高中“牛頓第一定律”的高端備課*

陸星琳 邢紅軍 張婷玉

(首都師范大學物理系，北京 100048)

牛頓第一定律作為高一物理教學的重要內容，一直以來都是教學的難點.教學實踐表明，學生往往憑借生活經驗形成頑固的前概念，從而導致對牛頓第一定律的虛假掌握.因此，如何破除學生頭腦中的前概念，就成為牛頓第一定律教學的關鍵.有鑒于此，我們立足于物理教育心理學的研究，對本節課進行物理高端備課的探討.

1 對傳統教材的分析

現行人教版高中物理教材首先引入亞里士多德的觀點，“必須有力作用在物體上，物體才能運動”，然后介紹伽利略斜面實驗，引導學生“猜想”:如果沒有摩擦力，減小第2個斜面的傾角，小球將仍達到同樣高度.并通過設問“斜面放平小球能達到多遠的位置?”，進而過渡到“理想實驗”.緊接著講述笛卡爾的觀點“如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續以同一速度沿同一直線運動，既不停下來也不偏離原來的方向”，從而引出“牛頓第一定律”.之后，用“冰壺”的例子，試圖讓學生深入理解牛頓第一定律，最終針對牛頓第一定律中兩個重要概念“慣性”與“質量”進行了解釋.［1］

筆者認為，教材的處理方式存在3個問題.第一，教材對于伽利略實驗中“減小第二斜面的傾角”與“第二斜面最終成為水平面”之間的闡述，并沒有解釋“小球最終停在距地面高度為h的斜面末端，如何將斜面視為水平面”這一關鍵問題，致使學生不能準確地理解理想化的內涵.第二，教材未能將慣性、質量兩個概念與牛頓第一定律結合，使得學生不能深刻理解定律本質，導致學生學習深度不足.最后，教材通過例舉冰壺例子，并未達到引發學生認知沖突的作用，也就不能破除學生頭腦中的前概念.

我們認為，牛頓第一定律的教學的核心在于:怎樣解釋清楚牛頓第一定律的“是什么”和“為什么”兩個問題.對于前者，需要解決如何讓學生通過伽利略實驗，并借助理想化實驗在邏輯上解釋清楚牛頓第一定律“是什么”的問題;對于后者，則需要借助“慣性”來闡明定律的本質，從而解釋牛頓第一定律中“為什么”的問題.另一方面，許多物理教師由于沒有認識到學生頭腦中前概念的隱蔽性與頑固性，往往使得牛頓第一定律的前概念與科學概念在學生的大腦中“和平共處”，并最終導致學生并未真正掌握牛頓第一定律.

2 彰顯教學邏輯的高端備課

2.1 依據“內因”、“外因”雙層邏輯建立牛頓第一定律

在教學的第一環節，需要依據教學的內在邏輯建立牛頓第一定律，這也是高端備課的基礎.伽利略實驗既是物理學家思維發展的結果，又是得出牛頓第一定律的重要實驗.如何利用伽利略實驗中所包含的理想化思想，合理解釋“小球最終停在距地面高度為h的斜面末端，但卻可以將斜面視為水平面”問題，就成為教學中需要著力解決的問題.為了解釋該問題并合乎邏輯地得出牛頓第一定律，教師應做如下講解:

圖1

如圖1(c)所示，在直角三角形BCD中，sinθ=h/BC，在取極限的情況下，由于h有限而BC無限，則sinθ→0，θ=0，于是右側斜面BC成為水平面，如圖1(d)所示.需要強調指出的是，如果斜面為有限長，則小球最終停留在斜面遠端;如果斜面為無限長，雖然其末端距離地面為h高，但小球仍會以不變的速度一直運動下去，此時無限長的“斜面”就變成了水平面，從而實現斜面到平面的轉變.在滿足理想化條件即不受外力和無限遠時，小球運動至無限遠需要無限長時間.如果沒有摩擦，小球將沿水平面以恒定速度持續運動下去.由此，在邏輯上自然而然地得出了牛頓第一定律:“一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態”，這就解釋了牛頓第一定律“是什么”的問題.

理想實驗只是得出牛頓第一定律的外因，牛頓第一定律成立的內因則是由慣性所決定的.由此，需要向學生講述慣性的概念，即“物體具有保持原來勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質”，“質量是慣性大小的量度”，強調“物體的運動不需要力來維持”.教師可以向學生做這樣的比喻，當無外力作用時，物體的運動如同時間的流逝一般，不需要外界任何物體來維持.牛頓第一定律揭示出“一切物體都有慣性”，故也稱為慣性定律.因此，牛頓第一定律的內涵不僅需要直觀現象的支撐(外因)，更需要思維方法的加工(內因)，這就解釋了牛頓第一定律“為什么的問題”.

2.2 破除學生頭腦中的前概念

常規教學能夠使學生建立牛頓第一定律，然而這遠非教學的終結.由于學生頭腦中普遍存在“力是維持物體運動狀態的原因”前概念，因此并非“正面”傳授知識就可輕易讓學生掌握牛頓第一定律.對此，我們認為，只有將學生置于生態化的問題情境中，才能有效地破除前概念.據此，我們選取如下原始物理問題展開有序教學.

首先，教師提出第1個問題.

(1)在勻速行駛的火車車廂內豎直向上拋鑰匙，問鑰匙落在拋出點何處?

研究表明，學生往往會認為“鑰匙落在拋出點沿車行駛方向的后方”，而原因是“火車在走，而鑰匙拋出后不再向前走了.”對此，教師應追問“為什么鑰匙拋出后不再向前走?”從而將學生判斷背后的依據充分暴露出來，使學生在大腦中形成認知沖突，從而體察到判斷的謬誤，進而自然地尋求正確結論.

其次，教師提出第2個問題.

(2)從勻速水平向前飛行的飛機上向下空投炸彈，不計空氣阻力，問炸彈扔下后在空中的排列情況哪一種是正確的?(如圖2所示)

圖2

由于炸彈投出后在水平方向并未受到任何外力，因此仍保持勻速直線運動，與飛機在水平方向相對位置不變，所以呈豎直排列(a).教師一方面需要指出學生頭腦中的前科學概念，另一方面也需要啟發學生產生認知沖突并破除其頭腦中的前概念.

通過兩個原始物理問題的講解，學生的大腦處于從被組織向自組織轉變的臨界區域，此時，如何使學生由被組織向自組織轉變就成為教學的重點.繼而可以提出以下兩個問題，放手讓學生自主解決，以檢驗是否破除頭腦中的前概念.

(3)一人站在輪船二層甲板上，以最大速度奔跑想跳入水中.由于一層甲板過長，每次都只能跳到一層甲板邊緣而不能跳入水中.有人建議在人以最大速度奔跑過程中，讓輪船向相反方向以速度v勻速運動.請問這種情況下人能否跳入水中?

(4)在勻速向前行駛的汽車車廂內，前后車窗上各趴有一只蜜蜂，當兩只蜜蜂同時相對車廂以同樣的速度向對方車窗飛去時，問前車窗的蜜蜂先到達后車窗還是后車窗的蜜蜂先到達前車窗?

由于前概念往往在真實的問題情境中才能被暴露，所以在分析以上2個問題時，學生若能認識到“在行駛的輪船和車廂內，無論運動方向如何變化，輪船上的人和車廂內的蜜蜂相對輪船和車廂的速度是相同的，在未受到改變運動狀態外力的情況下，人能跳躍的距離和蜜蜂飛行所用的時間不變”就能正確解決問題，表明這部分學生已破除頭腦中的前概念.因此，通過一系列問題的思考和回答，使學生原有的認知圖式受到不斷地刺激，在頭腦中引發認知沖突和危機，從而使學生對牛頓第一定律的認識在更深的心理層面得以確認.

3 對物理教學的啟示

縱覽以上高端備課過程，我們可以得到以下幾點啟示.

3.1 以“理想化”作為建立牛頓第一定律的外因

理想化這一科學方法，并非局限于現象的展示與外顯的操作，而應調動“極限”等邏輯思維方法的參與，在這一過程中，學生開始伸出抽象思維的觸角，并體驗到一種邏輯外推的力量.我們提出的高端備課，通過極限思想，使“有限”變化的量變成為“無限”變化的質變，從而以合乎邏輯的方式導出理想化的條件，即不受外力和無限遠.運用理想化這一科學方法，填補了學生的思維斷點，讓學生在邏輯分析中理性的認識牛頓第一定律，從而清晰理解了牛頓第一定律建立的“外因”.

3.2 以“慣性”作為建立牛頓第一定律的內因

牛頓第一定律作為從大量實驗事實總結而來的規律，如何循序漸進地傳授其中蘊含的物理思想，更好地透視其物理本質就成為教學設計的重點.牛頓第一定律的表述中雖未言及“慣性”，然而事實上卻包含了慣性的概念.由于保持原來的運動狀態是物體的內在固有屬性，是自然界一切物體本身存在的運動規律，所以物體的運動就不需要力的維持.如此，才能清晰透視出牛頓第一定律的本質，從而使學生信服這一規律，并真正把握牛頓第一定律的內涵.

3.3 以“破除前概念”作為建立牛頓第一定律的保證

所謂前概念，是指學生在學習物理課程以前的生活實際中，對各種物理現象和過程在頭腦中反復建構所形成的系統的但并非科學的觀念.學生是帶著前概念進入課堂的，而它們往往與科學事實不相符，前概念的頑固性、隱蔽性特點，更給教學帶來了極大困難.

如圖3所示，在牛頓第一定律學習中，學生頭腦中往往存在著“兩個牛頓第一定律”，一方面，他們可以把正確的定律倒背如流.另一方面，用來解決實際問題的卻往往運用頭腦中的前概念.因此，如何破除學生前概念就成為本節教學設計的另一個關鍵之處.

圖3

本節課通過一系列原始問題探測學生的前概念，進而引發學生的認知沖突，并力圖改造學生已有的認知圖式，達到建立新圖式的目的.在更廣泛的意義上，這項工作要求將前概念分析作為一項基本的備課活動，建議教師在關于前概念教學理論的指導下，力爭對每節課中前概念的破除，都作出恰當的教學安排.

1 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.物理(必修1)［M］.北京:人民教育出版社，2011:68-71.

2 陳清梅，邢紅軍.應用理想化方法講解“伽利略實驗”的教學研究［J］.中學物理教學參考，2008(1-2):20.