靳 萱 邢紅軍

(首都師范大學(xué)物理系,北京 100048)

初中牛頓第一定律高端備課

靳 萱 邢紅軍

(首都師范大學(xué)物理系,北京 100048)

牛頓第一定律是初中物理教學(xué)的重要內(nèi)容,也是學(xué)生接觸力學(xué)的第一個重要定律,一直以來都是初中物理教學(xué)的重點與難點．教學(xué)實踐表明,學(xué)生學(xué)習(xí)之后,往往并未真正掌握這一定律,頭腦中依然會殘存前科學(xué)概念．因此,讓學(xué)生理解定律的內(nèi)涵,破除頭腦中的前科學(xué)概念,就成為牛頓第一定律教學(xué)的關(guān)鍵．

1 現(xiàn)行教材編寫的分析

現(xiàn)行人教版教材在牛頓第一定律編寫時,先將亞里士多德與伽利略的觀點進行對比,引導(dǎo)學(xué)生分析阻力在物體運動過程中的影響,利用小車從高處下滑實驗,觀察小車在不同粗糙面上的滑行距離．在證實阻力的作用之后,教材給出伽利略的推測:“如果物體受到的阻力為零,速度就不會減小,物體將以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運動下去”,從而引出牛頓第一定律．接下來,利用“放在金屬片上的小球沒有隨金屬片被彈飛而運動”以及“汽車剎車或啟動時,乘客前傾或后仰”等實例夯實“慣性”這一重要概念．[1]

研究發(fā)現(xiàn),教材編寫存在3點問題:首先,教材雖然通過演示實驗得出阻力減小、小車向前滑行距離變大的結(jié)論,但是沒有恰當(dāng)?shù)亍斑^渡”到不受阻力時物體保持勻速直線運動的結(jié)論．其次,教材給出的牛頓第一定律只說明“力不是維持物體運動狀態(tài)的原因”,卻沒有講清“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”．最后,教材列舉的案例都未能有效引起學(xué)生的認(rèn)知沖突,破除學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念也就無從談起．

筆者認(rèn)為,初中牛頓第一定律的教學(xué)重點在于如何破除學(xué)生頭腦中“力是維持物體運動狀態(tài)的原因”,并得出“力不是維持物體運動狀態(tài)的原因,而是改變物體運動狀態(tài)的原因”的結(jié)論．教學(xué)首先需要解決的問題是,如何從一個受到阻力并最終停止運動的真實實驗“過渡”到不受力的理想實驗,并最終得出物體將一直保持勻速直線運動狀態(tài)的結(jié)論,這就需要具有清晰的教學(xué)邏輯．需要指出的是,利用理想實驗,學(xué)生只能建立起“物體的運動無需力來維持”的觀念．而要尋找“運動無需力來維持”的原因,還需要借助“慣性”來釋疑．最后,學(xué)生即使表面上接受了牛頓第一定律,但其頭腦中依然存在著隱蔽的前科學(xué)概念．一旦遇到復(fù)雜的情境,就很容易摒棄牛頓第一定律,轉(zhuǎn)而運用前科學(xué)概念加以解釋,這事實上就意味著學(xué)生并未真正掌握牛頓第一定律．因此,展開初中牛頓第一定律高端備課就顯得尤為重要．

2 彰顯教學(xué)邏輯的高端備課

2.1 利用理想實驗建立牛頓第一定律

顯而易見,初中牛頓第一定律教學(xué)應(yīng)當(dāng)注重從真實實驗現(xiàn)象過渡到理想實驗結(jié)論．首先,需要講清如何從小車滑行距離越來越遠(yuǎn)的實驗現(xiàn)象,過渡到小車在理想實驗情況下滑行距離為無限遠(yuǎn)的結(jié)論;其次,需講清如何從小車速度越來越慢,過渡到小車在理想實驗情況下速度保持不變．

圖1 小車在不同粗糙面上滑動實驗

由圖1可知,阻力較大時小車滑行距離較短,阻力較小時小車滑行距離較遠(yuǎn)．進而可以得出“隨著阻力的減小,小車滑行的距離變遠(yuǎn)”的結(jié)論．結(jié)合上述分析并進行合理外推,不難得出“當(dāng)小車所受阻力為0時,小車滑行的距離將變?yōu)闊o限遠(yuǎn)”的結(jié)論(如表1所示)．

表1 “阻力與滑行距離的關(guān)系”從“真實”到“理想”的過渡

其次,當(dāng)阻力較大時小車的速度變小較快,當(dāng)阻力較大時小車的速度變小較慢．進而可知,“隨著阻力的減小,小車滑行的時間越來越長、速度的變化越來越小”．應(yīng)用理想條件,當(dāng)“阻力為0時,小車將會滑行無限長的時間,速度不再改變,即保持勻速直線運動狀態(tài)”(如表2所示)．

表2 “阻力與滑行時間、速度變化的關(guān)系”從“真實”到“理想”的過渡

結(jié)合上述兩點結(jié)論可以得出:在理想條件下,小車將會一直保持勻速直線運動狀態(tài)運動下去．此時,學(xué)生已經(jīng)否定了“力是維持物體運動狀態(tài)的原因”,并在頭腦中建立了牛頓第一定律所描述的運動圖像．

2.2 利用慣性深化牛頓第一定律

在牛頓第一定律教學(xué)的這一階段,雖然學(xué)生已經(jīng)知道理想狀態(tài)下物體將保持勻速直線運動,卻并不理解為什么會保持勻速直線運動狀態(tài),這就需要進入第2個教學(xué)環(huán)節(jié)．因此,需要運用慣性概念進行釋疑．顯然,正是由于物體具有慣性,所以在理想狀態(tài)下才能一直保持勻速直線運動．慣性是物體保持當(dāng)前運動狀態(tài)的一種能力,慣性越大,物體保持當(dāng)前運動狀態(tài)的能力就越強,而這種能力是一切物體在任何情況下都具有的．

與理想實驗結(jié)果不同的是,在真實實驗中,運動的小車終將靜止在平面上某一位置．因此,如果不能妥善的處理好理想與現(xiàn)實的矛盾,學(xué)生很容易對慣性產(chǎn)生錯誤的理解,進而重新尋求前概念進行解釋．所以,教師需要進行進一步解釋“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”．在真實情境下,小車雖然始終具有慣性,但是小車與桌面之間存在著摩擦阻力,使得小車的運動狀態(tài)時刻都在發(fā)生變化,最終小車將會靜止下來;而在理想條件下,小車與桌面之間沒有摩擦阻力,由于小車具有慣性,所以小車就能夠一直保持勻速直線運動狀態(tài)不變．因此,人們正是利用理想實驗描繪出物體不受力時的運動現(xiàn)象,才進一步認(rèn)識到“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”,從而真正認(rèn)清力與運動之間的關(guān)系．[2]

至此,學(xué)生不但清楚了理想狀態(tài)下物體做何種運動,也清楚了物體為何做這種運動,從而破除了“力是維持物體運動狀態(tài)的原因”的前科學(xué)概念,并且得出“力不是維持物體運動狀態(tài)的原因,力是改變物體運動狀態(tài)的原因”的結(jié)論,真正實現(xiàn)從現(xiàn)象到本質(zhì)理解牛頓第一定律．

2.3 利用原始物理問題破除前科學(xué)概念

初中牛頓第一定律教學(xué)進入到這一步,須將學(xué)生置于生態(tài)化的情境中,通過引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,方能有效破除頭腦中的前科學(xué)概念．對此,可以利用原始物理問題來達成這一目的．

一架飛機9:00從北京自東向西飛往烏魯木齊,13:00到達;該架飛機14:30從烏魯木齊起飛,18:00抵達北京．從北京飛往烏魯木齊用時4h,從烏魯木齊到北京用時3.5h．請你應(yīng)用牛頓第一定律解釋飛機兩地飛行的時間差．

學(xué)生在解答這個問題時,容易認(rèn)為是因為飛機飛行方向相對于地球自轉(zhuǎn)方向的不同,從而得出同向運動時飛行時間長,相向運動時飛行時間短的錯誤解釋．筆者認(rèn)為,這一問題有助于破除學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念．

具體而言,學(xué)生往往將本問題生搬硬套進“追及問題”與“相遇問題”當(dāng)中,認(rèn)為“飛機與地球同向運動時,飛行距離較長,所以用時較多;相向運動時,飛行距離較短,所以用時較少”．對此,教師應(yīng)當(dāng)因勢利導(dǎo),先按照這種觀點解釋:由于地球的自轉(zhuǎn)方向為自西向東,當(dāng)飛機從北京飛往烏魯木齊時,飛機與地球為相向運動,飛行時間應(yīng)該更短;從烏魯木齊飛往北京時為同向運動,飛行時間應(yīng)該更長．這樣就可以讓學(xué)生意識到這種解釋是錯誤的．其次,教師應(yīng)該向?qū)W生指出,飛機停留在地面時,已經(jīng)具有了地球自轉(zhuǎn)時表面的速度,由于慣性當(dāng)飛機起飛時,仍然具有這個速度,所以與飛機的飛行方向無關(guān)．

那么為什么飛機飛行會有半個小時的時間差呢?原來飛機在兩地之間的飛行航線,處于北半球的西風(fēng)帶．當(dāng)飛機從北京飛往烏魯木齊時,飛機逆風(fēng)飛行;當(dāng)飛機從烏魯木齊飛往北京時,飛機順風(fēng)飛行,所以產(chǎn)生了半個小時的時間差．

如果學(xué)生能夠意識到“無論飛機在飛行過程中還是停留在地面,都因為慣性所以具有地球自轉(zhuǎn)時表面的速度”,就能正確的解決這一原始物理問題．這也就意味著,學(xué)生已經(jīng)破除了前科學(xué)概念的干擾,并且能夠正確運用牛頓第一定律對現(xiàn)象進行合理解釋．

3 教學(xué)啟示

基于上述高端備課的研究,可以得到3點啟示.3.1 應(yīng)用理想化條件闡述牛頓第一定律“是什么”

教材中提及理想化條件時,僅僅敘述“如果小車運動時不受阻力,小車是不是就不會停下了”,不難發(fā)現(xiàn)教材的編寫邏輯跳躍,處于具體運算階段的初中生很難跟上教材的思路．即使學(xué)生記住了牛頓第一定律的表述,也難以真正理解定律的內(nèi)涵,更無法熟練應(yīng)用．高端備課則從真實實驗現(xiàn)象出發(fā),先引導(dǎo)學(xué)生理解物體所受外力越來越小時的運動情況,再利用理想化條件,順利的使物體的運動距離與時間從“有限”過渡到“無限”,邏輯的外推出物體不受外力時保持當(dāng)前運動狀態(tài)．正是通過理想化方式的“逐步”展開,在真實實驗現(xiàn)象與理想實驗結(jié)論之間架設(shè)橋梁,才使學(xué)生的大腦從“真實”走向“理想”,從而更為合理地理解牛頓第一定律．

3.2 利用“慣性”詮釋牛頓第一定律“為什么”

牛頓第一定律不僅僅是對力與運動關(guān)系的簡單描述,其蘊藏的是關(guān)于力與運動深層次的物理本質(zhì)以及物理思想,這也是本節(jié)高端備課的重點所在．牛頓第一定律內(nèi)容的核心之一便是慣性．雖然在牛頓第一定律中沒有提及“慣性”,但是慣性的思想?yún)s蘊藏在牛頓第一定律之中,并且影響著物體的運動狀態(tài)．由于慣性是物體固有的保持當(dāng)前運動狀態(tài)的內(nèi)在屬性,所以物體在慣性的支配下,不依靠力的作用也能夠獨立進行運動．教學(xué)中不能將慣性與牛頓第一定律割裂開來．相反,教學(xué)中不僅應(yīng)當(dāng)講清不受外力時物體的運動狀態(tài),更應(yīng)該利用慣性概念解釋牛頓第一定律成立的內(nèi)在原因．唯有深層次的挖掘牛頓第一定律的物理本質(zhì),將內(nèi)在原因與外在現(xiàn)象建立聯(lián)結(jié),才能讓學(xué)生“知其然,更知其所以然”,從而更好地鞏固牛頓第一定律．

3.3 運用物理教學(xué)理論深化牛頓第一定律

在慣性教學(xué)中,教師往往低估學(xué)生頭腦中前科學(xué)概念的頑固性、隱蔽性等特點,認(rèn)為講授之后學(xué)生自然而然的就能夠接受牛頓第一定律,然而真實情況卻并不如此．這是因為,前科學(xué)概念的產(chǎn)生一直伴隨著學(xué)生的成長,與學(xué)生的學(xué)習(xí)息息相關(guān)．學(xué)生在學(xué)習(xí)牛頓第一定律之后,如果沒有將頭腦中的前科學(xué)概念徹底破除,則正確的物理概念將會與前科學(xué)概念共存．一旦遇到真實情境下的復(fù)雜問題時,學(xué)生更傾向于拋棄已經(jīng)習(xí)得的科學(xué)概念,轉(zhuǎn)而采用熟悉的前科學(xué)概念進行解釋,這對于物理教學(xué)將會產(chǎn)生不良影響．可見,如何有效的破除前科學(xué)概念成為高端備課的重點所在．與教材中列出的簡單習(xí)題不同,我們嘗試將學(xué)生置于生態(tài)化的問題中,通過引導(dǎo)學(xué)生頭腦中存在的前科學(xué)概念,進而引發(fā)認(rèn)知沖突,徹底剖析前科學(xué)概念的問題所在,再利用科學(xué)概念對現(xiàn)象進行正確解釋,從而使學(xué)生在頭腦中真正建立起牛頓第一定律．

1 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材開發(fā)中心. 物理(八年級下冊)[M]. 北京:人民教育出版社,2013：16-19.

2 繆鐘英,羅啟蕙. 力學(xué)問題討論[M]. 北京:人民教育出版社,2003：132.

3 王慧，寧成，邢紅軍.“電勢差”教學(xué)的高端備課[J].物理教師，2013(7)：26-30.

4 邢紅軍，石堯，李靜.“平拋運動”教學(xué)的高端備課[J].物理教師，2014(6)：19-20.

2016-11-08)