对牛顿第一定律教学设计的新思考

李志雄   

【摘要】：

牛顿第一定律不但是牛顿运动定律的基石，且以其思想性、深刻性，不管在物理学史上还是物理教学中都具有特殊重要的地位，有关牛顿第一定律的教学设计也是教学研究的热点问题，本人在多年关注此教学问题和教学实践、观摩学习的基础上，提出一些新的思考和认识，以期对教学设计创新和教学难点的突破有所启发。

【关健词】： 教学设计思路 相异构想 气体的惯性

牛顿第一定律是牛顿运动定律的基石，在物理学史上，它揭示并否定了几千年来人们关于运动和力关系的错误观点，改变了人类的自然观和世界观，它本身还包含着力、惯性这些极富成果的科学概念，成为物理学理论的支柱和基石。从物理课堂教学来看，伽利略的研究过程蕴涵了重要的科学方法，教学中要引导学生领会牛顿第一定律的含义，充分说明伽利略“理想实验”的实验基础和推理过程，展示伽利略斜面理想实验的猜想依据、推断结果这一思维过程，体验感悟外推法的思想方法。笔者认为，牛顿第一定律的教学设计是检验一个物理教师素养和教学水平的试金石，因此有关牛顿第一定律的教学设计也是教学研究的热点问题。当然，教无定法，下面结合本人的教学实践和多次听课的收获谈谈自己的思考，以期对教学设计创新和教学难点的突破有所启发。

一、对牛顿第一定律的新理解：

    1．牛顿第一定律实际定性揭示了运动和力关系的真相：在不考虑物体转动的条件下，物体受力情况和其运动状态是否变化有对应的因果关系、可逆关系。其关系可总结为下面的文字公式

文字公式1：

说明：物体运动状态不变是指物体运动速度的大小方向均不随时间变化。原来静止，继续保持静止。原来以一定速度沿某方向运动，继续保持原来的速度和方向运动，即匀速直线运动。所以运动状态不变包括保持静止和匀速直线运动。

文字公式2：

说明：物体运动状态的改变则包括物体运动速度的大小或方向中任一方面的改变。速度大小的改变：如由静止变为运动，由运动变为静止，速度变小变大等。速度方向的改变：任何做曲线运动的物体。初中生往往忽略的物体运动方向的改变，如匀速圆周运动。此文字公式将定量发展为牛顿第二定律。

2．牛顿第一定律与伽利略相对性原理

在发现惯性定律的基础上，伽利略提出了相对性原理：力学过程对于静止的惯性系和运动的惯性系是完全相同的。即是说，在一系统内部所作任何力学的实验都不能够决定一惯性系统是在静止状态还是在作等速直线运动。对此，伽利略在《对话》中有生动的描写：“当你在密闭的运动着的船舱里观察力学过程时，只要运动是匀速的，决不忽左忽右摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，……如果点香冒烟，则将看到烟象一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。所有这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的，也是空气所共有的。”

如果在教学中能引导学生了解相对性原理，就会对牛顿第一定律有更加深刻的理解，对于在火车上跳起后会落在起跳点前面或后面这些典型的疑难问题就不在话下。

二、对学生学习牛顿第一定律认知心理上的新认识：

“偏见比无知离真理更远”，牛顿第一定律的理解困难，正是所谓的“相异构想”的干扰阻碍了学生对正确知识的接受，也错误地“同化”着一些新知识和新材料。

从二十世纪70年代起，西方从事课程教学研究的学者，通过大量调查研究表明，早在正式学习科学课程以前，儿童就通过对日常生活中一些现象的观察和体验，形成了一些非科学的概念和一些儿童阶段特有的思维方式。专家们将学生在学习科学课程之前形成的这类概念称为前科学概念或简称为“前概念”，而把儿童围绕“前概念”建立起来的一种特有的错误思维结构称为“相异构想”或“不同的概念框架”。

牛顿第一定律要揭示的是力和运动的关系，学生已经在地球上已经生活了十几年，对于力和运动等这些生活中司空见惯的物理现象，大脑中早已有了许多直觉的认识和思维定势，并把这些认识当作正确的，甚至连一些伟大的人物也犯这样的错误，如古希腊的亚里斯多德。正是这些“相异构想”的普遍性和顽固性构成了学习物理的最大阻碍。

如在理解运动和力的关系时，学生可能已形成以下“相异构想”:

= 1 \* roman i)有力物体才能运动。

= 2 \* roman ii)飞出去的足球受到一个向前的冲力

= 3 \* roman iii)物体速度越快惯性越大。

我们教学设计应当围绕如何通过理想实验和其他一些实验事实，引发原有概念与科学概念之间的“冲突“，揭示这些“相异构想”错误，建立起科学的思维和认识。在实施教学中，笔者还体会到，一个物体如何不受到任何力（或受力平衡）的作用，可能保持静止，这一点生活直觉倒已在学生心中植根，因此，理解牛顿第一定律在于让另一种可能——物体做匀速直线运动，也深入学生的潜意识。因此教学中要设法让学生在头脑中应记住几个图象：

1)在完全光滑的无限长的平面上，从一个斜面滑下的小球将永远运动下去。（这也是加俐略的理想实验思想）

2)就在此时此刻，美国人发射的多种航天器和宇宙飞船，如旅行者号，先驱者号等宇宙飞船，正在太空中以每秒十几千米的速度飞行。

三、牛顿第一定律实际教学实施中的重难点和先后顺序的新认识：

对于牛顿第一定律,要粗略地了解它是不难的,但要排除某些直觉经验的谬误,真正通过实验和推理牢固树立准确的科学概念,并且熟练地应用与解决某些物理问题,对学生来说是较难的。因此，教学设计必须要有所创新、有所突破。笔者认为，“牛顿第一定律”这一课，既有新概念的学生，又有规律的教学，“惯性”概念的理解建立是一个难点，而牛顿第一定律研究的又是“物体不受力时的状态”，这是一种理想状态，实际生活中并没有不受力的物体，需要学生在实验基础上概括、推理、归纳、推广，这是又一个难点，也是重点。因此，可确定教学目标如下：

1）理解掌握惯性概念，理解牛顿第一定律的内容（力是改变物体运动状态的原因）。

2）让学生经历实验探究的过程，理解由真实实验推广到理想实验的科学思想，体会分析归纳，推理总结的思维方法。

 3)通过牛顿第一定律的建立，认识到“真理”真理常隐藏在简单的现象中”，培养追求真理、勇于探索真理的科学精神。

进一步确定本节课的教学设计思路为：通过设计创新实验,让学生动手、动脑、动口(经历过程，深度参与).同时，将教材中“先定律后惯性的顺序， 改变为“先惯性后定律”，首先帮助学生建立“惯性”的概念。这样更有利于学生剔错纳新，主动建构正确的知识结构。

四、对演示实验的新建议：

有关惯性的演示实验很多，有些如魔术表演般精彩，但已有文献和以往教学中对液体、气体的惯性现象一般很少提及，对于液体的惯性可让学生观察这样的生活现象：在装水的大玻璃杯中放入一漂浮食物，转动玻璃杯观察食物是否跟着转动。对于气体的惯性，可设计这样的演示实验：先在一密闭广口瓶中间钻一小孔，里面放一点燃的蚊香，拍打广口瓶的一端，观察吐出的烟圈。

五、有利于开展课外研究性学习的拓展题

拓展题1：有关飞碟（UFO）事件的报告很多，飞碟到底是什么还未有定论。在许多报告事件中的飞碟有一个重要的飞行特性使科学家感到费解：飞碟能够在高速飞行中突然直角转弯。你觉得这种飞行特性有什么问题吗？你自己能在快速奔跑中突然转弯吗，请上网查询有关材料并作答。

拓展题2：地球赤道上一观察者手上托着一个小球，如果地球只对小球突然失去引力，观察者保持不动，忽略空气阻力，则观察者将观察到小球在自己的上空：

A、向东飞去   B、向西飞去   C、静止不动。D、先向西飞去，再向东飞去。

参考文献：

[1] 李志雄.力学启蒙[M]. 北京：人民日报出版社，2004.

发表于《学园》2015年第三期