牛頓第一定律的教學研究

張晶

【摘 要】 當我們設計一些新的情境讓學生運用牛頓第一定律去解決實際問題時，讓我們十分吃驚和困惑的是：學生對牛頓第一定律的實際應用程度非常地差。這促使我們對牛頓第一定律的教學進行進一步深層次的理性思考，我們應該從學生的認知心理上，對這一規律的教學進行深入的研究。

【關 鍵 詞】 牛頓第一定律；教學；物理；中學

牛頓第一定律的教學研究，在中學物理教學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發表了自己頗有見地的教學見解，并且得到了滿意的教學效果。

當我們在教學實踐中運用這些教學策略時，我們發現，也確實可以取得一些預期效果。然而，當我們設計一些新的情境讓學生運用牛頓第一定律去解決實際問題時，讓我們十分吃驚和困惑的是：學生對牛頓第一定律的實際應用程度卻非常地差。為何對同一教學策略的教學結果的評價出現那么大的偏差？是教師教的原因，還是學生學的原因，或者是兩者兼而有之？這促使我們對牛頓第一定律的教學進行進一步深層次的理性思考，我們應該從學生的認知心理上，對這一規律的教學進行深入的研究。

首先，牛頓第一定律的教學，通常是按教材編排順序，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，最后讓學生運用牛頓第一定律去解釋日常生活中的現象，從而完成整個教學過程。

為了檢驗學生學習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生。題目如下：你坐在向前勻速直線運動的汽車里，將手中的鑰匙豎直上拋，問當鑰匙落下來時是落在手里，還是落在手后面。全班56名同學在試卷上皆答：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，怎樣更好地改進牛頓第一定律的教學效果，使牛頓第一定律的教學效果真正是實實在在意義上的令人滿足。我們認為，由于一般形式上的教學方法的改進已是隔靴搔癢，而必須深入到學生的認知結構中去考察學生產生錯誤認識的根源。

認知心理學的理論告訴我們，學生在學習物理概念、規律時所形成的錯誤，常常是由于其頭腦中的前科學概念的影響。

所謂前科學概念，是指兒童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。如牛頓第一定律就是如此。在物理教學中，那種認為只需要“正面”傳授知識，學生就能接受，如果他們仍不理解，可以多講幾遍就能達到目的的想法是過于天真了。因為在有些學生的經驗中，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，當他們學習了牛頓第一定律之后，就可能把定律納入到自己原有的認知結構中，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效果不佳的癥結之所在。

再次， 研究和改進牛頓第一定律的教學，應當了解學生頭腦中前科學概念的特點。

第一，學生頭腦中的前科學概念是自發形成的。過去，我們在教學中，常常誤認為學生在學習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，事實并非如此。學生在長期的生活實踐當中，逐漸形成了自己對客觀世界物質運動規律的看法。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”的理論能持續兩千多年的原因。

第二，學生頭腦中的前科學概念具有隱蔽性。由于學生頭腦中前科學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。其一是學生自己并沒有意識到它的存在，因為學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。其二是前科學概念平時并不表現出來，但往往在學生運用物理概念解決問題時表現出來。如前述測驗表明，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概念，然而他們自己卻并不知道。

第三，學生頭腦中的前科學概念具有頑固性。由于前科學概念是兒童頭腦中已形成的概念，且長期的日常生活經驗與觀察又加強了這些概念。因此，學生頭腦中的前科學概念是非常頑固的。

國內外物理教育界近年來的一些研究表明：一旦學生對某些物理現象形成了前科學概念，要想加以轉變是極其困難的。尤其那些在人類科學認識史上經歷了曲折歷程的前科學概念，更是如此。這就是我們經常說的第一印象，一旦形成，就很難改正的原因。

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

最后，在上述研究的基礎上，我們對牛頓第一定律的教學提出如下教學建議。

（1）注重科學知識、科學方法與科學精神教育。牛頓第一定律不僅在物理學本身上占有重要地位，而且在物理教學中也具有很好的教育價值。在教學中，不僅應當注重科學知識教學（定律本身），而且要特別強調定律得出所運用的科學方法。包括理論實驗方法和科學推理方法，這一點常常是許多物理教師容易忽略的方面。而且，還要結合定律的教學，潛移默化地對學生進行科學精神教育。為什么只有伽利略能夠大膽地懷疑亞里士多德延續2000多年的錯誤結論？引導學生樹立起科學的懷疑精神，樹立實踐是檢驗真理的唯一標準的信念。這樣融知識、方法和精神于一體的教學，才真正體現了牛頓第一定律教學的更多內涵。

（2）必須破除教師頭腦中的前科學概念。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概念，因此，很難想象出這些教師所教授出的學生頭腦中的前科學概念能夠加以破除。所以，破除教師自己頭腦中前科學概念是牛頓第一定律教學的前提。

（3）破除學生頭腦中的前科學概念。由于在牛頓第一定律教學中，學生頭腦中存在著前科學概念，教師必須促使學生頭腦中前科學概念的轉變，在他們的頭腦中引發認知沖突和危機，使他們頭腦中原有的觀念與當前面臨的現實產生無法調和的矛盾，促使原結構的解體和新結構的建構。這種過程可以說是在學生頭腦中引發了一場科學革命。

除以上兩個例子外，還可向學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是小明自創的“大炮”示意圖。當瓶內產生的氣體增多時，瓶塞會水平向右沖出，若此時所有外力全部消失，瓶塞將（ ）

[圖1]

A. 立即沿豎直方向下落到地面

B. 向上運動

C. 水平向右做勻速直線運動

D. 立即靜止

例2 （2013江蘇蘇州） 如圖2所示，在豎直平面內用輕質細線懸掛一個小球，將小球拉至A點，使細線處于拉直狀態，由靜止開始釋放小球，不計摩擦，小球可在A、B兩點間來回擺動。當小球擺到B點時，細線恰好斷開，則小球將（ ）

[A][E][D（水平）][C（斜向上）][B][O][圖2]

A. 在B點保持靜止 B. 沿BE方向運動

C. 沿BC方向運動 D. 沿BD方向運動

例3 將上題改幾個字，再來比較一下：如圖2所示，在豎直平面內用輕質細線懸掛一個小球，將小球拉至A點，使細線處于拉直狀態，由靜止開始釋放小球，不計摩擦，小球可在A、B兩點間來回擺動。當小球擺到B點時，所有的力同時消失，則小球將（ ）

A. 在B點保持靜止 B. 沿BE方向運動

C. 沿BC方向運動 D. 沿BD方向運動

例4 再改幾個字比較一下：如圖所示，在豎直平面內用輕質細線懸掛一個小球，將小球拉至A點，使細線處于拉直狀態，由靜止開始釋放小球，不計摩擦，小球可在A、B兩點間來回擺動。當小球擺到O點正下方B時，所有的力同時消失，則小球將（ ）

A. 在B點保持靜止

B. 沿水平方向一直勻速直線運動

C. 沿切線方向一直勻速直線運動

D. 沿豎直向下方向一直勻速直線運動

例5 （2013湖北鄂州） 我國于2013年6月11日17：38在酒泉發射中心成功發射“神州十號”飛船，并開創了中國載人應用型飛行的先河?；鸺?20秒后，逃逸塔與箭體分離，在分離的瞬間，下列關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）堅持糾正前科學概念。由于前科學概念的頑固性。因此，認為前科學概念經過一兩次糾正就消失了的觀點是極其錯誤的。

破除學生頭腦中的前科學概念不是一件輕而易舉的事情，它的發生過程是相當緩慢的?？朔f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，學生才會在頭腦中發生認知沖突，才會建立新圖式。因此，教師應當在期中、期末考試中，用新的情境問題考查學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生的頭腦中。

（5）反復強調正確科學概念。牛頓第一定律的內容是：一切物體不受外力時，將保持靜止或勻速直線運動。這個定律的適用范圍是：一切。就是沒有不適用的情況，也就是說，這是個普遍定律，適用條件是：不受外力時。這是一種理想情況，非現實情況?！氨３帧边@個詞說明了慣性的適用的廣泛性，“靜止或勻速直線運動”是結果。但到底是靜止還是勻速直線運動呢，這取決于在所有的力都消失的一瞬間這個物體是靜止的還是勻速直線運動的。如果在所有的力都消失的一瞬間這個物體是靜止的，那么這個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，這個物體是運動的，那么這個物體將一直以這個速度的大小和方向保持勻速直線運動。想象這樣一種情境：如果一個人正在跑跳，突然在他剛剛離地的一瞬間所有的力都消失了，那么這個人豈不是要飛離地球？

【參考文獻】

[1] 張戰勝. 牛頓第一定律[J]. 中學生導報（教學研究），2014（23）.

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[3] 吳宗華. 牛頓第一定律的教學研究[J]. 課程教育研究，2013（21）.