牛頓第一定律的教學(xué)探討

李訓(xùn)兵

牛頓第一定律的教學(xué)研究，在中學(xué)物理教學(xué)研究中早已不是一個新問題了。許多物理教育工作者對于這一定律的教學(xué)發(fā)表了自己頗有見地的教學(xué)見解，并且得到了滿意的教學(xué)效果。

當(dāng)我們在教學(xué)實踐中運用這些教學(xué)策略時，我們發(fā)現(xiàn)，確實可以取得如同一些文獻中所述的預(yù)期效果。然而，當(dāng)我們設(shè)計一些新的情境讓學(xué)生運用牛頓第一定律去解決問題時，令我們十分吃驚的是：學(xué)生對于牛頓第一定律的掌握程度卻又非常之差。這使得我們困惑不解。為何對同一教學(xué)策略教學(xué)的結(jié)果的評價出現(xiàn)如此之大的偏差？是教師教的原因，還是學(xué)生學(xué)的原因，抑或兩者兼而有之。這促使我們對牛頓第一定律的教學(xué)進行深層次的理性思考，進一步，我們從學(xué)生的認(rèn)知心理上，對這一規(guī)律的教學(xué)進行了深入的研究。

一、牛頓第一定律的教學(xué)

一般是按教材編排順序，先進行演示實驗引出課題，然后通過講解伽利略與亞里士多德的爭論，消除“力是維持物體運動原因”的錯誤觀念，進一步通過做斜面小車實驗證明牛頓第一定律的正確性，最后讓學(xué)生運用牛頓第一定律去解釋日常生活中的現(xiàn)象，從而完成整個教學(xué)過程。

為了檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握牛頓第一定律的情況，我們曾用這樣一道題目來檢測學(xué)生。題目如下。你坐在向前勻速直線運動的汽車?yán)铮瑢⑹种械蔫€匙豎直上拋，問當(dāng)鑰匙落下來時是落在手里，還是落在手后面。全班56名同學(xué)在試卷上皆答：落在手后面。問其原因，皆曰：汽車在走，而鑰匙拋出后不再向前走了。

二、怎樣更好地改進牛頓第一定律的教學(xué)效果

使牛頓第一定律的教學(xué)效果真正是實實在在意義上的令人滿足。我們認(rèn)為，囿于一般形式上的教學(xué)方法的改進已是隔靴搔癢，而必須深入到學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中去考察學(xué)生產(chǎn)生錯誤認(rèn)識的根源。

認(rèn)知心理學(xué)的理論告訴我們，學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念、規(guī)律時所形成的錯誤，常常是由于其頭腦中的前科學(xué)概念的影響。

所謂前科學(xué)概念，是指兒童在學(xué)習(xí)物理課程以前的生活實際中，對各種物理現(xiàn)象和過程在頭腦中反復(fù)建構(gòu)所形成的系統(tǒng)的但并非科學(xué)的觀念。比如牛頓第一定律就是如此。在物理教學(xué)中，那種認(rèn)為只需要“正面”傳授知識，學(xué)生就能接受，如果他們?nèi)圆焕斫猓梢远嘀v幾遍就能達到目的的想法，實踐證明是過于天真了。因為在有些學(xué)生的經(jīng)驗中，早已有了與亞里士多德“力是維持物體運動原因“的理論類似的觀念。這樣，當(dāng)他們學(xué)習(xí)了牛頓第一定律之后，就可能把定律納入到自己原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，牛頓第一定律實際上成了“力是維持物體運動原因”的代名詞。讓他們解釋用手推車、用腳踢球等一些不易暴露錯誤觀念的生活實例時，他們也能解釋得頭頭是道。但當(dāng)解釋用手拋鑰匙、飛機扔炸彈的例子時，他們卻又運用亞里士多德的理論去解釋，其錯誤觀念暴露無遺。這正是牛頓第一定律教學(xué)效果不佳的癥結(jié)之所在。

三、研究和改進牛頓第一定律的教學(xué)，應(yīng)當(dāng)了解學(xué)生頭腦中前科學(xué)概念的特點

1.學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念是自發(fā)形成的。過去，我們在教學(xué)中，常常誤認(rèn)為學(xué)生在學(xué)習(xí)物理之前其頭腦如同一張“白紙”，教師可以在上面任意涂畫，事實并非如此。學(xué)生在長期的生活實踐當(dāng)中，逐漸形成了自己對客觀世界物質(zhì)運動規(guī)律的看法。他們幾乎每天都會看到物體在力的作用下運動，而在力停止作用時物體靜止，于是主觀地斷言：有力，則物體運動;無力，則物體靜止。這正是亞里士多德“力是維持物體運動原因”的理論。

2.學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念具有隱蔽性。。由于學(xué)生頭腦中前科學(xué)概念都在潛移默化中形成的，所以它以潛在的形式存在。這包含兩方面的意義。其一是學(xué)生自己并沒有意識到它的存在，因為學(xué)生并沒有有意識地思考并形成“力是維持物體運動原因”的概念。其二是前科學(xué)概念平時并不表現(xiàn)出來，但往往在學(xué)生運用物理概念解決問題時表現(xiàn)出來。比如前述測驗表明，許多有10多年教齡的初中物理教師頭腦中也存在著牛頓第一定律的前科學(xué)概念，然而他們自己卻并不知道。

3.學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念具有頑固性。由于前科學(xué)概念是兒童頭腦中業(yè)已形成的概念，且長期的日常生活經(jīng)驗與觀察又加強了這些概念。因此，學(xué)生頭腦中的前科學(xué)慨念是非常頑固的。

國內(nèi)外物理教育界近年來的一些研究表明：一旦學(xué)生對某些物理現(xiàn)象形成了前科學(xué)概念，要想加以轉(zhuǎn)變是極其困難的。尤其那些在人類科學(xué)認(rèn)識史上經(jīng)歷了曲折歷程的前科學(xué)概念，更是如此。

按照皮亞杰的理論，學(xué)生認(rèn)識什么和如何行動，主要決定于他們所具有的認(rèn)知圖式（思維模式），而不完全取決于教師所講述的內(nèi)容。他們按照自己已有的圖式吸收和排斥信息。在有錯誤認(rèn)識存在的情形下，就會在頭腦中形成和正確信息極不相同的東西。

四、在上述研究的基礎(chǔ)上，我們對牛頓第一定律的教學(xué)提出如下教學(xué)建議

1.注重科學(xué)知識、科學(xué)方法與科學(xué)精神教育。牛頓第一定律不僅在物理學(xué)本身上占有重要地位，而且在物理教學(xué)中也具有很好的教育價值。在教學(xué)中，不僅應(yīng)當(dāng)注重科學(xué)知識教學(xué)（定律本身），而且要特別強調(diào)定律得出所運用的科學(xué)方法。包括理論實驗的方法和科學(xué)推理方法，這一點常常是許多物理教師容易忽略的方面。而且，還要結(jié)合定律的教學(xué)，潛移默化地對學(xué)生進行科學(xué)精神教育。為什么只有伽利略能夠大膽地懷疑亞里士多德延續(xù)2000多年的錯誤結(jié)論？引導(dǎo)學(xué)生樹立起科學(xué)的懷疑精神，樹立實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)的信念。這樣融知識、方法和精神于一體的教學(xué)，才真正體現(xiàn)了牛頓第一定律教學(xué)的全部內(nèi)涵。

2.必須破除教師頭腦中的前科學(xué)概念。由于不少初中物理教師頭腦中還具有牛頓第一定律的前科學(xué)概念，因此，很難想象出這些教師所教授出的學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念能夠加以破除。所以，破除教師自己頭腦中前科學(xué)概念是牛頓第一定律教學(xué)的前提。

3.破除學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念。由于在牛頓第一定律教學(xué)中學(xué)生頭腦中存在著前科學(xué)概念，教師必須促使學(xué)生頭腦中前科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變，在他們的頭腦中引發(fā)認(rèn)知沖突和危機，使他們頭腦中原有的觀念與當(dāng)前面臨的現(xiàn)實產(chǎn)生無法調(diào)和的矛盾，促使原結(jié)構(gòu)的解體和新結(jié)構(gòu)的建構(gòu)。這種過程可以說是在學(xué)生頭腦中引發(fā)了一場科學(xué)革命。

比如，除以上兩個例子外，還可向?qū)W生布置如下一個問題。勻速向前行駛的汽車前后玻璃窗上各有一只蜜蜂。兩只蜜蜂同時以相同的速度向前后窗飛去，問前窗蜜蜂先飛到后窗，還是后窗蜜蜂先飛到前窗？如果學(xué)生正確回答了這個問題，說明學(xué)生頭腦中該問題上的前科學(xué)概念已經(jīng)破除。否則，則認(rèn)為仍然沒有破除。

4.堅持糾正前科學(xué)概念。由于前科學(xué)概念的頑固性。因此，認(rèn)為前科學(xué)概念經(jīng)過一兩次糾正就消失了的觀點是極其錯誤的。

破除學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念不是一件輕而易舉的事情，它的發(fā)生過程是相當(dāng)緩慢的。克服舊圖式（亞里士多德的觀點）的慣性，用新的圖式（牛頓第一定律）取代舊圖式是一個非常艱難的過程。除非用舊圖式不能解釋問題，學(xué)生才會在頭腦中發(fā)生認(rèn)知沖突，才會建立新圖式。因此，教師應(yīng)當(dāng)在期中、期末考試中用新的情境問題考察學(xué)生對于牛頓第一定律的掌握程度，只有如此，才能真正使牛頓第一定律植根于學(xué)生的頭腦中。