基于物理學史的“牛頓第一定律”的數字化教學設計

高 嵩 秦 飛

（山東師范大學物理與電子科學學院，山東濟南 250014）

基于物理學史的“牛頓第一定律”的數字化教學設計

高 嵩 秦 飛

（山東師范大學物理與電子科學學院，山東濟南 250014）

本文充分挖掘了物理學史的認知功能，借助數字化實驗技術手段，對牛頓第一定律的教學進行優化，通過帶領學生重走歷史，使學生在一系列的實驗探究中體會到，人們對力與運動關系認識歷史的曲折性.這不僅體現了物理學史與物理教學的有機結合，而且注重了物理核心素養的滲透.

牛頓第一定律；物理學史；數字化實驗

牛頓第一定律作為牛頓運動定律的重要組成部分，是經典力學的基礎與核心內容，課標對本節課的要求是：理解牛頓運動定律，用牛頓運動定律解釋生活中的有關問題.［1］這部分內容在現行人教版及司南版教材的安排上，既細致地解釋了牛頓第一定律的內容和物理思想，又介紹了亞里士多德、伽利略，以及笛卡兒等人的思考和成果，這就給學生展開了一幅歷史的畫卷，讓學生既感受到探索自然的樂趣，又深刻體會到科學家研究的思路和方法，更領略到科學發展的魅力.這一切都提示我們在教學中不能僅僅局限于對定律本身的文字的記憶，更要關注科學研究方法的形成和科學思維的發展.

1 問題的提出

以人教版教材為例，“牛頓第一定律”一節共分為以下3個部分：從歷史過程入手，展現不同時期物理學家的研究方法及思想，對定律詳細說明，以及對慣性大小的論述.通過對大量教學案例的調查分析，我們發現教師往往完全按照教材實施教學，而這種照本宣科的方式存在諸多誤區，主要表現為以下幾方面.

首先直接從物理學史講起，介紹亞里士多德和伽利略的觀點.然而此種方式過于生硬，不利于學生從運動學和力學知識的學習過渡到動力學模塊；對學生“有力才有運動”這一前概念的重視程度也不夠；并且對物理學家的貢獻缺乏客觀全面的評價.

其次利用動畫或傳統儀器講解伽利略斜面實驗，繼而介紹笛卡兒的補充觀點，及牛頓對前人研究總結得出牛頓第一定律.然而動畫模擬雖然形象生動但缺乏真實性；傳統儀器傾角改變范圍小，同時大部分是通過小球滾動來人工獲取實驗數據的，實驗數據粗略，誤差大且不易測量.并且學生學完伽利略的研究后往往會有疑問：伽利略已經說明了力不是維持物體運動的原因，為什么笛卡兒又要進行補充，以及為什么定律最終以牛頓命名？大多數教師對此缺乏細致講解，使學生不能很好理解該部分內容.

最后由牛頓第一定律引申出慣性，并直接介紹質量是其唯一量度，而大多數學生可能對此難以理解，只是單純依靠文字記憶.而牛頓第一定律引申出的“力是改變物體運動狀態的原因”，實際是對牛頓第二定律的定性描述，并且學習了牛頓第二定律的定量描述F＝ma后，學生對“質量是慣性的唯一量度“的理解可能將會更加直觀深刻.

物理學史集中體現了人類探索和逐步認識物理世界的現象、特性、規律和本質的歷程，［2］其中人們對力與運動關系的認識過程是一個漫長的歷史，甚至可以追溯至公元前4世紀的亞里士多德，他通過對日常生活的觀察，將運動分為自然運動和強迫運動，認為除了自然運動外，所有其他的運動都只能在外力強迫下才能進行，即力是維持物體運動的原因.盡管這一觀點是錯誤的，但其中已有靜止慣性的思想.伽利略通過理想斜面實驗推翻了亞里士多德的觀點，證明了“力不是維持物體運動的原因”，并把“地球上的物體在不受阻力的情況下可以永遠以某個速度運動下去”看作慣性運動，但認為這種“慣性運動”遵守的是“圓周慣性原理”.［3］此后，笛卡兒補充和完善了伽利略的觀點，認為除非受到外力的作用，否則物體將永遠保持其靜止或勻速直線運動狀態.但二者只是描述了慣性運動，最終牛頓對前人的研究高度總結，得到了牛頓第一定律.

這一清晰的歷史主線為我們的教學提供了思路，但如果教師完全按照教材編寫的思路實施教學，單純地向學生講解歷史，有時會很難使學生有效領會科學的思維方法，甚至還會阻礙學生對物理規律的知識構建.［4］為了解決上述教學問題，在本節設計中，我們以物理學史為主線，整合多元化實驗資源，以期望深刻細致地說明該定律的發展歷史及意義.

2 “牛頓第一定律”教學設計

2.1 設計思路

物理學史在物理教學中的滲透有助于活躍思維，增強科學意識，使學生更自覺地繼承前人的事業，有效地進行學習和探究.本節緊緊圍繞牛頓第一定律的發現過程，整合多元化實驗資源，從學生分組推動小車實驗引出亞里士多德和伽利略的研究歷史，到傳統儀器與現代數字化技術結合重現伽利略斜面實驗，最后介紹笛卡兒和牛頓等物理學家的研究歷史，并將慣性這一學生當時可能難以理解的部分放到牛頓第二定律中講解.使學生了解物理學家的研究歷程，體會物理學家的科學研究方法，最終達到深入領會牛頓第一定律的教學目標.

下面將結合具體教學流程對該節設計進行詳細說明，如圖1所示.

2.2 教學過程

圖1 教學流程圖

2.2.1 創設情境，引入探究課題

觀察生活，引入力與運動的關系.

教材從生活經驗入手，通過故事形式直接引入亞里士多德與伽利略的觀點，而學生剛學完運動學與力學的知識，用此種方式引入到動力學部分過于生硬，也不利于學生知識的建構.在教學中教師為學生展示（如圖2）：籃球場上拋出的籃球，運動場上運動員的跳遠過程，公路上被推動的汽車及冰面上剎車的汽車等實例，讓學生觀察這些實例中普遍存在的現象.

圖2 生活中力與運動的實例

引導學生思考：生活中的諸多實例都存在著力現象與運動現象，那二者之間是否存在著一定的關系？

設計意圖.

從生活實例入手，既貼近生活，使學生對知識的學習充滿親切感；又使學生從運動學和力學的知識的學習平滑過渡到動力學模塊，符合學生的認知結構.

2.2.2 動手實驗，初步探究課題

分組操作，觀察力與運動的關系.

提供如圖3所示的玩具車，將學生分成兩組，分別推動車底向上及車身向上的小車，觀察小車的運動情況，并由此猜測力與運動的關系.

圖3 實驗所用小車

第1組學生推動車底向上的小車，發現在力的推動下小車由靜止開始運動，而撤去推力后小車停止運動，教師引導學生思考此現象中力與運動的關系，學生很容易得出：有力才有運動.教師由此介紹亞里士多德的觀點：力是維持物體運動的原因.

第2組學生推動車身向上的小車，發現在力的推動下小車由靜止開始運動，但撤去外力后小車運動一段距離后停下.教師由此現象引導學生進一步思考力與運動的關系，學生得出：并非有力才有運動.教師由此介紹伽利略的觀點：力不是維持物體運動的原因.

教師帶領學生回顧兩位物理學家的思想，使學生認識到亞里士多德得出錯誤觀點的原因：忽略了摩擦力的影響.

設計意圖.

理性認識是建立在感性認識的基礎上的，而學生的感性認識大多來源于日常生活.由生活實例引入力與運動關系的探究，并讓學生通過推小車的體驗活動，使學生在學生與學生及學生與教師的對話與交往中建構知識.但并不是所有背景知識都能幫助學生建立正確的、可靠的物理知識聯系.亞里士多德由生活經驗得出：力是維持物體運動的原因.這種生活經驗形成的背景知識幾乎存在于每個人的頭腦中.我們不能以現代科學觀點來全盤否定亞里士多德的偉大貢獻，應當要尊重這種認知規律.［5］所以在教學中設計兩組對照操作，通過兩組學生觀察到的不同現象的對比分析，找出亞里士多德當時得出錯誤結論的原因，讓背景知識在課堂教學中發揮它的價值.

2.2.3 演示實驗，深度探究課題

重現歷史，展示研究現象.

教師介紹伽利略的研究歷史，并利用自制教具及相應軟件進行演示實驗，實驗現象如圖4、圖5所示.

展示實驗儀器后進行介紹：這是一個雙斜面軌道，一側斜面固定，另一側斜面傾角可調.利用二維運動傳感發射器替代傳統小球，將接收器通過數據線連接到電腦上驅動相應軟件，發射器從軌道頂端釋放后滑行，其運動軌跡實時記錄于軟件界面上，并自動測量上升高度及運動路程.

實驗后學生將多次運動軌跡同時比較，發現隨斜面傾角減小，小球運動路程變遠，但上升高度基本不變.

圖4 小球運動示意圖

圖5 軟件界面上顯示的實驗圖表

教師進一步提問：如果斜面足夠長而且摩擦足夠小，將第二個斜面放平，小球將會怎樣？

學生回答：將會一直運動下去.

教師結合實驗思想講解：若忽略阻力，小球釋放后將上升到等高處，并且隨著第二個斜面傾角的減小，小球將繼續上升到等高處，但此時它將在斜面上運動的更遠一些……直至將第二個斜面放平，小球由于無法上升到等高處將一直運動下去，以此證明了物體的運動不需要力來維持.

通過上述操作與講解，使學生體會到：我們不能消除一切阻力，也無法將第二個斜面做得無限長，所以伽利略斜面實驗是“理想實驗”，是將實驗與邏輯推理相結合的一種研究方法.

分析局限，感受曲折歷史.

教師引導學生思考：力與運動的探究歷程是否已經完善？如果不是，伽利略的觀點又有何局限性？讓學生依照伽利略的“如果不受力，小球將一直運動下去”的設想展開想象并合理外推，在這樣的引導下學生出現了兩種考慮，一種認為小球最終沿著地球表面做圓周運動，另一種認為小球將會沿直線飛出地球.如圖6所示，教師借助動畫演示伽利略的觀點：小球運動到地球邊緣后，沿地球表面持續做圓周運動，即物體遵循圓周慣性定理.而地球上的物體仍舊受到地球引力的作用，所以，伽利略并未解決力與運動間的關系.之后適時向學生介紹笛卡兒對此的補充觀點：除非受到外力的作用，否則物體將永遠保持其靜止或勻速直線運動狀態.

但是二者均只考慮了物體不受力的情況，如果受力的話又會怎樣？所以力與運動的關系問題還未明確解決.

圖6 小球運動模擬動畫

設計意圖.

（1）實驗設計背景.

伽利略斜面實驗是學習牛頓第一定律，領會科學推理的重要實驗，其卓越之處不是實驗本身，而是實驗所使用的獨特的方法，即在實驗的基礎上，進行理想化推理，它標志著物理學的真正開端.初高中課本中對其都有詳細描述，在實際教學中，許多教師雖然知道該實驗的重要性，但考慮到實驗器材體積大、操作難、誤差大、耗時長等原因，將該“必做”實驗改為了“講實驗”.即使是在課堂中做實驗，一般也是采用讓小球從幾個傾角不同的固定軌道滾下的方法進行演示，對比每次小球可以達到的高度.這樣斜面傾角就不能任意改變，而小球到達最高點的瞬間難以撲捉，所以實驗數據記錄粗略，誤差大.而近年來，DIS實驗憑借其簡潔、易用、貼近課堂教學等優點，越來越多地應用于中學物理課堂中，使許多難以實現或轉瞬即逝的實驗呈現在師生面前.所以我們將現代數字化技術與傳統儀器融合，以此來解決上述教學難題.

（2）實驗設計思路.

我們的自制教具將傳統儀器與現代數字化技術有機整合，提供一種數字化的伽利略斜面實驗演示裝置，實現實驗的靈活性、準確性及可觀測性.通過數字化設備，利用二維運動傳感發射器替代傳統小球，將接收器通過數據線連接到電腦上驅動相應軟件，發射器從二維離心軌道頂端釋放后滑行，其運動軌跡實時記錄于軟件界面上，并自動測量上升高度及運動路程，代替人工觀測，現象直觀明顯，并減小了人為因素造成的實驗誤差，由此分析釋放高度與上升最高點的關系.通過調節軌道的傾角可方便進行多次實驗，分析傾角變化與上升高度及運動路程的關系.

對應軟件界面主要分為3個區域，右上為運動軌跡顯示區，可以實時記錄小球的運動軌跡；左上為數據記錄區，用于記錄小球在最高點處的x、y、h值；下側為圖像顯示區，可以將小球的運動軌跡拍照后顯示在圖框中.通過此軟件實現了智能記錄與測量，增加了實驗的準確性、可視性及可操作性.

（3）實驗實施效果.

筆者利用自制教具重現了伽利略的“理想實驗”，將轉瞬即逝的實驗結果通過數字化技術呈現在師生面前.首先通過釋放小球后運動軌跡的展示，使學生意識到：若忽略阻力，小球將運動到釋放等高處；之后逐次改變斜面傾角的操作，使學生觀察到：隨斜面傾角的減小，小球的運動路程逐漸增大，而上升高度基本不變；多次運動軌跡的比較，更有助于學生對實驗思想的理解.使學生在這個過程中真正理解伽利略斜面實驗.

2.2.4 深入總結，形成物理規律

根據史實，深度剖析定律.

教師繼續講解物理學史的發展，介紹牛頓對前人研究的總結成果：一切物體總保持勻速運動直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態，即牛頓第一定律.與學生分析定律中的關鍵點：一切物體是對個別物體研究基礎上的歸納，力是改變物體運動狀態的原因，明確揭示了力與運動的關系.

至此，經過以上分析，學生既體會到了人們對力與運動關系認識歷史的曲折性，也理解了牛頓對該問題認識的徹底性.

趣味演示，知識遷移與深化.

教師利用自制教具演示生活中小車上的重物下落情境，如圖7所示.用玩具小車模擬勻速汽車，用單片機控制電磁鐵，電磁鐵吸引鐵球.在小車勻速運動過程中，鐵球下落.

學生觀察到：鐵球在勻速小車上下落后落在正下方的盒子中，使盒子中的感應燈變亮.

教師引導學生思考：為什么鐵球會落在正下方的盒子里？能否用本節課所學的知識進行解釋？并將此問題作為課下作業，讓學生自主預習后面的知識.

圖7 小車上重物下落演示教具

設計意圖.

對于慣性的解釋，一般在教學中的處理方式是向學生說明“物體具有保持勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質叫做慣性.并指出質量是慣性的唯一量度.但對大多數學生而言還是難以理解，只是單純進行文字記憶.但由牛頓第一定律引申出的“力是改變物體運動狀態的原因”，實際是對牛頓第二定律的定性描述，并且學習了牛頓第二定律的定量描述F＝ma后，對質量是慣性的唯一量度的理解將會更加直觀深刻.所以此處設置小車上重物下落的實驗既使學生在知識學習后興趣再次激發，也通過對此現象的解釋為后面慣性的學習埋下伏筆.因此將慣性部分放到下節講解，更符合學生的認知情況.并且該實驗與課后題目中的飛機投彈原理相似，使學生在做中學，將實踐與知識相結合.

3 教學反思

3.1 物理學發展的歷史情境再現有利于學生理解科學家對物理問題的推理過程

物理學史是物理學發生、發展的歷史，在教學中適當滲透物理學史，可以使學生對該部分知識的學習充滿興趣.所以本節設計以物理學史的發展為主線，在學生對力與運動關系充滿疑惑時，教師為學生提供小車讓其動手實驗，第一組學生推動車底向上的小車，發現有推力時小車才運動，驗證了亞里士多德的觀點；第二組學生推動車身向上的小車，發現無推力時小車也能運動，驗證了伽利略的觀點.教師通過此設計將物理學家的觀點演示為實驗，使學生重走歷史，自己作為當時的“物理學家”，真切感受到研究過程.

并且物理學家的研究方法是經過多年的實踐與總結而形成的，對我們的教學過程具有指導意義.而伽利略的斜面實驗是一個經典的“理想實驗”，在向學生介紹該實驗時，采用傳統儀器與現代科學技術相結合的創新方法，將該實驗重現，使學生直觀明顯地觀察到小球的運動軌跡，分析實驗結果得：若忽略一切阻力，將第二個斜面放平后小球將一直運動下去，即物體的運動不需要力來維持.雖然我們不能消除一切阻力，也無法將第二個斜面做得無限長，但通過對該實驗的重現，可以使學生掌握這種將實驗與邏輯推理相結合的科學的研究方法.

3.2 數字化實驗技術有利于理論與現實的結合

信息時代的科學研究除了傳統的實驗研究和理論研究，還出現一種新形態——數字化探究實驗.目前理科實驗中，已經引入與計算機、多媒體、傳感器相關的實驗.這些實驗的出現對學生和教師的問題處理能力、數據分析能力、圖像分析能力提出了更高的要求.而且傳統的教學模式往往難以激起學生對物理知識的學習興趣和動力.所以我們采用創新手段，將數字化技術與傳統儀器相結合，通過多次改變斜面傾角及智能記錄與測量，增加了伽利略斜面實驗的準確性、可視性及可操作性.使學生在該過程中，直觀準確地理解伽利略斜面實驗，利于對牛頓第一定律的知識構建.

并且隨著社會的不斷進步，科技手段的提高以及技術的多樣化，越來越多的研究需要計算機輔助進行數據信息的收集和處理工作，這所強調的信息素養及現代傳統的融合可以為學生步入社會做好必要的能力準備.［6］

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2015年版）［M］.北京：人民教育出版社，2015.

2 弗·卡約里.物理學史［M］.北京：中國人民大學出版社，2010.

3 王其超，高守寶.物理規律教學方法與案例［M］.北京：北京師范大學出版社，2015.

4 葉東福.基于物理核心素養導向的教學策略［J］.中學物理教學參考，2016（12）：6－7.

5 陳運保，趙亮.牛頓第一定律的發展歷史及其教育價值［J］.物理教師，2016（7）：32－35.

6 韓蔚，項華，吳俊杰.《復演伽利略斜面實驗》的教學設計與反思［J］.中小學信息技術教育，2012（11）：63－64.

2017－03－06）