初中牛頓第一定律高端備課

靳 萱 邢紅軍

(首都師范大學物理系,北京 100048)

初中牛頓第一定律高端備課

靳 萱 邢紅軍

(首都師范大學物理系,北京 100048)

牛頓第一定律是初中物理教學的重要內容,也是學生接觸力學的第一個重要定律,一直以來都是初中物理教學的重點與難點．教學實踐表明,學生學習之后,往往并未真正掌握這一定律,頭腦中依然會殘存前科學概念．因此,讓學生理解定律的內涵,破除頭腦中的前科學概念,就成為牛頓第一定律教學的關鍵．

1 現行教材編寫的分析

現行人教版教材在牛頓第一定律編寫時,先將亞里士多德與伽利略的觀點進行對比,引導學生分析阻力在物體運動過程中的影響,利用小車從高處下滑實驗,觀察小車在不同粗糙面上的滑行距離．在證實阻力的作用之后,教材給出伽利略的推測:“如果物體受到的阻力為零,速度就不會減小,物體將以恒定不變的速度永遠運動下去”,從而引出牛頓第一定律．接下來,利用“放在金屬片上的小球沒有隨金屬片被彈飛而運動”以及“汽車剎車或啟動時,乘客前傾或后仰”等實例夯實“慣性”這一重要概念．[1]

研究發現,教材編寫存在3點問題:首先,教材雖然通過演示實驗得出阻力減小、小車向前滑行距離變大的結論,但是沒有恰當地“過渡”到不受阻力時物體保持勻速直線運動的結論．其次,教材給出的牛頓第一定律只說明“力不是維持物體運動狀態的原因”,卻沒有講清“力是改變物體運動狀態的原因”．最后,教材列舉的案例都未能有效引起學生的認知沖突,破除學生頭腦中的前科學概念也就無從談起．

筆者認為,初中牛頓第一定律的教學重點在于如何破除學生頭腦中“力是維持物體運動狀態的原因”,并得出“力不是維持物體運動狀態的原因,而是改變物體運動狀態的原因”的結論．教學首先需要解決的問題是,如何從一個受到阻力并最終停止運動的真實實驗“過渡”到不受力的理想實驗,并最終得出物體將一直保持勻速直線運動狀態的結論,這就需要具有清晰的教學邏輯．需要指出的是,利用理想實驗,學生只能建立起“物體的運動無需力來維持”的觀念．而要尋找“運動無需力來維持”的原因,還需要借助“慣性”來釋疑．最后,學生即使表面上接受了牛頓第一定律,但其頭腦中依然存在著隱蔽的前科學概念．一旦遇到復雜的情境,就很容易摒棄牛頓第一定律,轉而運用前科學概念加以解釋,這事實上就意味著學生并未真正掌握牛頓第一定律．因此,展開初中牛頓第一定律高端備課就顯得尤為重要．

2 彰顯教學邏輯的高端備課

2.1 利用理想實驗建立牛頓第一定律

顯而易見,初中牛頓第一定律教學應當注重從真實實驗現象過渡到理想實驗結論．首先,需要講清如何從小車滑行距離越來越遠的實驗現象,過渡到小車在理想實驗情況下滑行距離為無限遠的結論;其次,需講清如何從小車速度越來越慢,過渡到小車在理想實驗情況下速度保持不變．

圖1 小車在不同粗糙面上滑動實驗

由圖1可知,阻力較大時小車滑行距離較短,阻力較小時小車滑行距離較遠．進而可以得出“隨著阻力的減小,小車滑行的距離變遠”的結論．結合上述分析并進行合理外推,不難得出“當小車所受阻力為0時,小車滑行的距離將變為無限遠”的結論(如表1所示)．

表1 “阻力與滑行距離的關系”從“真實”到“理想”的過渡

其次,當阻力較大時小車的速度變小較快,當阻力較大時小車的速度變小較慢．進而可知,“隨著阻力的減小,小車滑行的時間越來越長、速度的變化越來越小”．應用理想條件,當“阻力為0時,小車將會滑行無限長的時間,速度不再改變,即保持勻速直線運動狀態”(如表2所示)．

表2 “阻力與滑行時間、速度變化的關系”從“真實”到“理想”的過渡

結合上述兩點結論可以得出:在理想條件下,小車將會一直保持勻速直線運動狀態運動下去．此時,學生已經否定了“力是維持物體運動狀態的原因”,并在頭腦中建立了牛頓第一定律所描述的運動圖像．

2.2 利用慣性深化牛頓第一定律

在牛頓第一定律教學的這一階段,雖然學生已經知道理想狀態下物體將保持勻速直線運動,卻并不理解為什么會保持勻速直線運動狀態,這就需要進入第2個教學環節．因此,需要運用慣性概念進行釋疑．顯然,正是由于物體具有慣性,所以在理想狀態下才能一直保持勻速直線運動．慣性是物體保持當前運動狀態的一種能力,慣性越大,物體保持當前運動狀態的能力就越強,而這種能力是一切物體在任何情況下都具有的．

與理想實驗結果不同的是,在真實實驗中,運動的小車終將靜止在平面上某一位置．因此,如果不能妥善的處理好理想與現實的矛盾,學生很容易對慣性產生錯誤的理解,進而重新尋求前概念進行解釋．所以,教師需要進行進一步解釋“力是改變物體運動狀態的原因”．在真實情境下,小車雖然始終具有慣性,但是小車與桌面之間存在著摩擦阻力,使得小車的運動狀態時刻都在發生變化,最終小車將會靜止下來;而在理想條件下,小車與桌面之間沒有摩擦阻力,由于小車具有慣性,所以小車就能夠一直保持勻速直線運動狀態不變．因此,人們正是利用理想實驗描繪出物體不受力時的運動現象,才進一步認識到“力是改變物體運動狀態的原因”,從而真正認清力與運動之間的關系．[2]

至此,學生不但清楚了理想狀態下物體做何種運動,也清楚了物體為何做這種運動,從而破除了“力是維持物體運動狀態的原因”的前科學概念,并且得出“力不是維持物體運動狀態的原因,力是改變物體運動狀態的原因”的結論,真正實現從現象到本質理解牛頓第一定律．

2.3 利用原始物理問題破除前科學概念

初中牛頓第一定律教學進入到這一步,須將學生置于生態化的情境中,通過引發學生的認知沖突,方能有效破除頭腦中的前科學概念．對此,可以利用原始物理問題來達成這一目的．

一架飛機9:00從北京自東向西飛往烏魯木齊,13:00到達;該架飛機14:30從烏魯木齊起飛,18:00抵達北京．從北京飛往烏魯木齊用時4h,從烏魯木齊到北京用時3.5h．請你應用牛頓第一定律解釋飛機兩地飛行的時間差．

學生在解答這個問題時,容易認為是因為飛機飛行方向相對于地球自轉方向的不同,從而得出同向運動時飛行時間長,相向運動時飛行時間短的錯誤解釋．筆者認為,這一問題有助于破除學生頭腦中的前科學概念．

具體而言,學生往往將本問題生搬硬套進“追及問題”與“相遇問題”當中,認為“飛機與地球同向運動時,飛行距離較長,所以用時較多;相向運動時,飛行距離較短,所以用時較少”．對此,教師應當因勢利導,先按照這種觀點解釋:由于地球的自轉方向為自西向東,當飛機從北京飛往烏魯木齊時,飛機與地球為相向運動,飛行時間應該更短;從烏魯木齊飛往北京時為同向運動,飛行時間應該更長．這樣就可以讓學生意識到這種解釋是錯誤的．其次,教師應該向學生指出,飛機停留在地面時,已經具有了地球自轉時表面的速度,由于慣性當飛機起飛時,仍然具有這個速度,所以與飛機的飛行方向無關．

那么為什么飛機飛行會有半個小時的時間差呢?原來飛機在兩地之間的飛行航線,處于北半球的西風帶．當飛機從北京飛往烏魯木齊時,飛機逆風飛行;當飛機從烏魯木齊飛往北京時,飛機順風飛行,所以產生了半個小時的時間差．

如果學生能夠意識到“無論飛機在飛行過程中還是停留在地面,都因為慣性所以具有地球自轉時表面的速度”,就能正確的解決這一原始物理問題．這也就意味著,學生已經破除了前科學概念的干擾,并且能夠正確運用牛頓第一定律對現象進行合理解釋．

3 教學啟示

基于上述高端備課的研究,可以得到3點啟示.3.1 應用理想化條件闡述牛頓第一定律“是什么”

教材中提及理想化條件時,僅僅敘述“如果小車運動時不受阻力,小車是不是就不會停下了”,不難發現教材的編寫邏輯跳躍,處于具體運算階段的初中生很難跟上教材的思路．即使學生記住了牛頓第一定律的表述,也難以真正理解定律的內涵,更無法熟練應用．高端備課則從真實實驗現象出發,先引導學生理解物體所受外力越來越小時的運動情況,再利用理想化條件,順利的使物體的運動距離與時間從“有限”過渡到“無限”,邏輯的外推出物體不受外力時保持當前運動狀態．正是通過理想化方式的“逐步”展開,在真實實驗現象與理想實驗結論之間架設橋梁,才使學生的大腦從“真實”走向“理想”,從而更為合理地理解牛頓第一定律．

3.2 利用“慣性”詮釋牛頓第一定律“為什么”

牛頓第一定律不僅僅是對力與運動關系的簡單描述,其蘊藏的是關于力與運動深層次的物理本質以及物理思想,這也是本節高端備課的重點所在．牛頓第一定律內容的核心之一便是慣性．雖然在牛頓第一定律中沒有提及“慣性”,但是慣性的思想卻蘊藏在牛頓第一定律之中,并且影響著物體的運動狀態．由于慣性是物體固有的保持當前運動狀態的內在屬性,所以物體在慣性的支配下,不依靠力的作用也能夠獨立進行運動．教學中不能將慣性與牛頓第一定律割裂開來．相反,教學中不僅應當講清不受外力時物體的運動狀態,更應該利用慣性概念解釋牛頓第一定律成立的內在原因．唯有深層次的挖掘牛頓第一定律的物理本質,將內在原因與外在現象建立聯結,才能讓學生“知其然,更知其所以然”,從而更好地鞏固牛頓第一定律．

3.3 運用物理教學理論深化牛頓第一定律

在慣性教學中,教師往往低估學生頭腦中前科學概念的頑固性、隱蔽性等特點,認為講授之后學生自然而然的就能夠接受牛頓第一定律,然而真實情況卻并不如此．這是因為,前科學概念的產生一直伴隨著學生的成長,與學生的學習息息相關．學生在學習牛頓第一定律之后,如果沒有將頭腦中的前科學概念徹底破除,則正確的物理概念將會與前科學概念共存．一旦遇到真實情境下的復雜問題時,學生更傾向于拋棄已經習得的科學概念,轉而采用熟悉的前科學概念進行解釋,這對于物理教學將會產生不良影響．可見,如何有效的破除前科學概念成為高端備課的重點所在．與教材中列出的簡單習題不同,我們嘗試將學生置于生態化的問題中,通過引導學生頭腦中存在的前科學概念,進而引發認知沖突,徹底剖析前科學概念的問題所在,再利用科學概念對現象進行正確解釋,從而使學生在頭腦中真正建立起牛頓第一定律．

1 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材開發中心. 物理(八年級下冊)[M]. 北京:人民教育出版社,2013：16-19.

2 繆鐘英,羅啟蕙. 力學問題討論[M]. 北京:人民教育出版社,2003：132.

3 王慧，寧成，邢紅軍.“電勢差”教學的高端備課[J].物理教師，2013(7)：26-30.

4 邢紅軍，石堯，李靜.“平拋運動”教學的高端備課[J].物理教師，2014(6)：19-20.

2016-11-08)