陸星琳 邢紅軍 張婷玉

(首都師范大學(xué)物理系，北京 100048)

牛頓第一定律作為高一物理教學(xué)的重要內(nèi)容，一直以來(lái)都是教學(xué)的難點(diǎn).教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生往往憑借生活經(jīng)驗(yàn)形成頑固的前概念，從而導(dǎo)致對(duì)牛頓第一定律的虛假掌握.因此，如何破除學(xué)生頭腦中的前概念，就成為牛頓第一定律教學(xué)的關(guān)鍵.有鑒于此，我們立足于物理教育心理學(xué)的研究，對(duì)本節(jié)課進(jìn)行物理高端備課的探討.

1 對(duì)傳統(tǒng)教材的分析

現(xiàn)行人教版高中物理教材首先引入亞里士多德的觀點(diǎn)，“必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動(dòng)”，然后介紹伽利略斜面實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生“猜想”:如果沒(méi)有摩擦力，減小第2個(gè)斜面的傾角，小球?qū)⑷赃_(dá)到同樣高度.并通過(guò)設(shè)問(wèn)“斜面放平小球能達(dá)到多遠(yuǎn)的位置?”，進(jìn)而過(guò)渡到“理想實(shí)驗(yàn)”.緊接著講述笛卡爾的觀點(diǎn)“如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒(méi)有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動(dòng)，既不停下來(lái)也不偏離原來(lái)的方向”，從而引出“牛頓第一定律”.之后，用“冰壺”的例子，試圖讓學(xué)生深入理解牛頓第一定律，最終針對(duì)牛頓第一定律中兩個(gè)重要概念“慣性”與“質(zhì)量”進(jìn)行了解釋.［1］

筆者認(rèn)為，教材的處理方式存在3個(gè)問(wèn)題.第一，教材對(duì)于伽利略實(shí)驗(yàn)中“減小第二斜面的傾角”與“第二斜面最終成為水平面”之間的闡述，并沒(méi)有解釋“小球最終停在距地面高度為h的斜面末端，如何將斜面視為水平面”這一關(guān)鍵問(wèn)題，致使學(xué)生不能準(zhǔn)確地理解理想化的內(nèi)涵.第二，教材未能將慣性、質(zhì)量?jī)蓚€(gè)概念與牛頓第一定律結(jié)合，使得學(xué)生不能深刻理解定律本質(zhì)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)深度不足.最后，教材通過(guò)例舉冰壺例子，并未達(dá)到引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的作用，也就不能破除學(xué)生頭腦中的前概念.

我們認(rèn)為，牛頓第一定律的教學(xué)的核心在于:怎樣解釋清楚牛頓第一定律的“是什么”和“為什么”兩個(gè)問(wèn)題.對(duì)于前者，需要解決如何讓學(xué)生通過(guò)伽利略實(shí)驗(yàn)，并借助理想化實(shí)驗(yàn)在邏輯上解釋清楚牛頓第一定律“是什么”的問(wèn)題;對(duì)于后者，則需要借助“慣性”來(lái)闡明定律的本質(zhì)，從而解釋牛頓第一定律中“為什么”的問(wèn)題.另一方面，許多物理教師由于沒(méi)有認(rèn)識(shí)到學(xué)生頭腦中前概念的隱蔽性與頑固性，往往使得牛頓第一定律的前概念與科學(xué)概念在學(xué)生的大腦中“和平共處”，并最終導(dǎo)致學(xué)生并未真正掌握牛頓第一定律.

2 彰顯教學(xué)邏輯的高端備課

2.1 依據(jù)“內(nèi)因”、“外因”雙層邏輯建立牛頓第一定律

在教學(xué)的第一環(huán)節(jié)，需要依據(jù)教學(xué)的內(nèi)在邏輯建立牛頓第一定律，這也是高端備課的基礎(chǔ).伽利略實(shí)驗(yàn)既是物理學(xué)家思維發(fā)展的結(jié)果，又是得出牛頓第一定律的重要實(shí)驗(yàn).如何利用伽利略實(shí)驗(yàn)中所包含的理想化思想，合理解釋“小球最終停在距地面高度為h的斜面末端，但卻可以將斜面視為水平面”問(wèn)題，就成為教學(xué)中需要著力解決的問(wèn)題.為了解釋該問(wèn)題并合乎邏輯地得出牛頓第一定律，教師應(yīng)做如下講解:

圖1

如圖1(c)所示，在直角三角形BCD中，sinθ=h/BC，在取極限的情況下，由于h有限而B(niǎo)C無(wú)限，則sinθ→0，θ=0，于是右側(cè)斜面BC成為水平面，如圖1(d)所示.需要強(qiáng)調(diào)指出的是，如果斜面為有限長(zhǎng)，則小球最終停留在斜面遠(yuǎn)端;如果斜面為無(wú)限長(zhǎng)，雖然其末端距離地面為h高，但小球仍會(huì)以不變的速度一直運(yùn)動(dòng)下去，此時(shí)無(wú)限長(zhǎng)的“斜面”就變成了水平面，從而實(shí)現(xiàn)斜面到平面的轉(zhuǎn)變.在滿足理想化條件即不受外力和無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，小球運(yùn)動(dòng)至無(wú)限遠(yuǎn)需要無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間.如果沒(méi)有摩擦，小球?qū)⒀厮矫嬉院愣ㄋ俣瘸掷m(xù)運(yùn)動(dòng)下去.由此，在邏輯上自然而然地得出了牛頓第一定律:“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”，這就解釋了牛頓第一定律“是什么”的問(wèn)題.

理想實(shí)驗(yàn)只是得出牛頓第一定律的外因，牛頓第一定律成立的內(nèi)因則是由慣性所決定的.由此，需要向?qū)W生講述慣性的概念，即“物體具有保持原來(lái)勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)”，“質(zhì)量是慣性大小的量度”，強(qiáng)調(diào)“物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持”.教師可以向?qū)W生做這樣的比喻，當(dāng)無(wú)外力作用時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)如同時(shí)間的流逝一般，不需要外界任何物體來(lái)維持.牛頓第一定律揭示出“一切物體都有慣性”，故也稱為慣性定律.因此，牛頓第一定律的內(nèi)涵不僅需要直觀現(xiàn)象的支撐(外因)，更需要思維方法的加工(內(nèi)因)，這就解釋了牛頓第一定律“為什么的問(wèn)題”.

2.2 破除學(xué)生頭腦中的前概念

常規(guī)教學(xué)能夠使學(xué)生建立牛頓第一定律，然而這遠(yuǎn)非教學(xué)的終結(jié).由于學(xué)生頭腦中普遍存在“力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”前概念，因此并非“正面”傳授知識(shí)就可輕易讓學(xué)生掌握牛頓第一定律.對(duì)此，我們認(rèn)為，只有將學(xué)生置于生態(tài)化的問(wèn)題情境中，才能有效地破除前概念.據(jù)此，我們選取如下原始物理問(wèn)題展開(kāi)有序教學(xué).

首先，教師提出第1個(gè)問(wèn)題.

(1)在勻速行駛的火車車廂內(nèi)豎直向上拋鑰匙，問(wèn)鑰匙落在拋出點(diǎn)何處?

研究表明，學(xué)生往往會(huì)認(rèn)為“鑰匙落在拋出點(diǎn)沿車行駛方向的后方”，而原因是“火車在走，而鑰匙拋出后不再向前走了.”對(duì)此，教師應(yīng)追問(wèn)“為什么鑰匙拋出后不再向前走?”從而將學(xué)生判斷背后的依據(jù)充分暴露出來(lái)，使學(xué)生在大腦中形成認(rèn)知沖突，從而體察到判斷的謬誤，進(jìn)而自然地尋求正確結(jié)論.

其次，教師提出第2個(gè)問(wèn)題.

(2)從勻速水平向前飛行的飛機(jī)上向下空投炸彈，不計(jì)空氣阻力，問(wèn)炸彈扔下后在空中的排列情況哪一種是正確的?(如圖2所示)

圖2

由于炸彈投出后在水平方向并未受到任何外力，因此仍保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，與飛機(jī)在水平方向相對(duì)位置不變，所以呈豎直排列(a).教師一方面需要指出學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念，另一方面也需要啟發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突并破除其頭腦中的前概念.

通過(guò)兩個(gè)原始物理問(wèn)題的講解，學(xué)生的大腦處于從被組織向自組織轉(zhuǎn)變的臨界區(qū)域，此時(shí)，如何使學(xué)生由被組織向自組織轉(zhuǎn)變就成為教學(xué)的重點(diǎn).繼而可以提出以下兩個(gè)問(wèn)題，放手讓學(xué)生自主解決，以檢驗(yàn)是否破除頭腦中的前概念.

(3)一人站在輪船二層甲板上，以最大速度奔跑想跳入水中.由于一層甲板過(guò)長(zhǎng)，每次都只能跳到一層甲板邊緣而不能跳入水中.有人建議在人以最大速度奔跑過(guò)程中，讓輪船向相反方向以速度v勻速運(yùn)動(dòng).請(qǐng)問(wèn)這種情況下人能否跳入水中?

(4)在勻速向前行駛的汽車車廂內(nèi)，前后車窗上各趴有一只蜜蜂，當(dāng)兩只蜜蜂同時(shí)相對(duì)車廂以同樣的速度向?qū)Ψ杰嚧帮w去時(shí)，問(wèn)前車窗的蜜蜂先到達(dá)后車窗還是后車窗的蜜蜂先到達(dá)前車窗?

由于前概念往往在真實(shí)的問(wèn)題情境中才能被暴露，所以在分析以上2個(gè)問(wèn)題時(shí)，學(xué)生若能認(rèn)識(shí)到“在行駛的輪船和車廂內(nèi)，無(wú)論運(yùn)動(dòng)方向如何變化，輪船上的人和車廂內(nèi)的蜜蜂相對(duì)輪船和車廂的速度是相同的，在未受到改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)外力的情況下，人能跳躍的距離和蜜蜂飛行所用的時(shí)間不變”就能正確解決問(wèn)題，表明這部分學(xué)生已破除頭腦中的前概念.因此，通過(guò)一系列問(wèn)題的思考和回答，使學(xué)生原有的認(rèn)知圖式受到不斷地刺激，在頭腦中引發(fā)認(rèn)知沖突和危機(jī)，從而使學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的認(rèn)識(shí)在更深的心理層面得以確認(rèn).

3 對(duì)物理教學(xué)的啟示

縱覽以上高端備課過(guò)程，我們可以得到以下幾點(diǎn)啟示.

3.1 以“理想化”作為建立牛頓第一定律的外因

理想化這一科學(xué)方法，并非局限于現(xiàn)象的展示與外顯的操作，而應(yīng)調(diào)動(dòng)“極限”等邏輯思維方法的參與，在這一過(guò)程中，學(xué)生開(kāi)始伸出抽象思維的觸角，并體驗(yàn)到一種邏輯外推的力量.我們提出的高端備課，通過(guò)極限思想，使“有限”變化的量變成為“無(wú)限”變化的質(zhì)變，從而以合乎邏輯的方式導(dǎo)出理想化的條件，即不受外力和無(wú)限遠(yuǎn).運(yùn)用理想化這一科學(xué)方法，填補(bǔ)了學(xué)生的思維斷點(diǎn)，讓學(xué)生在邏輯分析中理性的認(rèn)識(shí)牛頓第一定律，從而清晰理解了牛頓第一定律建立的“外因”.

3.2 以“慣性”作為建立牛頓第一定律的內(nèi)因

牛頓第一定律作為從大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)而來(lái)的規(guī)律，如何循序漸進(jìn)地傳授其中蘊(yùn)含的物理思想，更好地透視其物理本質(zhì)就成為教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn).牛頓第一定律的表述中雖未言及“慣性”，然而事實(shí)上卻包含了慣性的概念.由于保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是物體的內(nèi)在固有屬性，是自然界一切物體本身存在的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以物體的運(yùn)動(dòng)就不需要力的維持.如此，才能清晰透視出牛頓第一定律的本質(zhì)，從而使學(xué)生信服這一規(guī)律，并真正把握牛頓第一定律的內(nèi)涵.

3.3 以“破除前概念”作為建立牛頓第一定律的保證

所謂前概念，是指學(xué)生在學(xué)習(xí)物理課程以前的生活實(shí)際中，對(duì)各種物理現(xiàn)象和過(guò)程在頭腦中反復(fù)建構(gòu)所形成的系統(tǒng)的但并非科學(xué)的觀念.學(xué)生是帶著前概念進(jìn)入課堂的，而它們往往與科學(xué)事實(shí)不相符，前概念的頑固性、隱蔽性特點(diǎn)，更給教學(xué)帶來(lái)了極大困難.

如圖3所示，在牛頓第一定律學(xué)習(xí)中，學(xué)生頭腦中往往存在著“兩個(gè)牛頓第一定律”，一方面，他們可以把正確的定律倒背如流.另一方面，用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的卻往往運(yùn)用頭腦中的前概念.因此，如何破除學(xué)生前概念就成為本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵之處.

圖3

本節(jié)課通過(guò)一系列原始問(wèn)題探測(cè)學(xué)生的前概念，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，并力圖改造學(xué)生已有的認(rèn)知圖式，達(dá)到建立新圖式的目的.在更廣泛的意義上，這項(xiàng)工作要求將前概念分析作為一項(xiàng)基本的備課活動(dòng)，建議教師在關(guān)于前概念教學(xué)理論的指導(dǎo)下，力爭(zhēng)對(duì)每節(jié)課中前概念的破除，都作出恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)安排.

1 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.物理(必修1)［M］.北京:人民教育出版社，2011:68-71.

2 陳清梅，邢紅軍.應(yīng)用理想化方法講解“伽利略實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)研究［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2008(1-2):20.