利用“自创性实验”突破“惯性”教学难点

王爱生　陈国友

惯性是初中物理教学内容中最主要的基本概念，是全日制义务教育课程标准(实验稿)中规定的认知达到理解层次的五个知识点之一。恩格斯说：“惯性是全部力学的出发点。”因此，具有清晰的惯性概念意味着能正确把握力与运动的关系，有助于顺利地建立力学知识体系。然而，我们的教学实践和相关的研究都证实了，中学生对惯性概念的理解不尽如人意，主要表现在学生把惯性概念背得滚瓜烂熟，却没有构建科学合理的认知结构。学生一接触到实际问题，用惯性知识解决时往往就犯经验性的前概念错误。因此，“惯性”一节历来也就成了教学中的难点。这是因为：

首先，惯性概念本身内涵的抽象。惯性是物体本身固有的一种属性，与物体是否受力、是否运动及怎样运动无关，其大小只与质量有关，且还不能量度，没有单位。虽然其大小与受力大小无关，却只能与受相同的力时，运动状态改变难易程度情况来表征惯性大小，无法独立体现，必须以运动状态为依托，才能体现出来。这些似是而非的知识，足以使初涉物理的学生“挣扎”了。

其次，错误的前概念干扰。学生的前科学概念既是学生认知结构的表现，受学生认知发展水平的影响，同时也是学生在非正式教育情景中自我构建的结果。因此，这些解释一旦成为学生自身较为固定的认识便具有稳固的地位，不但不易转变，而且还会对学生思维活动产生影响，具有顽固、广泛等特点。学生虽在日常生活中经常见到种种“惯性现象”，但因为尚未学习有关物理知识，故根本不知道这就是物体具有惯性的表现。非但如此，反而由于对生活经验的误解及误传而形成种种似是而非的科学惯性的认识。

一、“惯性”教学中存在的问题

执教者对教科书编排上的依赖。建国以来的教科书都是把惯性概念教学紧密衔接在牛顿第一定律之后。我们认为，其意图是立足于利用学生原有对牛顿第一定律的理解及实验现象为场景，创设教学情景，让学生在经历和实践中实现自我领悟，在反思中重构自己的经验，体现以经验出发，使知识利实现同化，教师在对其传授过程中，重点集中在学生理解、接受、最终建立起“物体不受外力时，总保持原来的匀速直线运动状态或静止状态”的物理模型，该物理模型反映的是物体不受力时的运动规律，此规律的核心就是运动状态不变。然而在实际教学中，课本仅提供一个了“伽利略斜面理想实验”，该实验又不能直接证明牛顿第一定律成立。在这种缺乏足够的感性认识的基础上运用思维概括出惯性定律，学生在理解上普遍存在困难。因此，从这一“不牢固”的该知识点为起始知识，接着学习惯性概念，犹如楼房建立在沙漠上。

二、基于“自创性实验”教学设计的理由

“自创性实验”这一概念是从实验技术先进性、新颖性、适用性的角度分类的，“自创性实验”界定为在教学中对学生进行物理教育的一切素材构成的，为解决具体问题、体现自主创新的个性化物理实验活动。狭义的理解为“已有实验”之外的能够利用的一切资源(低成本的生活资源；高科技的激光笔、手机；价格高的微波炉、摄像机、多媒体；赖以生存的大自然；具有生命的人体等)在物理实验教学中形成的自主创新性的个性化实验活动。其特征是具有：广泛性、潜适用性、个体开放性、生活性、同质性等。基于这样课程资源支撑下，会实现如下的目标：

1从认识论上来看

学生是认识事物的客体，是从具体的感性认识上升为抽象的理性认识，又返回实践的过程。概念、规律抽象晦涩是学生认识过程中必须克服的障碍。而“自创性实验”的探究实验体验，符合学生认识事物的过程，可以降低学生学习的难度，提高认识客体的效益，有助于丰富学生的想象。

2从思维发展规律来看

初中学生思维大多数以具体形象思维为主，然后过渡到抽象逻辑思维，按着皮亚杰的认识发展阶段理论衡量，初中生的物理思维基本上还处于具体运算阶段，即这个阶段的思维一般还离不开具体事物的支持，思维还要依靠实物和能观察到的事物来进行，不能依靠词语、假设等进行。他们的学习往往要用直观的方法，常常需要直观的材料和方法来支持他们学习知识。

3从非智力因素来看

充分利用直观手段，创设教学情境，让学生看得见、摸得着，能获得鲜明生动的形象，容易吸引学生的注意，激发学习兴趣和热情，并引起探索的动机和行为，从而培养学生行成稳定的学习态势和长久的志趣以及对学生的意志和实事求是的科学态度都是大有益处的。更重要的是能促进非智力因素的全面和谐的发展，因而在认知活动中激发智力因素的有效发挥。

三、基于自创性实验的教学设计

设计理念：仅仅通过纯粹的讲授或简单的实验演示对于转变学生原有的惯性概念以及力与运动关系的错误认识效果欠佳。借鉴科学发展的历史特别是伽利略开创性的研究方法实验与科学推理，以及美国著名的物理教育家莉莲，麦克德莫特提出错误前概念的转变需要经历“引出、挑战、转换”一系列的过程。设置一个能够暴露出学生常犯错误的情境，在帮助学生最终认识到其中的内在矛盾之后，再要求他们运用必要的逻辑推理加以解决。我们提出采取科学探究的教学模式，针对学生原有的错误认识设计问题情景，通过进行一系列活动与实验，引出并挑战学生的错误认识，逐步实现学生原有概念的转变。这不仅使学生对知识获得概念性理解，实现不同情景的顺利迁移，同时培养学生批判性思维，学会反思自己的认识，学会采用科学方法探究事物本质，养成科学的态度，正确理解科学。

1创设游戏实验，产生思维冲突，引出“惯性”课题

教育家夸美纽斯说：“教学不是从语言开始的，它是从观察事物开始的。”通过自创性实验，使观察到的物理现象和结论与学生的原有的错误前概念产生冲突，让学生暴露出错误观念，从而正确看待自己原有的生活经验，把对事物表面现象观察所得到的经验与物理知识不一致的地方提出来进行反思，找出矛盾所在，经历思想上的冲突和震撼，实现了对学生原有错误认识的引出和挑战，此时学生们有一种惊奇与困惑，思维正处于一种“心求异而不能，口欲言而非达”的境地，对新知的探究异常强烈，这时引入新课效果会事半功倍。

教师提问：如图1所示，铁块用细线缠绕系牢后，用手下拉绳端，细绳是从铁块上面断，还是从铁块的下面断，猜想一下，并说一下你的理由?此刻学生情绪高涨，多数学生认为从A物体的上面断。这是因为A物体上面细绳受到铁块和拉力的共同作用。这时教师慢慢的下拉绳端，果然，从A物体的上面断。学生为自己猜测正确而高兴，得到成功喜悦的体验。

教师又问：细绳到底从哪里断呀?几乎所有的学生认为从A的上面处断开(原来认为从A物体下面断的学生也犹豫不决了)，此时教师用手迅速下拉细端，由于铁块的惯性的“保护作用”细绳从物体A的下面断。重复操作都从A物体的下面断。说明，如果学生情绪不够高涨，激情不足时，回

过来再问到底哪里断，选择大多数学生相反的结论去操作。最后达到老师说，哪里断就哪里断的操作时，就一定会因起强烈的震撼的。

2充分利用自创性实验，丰富感性认识，形成正确概念。

中学生的抽象思维在很大程度上属经验型，需要感性经验支持。因此教学中应了解学生的实际，通过实物演示消除错误概念。造成认知结构的不平衡，促成原有知识结构的顺应，用科学的概念代替原有的错误观念，实现错误前概念向科学概念的转变。

探究实验1：倒立啤酒瓶中抽出纸条。一张纸条放在桌边上，将空啤酒瓶倒立在桌面上，如何将啤酒瓶不倒的情况下，将迅速纸条抽出啤酒瓶没有倾倒。讨论分析得出结论：物体具有维持静止的性质。

探究实验2：放在遥控小车上的木块。匀速拉动时小车遇到障碍物会向前滑动而掉落(比教科书上竖立木决倾倒直观容易分析得出惯性)。讨论分析得出结论：物体具有维持运动的性质。

探究实验3：如图2所示，悬在遥控电动小车上的小球，学生探究时，发现遥控电动小车突然开动时，悬挂的小球保持静止不动的状态，观察时好像向后运动。而遥控电动电动小车突然静止时，悬挂的小球会保持原来的运动状态，继续向前运动。讨论分析得出结论：物体具有维持运动和静止的性质。

探究实验4：两个瓷碗盛水(目的是增大惯性和趣味性)，放置在桌上，将一根木条放在两瓷碗上，然后用一个较重的铁丝向木条中间砸去，木条立即两截，碗中的水纹丝不动，有惊无险。也能得出：物体具有维持运动和静止的性质。

基于上述，我们发现静止的物体具有保持静止的属性，运动的物体具有保持运动状态的属性，可谓“动则恒动，静则恒静”。我们把物体具有原来的运动状态不变的性质，叫做惯性。

3固、液、气都有惯性的探究实验

布鲁纳认为，学生在其中经历某件事情越是多样，就越有可能把该事情与其他事件联系起来，多种多样的训练，有助于增强各事物之间的共同之处，指出每一事物的独特之处。自创性实验可提供足够多变式实验的课程资源，包含大量某一物理概念的不同事例，包括正面的和反面的例子，实验变式往往具有物理概念的相同本质但具有不同形式，通过对物理概念的足够数量的不同实验变式的彻底习得，使学生能形成正确的概括，有助于转变错误的前概念和科学概念的掌握及知识的迁移。

探究实验5：如图3所示，悬在遥控电动小车上的小瓶中的水从小孔下滴成流线型滴到烧杯中，学生探究时，发现遥控电动小车突然开动时，瓶中的水从小孔下滴的流线保持静止不动的状态，观察时好像向后倾斜。而遥控电动电动小车突然静止时，悬挂的小球会保持原来的运动状态，继续向前运动。观察时流线的水流，好像前倾斜似的。讨论分析得出结论：说明运动的水也具有惯性，要保持原来(沿水平方向)的运动状态。

探究实验6：在一个透明玻璃杯中盛有清水，清水中放一浮标，浮标的作用是为了便于学生观察水的运动情况，如图4所示，先让浮标静止(表明水也是静止的)。用手转动玻璃杯，让学生观察浮标的运动情况，结果浮标静止不动，瓶中水也不运动。该实验说明静止的液体具有惯性。

探究实验7：吹点燃的蜡烛。如图5所示，将蜡烛沿直线相隔约50cm依次放置于桌面上。点燃蜡烛，在其一端3cm处短促而用力吹一口气就停止。这时可以观察到近处的烛焰先被吹动(甚至被吹灭)，随后，远处的烛焰也依次被吹动了。这个探究实验表明：空气被吹动后，虽然已不在用力吹了，伹它并不立即停止下来，从而说明了气体也有惯性的。

说明：也可找几个学生出来做游戏，每个学生手中拿着长的纸条，依次站立，用扇子扇或用口吹气。效果也很好的。

探究实验8：在洗涤剂和少量甘油的混合液中插入由竹尖和棉线组成可折的框架，取出框架时会形成面积约为600cm²的皂膜，然后，将带皂膜的框架迅速水平移动，结果在讲台上方(原来带膜框架的位置处)形成一个直径约为20cm的大皂泡。因为大皂泡内封装的是空气，此实验可说明静止的气体也具有惯性。

通过以上实验的探讨，可知固体具有惯性、液体具有惯性、气体也具有惯性，从而在充分的感性基础上建立为一切物体都具有惯性规律。

4惯性大小与质量大小有关的实验

探究实验9：如图6所示，桌面上放置一个乒乓球及与乒乓球等体积的铁球。用玩具高压射水枪(带有贮气筒的)用力对远处的乒乓球、铁球射水，让学生观察到水喷射后乒乓球很轻易地被冲走了，而铁球几乎不动：表明质量大的铁球保持物体静止惯性大，即物体的质量越大，惯性越大。

四、基于“自创性实验”教学的思考

惯性概念教学的关键是要完成从生活经验到科学概念的认知重构。而教科书是在关于牛顿第一定律学习后，队知结构还没有形成清晰、稳定的知识组块前提下讲授的，认知结构不能得到优化。因此。惯性的概念不能很好的同化，为此，我们没有把惯性概念教学以牛顿第一定律为基石来讲授，而是通过10个自创性实验，让学生充分暴露原有认识的错误或模糊，引导学生通过实验探究弄清本质，形成一个独立的新的“固定点”。通过我们的教学实践感受到本教学的设计，符合了学生生活需要和知识发生发展的规律，通过自创性实验提供真实情境，由浅入深，由粗到精，最后抽象概括出本质概念。使教学成为极富有创造性和个性化的探究活动，学生体验了探究过程，感受到了成功喜悦，也实现了“用教材而不是教教材”和充分挖掘和丰富课程资源的理念。

编辑张烨