基于物理学史的“牛顿第一定律”的数字化教学设计

高 嵩 秦 飞

（山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南 250014）

基于物理学史的“牛顿第一定律”的数字化教学设计

高 嵩 秦 飞

（山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南 250014）

本文充分挖掘了物理学史的认知功能，借助数字化实验技术手段，对牛顿第一定律的教学进行优化，通过带领学生重走历史，使学生在一系列的实验探究中体会到，人们对力与运动关系认识历史的曲折性.这不仅体现了物理学史与物理教学的有机结合，而且注重了物理核心素养的渗透.

牛顿第一定律；物理学史；数字化实验

牛顿第一定律作为牛顿运动定律的重要组成部分，是经典力学的基础与核心内容，课标对本节课的要求是：理解牛顿运动定律，用牛顿运动定律解释生活中的有关问题.［1］这部分内容在现行人教版及司南版教材的安排上，既细致地解释了牛顿第一定律的内容和物理思想，又介绍了亚里士多德、伽利略，以及笛卡儿等人的思考和成果，这就给学生展开了一幅历史的画卷，让学生既感受到探索自然的乐趣，又深刻体会到科学家研究的思路和方法，更领略到科学发展的魅力.这一切都提示我们在教学中不能仅仅局限于对定律本身的文字的记忆，更要关注科学研究方法的形成和科学思维的发展.

1 问题的提出

以人教版教材为例，“牛顿第一定律”一节共分为以下3个部分：从历史过程入手，展现不同时期物理学家的研究方法及思想，对定律详细说明，以及对惯性大小的论述.通过对大量教学案例的调查分析，我们发现教师往往完全按照教材实施教学，而这种照本宣科的方式存在诸多误区，主要表现为以下几方面.

首先直接从物理学史讲起，介绍亚里士多德和伽利略的观点.然而此种方式过于生硬，不利于学生从运动学和力学知识的学习过渡到动力学模块；对学生“有力才有运动”这一前概念的重视程度也不够；并且对物理学家的贡献缺乏客观全面的评价.

其次利用动画或传统仪器讲解伽利略斜面实验，继而介绍笛卡儿的补充观点，及牛顿对前人研究总结得出牛顿第一定律.然而动画模拟虽然形象生动但缺乏真实性；传统仪器倾角改变范围小，同时大部分是通过小球滚动来人工获取实验数据的，实验数据粗略，误差大且不易测量.并且学生学完伽利略的研究后往往会有疑问：伽利略已经说明了力不是维持物体运动的原因，为什么笛卡儿又要进行补充，以及为什么定律最终以牛顿命名？大多数教师对此缺乏细致讲解，使学生不能很好理解该部分内容.

最后由牛顿第一定律引申出惯性，并直接介绍质量是其唯一量度，而大多数学生可能对此难以理解，只是单纯依靠文字记忆.而牛顿第一定律引申出的“力是改变物体运动状态的原因”，实际是对牛顿第二定律的定性描述，并且学习了牛顿第二定律的定量描述F＝ma后，学生对“质量是惯性的唯一量度“的理解可能将会更加直观深刻.

物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程，［2］其中人们对力与运动关系的认识过程是一个漫长的历史，甚至可以追溯至公元前4世纪的亚里士多德，他通过对日常生活的观察，将运动分为自然运动和强迫运动，认为除了自然运动外，所有其他的运动都只能在外力强迫下才能进行，即力是维持物体运动的原因.尽管这一观点是错误的，但其中已有静止惯性的思想.伽利略通过理想斜面实验推翻了亚里士多德的观点，证明了“力不是维持物体运动的原因”，并把“地球上的物体在不受阻力的情况下可以永远以某个速度运动下去”看作惯性运动，但认为这种“惯性运动”遵守的是“圆周惯性原理”.［3］此后，笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，认为除非受到外力的作用，否则物体将永远保持其静止或匀速直线运动状态.但二者只是描述了惯性运动，最终牛顿对前人的研究高度总结，得到了牛顿第一定律.

这一清晰的历史主线为我们的教学提供了思路，但如果教师完全按照教材编写的思路实施教学，单纯地向学生讲解历史，有时会很难使学生有效领会科学的思维方法，甚至还会阻碍学生对物理规律的知识构建.［4］为了解决上述教学问题，在本节设计中，我们以物理学史为主线，整合多元化实验资源，以期望深刻细致地说明该定律的发展历史及意义.

2 “牛顿第一定律”教学设计

2.1 设计思路

物理学史在物理教学中的渗透有助于活跃思维，增强科学意识，使学生更自觉地继承前人的事业，有效地进行学习和探究.本节紧紧围绕牛顿第一定律的发现过程，整合多元化实验资源，从学生分组推动小车实验引出亚里士多德和伽利略的研究历史，到传统仪器与现代数字化技术结合重现伽利略斜面实验，最后介绍笛卡儿和牛顿等物理学家的研究历史，并将惯性这一学生当时可能难以理解的部分放到牛顿第二定律中讲解.使学生了解物理学家的研究历程，体会物理学家的科学研究方法，最终达到深入领会牛顿第一定律的教学目标.

下面将结合具体教学流程对该节设计进行详细说明，如图1所示.

2.2 教学过程

图1 教学流程图

2.2.1 创设情境，引入探究课题

观察生活，引入力与运动的关系.

教材从生活经验入手，通过故事形式直接引入亚里士多德与伽利略的观点，而学生刚学完运动学与力学的知识，用此种方式引入到动力学部分过于生硬，也不利于学生知识的建构.在教学中教师为学生展示（如图2）：篮球场上抛出的篮球，运动场上运动员的跳远过程，公路上被推动的汽车及冰面上刹车的汽车等实例，让学生观察这些实例中普遍存在的现象.

图2 生活中力与运动的实例

引导学生思考：生活中的诸多实例都存在着力现象与运动现象，那二者之间是否存在着一定的关系？

设计意图.

从生活实例入手，既贴近生活，使学生对知识的学习充满亲切感；又使学生从运动学和力学的知识的学习平滑过渡到动力学模块，符合学生的认知结构.

2.2.2 动手实验，初步探究课题

分组操作，观察力与运动的关系.

提供如图3所示的玩具车，将学生分成两组，分别推动车底向上及车身向上的小车，观察小车的运动情况，并由此猜测力与运动的关系.

图3 实验所用小车

第1组学生推动车底向上的小车，发现在力的推动下小车由静止开始运动，而撤去推力后小车停止运动，教师引导学生思考此现象中力与运动的关系，学生很容易得出：有力才有运动.教师由此介绍亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因.

第2组学生推动车身向上的小车，发现在力的推动下小车由静止开始运动，但撤去外力后小车运动一段距离后停下.教师由此现象引导学生进一步思考力与运动的关系，学生得出：并非有力才有运动.教师由此介绍伽利略的观点：力不是维持物体运动的原因.

教师带领学生回顾两位物理学家的思想，使学生认识到亚里士多德得出错误观点的原因：忽略了摩擦力的影响.

设计意图.

理性认识是建立在感性认识的基础上的，而学生的感性认识大多来源于日常生活.由生活实例引入力与运动关系的探究，并让学生通过推小车的体验活动，使学生在学生与学生及学生与教师的对话与交往中建构知识.但并不是所有背景知识都能帮助学生建立正确的、可靠的物理知识联系.亚里士多德由生活经验得出：力是维持物体运动的原因.这种生活经验形成的背景知识几乎存在于每个人的头脑中.我们不能以现代科学观点来全盘否定亚里士多德的伟大贡献，应当要尊重这种认知规律.［5］所以在教学中设计两组对照操作，通过两组学生观察到的不同现象的对比分析，找出亚里士多德当时得出错误结论的原因，让背景知识在课堂教学中发挥它的价值.

2.2.3 演示实验，深度探究课题

重现历史，展示研究现象.

教师介绍伽利略的研究历史，并利用自制教具及相应软件进行演示实验，实验现象如图4、图5所示.

展示实验仪器后进行介绍：这是一个双斜面轨道，一侧斜面固定，另一侧斜面倾角可调.利用二维运动传感发射器替代传统小球，将接收器通过数据线连接到电脑上驱动相应软件，发射器从轨道顶端释放后滑行，其运动轨迹实时记录于软件界面上，并自动测量上升高度及运动路程.

实验后学生将多次运动轨迹同时比较，发现随斜面倾角减小，小球运动路程变远，但上升高度基本不变.

图4 小球运动示意图

图5 软件界面上显示的实验图表

教师进一步提问：如果斜面足够长而且摩擦足够小，将第二个斜面放平，小球将会怎样？

学生回答：将会一直运动下去.

教师结合实验思想讲解：若忽略阻力，小球释放后将上升到等高处，并且随着第二个斜面倾角的减小，小球将继续上升到等高处，但此时它将在斜面上运动的更远一些……直至将第二个斜面放平，小球由于无法上升到等高处将一直运动下去，以此证明了物体的运动不需要力来维持.

通过上述操作与讲解，使学生体会到：我们不能消除一切阻力，也无法将第二个斜面做得无限长，所以伽利略斜面实验是“理想实验”，是将实验与逻辑推理相结合的一种研究方法.

分析局限，感受曲折历史.

教师引导学生思考：力与运动的探究历程是否已经完善？如果不是，伽利略的观点又有何局限性？让学生依照伽利略的“如果不受力，小球将一直运动下去”的设想展开想象并合理外推，在这样的引导下学生出现了两种考虑，一种认为小球最终沿着地球表面做圆周运动，另一种认为小球将会沿直线飞出地球.如图6所示，教师借助动画演示伽利略的观点：小球运动到地球边缘后，沿地球表面持续做圆周运动，即物体遵循圆周惯性定理.而地球上的物体仍旧受到地球引力的作用，所以，伽利略并未解决力与运动间的关系.之后适时向学生介绍笛卡儿对此的补充观点：除非受到外力的作用，否则物体将永远保持其静止或匀速直线运动状态.

但是二者均只考虑了物体不受力的情况，如果受力的话又会怎样？所以力与运动的关系问题还未明确解决.

图6 小球运动模拟动画

设计意图.

（1）实验设计背景.

伽利略斜面实验是学习牛顿第一定律，领会科学推理的重要实验，其卓越之处不是实验本身，而是实验所使用的独特的方法，即在实验的基础上，进行理想化推理，它标志着物理学的真正开端.初高中课本中对其都有详细描述，在实际教学中，许多教师虽然知道该实验的重要性，但考虑到实验器材体积大、操作难、误差大、耗时长等原因，将该“必做”实验改为了“讲实验”.即使是在课堂中做实验，一般也是采用让小球从几个倾角不同的固定轨道滚下的方法进行演示，对比每次小球可以达到的高度.这样斜面倾角就不能任意改变，而小球到达最高点的瞬间难以扑捉，所以实验数据记录粗略，误差大.而近年来，DIS实验凭借其简洁、易用、贴近课堂教学等优点，越来越多地应用于中学物理课堂中，使许多难以实现或转瞬即逝的实验呈现在师生面前.所以我们将现代数字化技术与传统仪器融合，以此来解决上述教学难题.

（2）实验设计思路.

我们的自制教具将传统仪器与现代数字化技术有机整合，提供一种数字化的伽利略斜面实验演示装置，实现实验的灵活性、准确性及可观测性.通过数字化设备，利用二维运动传感发射器替代传统小球，将接收器通过数据线连接到电脑上驱动相应软件，发射器从二维离心轨道顶端释放后滑行，其运动轨迹实时记录于软件界面上，并自动测量上升高度及运动路程，代替人工观测，现象直观明显，并减小了人为因素造成的实验误差，由此分析释放高度与上升最高点的关系.通过调节轨道的倾角可方便进行多次实验，分析倾角变化与上升高度及运动路程的关系.

对应软件界面主要分为3个区域，右上为运动轨迹显示区，可以实时记录小球的运动轨迹；左上为数据记录区，用于记录小球在最高点处的x、y、h值；下侧为图像显示区，可以将小球的运动轨迹拍照后显示在图框中.通过此软件实现了智能记录与测量，增加了实验的准确性、可视性及可操作性.

（3）实验实施效果.

笔者利用自制教具重现了伽利略的“理想实验”，将转瞬即逝的实验结果通过数字化技术呈现在师生面前.首先通过释放小球后运动轨迹的展示，使学生意识到：若忽略阻力，小球将运动到释放等高处；之后逐次改变斜面倾角的操作，使学生观察到：随斜面倾角的减小，小球的运动路程逐渐增大，而上升高度基本不变；多次运动轨迹的比较，更有助于学生对实验思想的理解.使学生在这个过程中真正理解伽利略斜面实验.

2.2.4 深入总结，形成物理规律

根据史实，深度剖析定律.

教师继续讲解物理学史的发展，介绍牛顿对前人研究的总结成果：一切物体总保持匀速运动直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态，即牛顿第一定律.与学生分析定律中的关键点：一切物体是对个别物体研究基础上的归纳，力是改变物体运动状态的原因，明确揭示了力与运动的关系.

至此，经过以上分析，学生既体会到了人们对力与运动关系认识历史的曲折性，也理解了牛顿对该问题认识的彻底性.

趣味演示，知识迁移与深化.

教师利用自制教具演示生活中小车上的重物下落情境，如图7所示.用玩具小车模拟匀速汽车，用单片机控制电磁铁，电磁铁吸引铁球.在小车匀速运动过程中，铁球下落.

学生观察到：铁球在匀速小车上下落后落在正下方的盒子中，使盒子中的感应灯变亮.

教师引导学生思考：为什么铁球会落在正下方的盒子里？能否用本节课所学的知识进行解释？并将此问题作为课下作业，让学生自主预习后面的知识.

图7 小车上重物下落演示教具

设计意图.

对于惯性的解释，一般在教学中的处理方式是向学生说明“物体具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性.并指出质量是惯性的唯一量度.但对大多数学生而言还是难以理解，只是单纯进行文字记忆.但由牛顿第一定律引申出的“力是改变物体运动状态的原因”，实际是对牛顿第二定律的定性描述，并且学习了牛顿第二定律的定量描述F＝ma后，对质量是惯性的唯一量度的理解将会更加直观深刻.所以此处设置小车上重物下落的实验既使学生在知识学习后兴趣再次激发，也通过对此现象的解释为后面惯性的学习埋下伏笔.因此将惯性部分放到下节讲解，更符合学生的认知情况.并且该实验与课后题目中的飞机投弹原理相似，使学生在做中学，将实践与知识相结合.

3 教学反思

3.1 物理学发展的历史情境再现有利于学生理解科学家对物理问题的推理过程

物理学史是物理学发生、发展的历史，在教学中适当渗透物理学史，可以使学生对该部分知识的学习充满兴趣.所以本节设计以物理学史的发展为主线，在学生对力与运动关系充满疑惑时，教师为学生提供小车让其动手实验，第一组学生推动车底向上的小车，发现有推力时小车才运动，验证了亚里士多德的观点；第二组学生推动车身向上的小车，发现无推力时小车也能运动，验证了伽利略的观点.教师通过此设计将物理学家的观点演示为实验，使学生重走历史，自己作为当时的“物理学家”，真切感受到研究过程.

并且物理学家的研究方法是经过多年的实践与总结而形成的，对我们的教学过程具有指导意义.而伽利略的斜面实验是一个经典的“理想实验”，在向学生介绍该实验时，采用传统仪器与现代科学技术相结合的创新方法，将该实验重现，使学生直观明显地观察到小球的运动轨迹，分析实验结果得：若忽略一切阻力，将第二个斜面放平后小球将一直运动下去，即物体的运动不需要力来维持.虽然我们不能消除一切阻力，也无法将第二个斜面做得无限长，但通过对该实验的重现，可以使学生掌握这种将实验与逻辑推理相结合的科学的研究方法.

3.2 数字化实验技术有利于理论与现实的结合

信息时代的科学研究除了传统的实验研究和理论研究，还出现一种新形态——数字化探究实验.目前理科实验中，已经引入与计算机、多媒体、传感器相关的实验.这些实验的出现对学生和教师的问题处理能力、数据分析能力、图像分析能力提出了更高的要求.而且传统的教学模式往往难以激起学生对物理知识的学习兴趣和动力.所以我们采用创新手段，将数字化技术与传统仪器相结合，通过多次改变斜面倾角及智能记录与测量，增加了伽利略斜面实验的准确性、可视性及可操作性.使学生在该过程中，直观准确地理解伽利略斜面实验，利于对牛顿第一定律的知识构建.

并且随着社会的不断进步，科技手段的提高以及技术的多样化，越来越多的研究需要计算机辅助进行数据信息的收集和处理工作，这所强调的信息素养及现代传统的融合可以为学生步入社会做好必要的能力准备.［6］

1 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2015年版）［M］.北京：人民教育出版社，2015.

2 弗·卡约里.物理学史［M］.北京：中国人民大学出版社，2010.

3 王其超，高守宝.物理规律教学方法与案例［M］.北京：北京师范大学出版社，2015.

4 叶东福.基于物理核心素养导向的教学策略［J］.中学物理教学参考，2016（12）：6－7.

5 陈运保，赵亮.牛顿第一定律的发展历史及其教育价值［J］.物理教师，2016（7）：32－35.

6 韩蔚，项华，吴俊杰.《复演伽利略斜面实验》的教学设计与反思［J］.中小学信息技术教育，2012（11）：63－64.

2017－03－06）