牛顿第一定律教学的设计与实践

武敬伟

摘 要：牛顿运动定律是实践启发下的理性思辨结果，在概念形成的过程中，不断受到生活中的错误经验干扰。因此，在教学中必须多暴露前概念，形成思维冲突，在两种概念的冲突中甄别、对比，有破有立，使学生建立起正确的运动观，认清生活中依据感性认识所得到直接结论的错误性和迷惑性。本文依据伽利略的研究历程，设计了教学流程。

关键词：牛顿第一定律；前概念；力与运动；思维冲突

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）3-0021-4

1 教材分析以及本節内容的教学现状

牛顿第一定律是经典物理学的基石，在科学史上第一次从本质上厘清了运动与力的关系，为进一步定量阐述力对运动的改变提供了前提和基础。以人民教育出版社课程教材研究所《物理必修1》为例：教材在分别系统介绍了直线运动和相互作用力知识之后，提出了“学习了怎样描述物体的运动，但没有讨论物体为什么会做这种或那种运动。要讨论这样的问题，就要研究运动与力的关系”[1]。所以，研究运动与力的关系是科学发展到一定程度的必然，教材安排顺理成章。同时，也只有明确了力与运动的关系之后才能理解加速度与外力之间的关系，才能打下理解牛顿定律的基础。

然而，在当前的教学活动中，普遍存在着轻视牛顿第一定律的现象。其表现主要有以下两个方面：

（1）有些教师认为该部分内容初中已经涉及，且不是高中考察的重点，在教学要求上以识记为主，将学生看作被动的接受者，教学方式简单粗暴。

（2）部分教师认为本节教学以物理学史为主，授课时对教学内容未能进行细致的再加工，按照教材照本宣科，强调物理史实，轻视物理方法的引导和物理思想的渗透，与教材设计者的意图相背离。

2 本节教学难点归因

相对牛顿第二、第三定律，牛顿第一定律教学难度更大。牛顿第一定律教学中的难点集中体现在直接的生活经验感受对建立正确的物理概念的干扰。例如：“马拉车，车就走；失去拉力车就停”“汽车刹车，速度大滑行远，不容易停下来；速度小，滑行短，容易停下来。车子越难停下惯性越大”。这些现象在学生头脑中形成了“力的存在是物体运动的原因”“物体速度越大惯性越大”等错误的感受，对“运动不需要力维持，力是改变物体运动状态的原因”“惯性与速度无关，质量是惯性唯一的量度”等正确概念的建立起到了极大的阻碍作用。

学生刚刚进入高中物理的学习阶段，尚未形成理性分析的习惯。遇到问题还习惯于根据观察的感性认识直接得到答案，对问题的理解更依赖于直接的经验和表象。在学生头脑中建立正确的力与运动关系绝非易事，学生常常依据头脑中的直觉得到与亚里士多德相类似的观点，虽然可以通过记忆背下“正确”的结论，但其潜意识仍然认同唯心的结论，一旦利用牛顿第一定律分析具体问题，就会从潜意识出发得到错误的结论。

3 教学难点突破策略的设想 教学流程的预设

通过对牛顿第一定律教学难点形成原因的分析，可以知道学生通过对生活现象的表象感受在头脑中形成的错误结论是建立正确概念的阻力。如何带领学生突破既有的错误概念，重新生成正确的概念，是本节教学的核心所在。

3.1 教学难点突破策略的设想

建立新的正确的力与运动关系的观点，必须先“破除”学生头脑中的既有错误观点，不破不立。然而，学生头脑中的观点非一日形成，且有感性认识佐证，使其摒弃错误观点就必须使他们真实地对这些观点产生具有冲击力的怀疑，进而在教师的带领下再分析，以建立正确的力与运动关系的观点。

因此，本节教学难点的突破策略为：基于对学生形成的既有概念分析，针对性地设置问题和场景，通过学生的分析得到与其既有概念相冲突的结果，以期形成思维冲突、激起疑惑，使学生对既有概念产生怀疑，重新回到问题本身。再通过理性分析和理想实验形成结论，进一步通过对生活经验现象形成思维冲突的案例进行再分析，检验理论的自洽性，使学生真切地感觉到后期形成的这个结论才是一个能自圆其说的、合理的结论。

3.2 教学流程的设计

（1）教学流程预设的理论依据

科学结论几乎是以完成的形式出现在读者面前，读者体会不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难清楚地解释全部情况。波利亚在其提出的教学发生学原理中指出 “在教一个科学的分支（或一个理论、一个概念）时，我们应该让孩子重蹈人类思想发展中的那种最关键的步子，当然我们不应该让他们重蹈过去的无数个错误，而仅仅是重蹈关键性步子”[2]。在本节教学中，应当带领学生重新经历伽利略曾经经历的过程——“怀疑—假设—推证—得出结论”，了解探求客观世界真理的一般方法。

（2）教学流程的设计（如图1所示）

4 教学片断

教学片断1：

播放视频：马拉车，车运动，失去马的拉力，车最终停止；

粗糙地面，施加拉力物体运动，拉力越大运动越快。

师：马拉车车才运动，停止拉车车就会停下，你能得到什么结论？

生：物体受力才会运动，不受力就会停下来。

师：粗糙地面，施加拉力越大，物体运动越快，你能得到什么结论？

生：物体受到的力越大，运动得越快。

师：同学们总结得很全面。其实，早在2 000多年前一位伟人也得到了和你们相同的结论。

展示亚里士多德关于力与运动关系的观点：力维持物体运动；力越大物体运动越快。

【设计意图】本环节旨在暴露学生在生活中积累的感性结论。只有充分暴露学生头脑中隐藏的前概念，将其摆在桌面，才有可能“破除”这种错误的认识。“我们在教学中发现用非常规问题创设情境，通过学生讨论、师生对话的方式可以有效暴露学生的前概念，然后抓住时机引导学生打破旧图式，建立科学概念”[3]。

教学片断2：

教师继续安排事例展示：

师：我国第一艘海上作战平台“辽宁号”上，舰载机在降落时需要拦阻设施。那么，高速运动的飞机为什么能够在有限的空间内停稳？

生：因为飞机受到了拦阻绳的巨大阻力而使飞机停止。

师：也就是说，飞机因为受力而停止。

继续展示事例2：

师：如图2所示，沿斜面运动的物体，为什么在绳子拉紧后会停止？

生：因为受到了绳的拉力。

事例3：播放跳水運动员入水后减速下降的视频。

师：为什么跳水运动员入水后会逐渐减速直至停止下降？

生：因为运动员在水里要受到向上的水的浮力。

师：亚里士多德认为受力是物体运动的原因，可是为什么这几个例子中物体却因为受力而停止了呢？受力到底是物体运动的原因还是使物体静止的原因呢？可见，“力是维持物体运动的原因”这个观点不可靠。

【设计意图】 本环节旨在通过一系列的事例，使学生得到与既有认识完全相反的结论，形成其认知上的冲突。通过这种思维深处的矛盾困惑，达到对前概念的动摇、怀疑，属于“不破不立”中“破”的环节。对前概念“破”得越彻底，形成的思维冲突越剧烈，后期新概念的建立才会越省力、越有效。

教学片断3：

展示如图3所示的实验装置，请学生分析小车的运动过程：A到B过程，加速下滑；B到C过程，匀速运动；C到D过程，减速上滑。

原因分析可知，AB受到重力下滑力推动，小车越来越快；CD受到重力下滑力阻碍，小车越来越慢。

通过分析可知，力既可以使物体由静止运动起来，也可以使物体由运动停止下来。即使是同一个力，有时使物体运动，有时使物体停下。可见，使物体运动与否的关键因素不是力。那么，什么决定了物体的运动与否呢？

【设计意图】本环节的目的在于进一步“破除”学生思维深处的定势，通过列举力对运动效果的不唯一，说服学生力并不是使物体运动的原因。前概念被打破了，在学生的心中必然亟待建立一个新的力与运动学说，此时介绍伽利略对运动与力关系的研究就水到渠成了。

教学片断4：在300多年前，先哲伽利略也在苦苦思考这样一个问题。作为一位崇尚理性、极具创造性思维的学者，他想如果运动环境里完全没有摩擦力影响，那么力和运动的关系是不是会更明晰一些。

介绍什么叫理想实验，知道理想实验在物理学研究中的重要作用。

如图4所示，带领学生思考：

假如存在一个完全没有摩擦的曲面，物体下滑后必将到达曲面另一侧等高处；

假如另一侧曲面较平缓，物体到达等高处势必走更长的路程，坡面越平缓，小球通过的路程越长；

假如坡面无限平缓呢？小球在水平光滑面上永远运动下去，直到无穷远处，在这个过程中物体运动方向上并不受力。

可见：物体的运动是其自然的属性，并不需要力维持。

在300多年前，由于实验手段的局限，伽利略只能借助于理想实验获得结论。在科技发达的今天，我们可以创造微摩擦环境，对其结论进行验证：

如图5所示，演示气垫导轨和光电门。

【设计意图】 本环节是本课的重点环节，教师在授课时务必引导学生参与思考，使其经历概念“突破—建立”的过程。虽然理想实验设计缜密灵巧，但是仍难免偏重于思维，教师在得到结论后加入气垫导轨的实证环节，目的在于加强结论的可信度。

教学片断5：既然力不是物体运动的原因，运动也不需要力维持，力到底起到什么作用？基于这个问题我们重新回顾刚才的例子，如图6所示。

我们把物体的运动分为AB、BC、CD三个阶段，结合物体的受力和运动特点可以发现：

（请学生列表分析，如表1所示）

介绍笛卡尔等科学家的贡献并总结：

牛顿第一定律：一切物体总保持静止或匀速直线运动，直到有外力迫使它改变这种状态为止。又叫做惯性定律。

【设计意图】 在教师的引导下，进一步通过实例分析，得到力在运动状态变化中的作用，有助于学生构建完整的理论体系。

教学片断6：牛顿第一定律说明物体具有维持自身运动的特点，力是改变物体运动状态的原因。这种维持运动状态的能力越强，力改变其运动状态越难，相同的力改变运动状态越慢。我们把物体总试图维持其运动大小和方向不变的能力称作惯性。

那么，如何比较物体惯性的大小呢？惯性大小又和哪些因素有关呢？

举例1：相同动力作用下的小汽车和火车，谁的速度增加更快？谁维持运动大小和方向的能力（惯性）更强？

举例2：载重卡车和摩托车以相同速度行驶，谁刹车减速更快？谁维持运动大小和方向的能力（惯性）更强？

结论：质量越大，惯性越大，运动状态越不容易改变。

应用：战斗机在准备空战时为什么要甩掉副油箱？

【设计意图】 此部分教学通过实例的分析，使学生理解惯性定义的内涵。同时，在进行惯性概念分析时，进一步强化了“力是改变物体运动状态的原因”这一观点。并通过实例的应用分析，解决了具体问题，使学生形成了如下理论观点：

1.运动不需要力来维持，在不受力或受力为零时其运动状态不改变；

2.力是改变运动状态的原因；

3.物体具有维持自身运动的属性，质量是其惯性的唯一量度。

以上几点相互联系，形成良好的理论自洽，学生在构建上述理论的过程中体会物理理论的自洽之美。

参考文献：

[1]人民教育出版社 课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书 物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2010：67.

[2]波利亚.刘景麟，曹之江，邹清莲，译.数学的发现 第二卷[M].呼和浩特：内蒙古人民出版社，1981：151-152.

[3]何赛君.牛顿第一定律教学的四点突破[J].物理通报，2011（6）：27.

（栏目编辑 刘 荣）