【摘 要】牛頓第一定律不但是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的基石且以其思想性、深刻性，不管在物理學(xué)史上還是物理教學(xué)中都具有特殊重要的地位。有關(guān)牛頓第一定律的教學(xué)設(shè)計(jì)也是教學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，筆者在多年關(guān)注此教學(xué)問題和教學(xué)實(shí)踐、觀摩學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，提出一些新的思考和認(rèn)識(shí)，以期對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和教學(xué)難點(diǎn)的突破有所啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)設(shè)計(jì)思路 相異構(gòu)想 氣體的慣性

【中圖分類號(hào)】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2015）03-0127-02

牛頓第一定律是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的基石，在物理學(xué)史上，它揭示并否定了人們關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，改變了人類的自然觀和世界觀，它本身還包含著力、慣性這些極富成果的科學(xué)概念，成為物理學(xué)理論的支柱和基石。從物理課堂教學(xué)看，伽利略的研究過程蘊(yùn)涵了重要的科學(xué)方法，教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)牛頓第一定律的含義，充分說明伽利略“理想實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和推理過程，展示伽利略斜面理想實(shí)驗(yàn)的猜想依據(jù)、推斷結(jié)果這一思維過程，體驗(yàn)感悟外推法的思想方法。筆者認(rèn)為，牛頓第一定律的教學(xué)設(shè)計(jì)是檢驗(yàn)一個(gè)物理教師素養(yǎng)和教學(xué)水平的試金石，因此有關(guān)牛頓第一定律的教學(xué)設(shè)計(jì)是教學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。當(dāng)然，教無定法，下面結(jié)合本人的教學(xué)實(shí)踐和多次聽課的收獲談?wù)勛约旱乃伎?，以期?duì)教學(xué)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和教學(xué)難點(diǎn)的突破有所啟發(fā)。

一 對(duì)牛頓第一定律的新理解

1.牛頓第一定律揭示了運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系

在不考慮物體轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，物體受力情況和其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否變化有對(duì)應(yīng)的因果關(guān)系、可逆關(guān)系。其關(guān)系可總結(jié)為下面的文字公式：

說明：物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變是指物體運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向均不隨時(shí)間變化。原來靜止，繼續(xù)保持靜止。原來以一定速度沿某方向運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)保持原來的速度和方向運(yùn)動(dòng)，即勻速直線運(yùn)動(dòng)。所以運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變包括保持靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)。

說明：物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變則包括物體運(yùn)動(dòng)速度的大小

或方向中任一方面的改變。速度大小的改變：由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)、由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止、速度變小變大等。速度方向的改變：任何做曲線運(yùn)動(dòng)的物體。初中生往往忽略了物體運(yùn)動(dòng)方向的改變，如勻速圓周運(yùn)動(dòng)。此文字公式將定量發(fā)展為牛頓第二定律。

2.牛頓第一定律與伽利略相對(duì)性原理

在發(fā)現(xiàn)慣性定律的基礎(chǔ)上，伽利略提出了相對(duì)性原理：力學(xué)過程對(duì)靜止的慣性系和運(yùn)動(dòng)的慣性系完全相同。即是說，在一系統(tǒng)內(nèi)部所作任何力學(xué)的實(shí)驗(yàn)都不能決定慣性系統(tǒng)是在靜止?fàn)顟B(tài)還是在做等速直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)此，伽利略在《對(duì)話》中有生動(dòng)描寫：“當(dāng)你在密閉運(yùn)動(dòng)著的船艙里觀察力學(xué)過程時(shí)，只要運(yùn)動(dòng)是勻速的，絕不忽左忽右擺動(dòng)，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來確定船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)。即使船運(yùn)動(dòng)得相當(dāng)快，在跳躍時(shí)，你將和以前一樣，在船底板上跳過相同的距離，你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來得遠(yuǎn)……如果點(diǎn)香冒煙，則將看到煙霧像一朵云一樣向上升起，不向任何一邊移動(dòng)。所有這些一致的現(xiàn)象，其原因在于船的運(yùn)動(dòng)是船上一切事物所共有的，也是空氣所共有的。”

如果在教學(xué)中能引導(dǎo)學(xué)生了解相對(duì)性原理，就會(huì)對(duì)牛頓第一定律有更加深刻地理解，對(duì)在火車上跳起后會(huì)落在起跳點(diǎn)前面或后面這些典型的疑難問題就不難解釋了。

二 對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第一定律認(rèn)知心理上的新認(rèn)識(shí)

“偏見比無知離真理更遠(yuǎn)”，牛頓第一定律理解的困難，正是所謂“相異構(gòu)想”的干擾阻礙了學(xué)生對(duì)正確知識(shí)的接受，也錯(cuò)誤地“同化”著一些新知識(shí)和新材料。

從20世紀(jì)70年代起，西方從事課程教學(xué)研究的學(xué)者，通過大量調(diào)查研究表明，早在正式學(xué)習(xí)科學(xué)課程前，兒童就通過對(duì)日常生活中一些現(xiàn)象的觀察和體驗(yàn)，形成了一些非科學(xué)的概念和一些兒童階段特有的思維方式。專家們將學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)課程前形成的概念稱為前科學(xué)概念或簡(jiǎn)稱為前概念，而把兒童圍繞前概念建立起來的特有錯(cuò)誤思維結(jié)構(gòu)稱為“相異構(gòu)想”或“不同的概念框架”。

牛頓第一定律要揭示的是力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，學(xué)生在地球上已經(jīng)生活了十幾年，對(duì)力和運(yùn)動(dòng)等生活中司空見慣的物理現(xiàn)象，大腦中早已有了許多直覺的認(rèn)識(shí)和思維定式，并把這些認(rèn)識(shí)當(dāng)作正確的。甚至連一些偉大的人物也犯這樣的錯(cuò)誤，如古希臘的亞里士多德。正是這些“相異構(gòu)想”的普遍性和頑固性構(gòu)成了學(xué)習(xí)物理的最大阻礙。

如在理解運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系時(shí)，學(xué)生可能已形成以下“相異構(gòu)想”：（1）有力作用的物體才能運(yùn)動(dòng)；（2）飛出去的足球受到一個(gè)向前的沖力；（3）物體速度越快慣性越大。

我們教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)圍繞如何通過理想實(shí)驗(yàn)和其他一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，引發(fā)原有概念與科學(xué)概念之間的沖突，揭示這些“相異構(gòu)想”的錯(cuò)誤，建立科學(xué)的思維和認(rèn)識(shí)。在實(shí)施教學(xué)中，筆者還體會(huì)到一個(gè)物體如果不受任何力（或受力平衡）的作用，可能保持靜止，這一點(diǎn)生活直覺已在學(xué)生心中植根，因此，理解牛頓第一定律在于讓另一種可能——物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，也深入學(xué)生的潛意識(shí)。因此教學(xué)中要設(shè)法讓學(xué)生在頭腦中應(yīng)記住幾個(gè)圖像：（1）在完全光滑無限長的平面上，從一個(gè)斜面滑下的小球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。（這也是伽利略的理想實(shí)驗(yàn)思想）（2）在此時(shí)此刻，美國人發(fā)射的多種航天器和宇宙飛船，如旅行者號(hào)、先驅(qū)者號(hào)等宇宙飛船，正在太空中以每秒十幾千米的速度飛行。

三 牛頓第一定律教學(xué)實(shí)施中的重難點(diǎn)和先后順序的新認(rèn)識(shí)

對(duì)于牛頓第一定律，要粗略地了解它不難，但要排除某些直覺經(jīng)驗(yàn)的謬誤，真正通過實(shí)驗(yàn)和推理牢固樹立準(zhǔn)確的科學(xué)概念，并且熟練地應(yīng)用于解決某些物理問題，對(duì)學(xué)生來說較難。因此，教學(xué)設(shè)計(jì)必須要有所創(chuàng)新、有所突破。筆者認(rèn)為，牛頓第一定律這一課，既有新概念的學(xué)習(xí)，又有規(guī)律的教學(xué)，慣性概念的理解是一個(gè)難點(diǎn)，而牛頓第一定律研究的又是物體不受力時(shí)的狀態(tài)，這是一種理想狀態(tài)，實(shí)際生活中并沒有不受力的物體，需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上概括、推理、歸納、推廣，這又是一個(gè)難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。因此，可確定教學(xué)目標(biāo)如下：（1）理解掌握慣性概念，理解牛頓第一定律的內(nèi)容（力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因）。（2）讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過程，理解由真實(shí)實(shí)驗(yàn)推廣到理想實(shí)驗(yàn)的科學(xué)思想，體會(huì)分析歸納、推理總結(jié)的思維方法。（3）通過牛頓第一定律的建立，認(rèn)識(shí)到真理常隱藏在簡(jiǎn)單的現(xiàn)象中，培養(yǎng)追求真理、勇于探索真理的科學(xué)精神。

進(jìn)一步確定本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)思路為通過設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦、動(dòng)口（經(jīng)歷過程，深度參與）。同時(shí)，將教材中先定律后慣性的順序，改變?yōu)橄葢T性后定律，首先幫助學(xué)生建立慣性的概念。這樣更有利于學(xué)生剔錯(cuò)納新，主動(dòng)建構(gòu)正確的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

四 對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的新建議

有關(guān)慣性的演示實(shí)驗(yàn)很多，有些如魔術(shù)表演般精彩，但已有的文獻(xiàn)和以往教學(xué)中對(duì)液體、氣體的慣性現(xiàn)象一般很少提及，對(duì)液體的慣性可讓學(xué)生觀察這樣的生活現(xiàn)象：在裝水的大玻璃杯中放入一漂浮食物，轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃杯觀察食物是否跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)氣體的慣性，可設(shè)計(jì)這樣的演示實(shí)驗(yàn)：先在一密閉廣口瓶中間鉆一小孔，里面放一點(diǎn)燃的蚊香，拍打廣口瓶的一端，觀察吐出的煙圈。

五 有利于開展課外研究性學(xué)習(xí)的拓展題

拓展題1：有關(guān)飛碟（UFO）事件的報(bào)告很多，飛碟到底是什么還未有定論。在許多報(bào)告事件中的飛碟有一個(gè)重要的飛行特性使科學(xué)家感到費(fèi)解：飛碟能夠在高速飛行中突然直角轉(zhuǎn)彎。你覺得這種飛行特性有什么問題嗎？你自己能在快速奔跑中突然轉(zhuǎn)彎嗎，請(qǐng)上網(wǎng)查詢有關(guān)材料并作答。

拓展題2：地球赤道上一觀察者手上托著一個(gè)小球，如果地球?qū)π∏蛲蝗皇ヒ?，觀察者保持不動(dòng)，忽略空氣阻力，則觀察者將觀察到小球在自己的上空：A.向東飛去；B.向西飛去；C.靜止不動(dòng)；D.先向西飛去，再向東飛去。

參考文獻(xiàn)

[1]李志雄.力學(xué)啟蒙[M].北京：人民日?qǐng)?bào)出版社，2004

〔責(zé)任編輯：林勁〕