培养学生对惯性力的科学认识与批判性思维

2024-04-18刘三姐王志峰

高教学刊 2024年38期

刘三姐王志峰

摘要：惯性力是物体运动中的一个重要概念，涉及惯性系和非惯性系的区分，牛顿运动定律的适用范围，以及相对论的初步引入。该文以神舟十六号载人飞船发射为背景，设计一套惯性力教学活动，旨在培养学生对惯性力的科学认识和批判性思维，激发学生的探究兴趣和创新能力。这套教学设计包括课前问题的提出、结合情境、导入新课、回顾基础知识、探究与发现，介绍惯性力的定义和计算方法，分析和解决问题，总结和反思。

关键词：惯性力;非惯性系;科学认识;批判性思维;教学设计

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）S2-0049-04

Abstract： Inertial force is an important concept in the motion of objects， involving the distinction between inertial and non-inertial frames， the scope of application of Newton's laws of motion， and the initial introduction of relativity. Based on the launch of the Shenzhou 16 manned spacecraft， this paper designs a set of inertial force teaching activities， aiming to cultivate students' scientific understanding and critical thinking of inertial force， and stimulate students' interest in inquiry and innovation ability. This set of teaching design includes the formulation of pre-class questions， combining situations， introducing new lessons， reviewing basic knowledge， inquiry and discovery， introducing the definition and calculation methods of inertial forces， analyzing and solving problems， summarizing and reflecting.

Keywords： inertial force; non-inertial frames; scientific understanding; critical thinking; teaching design

惯性力是物体运动中的一个重要概念，对于学生理解运动的本质和力的作用机制至关重要[1]。惯性力不是物体间的相互作用力，而是在非惯性系中为了保持牛顿运动定律而引入的一种虚拟力[2]。惯性力的存在表明了运动和力的关系是相对的，取决于观察者所处的参考系。因此，惯性力的教学不仅可以帮助学生理解物理知识，还可以培养学生对物理现象的科学认识和批判性思维。然而，传统的课堂教学往往侧重于理论知识的灌输，忽略了对学生实际应用和批判性思维的培养。因此，本论文旨在通过针对惯性力的教学设计，促进学生科学认识的培养和批判性思维能力的发展。

一教学设计的基础

（一）教材分析

惯性力是赵近芳编著的《大学物理学》第六版的第二章质点动力学中第二节的内容。该节内容通过一个变速直线运动参考系的例子，说明了为了在非惯性系中沿用牛顿运动定律的形式，需要引入惯性力的概念，以及惯性力的方向和大小与非惯性系的加速度有關[3]。惯性力有多种形式，例如离心力、科里奥利力、欧拉力[4-5]。通过一个匀角速转动参考系的例子，说明了在匀角速转动的非惯性系中存在一种特殊的惯性力——惯性离心力，以及惯性离心力的方向和大小与物体的质量、角速度及半径有关[6]。通过一个沿径向匀速运动的例子，说明了在匀角速转动参考系中还存在另一种特殊的惯性力——科里奥利力，以及科里奥利力的方向和大小与物体的质量、角速度及相对速度有关[7]。

教材还通过日常生活中的现象和实际应用来展示惯性离心力和科里奥利力在自然界中的应用和影响。这样的实例可以帮助学生将所学的理论知识与实际问题联系起来，进一步加深对惯性力的理解。

（二）学情分析

学生已经学习了牛顿运动定律、参考系变换、相对速度等相关知识，具备了一定的物理思维和计算能力。但是，学生对于非惯性系和惯性力的概念还不够清晰，容易混淆真实力和虚拟力，难以正确分析非惯性系中的运动问题。为了帮助学生更好地理解和应用惯性力的概念，教师需要采取针对性的教学方法。首先，可以通过丰富的实例和图示来帮助学生建立对非惯性系和惯性力的直观感受[8]。通过具体的运动场景，让学生观察和思考在这些情境中存在的惯性力是如何产生的，以及它们对物体的运动产生了怎样的影响。其次，教师可以引导学生深入分析惯性力的产生原因、表达式、作用效果。通过引导学生探究惯性力与非惯性系中的加速度之间的关系，帮助他们理解惯性力的数学表达式和计算方法。同时，通过对惯性力的影响和作用效果进行讨论和分析，学生将能够更好地理解和应用惯性力的概念。

（三）教学目标

本文设计了一套惯性力教学活动，旨在达到以下教学目标。

1 知识与技能目标

让学生掌握惯性系和非惯性系的概念，了解惯性力的定义和特点，理解非惯性系和惯性系的区别，以及如何利用惯性力解释一些物理现象;能够分类惯性力的不同形式，如离心力、科里奥利力、欧拉力，并掌握计算惯性力的方法;能够用牛顿第二定律推导出各种惯性力的表达式[9];能够运用惯性力的知识，分析非惯性系中的运动问题，如地球上的重力、地球自转引起的离心力和科里奥利力等。

2 过程与方法目标

培养学生通过观察、分析、探究和讨论等方式，培养其发现问题、解决问题、提出问题，并能够运用数学工具进行计算和推理的能力;运用物理模型、数学工具、实验方法分析非惯性系中的物理现象的能力，提高学生的抽象思维和逻辑推理能力，激发学生对物理规律的探索兴趣[10]。

3 情感与态度目标

增强学生对物理学的认识和热爱，培养学生的创新精神和科学态度，让学生体会到物理知识的相对性和辩证性，培养学生对物理现象的科学认识和批判性思维，激发学生的探究兴趣和创新能力。

4 教学重难点

本课的教学重点是让学生掌握惯性力的概念、分类、计算方法，以及运用牛顿第二定律推导各种惯性力的表达式。本课的教学难点是让学生能够正确区分真实力和虚拟力，以及运用惯性力分析非惯性系中的运动问题。

二惯性力教学设计

（一）课前提出问题

为了激发学生的兴趣和思考，教师可以先向学生提出一个有关惯性力的问题，这些问题旨在引导学生思考非惯性系中的物理现象，并激发他们对惯性力的探究兴趣。以下是一些问题示例：在地球上，为什么我们感觉不到地球的自转和公转？在火车上，为什么我们可以站立和行走而不会摔倒？为什么火车突然启动或停止时我们会感到身体有向前或向后倾斜的力？在旋转的陀螺上，为什么我们可以看到陀螺的轴做圆锥运动？为什么陀螺在偏离垂直方向时会产生一个力使其恢复到垂直方向上？这些问题都涉及到非惯性系中的物理现象，需要用慣性力来解释。这样的问题引导将帮助学生开始思考非惯性系中的物理现象，并培养他们的批判性思维和科学探究能力。

（二）结合情境，导入新课

神舟十六号载人飞船执行中国空间站全面建成后首次载人飞行任务，于2023年5月30日9时31分在酒泉卫星发射中心点火发射，搭载了景海鹏、朱杨柱、桂海潮三名航天员。神舟十六号载人飞船与空间站组合体完成自主快速交会对接，空间站应用与发展阶段首次载人发射任务取得圆满成功。为了引入今天的新课——惯性力，教师可以播放神舟十六号载人飞船发射视频让学生亲眼目睹这个令人振奋的时刻。随后，教师提出一系列问题，例如：神舟十六号载人飞船是如何克服地球的引力，到达轨道的？在飞船内部，宇航员会感受到什么样的力？这些力是怎么产生的？这些力和我们平时所说的惯性力有什么关系？

通过这些问题，教师引导学生思考飞船和航天员在不同运动状态下所受到的力，以及这些力与惯性系和非惯性系的关系。教师可以结合牛顿第一定律和第二定律，以及相对运动的概念，解释什么是惯性力，为什么在非惯性系中需要引入惯性力，以及如何计算惯性力的大小和方向。教师还可以利用飞船发射过程中的实际数据，让学生用公式计算出飞船和宇航员在不同阶段所受到的惯性力，并与视频中的现象进行对比。

通过这样的情境导入，不仅可以激发学生对航天工程的兴趣，增强他们的民族自豪感和责任感，还能让学生深入理解惯性力的物理本质和计算方法，提高他们的物理素养。

（三）回顾基础知识

为了确保学生对基础概念有清晰的理解，教师可以回顾一下牛顿运动定律和参考系的定义。在惯性系中，物体遵循牛顿运动定律的规律进行运动。如果参考系有加速度，那么它就是非惯性系，牛顿运动定律就不再适用。在非惯性系中，物体会受到额外的表观力，即惯性力。这些惯性力的存在是为了使运动在非惯性系中仍能满足牛顿运动定律。

教师可以用一些简单的例子来说明这一点，以帮助学生更好的理解。例如，在加速或减速的汽车中，乘客会感觉到向前或向后的推力。这是因为当汽车加速或减速时，乘客身体的惯性使得他们倾向于保持之前的运动状态，而汽车的加速或减速导致了相对于乘客的运动状态发生改变，从而产生了向前或向后的推力。另一个例子是在旋转平台上。当站在旋转平台上旋转时，人会感觉到向外或向内的拉力。这是因为旋转平台的旋转引起了参考系的加速度变化，使得人体倾向于保持直线运动状态，从而产生了向外或向内的拉力。

（四）探究与发现

为了加深学生对惯性力的理解，教师可以组织学生分组进行实验。学生可以利用小车、小球、水平桌面和斜面等器材模拟船舱实验，观察并记录在不同参考系中物体的运动状态和受力情况。在实验过程中，教师可以引导学生提出问题和假设。例如，学生可能会发现在加速的小车上，小球向后移动，产生一种被推的感觉。此时，教师可以引导学生思考和讨论：为什么小球会有这样的运动状态？这与惯性力有什么关系？是否存在其他因素影响了小球的运动？通过学生之间的讨论和辩论，可以让他们深入探究惯性力的本质和意义。

教师可以鼓励学生提供自己的理由和证据来支持他们的观点，并评价他人的观点和论据。这样的讨论过程将激发学生的批判性思维和科学探究能力。通过对实验结果和理论分析的对比，学生可以深入理解惯性力的特点和规律，并形成对惯性力的更深层次的认识。通过实验和讨论，学生将能够进一步理解惯性力的性质和作用，以及它与牛顿运动定律的关系。这种实践性的学习方式将加深学生对惯性力的认识，并培养他们的实验设计和数据分析能力。

（五）介绍惯性力的定义和计算方法

惯性力是一种在非惯性系中引入的假想力，用来使牛顿运动定律在非惯性系中仍然成立[11]。教师可以用数学语言来给出惯性力的定义和计算方法。惯性力是指在非惯性系中，由于参考系相对于惯性系的加速度而产生的一种表观力。它与物体在非惯性系中相对于参考系静止或匀速运动时所受到的真实力相反，并且与物体质量成正比。其计算公式为

F=-ma，（1）

式中：F为惯性力;m为物体质量;a为参考系相对于惯性系的加速度。

在流体力学中，惯性力是用来表征流体质元动量变化的一种力，它与黏性力共同决定了流体的黏度。惯性力还包括离心力和科里奥利力，它们分别是由于参考系的匀速旋转和相对运动而产生的。

离心力的计算公式是

F=mrω2，（2）

式中：m为物体质量;r为物体到旋转轴的距离;ω为旋转角速度。

科里奥利力的计算公式是

F=2mωv ，（3）

式中：m为物体质量;ω为旋转角速度;v为物体相对于旋转参考系的速度。

教师可以用一些具体的例子来说明这个公式的应用，如在匀速圆周运动的参考系中，物体会受到向圆心的惯性力，即离心力。在匀速旋转的参考系中，物体会受到垂直于旋转平面的惯性力，即科里奥利力等[12]。

（六）分析和解决问题

教师可以回到最初提出的问题，让学生运用惯性力的概念和计算方法来分析和解决这些问题。例如，在地球上，我们感觉不到地球的自转和公转，是因为地球相对于惯性系的加速度很小，因此产生的惯性力也很小，可以忽略不计[13];在火车上，我们可以站立和行走而不会摔倒，是因为火车相对于地面是一个近似的惯性系，只有在火车加速或减速时，我们才会感觉到惯性力;在旋转的陀螺上，我们可以看到陀螺的轴做圆锥运动，是因为陀螺相对于地面是一個非惯性系，陀螺的轴受到了科里奥利力的作用，使得它做了一个进动运动等。教师可以鼓励学生提出其他类似的问题，并引导他们运用惯性力的概念进行分析和解决。通过解决这些问题，学生将深入理解惯性力的物理原理，并能够灵活运用惯性力的概念和计算方法。

此外，教师还可以引导学生进行设计或创造，应用惯性力的知识来解决一些实际或虚构的问题。例如，让学生设计一款利用惯性力的玩具、游戏或装置等。学生可以展示自己的作品，并解释自己的思路和方法。通过这样的实践性学习，学生将能够将惯性力的知识应用到实际情境中，并培养他们的创造力和解决问题的能力。通过分析和解决问题的活动，学生将更加深入地理解惯性力的作用和应用，同时提高他们的逻辑思维和创造性思考能力。

（七）总结和反思

教师可以总结一下本课的主要内容和要点，并让学生复述惯性力的概念和特点，以及惯性力的计算方法和应用场景，巩固所学知识。教师可以提出一些检测性或拓展性的问题，如：在非惯性系中，牛顿第三定律是否仍然成立？或者，在非惯性系中，能量守恒定律是否仍然成立？或者，在非惯性系中，有没有不受惯性力影响的物体？等等。教师可以鼓励学生积极思考和回答这些问题，并给予适当的指导和评价。总结和反思阶段是对学生所学内容的巩固和思考的机会，通过积极参与和思考，学生将对惯性力的概念和特点有更深入的理解，并培养他们的批判性思维和问题解决能力。这样的学习过程将使学生对惯性力有更全面和深入的认识，同时也提高了他们的学习能力和自主学习的能力。

（八）课后作业

第一，阅读爱因斯坦的论文《关于两种世界体系的对话》，了解科学史和科学发展的背景，通过论文中的船舱实验，了解相对论中的惯性力和引力之间的等效性。

第二，惯性力是什么？它与物体的运动状态有什么关系？惯性力的方向和大小如何确定？有哪些因素影响惯性力？惯性力在哪些场合会出现？它对物体的运动和受力有什么影响？

三教学与评价

该教学设计紧扣课程标准和教材内容，突出了惯性力的物理本质和计算方法，让学生深入理解惯性力的概念和特点。很好地结合了实际情境和学生的兴趣，通过引入神舟十六号载人飞船的发射和航天员的体验，将抽象的物理概念与实际事件联系起来，帮助学生更好地理解和应用惯性力的概念，激发了学生对于惯性力的思考和学习兴趣，增强了学生的物理素养和社会责任感。教师采用了多种教学方法，从课前问题的提出，到结合情境导入新课，再到回顾基础知识，探究与发现，介绍惯性力的定义和计算方法，分析和解决问题，最后总结和反思，全过程贯穿了以学生为主体，以问题为导向，以实验为手段，以探究为目的的教学理念，使学生在实践中探索和理解惯性力的概念和应用。同时，通过提出问题、讨论和辩论，鼓励学生积极思考和参与，培养了学生的创新能力和批判性思维。

改进建议：教学设计可能过于密集和复杂，需要适当简化部分内容或步骤;提供多样化的教学资源，如图片、动画、实物模型等，以帮助学生更好地理解和形象化惯性力的概念;在探究和讨论环节中，引导学生深入思考，提出具有挑战;可以增加惯性力在物理思想发展史上的重要意义和价值，如它是如何促进相对论和量子力学等现代物理理论的产生和发展的等。

四教学反思

本文设计了一套惯性力教学活动，通过提出问题、情境导入、回顾基础知识、探究实验、介绍定义和计算方法，以及分析解决问题等环节，旨在培养学生对惯性力的科学认识和批判性思维，激发学生的探究兴趣和创新能力。通过实施本文设计的教学活动，发现了以下几点收获和不足。

第一，收获。本文设计的教学活动能够有效地吸引学生的注意力，激发学生的好奇心和求知欲，让学生主动地参与到实验、讨论、交流等环节中，培养了学生对物理现象的科学认识和批判性思维。同时，本文设计的教学活动也能够有效地提高学生对惯性力知识的掌握程度，应用能力、创新能力，让学生能够灵活地运用惯性力解释一些物理现象。

第二，不足。首先，教学活动时间较紧张，没有给学生足够的时间进行深入的探究和思考，可能会影响学生对惯性力知识的深刻理解和巩固。其次，教学活动没有充分考虑到学生的个体差异和兴趣爱好，没有根据学生的实际情况进行适当的调整和优化，可能会导致部分学生在教学过程中感到困难或无聊。

五结束语

本文介绍了以惯性力教学设计为例的一种教学方法，旨在培养学生对惯性力的科学认识和批判性思维。通过提出问题、结合情境导入新课、回顾基础知识、探究实验和分析问题等步骤，引导学生深入理解惯性力的概念、计算方法，以及与非惯性系的关系。通过这样的教学设计，学生能够在思考问题和解决问题的过程中，培养科学思维和批判性思维能力。他们不仅能够了解惯性力的物理本质，还能应用惯性力的概念和计算方法解释各种现象。通过以航天工程为背景的案例引入，激发学生对航天工程的兴趣，同时将抽象的概念与实际应用相结合，提高学生的物理素养。通过实验和讨论，学生有机会发现和探究惯性力的规律，并提出自己的疑问和假设，培养创新能力和科学探究的兴趣。通过设计问题、实验、解决问题的环节，学生将更好地理解惯性力的定义和计算方法，并能够运用所学知识解决实际问题。

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