牛頓第一定律的教學(xué)研究

張晶

【摘 要】 當(dāng)我們設(shè)計(jì)一些新的情境讓學(xué)生運(yùn)用牛頓第一定律去解決實(shí)際問題時(shí)，讓我們十分吃驚和困惑的是：學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的實(shí)際應(yīng)用程度非常地差。這促使我們對(duì)牛頓第一定律的教學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步深層次的理性思考，我們應(yīng)該從學(xué)生的認(rèn)知心理上，對(duì)這一規(guī)律的教學(xué)進(jìn)行深入的研究。

【關(guān) 鍵 詞】 牛頓第一定律；教學(xué)；物理；中學(xué)

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(gè)新問題了。許多物理教育工作者對(duì)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(shí)踐中運(yùn)用這些教學(xué)策略時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，也確實(shí)可以取得一些預(yù)期效果。然而，當(dāng)我們設(shè)計(jì)一些新的情境讓學(xué)生運(yùn)用牛頓第一定律去解決實(shí)際問題時(shí)，讓我們十分吃驚和困惑的是：學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的實(shí)際應(yīng)用程度卻非常地差。為何對(duì)同一教學(xué)策略的教學(xué)結(jié)果的評(píng)價(jià)出現(xiàn)那么大的偏差？是教師教的原因，還是學(xué)生學(xué)的原因，或者是兩者兼而有之？這促使我們對(duì)牛頓第一定律的教學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步深層次的理性思考，我們應(yīng)該從學(xué)生的認(rèn)知心理上，對(duì)這一規(guī)律的教學(xué)進(jìn)行深入的研究。

首先，牛頓第一定律的教學(xué)，通常是按教材編排順序，先進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)原因”的錯(cuò)誤觀念，進(jìn)一步通過做斜面小車實(shí)驗(yàn)證明牛頓第一定律的正確性，最后讓學(xué)生運(yùn)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(gè)教學(xué)過程。

為了檢驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的汽車?yán)?，將手中的鑰匙豎直上拋，問當(dāng)鑰匙落下來時(shí)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。

其次，怎樣更好地改進(jìn)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(shí)實(shí)在在意義上的令人滿足。我們認(rèn)為，由于一般形式上的教學(xué)方法的改進(jìn)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(cuò)誤認(rèn)識(shí)的根源。

認(rèn)知心理學(xué)的理論告訴我們，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念、規(guī)律時(shí)所形成的錯(cuò)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(shí)際中，對(duì)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。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(shí)，學(xué)生就能接受，如果他們?nèi)圆焕斫?，可以多講幾遍就能達(dá)到目的的想法是過于天真了。因?yàn)樵谟行W(xué)生的經(jīng)驗(yàn)中，早已有了與亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動(dòng)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(shí)際上成了“力是維持物體運(yùn)動(dòng)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(cuò)誤觀念的生活實(shí)例時(shí)，他們也能解釋得頭頭是道。但當(dāng)解釋用手拋鑰匙、飛機(jī)扔炸彈的例子時(shí)，他們卻又運(yùn)用亞里士多德的理論去解釋，其錯(cuò)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。

再次， 研究和改進(jìn)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(diǎn)。

第一，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，其實(shí)，事實(shí)并非如此。學(xué)生在長期的生活實(shí)踐當(dāng)中，逐漸形成了自己對(duì)客觀世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的看法。他們幾乎每天都會(huì)看到物體在力的作用下運(yùn)動(dòng)，而在力停止作用時(shí)物體靜止，于是主觀地?cái)嘌裕河辛?，則物體運(yùn)動(dòng)；無力，則物體靜止。這正是亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動(dòng)原因”的理論能持續(xù)兩千多年的原因。

第二，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(shí)到它的存在，因?yàn)閷W(xué)生并沒有有意識(shí)地思考并形成“力是維持物體運(yùn)動(dòng)原因”的概念。其二是前科學(xué)概念平時(shí)并不表現(xiàn)出來，但往往在學(xué)生運(yùn)用物理概念解決問題時(shí)表現(xiàn)出來。如前述測驗(yàn)表明，許多有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。

第三，學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念具有頑固性。由于前科學(xué)概念是兒童頭腦中已形成的概念，且長期的日常生活經(jīng)驗(yàn)與觀察又加強(qiáng)了這些概念。因此，學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念是非常頑固的。

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(duì)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(shí)史上經(jīng)歷了曲折歷程的前科學(xué)概念，更是如此。這就是我們經(jīng)常說的第一印象，一旦形成，就很難改正的原因。

按照皮亞杰的理論，學(xué)生認(rèn)識(shí)什么和如何行動(dòng)，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(cuò)誤認(rèn)識(shí)存在的情形下，就會(huì)在頭腦中形成與正確信息極不相同的東西。

最后，在上述研究的基礎(chǔ)上，我們對(duì)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(shí)、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(jià)值。在教學(xué)中，不僅應(yīng)當(dāng)注重科學(xué)知識(shí)教學(xué)（定律本身），而且要特別強(qiáng)調(diào)定律得出所運(yùn)用的科學(xué)方法。包括理論實(shí)驗(yàn)方法和科學(xué)推理方法，這一點(diǎn)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(duì)學(xué)生進(jìn)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(cuò)誤結(jié)論？引導(dǎo)學(xué)生樹立起科學(xué)的懷疑精神，樹立實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)的信念。這樣融知識(shí)、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)的更多內(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(jī)，使他們頭腦中原有的觀念與當(dāng)前面臨的現(xiàn)實(shí)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。

除以上兩個(gè)例子外，還可向?qū)W生布置更多的問題并嘗試解答。比如：

例1 （2013浙江溫州） 如圖1是小明自創(chuàng)的“大炮”示意圖。當(dāng)瓶內(nèi)產(chǎn)生的氣體增多時(shí)，瓶塞會(huì)水平向右沖出，若此時(shí)所有外力全部消失，瓶塞將（ ）

[圖1]

A. 立即沿豎直方向下落到地面

B. 向上運(yùn)動(dòng)

C. 水平向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)

D. 立即靜止

例2 （2013江蘇蘇州） 如圖2所示，在豎直平面內(nèi)用輕質(zhì)細(xì)線懸掛一個(gè)小球，將小球拉至A點(diǎn)，使細(xì)線處于拉直狀態(tài)，由靜止開始釋放小球，不計(jì)摩擦，小球可在A、B兩點(diǎn)間來回?cái)[動(dòng)。當(dāng)小球擺到B點(diǎn)時(shí)，細(xì)線恰好斷開，則小球?qū)ⅲ?）

[A][E][D（水平）][C（斜向上）][B][O][圖2]

A. 在B點(diǎn)保持靜止 B. 沿BE方向運(yùn)動(dòng)

C. 沿BC方向運(yùn)動(dòng) D. 沿BD方向運(yùn)動(dòng)

例3 將上題改幾個(gè)字，再來比較一下：如圖2所示，在豎直平面內(nèi)用輕質(zhì)細(xì)線懸掛一個(gè)小球，將小球拉至A點(diǎn)，使細(xì)線處于拉直狀態(tài)，由靜止開始釋放小球，不計(jì)摩擦，小球可在A、B兩點(diǎn)間來回?cái)[動(dòng)。當(dāng)小球擺到B點(diǎn)時(shí)，所有的力同時(shí)消失，則小球?qū)ⅲ?）

A. 在B點(diǎn)保持靜止 B. 沿BE方向運(yùn)動(dòng)

C. 沿BC方向運(yùn)動(dòng) D. 沿BD方向運(yùn)動(dòng)

例4 再改幾個(gè)字比較一下：如圖所示，在豎直平面內(nèi)用輕質(zhì)細(xì)線懸掛一個(gè)小球，將小球拉至A點(diǎn)，使細(xì)線處于拉直狀態(tài)，由靜止開始釋放小球，不計(jì)摩擦，小球可在A、B兩點(diǎn)間來回?cái)[動(dòng)。當(dāng)小球擺到O點(diǎn)正下方B時(shí)，所有的力同時(shí)消失，則小球?qū)ⅲ?）

A. 在B點(diǎn)保持靜止

B. 沿水平方向一直勻速直線運(yùn)動(dòng)

C. 沿切線方向一直勻速直線運(yùn)動(dòng)

D. 沿豎直向下方向一直勻速直線運(yùn)動(dòng)

例5 （2013湖北鄂州） 我國于2013年6月11日17：38在酒泉發(fā)射中心成功發(fā)射“神州十號(hào)”飛船，并開創(chuàng)了中國載人應(yīng)用型飛行的先河。火箭升空120秒后，逃逸塔與箭體分離，在分離的瞬間，下列關(guān)于逃逸塔的說法正確的是（ ）

A. 失去重力 B. 速度為零

C. 仍有向上的速度 D. 速度反向

（4）堅(jiān)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(diǎn)是極其錯(cuò)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?？朔f圖式（亞里士多德的觀點(diǎn)）的慣性，用新的圖式（牛頓第一定律）取代舊圖式是一個(gè)非常艱難的過程。除非用舊圖式不能解釋問題，學(xué)生才會(huì)在頭腦中發(fā)生認(rèn)知沖突，才會(huì)建立新圖式。因此，教師應(yīng)當(dāng)在期中、期末考試中，用新的情境問題考查學(xué)生對(duì)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。

（5）反復(fù)強(qiáng)調(diào)正確科學(xué)概念。牛頓第一定律的內(nèi)容是：一切物體不受外力時(shí)，將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)定律的適用范圍是：一切。就是沒有不適用的情況，也就是說，這是個(gè)普遍定律，適用條件是：不受外力時(shí)。這是一種理想情況，非現(xiàn)實(shí)情況。“保持”這個(gè)詞說明了慣性的適用的廣泛性，“靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)”是結(jié)果。但到底是靜止還是勻速直線運(yùn)動(dòng)呢，這取決于在所有的力都消失的一瞬間這個(gè)物體是靜止的還是勻速直線運(yùn)動(dòng)的。如果在所有的力都消失的一瞬間這個(gè)物體是靜止的，那么這個(gè)物體將一直在原位置保持靜止；如果在所有的力都消失的一瞬間，這個(gè)物體是運(yùn)動(dòng)的，那么這個(gè)物體將一直以這個(gè)速度的大小和方向保持勻速直線運(yùn)動(dòng)。想象這樣一種情境：如果一個(gè)人正在跑跳，突然在他剛剛離地的一瞬間所有的力都消失了，那么這個(gè)人豈不是要飛離地球？

【參考文獻(xiàn)】

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