xué)中，有針對(duì)性地糾正學(xué)生可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí))

3、重新回答并解釋開課伊始的四個(gè)問題(要想徹底排除學(xué)生頭腦中的誤概念對(duì)所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的負(fù)面影響，只有讓學(xué)生在嘗試錯(cuò)誤并努力糾正錯(cuò)誤的過程中才能實(shí)現(xiàn))。

(六)鞏固練習(xí)

1、分析物體受力：在水平路面上關(guān)閉油門后行駛的汽車、沿光滑斜面向下滑動(dòng)的物體、沿光滑斜面向上、沿粗糙斜面向上滑動(dòng)的物體(鞏固對(duì)“力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系”的認(rèn)識(shí))。

2、有人提出一個(gè)省時(shí)省力且非常經(jīng)濟(jì)的環(huán)游世界的方法：乘坐一個(gè)熱氣球升到一定高度，24小時(shí)內(nèi)即可環(huán)游地球一周，這種方法可行嗎?為什么?(加深對(duì)慣性概念的理解)。

(七)作業(yè)——加深對(duì)牛頓第一定律及慣性概念的理解(課后作業(yè)不應(yīng)只是訓(xùn)練用公式解題，而應(yīng)幫助學(xué)生聯(lián)系現(xiàn)實(shí)世界，消化內(nèi)容，加深理解，以便使原有概念轉(zhuǎn)化為物理概念，并增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用物理語(yǔ)言表達(dá)物理概念的能力) 。 

1、船在水中勻速行駛時(shí)，有一人在船尾向上跳起，他會(huì)落到水里嗎?為什么?

2、在伽利略所處的時(shí)代，人們反對(duì)哥白尼的地動(dòng)說(shuō)的一個(gè)重要論據(jù)如下：一塊石頭從高塔落下，如果地球做繞日運(yùn)動(dòng)，在此期間高塔已向東移動(dòng)了一段距離，從而石頭應(yīng)落在塔底以西同一距離。正像一鉛球從正在勻速行駛的帆船桅桿頂部下落時(shí)，應(yīng)落在桅桿腳后一段距離一樣。你怎樣反駁這種說(shuō)法?

3、以“假如沒有慣性”為題，寫一篇小論文。

筆者認(rèn)為，課堂中的很多內(nèi)容是中學(xué)生在日常和以往的學(xué)習(xí)中接觸過的(前概念業(yè)已形成)，這些前概念是學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)生活世界的理解和解釋，盡管不免片面或膚淺，仍對(duì)形成科學(xué)概念起著積極的推動(dòng)作用；但學(xué)生頭腦中的前概念往往不正確，這些誤概念對(duì)科學(xué)概念的形成將產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，不是一揮即去或不揮即去的。作為一線教師必須深刻認(rèn)識(shí)到教學(xué)的這一特點(diǎn)，及時(shí)了解學(xué)生存在哪些模糊或錯(cuò)誤概念，有的放矢地幫助學(xué)生從經(jīng)驗(yàn)的直覺或從似是而非的錯(cuò)誤概念上升到準(zhǔn)確的科學(xué)概念。

參考文獻(xiàn)：

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［3］趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程《力學(xué)》，高等教育出版社，1995年7月第一版.

［4］杜軍義.高中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的相異構(gòu)想初探 .物理教師， 2002—6.

(欄目編輯 趙保鋼)

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