初中“牛頓第一定律”教學的創新設計

朱春 邢紅軍 孫鐵楠

摘 要：鑒于初中牛頓第一定律教學中存在的困難，從牛頓第一定律“是什么”、牛頓第一定律“為什么”以及牛頓第一定律“變什么”三個角度出發，對初中牛頓第一定律進行了創新教學設計，旨在厘清牛頓第一定律的教學邏輯，使學生更易于理解和掌握牛頓第一定律，從而能夠更好地完成知識建構.

關鍵詞：教學設計;教學邏輯;牛頓第一定律

文章編號：1008-4134（2020）06-0048 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

1 教材分析與研究

現行人教版初中物理教材的“牛頓第一定律”編寫，通過對比亞里士多德與伽利略的觀點，從而得出結論：運動的物體之所以會停下來，是因為受到了阻力;進一步借助于“阻力對物體運動的影響”演示實驗，從而得出了牛頓第一定律;教材最后給出了慣性概念，并利用“金屬片沒有隨小球飛出”“汽車剎車或啟動時，乘客會前傾或后仰”等生活中的實例，來加深學生對慣性概念的認識[1].

通過以上分析，不難看出，教材關于“牛頓第一定律”的編寫還存在以下改進的空間：首先，教材在牛頓第一定律的描述中，沒有講清楚并強調在理想狀態下，物體有且僅有兩種運動狀態：靜止狀態和勻速直線運動狀態.其次，教材在建立牛頓第一定律后，直接給出了慣性的概念，沒有講清楚正是由于物體具有慣性，物體才能夠保持靜止或勻速直線運動狀態.最后，教材雖建立了牛頓第一定律，但沒有提及若改變物體的運動狀態需要什么條件，即沒有強調“力是改變物體運動狀態的原因”.這就會影響學生對于牛頓第一定律的理解.基于上述分析，不難發現，教材并沒有很好地建構邏輯，根據皮亞杰的認知發展理論，初中生的認知發展水平還停留在前運算階段和具體運算階段，混亂的邏輯容易使學生形成對牛頓第一定律的一種模糊認識.因此，為了使學生更加有效地學習牛頓第一定律，就有必要創新教學設計，從而幫助學生更好地理解這一規律的本質.有鑒于此，通過建構清晰嚴密的教學邏輯，并結合教學比喻，使復雜的教學過程簡單化，以期幫助學生更好地掌握牛頓第一定律.

2 牛頓第一定律的創新教學設計

據以上分析，本文從牛頓第一定律的“是什么”、牛頓第一定律的“為什么”以及牛頓第一定律的“變什么”三個角度，對初中牛頓第一定律教學進行創新設計.

2.1 牛頓第一定律的“是什么”——兩種運動狀態

查閱相關文獻發現，就初中牛頓第一定律的教學研究大都著眼于破除學生頭腦中的錯誤前科學概念，即“力是維持物體運動狀態的原因”，教學設計主要通過演示斜面小車實驗，而后經過合理的邏輯外推，最終建立牛頓第一定律.不可置否的是，斜面實驗不僅具有很強的操作性，而且與伽利略設計的斜面實驗有異曲同工之妙，通過還原物理學家對這一問題的研究過程，幫助學生理解牛頓第一定律.然而，目前許多教材和教師都把重點放在了如何通過斜面實驗并運用極限推理來建立牛頓第一定律上，實驗看似“轟轟烈烈”，但得出牛頓第一定律后卻沒有進一步深入這一定律，講清楚牛頓第一定律到底“是什么”，只是生搬硬套牛頓第一定律的表述，因而并未真正觸及牛頓第一定律的本質.

初中牛頓第一定律的內容為：一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態[2].從牛頓第一定律的表述中不難看出，這一表述并沒有講清楚并強調物體在不受力的條件下有且僅有兩種狀態：靜止狀態和勻速直線運動狀態，而只是“保持靜止狀態或勻速直線運動狀態”.由于對“兩種狀態”的處理較為隱晦，導致學生對這一定律的認識不夠清晰.因此，應向學生強調指出，根據牛頓第一定律，不受力的作用的物體，有且僅有兩種狀態：靜止狀態和勻速直線運動狀態.并由此總結出兩個子結論：

結論1：原先靜止的物體，如果不受外力，將一直保持靜止.如靜止放置在書桌上的課本、靜止懸掛在教室上方的燈管，若不對其施加力的作用，它們將會一直保持靜止.

結論2：原來運動的物體，如果不受外力，將一直保持勻速直線運動狀態.如斜面實驗的小車，若沒有阻力作用在小車上，小車將在水平面上一直保持勻速直線運動至無限遠;斜向上拋出的石塊，若沒有受到重力的作用，將以斜向上的初速度做勻速直線運動[3].

也即是說，如果物體不受外力，那么只存在兩種運動狀態：靜止狀態和勻速直線運動狀態.至此，學生在頭腦中便初步建立了牛頓第一定律的運動圖像.如圖1所示：

2.2 牛頓第一定律的“為什么”——慣性

通過第一階段的教學，學生已經了解到：一切物體在不受外力的作用時，將保持靜止狀態或勻速直線運動狀態，這是牛頓第一定律的“是什么”，進一步，教師還要引導學生思考牛頓第一定律的“為什么”.即物體為什么會保持這兩種運動狀態呢？這就需要引入慣性這一概念來進行釋疑.

慣性是物體的固有屬性，是指物體對運動狀態改變的抵抗性，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[4]. 正因為有慣性的存在，物體才具有保持當前運動狀態的能力，也即是說，物體因為具有慣性，所以現在是靜止狀態，將一直保持靜止狀態，現在是勻速直線運動狀態，將一直保持勻速直線運動狀態.這就不難解釋，為什么小車在不受力的情況下能夠一直保持勻速直線運動了.需要強調指出的是，不論物體是否受到力的作用，物體都具有慣性，慣性是物體的固有屬性.

如圖2所示，在自救匝道遠離公路的一段鋪上石子，而靠近公路的一段不鋪設石子，這樣做的原因是：若將整個坡道都鋪滿石子，失控的貨車沖上匝道后，整個車子將被一下制動下來，此時車身雖然停止運動，而車上裝載的貨物因為慣性會繼續向前運動，這就會導致貨物將貨車駕駛室撞飛，具有巨大的危險性;而若坡道起始不鋪設石子，失控的貨車沖上匝道后，貨車的動能轉化為勢能，不僅“貨車”的速度得以降低，同時車上“貨物”的速度也得以降低，貨車再經過坡道時，貨車和貨物便都能夠平安地制動，從而避免發生危險.

2.3 牛頓第一定律的“變什么”——運動狀態如何改變

針對教材編寫的第三個問題：教材雖然建立了牛頓第一定律，但卻沒有明確提及改變物體的運動狀態需要什么條件，即“力是改變物體運動狀態的原因”.這就涉及到第三個教學重點環節，當物體受到力的作用時，將會改變原來的靜止狀態或勻速直線運動狀態.

力是物體對物體的作用，這種作用能夠使物體的運動狀態或形狀發生改變.從亞里士多德時代開始，人們一直相信運動是由力來維持的.牛頓第一定律否定了這種根深蒂固的偏見，通過不受力作用的運動規律的描繪，揭示出力才是改變物體運動狀態的原因[5].在小車實驗中，在不受力作用的理想條件下，小車因為具有慣性將一直保持勻速直線運動，但不論是在毛巾還是平板上滑行，小車最終都會停止在水平面上的某個位置，這是因為小車與平板間存在摩擦阻力，正是這一阻力改變了小車勻速直線運動的狀態，小車才最終停止運動.

至此，學生便清楚了物體不受力時的兩種狀態：靜止狀態和勻速直線運動狀態;也清楚了為何物體保持這兩種狀態的原因以及如何改變這兩種狀態.再通過將物體與人作比喻，就可以更加深入地理解牛頓第一定律.見表1.

從表1不難看出，在不受外力時，物體只有兩種運動狀態：靜止狀態和勻速直線運動狀態.人同樣只有兩種狀態：睡眠狀態和清醒狀態;物體為何可以保持這兩種狀態？因為物體具有慣性.人為何可以保持這兩種狀態？因為人具有生命;物體如何改變這兩種狀態？給物體施加力的作用.人如何改變這兩種狀態？得了要命的疾病.顯然，通過清晰順暢的教學邏輯，形象具體的教學比喻，深刻地揭示了牛頓第一定律的教學本質.

3 教學啟示

基于以上創新教學設計，可以得到以下三點啟示.

3.1 物理教學要注重邏輯的完整連貫

邏輯完整連貫的物理教學有助于幫助學生建構良好的認知圖結構.基于此，本文的創新教學設計就包括了以下三個環節：（1）牛頓第一定律的“是什么”;（2）牛頓第一定律的“為什么”;（3）牛頓第一定律的“變什么”.很顯然，三個教學環節層層遞進，為學生呈現出了清晰的教學脈絡，并有助于學生系統完整地掌握牛頓第一定律.圖3為牛頓第一定律的教學邏輯圖. ? 3.2 重視“比喻”在物理教學中的作用

在牛頓第一定律的教學中，存在著從真實實驗合理外推至理想實驗、慣性概念抽象難懂、教學環節多而繁雜等諸多問題，由于初中生的認知發展水平尚處于前運算階段和具體運算階段，對較為抽象的牛頓第一定律往往難于理解.通過將物體比喻成人，學生就會在厘清牛頓第一定律理論脈絡的同時，更好地理解牛頓第一定律的本質.初中物理教學還有很多知識都可以運用“比喻”，比如將電壓比作水壓、聲波比作水波以及電勢比作地勢等.在初中物理教學中，正確運用“比喻”，不僅可以使抽象概念具體化，復雜問題簡單化，還可以調動學生的積極性，從而有效地提高初中物理教學質量.

3.3 注重詮釋物理概念的本質

如何講好慣性這一概念，是許多初中物理教師面臨的一個難題.由于大多數初中學生對慣性的理解還停留在比較膚淺的認識層面，而現行人教版初中物理教材在處理時，是根據牛頓第一定律引出了慣性的概念，顯然，這一處理方式還有待探討.這是因為，牛頓第一定律成立的前提條件是物體不受力的作用，學生就可能會想，物體只有在不受力的作用時才具有慣性，若物體受力時，對于物體是否仍具有慣性卻不得而知，這樣學生很容易將物體不受力與慣性聯系在一起.因此，在慣性概念教學時，必須向學生強調，一切物體不論是否受力，也不論是否受力平衡，還是是否運動，物體都具有慣性，慣性是物體的固有屬性.所以教師應當向學生澄清，牛頓第一定律也稱為慣性定律，但并非是慣性的定律，從而加深學生對慣性概念本質的理解.

參考文獻：

[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，2012：18.

[2]許波華.基于物理觀念形成的教學探討——以初中《牛頓第一定律》為例[J].湖南中學物理，2019，34（09）：22-23.

[3]劉紫微，陳剛.試論牛頓第一定律的學習機制與教學[J].物理教師，2019，40（04）：33-35.

[4]繆鐘英，羅啟蕙.力學問題討論[M].北京：人民教育出版社，2003.

[5]邢紅軍. 大學教學技能精進教程[M]. 北京：清華大學出版社，2017.

（收稿日期：2019-11-09）