對牛頓第一定律教學設計的新思考

【摘 要】牛頓第一定律不但是牛頓運動定律的基石且以其思想性、深刻性，不管在物理學史上還是物理教學中都具有特殊重要的地位。有關牛頓第一定律的教學設計也是教學研究的熱點問題，筆者在多年關注此教學問題和教學實踐、觀摩學習的基礎上，提出一些新的思考和認識，以期對教學設計的創新和教學難點的突破有所啟發。

【關鍵詞】教學設計思路 相異構想 氣體的慣性

【中圖分類號】G632 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）03-0127-02

牛頓第一定律是牛頓運動定律的基石，在物理學史上，它揭示并否定了人們關于運動和力關系的錯誤觀點，改變了人類的自然觀和世界觀，它本身還包含著力、慣性這些極富成果的科學概念，成為物理學理論的支柱和基石。從物理課堂教學看，伽利略的研究過程蘊涵了重要的科學方法，教學中要引導學生領會牛頓第一定律的含義，充分說明伽利略“理想實驗”的實驗基礎和推理過程，展示伽利略斜面理想實驗的猜想依據、推斷結果這一思維過程，體驗感悟外推法的思想方法。筆者認為，牛頓第一定律的教學設計是檢驗一個物理教師素養和教學水平的試金石，因此有關牛頓第一定律的教學設計是教學研究的熱點問題。當然，教無定法，下面結合本人的教學實踐和多次聽課的收獲談談自己的思考，以期對教學設計的創新和教學難點的突破有所啟發。

一 對牛頓第一定律的新理解

1.牛頓第一定律揭示了運動和力的關系

在不考慮物體轉動的條件下，物體受力情況和其運動狀態是否變化有對應的因果關系、可逆關系。其關系可總結為下面的文字公式：

說明：物體運動狀態不變是指物體運動速度的大小和方向均不隨時間變化。原來靜止，繼續保持靜止。原來以一定速度沿某方向運動，繼續保持原來的速度和方向運動，即勻速直線運動。所以運動狀態不變包括保持靜止和勻速直線運動。

說明：物體運動狀態的改變則包括物體運動速度的大小

或方向中任一方面的改變。速度大小的改變：由靜止變為運動、由運動變為靜止、速度變小變大等。速度方向的改變：任何做曲線運動的物體。初中生往往忽略了物體運動方向的改變，如勻速圓周運動。此文字公式將定量發展為牛頓第二定律。

2.牛頓第一定律與伽利略相對性原理

在發現慣性定律的基礎上，伽利略提出了相對性原理：力學過程對靜止的慣性系和運動的慣性系完全相同。即是說，在一系統內部所作任何力學的實驗都不能決定慣性系統是在靜止狀態還是在做等速直線運動。對此，伽利略在《對話》中有生動描寫：“當你在密閉運動著的船艙里觀察力學過程時，只要運動是勻速的，絕不忽左忽右擺動，你將發現，所有上述現象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個現象來確定船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當快，在跳躍時，你將和以前一樣，在船底板上跳過相同的距離，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠……如果點香冒煙，則將看到煙霧像一朵云一樣向上升起，不向任何一邊移動。所有這些一致的現象，其原因在于船的運動是船上一切事物所共有的，也是空氣所共有的。”

如果在教學中能引導學生了解相對性原理，就會對牛頓第一定律有更加深刻地理解，對在火車上跳起后會落在起跳點前面或后面這些典型的疑難問題就不難解釋了。

二 對學生學習牛頓第一定律認知心理上的新認識

“偏見比無知離真理更遠”，牛頓第一定律理解的困難，正是所謂“相異構想”的干擾阻礙了學生對正確知識的接受，也錯誤地“同化”著一些新知識和新材料。

從20世紀70年代起，西方從事課程教學研究的學者，通過大量調查研究表明，早在正式學習科學課程前，兒童就通過對日常生活中一些現象的觀察和體驗，形成了一些非科學的概念和一些兒童階段特有的思維方式。專家們將學生在學習科學課程前形成的概念稱為前科學概念或簡稱為前概念，而把兒童圍繞前概念建立起來的特有錯誤思維結構稱為“相異構想”或“不同的概念框架”。

牛頓第一定律要揭示的是力和運動的關系，學生在地球上已經生活了十幾年，對力和運動等生活中司空見慣的物理現象，大腦中早已有了許多直覺的認識和思維定式，并把這些認識當作正確的。甚至連一些偉大的人物也犯這樣的錯誤，如古希臘的亞里士多德。正是這些“相異構想”的普遍性和頑固性構成了學習物理的最大阻礙。

如在理解運動和力的關系時，學生可能已形成以下“相異構想”：（1）有力作用的物體才能運動；（2）飛出去的足球受到一個向前的沖力；（3）物體速度越快慣性越大。

我們教學設計應當圍繞如何通過理想實驗和其他一些實驗事實，引發原有概念與科學概念之間的沖突，揭示這些“相異構想”的錯誤，建立科學的思維和認識。在實施教學中，筆者還體會到一個物體如果不受任何力（或受力平衡）的作用，可能保持靜止，這一點生活直覺已在學生心中植根，因此，理解牛頓第一定律在于讓另一種可能——物體做勻速直線運動，也深入學生的潛意識。因此教學中要設法讓學生在頭腦中應記住幾個圖像：（1）在完全光滑無限長的平面上，從一個斜面滑下的小球將永遠運動下去。（這也是伽利略的理想實驗思想）（2）在此時此刻，美國人發射的多種航天器和宇宙飛船，如旅行者號、先驅者號等宇宙飛船，正在太空中以每秒十幾千米的速度飛行。

三 牛頓第一定律教學實施中的重難點和先后順序的新認識

對于牛頓第一定律，要粗略地了解它不難，但要排除某些直覺經驗的謬誤，真正通過實驗和推理牢固樹立準確的科學概念，并且熟練地應用于解決某些物理問題，對學生來說較難。因此，教學設計必須要有所創新、有所突破。筆者認為，牛頓第一定律這一課，既有新概念的學習，又有規律的教學，慣性概念的理解是一個難點，而牛頓第一定律研究的又是物體不受力時的狀態，這是一種理想狀態，實際生活中并沒有不受力的物體，需要學生在實驗基礎上概括、推理、歸納、推廣，這又是一個難點，也是重點。因此，可確定教學目標如下：（1）理解掌握慣性概念，理解牛頓第一定律的內容（力是改變物體運動狀態的原因）。（2）讓學生經歷實驗探究的過程，理解由真實實驗推廣到理想實驗的科學思想，體會分析歸納、推理總結的思維方法。（3）通過牛頓第一定律的建立，認識到真理常隱藏在簡單的現象中，培養追求真理、勇于探索真理的科學精神。

進一步確定本節課的教學設計思路為通過設計創新實驗，讓學生動手、動腦、動口（經歷過程，深度參與）。同時，將教材中先定律后慣性的順序，改變為先慣性后定律，首先幫助學生建立慣性的概念。這樣更有利于學生剔錯納新，主動建構正確的知識結構。

四 對演示實驗的新建議

有關慣性的演示實驗很多，有些如魔術表演般精彩，但已有的文獻和以往教學中對液體、氣體的慣性現象一般很少提及，對液體的慣性可讓學生觀察這樣的生活現象：在裝水的大玻璃杯中放入一漂浮食物，轉動玻璃杯觀察食物是否跟著轉動。對氣體的慣性，可設計這樣的演示實驗：先在一密閉廣口瓶中間鉆一小孔，里面放一點燃的蚊香，拍打廣口瓶的一端，觀察吐出的煙圈。

五 有利于開展課外研究性學習的拓展題

拓展題1：有關飛碟（UFO）事件的報告很多，飛碟到底是什么還未有定論。在許多報告事件中的飛碟有一個重要的飛行特性使科學家感到費解：飛碟能夠在高速飛行中突然直角轉彎。你覺得這種飛行特性有什么問題嗎？你自己能在快速奔跑中突然轉彎嗎，請上網查詢有關材料并作答。

拓展題2：地球赤道上一觀察者手上托著一個小球，如果地球對小球突然失去引力，觀察者保持不動，忽略空氣阻力，則觀察者將觀察到小球在自己的上空：A.向東飛去；B.向西飛去；C.靜止不動；D.先向西飛去，再向東飛去。

參考文獻

[1]李志雄.力學啟蒙[M].北京：人民日報出版社，2004

〔責任編輯：林勁〕