高中“牛顿第一定律”的高端备课*

陆星琳 邢红军 张婷玉

(首都师范大学物理系，北京 100048)

牛顿第一定律作为高一物理教学的重要内容，一直以来都是教学的难点.教学实践表明，学生往往凭借生活经验形成顽固的前概念，从而导致对牛顿第一定律的虚假掌握.因此，如何破除学生头脑中的前概念，就成为牛顿第一定律教学的关键.有鉴于此，我们立足于物理教育心理学的研究，对本节课进行物理高端备课的探讨.

1 对传统教材的分析

现行人教版高中物理教材首先引入亚里士多德的观点，“必须有力作用在物体上，物体才能运动”，然后介绍伽利略斜面实验，引导学生“猜想”:如果没有摩擦力，减小第2个斜面的倾角，小球将仍达到同样高度.并通过设问“斜面放平小球能达到多远的位置?”，进而过渡到“理想实验”.紧接着讲述笛卡尔的观点“如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向”，从而引出“牛顿第一定律”.之后，用“冰壶”的例子，试图让学生深入理解牛顿第一定律，最终针对牛顿第一定律中两个重要概念“惯性”与“质量”进行了解释.［1］

笔者认为，教材的处理方式存在3个问题.第一，教材对于伽利略实验中“减小第二斜面的倾角”与“第二斜面最终成为水平面”之间的阐述，并没有解释“小球最终停在距地面高度为h的斜面末端，如何将斜面视为水平面”这一关键问题，致使学生不能准确地理解理想化的内涵.第二，教材未能将惯性、质量两个概念与牛顿第一定律结合，使得学生不能深刻理解定律本质，导致学生学习深度不足.最后，教材通过例举冰壶例子，并未达到引发学生认知冲突的作用，也就不能破除学生头脑中的前概念.

我们认为，牛顿第一定律的教学的核心在于:怎样解释清楚牛顿第一定律的“是什么”和“为什么”两个问题.对于前者，需要解决如何让学生通过伽利略实验，并借助理想化实验在逻辑上解释清楚牛顿第一定律“是什么”的问题;对于后者，则需要借助“惯性”来阐明定律的本质，从而解释牛顿第一定律中“为什么”的问题.另一方面，许多物理教师由于没有认识到学生头脑中前概念的隐蔽性与顽固性，往往使得牛顿第一定律的前概念与科学概念在学生的大脑中“和平共处”，并最终导致学生并未真正掌握牛顿第一定律.

2 彰显教学逻辑的高端备课

2.1 依据“内因”、“外因”双层逻辑建立牛顿第一定律

在教学的第一环节，需要依据教学的内在逻辑建立牛顿第一定律，这也是高端备课的基础.伽利略实验既是物理学家思维发展的结果，又是得出牛顿第一定律的重要实验.如何利用伽利略实验中所包含的理想化思想，合理解释“小球最终停在距地面高度为h的斜面末端，但却可以将斜面视为水平面”问题，就成为教学中需要着力解决的问题.为了解释该问题并合乎逻辑地得出牛顿第一定律，教师应做如下讲解:

图1

如图1(c)所示，在直角三角形BCD中，sinθ=h/BC，在取极限的情况下，由于h有限而BC无限，则sinθ→0，θ=0，于是右侧斜面BC成为水平面，如图1(d)所示.需要强调指出的是，如果斜面为有限长，则小球最终停留在斜面远端;如果斜面为无限长，虽然其末端距离地面为h高，但小球仍会以不变的速度一直运动下去，此时无限长的“斜面”就变成了水平面，从而实现斜面到平面的转变.在满足理想化条件即不受外力和无限远时，小球运动至无限远需要无限长时间.如果没有摩擦，小球将沿水平面以恒定速度持续运动下去.由此，在逻辑上自然而然地得出了牛顿第一定律:“一切物体总保持匀速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”，这就解释了牛顿第一定律“是什么”的问题.

理想实验只是得出牛顿第一定律的外因，牛顿第一定律成立的内因则是由惯性所决定的.由此，需要向学生讲述惯性的概念，即“物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质”，“质量是惯性大小的量度”，强调“物体的运动不需要力来维持”.教师可以向学生做这样的比喻，当无外力作用时，物体的运动如同时间的流逝一般，不需要外界任何物体来维持.牛顿第一定律揭示出“一切物体都有惯性”，故也称为惯性定律.因此，牛顿第一定律的内涵不仅需要直观现象的支撑(外因)，更需要思维方法的加工(内因)，这就解释了牛顿第一定律“为什么的问题”.

2.2 破除学生头脑中的前概念

常规教学能够使学生建立牛顿第一定律，然而这远非教学的终结.由于学生头脑中普遍存在“力是维持物体运动状态的原因”前概念，因此并非“正面”传授知识就可轻易让学生掌握牛顿第一定律.对此，我们认为，只有将学生置于生态化的问题情境中，才能有效地破除前概念.据此，我们选取如下原始物理问题展开有序教学.

首先，教师提出第1个问题.

(1)在匀速行驶的火车车厢内竖直向上抛钥匙，问钥匙落在抛出点何处?

研究表明，学生往往会认为“钥匙落在抛出点沿车行驶方向的后方”，而原因是“火车在走，而钥匙抛出后不再向前走了.”对此，教师应追问“为什么钥匙抛出后不再向前走?”从而将学生判断背后的依据充分暴露出来，使学生在大脑中形成认知冲突，从而体察到判断的谬误，进而自然地寻求正确结论.

其次，教师提出第2个问题.

(2)从匀速水平向前飞行的飞机上向下空投炸弹，不计空气阻力，问炸弹扔下后在空中的排列情况哪一种是正确的?(如图2所示)

图2

由于炸弹投出后在水平方向并未受到任何外力，因此仍保持匀速直线运动，与飞机在水平方向相对位置不变，所以呈竖直排列(a).教师一方面需要指出学生头脑中的前科学概念，另一方面也需要启发学生产生认知冲突并破除其头脑中的前概念.

通过两个原始物理问题的讲解，学生的大脑处于从被组织向自组织转变的临界区域，此时，如何使学生由被组织向自组织转变就成为教学的重点.继而可以提出以下两个问题，放手让学生自主解决，以检验是否破除头脑中的前概念.

(3)一人站在轮船二层甲板上，以最大速度奔跑想跳入水中.由于一层甲板过长，每次都只能跳到一层甲板边缘而不能跳入水中.有人建议在人以最大速度奔跑过程中，让轮船向相反方向以速度v匀速运动.请问这种情况下人能否跳入水中?

(4)在匀速向前行驶的汽车车厢内，前后车窗上各趴有一只蜜蜂，当两只蜜蜂同时相对车厢以同样的速度向对方车窗飞去时，问前车窗的蜜蜂先到达后车窗还是后车窗的蜜蜂先到达前车窗?

由于前概念往往在真实的问题情境中才能被暴露，所以在分析以上2个问题时，学生若能认识到“在行驶的轮船和车厢内，无论运动方向如何变化，轮船上的人和车厢内的蜜蜂相对轮船和车厢的速度是相同的，在未受到改变运动状态外力的情况下，人能跳跃的距离和蜜蜂飞行所用的时间不变”就能正确解决问题，表明这部分学生已破除头脑中的前概念.因此，通过一系列问题的思考和回答，使学生原有的认知图式受到不断地刺激，在头脑中引发认知冲突和危机，从而使学生对牛顿第一定律的认识在更深的心理层面得以确认.

3 对物理教学的启示

纵览以上高端备课过程，我们可以得到以下几点启示.

3.1 以“理想化”作为建立牛顿第一定律的外因

理想化这一科学方法，并非局限于现象的展示与外显的操作，而应调动“极限”等逻辑思维方法的参与，在这一过程中，学生开始伸出抽象思维的触角，并体验到一种逻辑外推的力量.我们提出的高端备课，通过极限思想，使“有限”变化的量变成为“无限”变化的质变，从而以合乎逻辑的方式导出理想化的条件，即不受外力和无限远.运用理想化这一科学方法，填补了学生的思维断点，让学生在逻辑分析中理性的认识牛顿第一定律，从而清晰理解了牛顿第一定律建立的“外因”.

3.2 以“惯性”作为建立牛顿第一定律的内因

牛顿第一定律作为从大量实验事实总结而来的规律，如何循序渐进地传授其中蕴含的物理思想，更好地透视其物理本质就成为教学设计的重点.牛顿第一定律的表述中虽未言及“惯性”，然而事实上却包含了惯性的概念.由于保持原来的运动状态是物体的内在固有属性，是自然界一切物体本身存在的运动规律，所以物体的运动就不需要力的维持.如此，才能清晰透视出牛顿第一定律的本质，从而使学生信服这一规律，并真正把握牛顿第一定律的内涵.

3.3 以“破除前概念”作为建立牛顿第一定律的保证

所谓前概念，是指学生在学习物理课程以前的生活实际中，对各种物理现象和过程在头脑中反复建构所形成的系统的但并非科学的观念.学生是带着前概念进入课堂的，而它们往往与科学事实不相符，前概念的顽固性、隐蔽性特点，更给教学带来了极大困难.

如图3所示，在牛顿第一定律学习中，学生头脑中往往存在着“两个牛顿第一定律”，一方面，他们可以把正确的定律倒背如流.另一方面，用来解决实际问题的却往往运用头脑中的前概念.因此，如何破除学生前概念就成为本节教学设计的另一个关键之处.

图3

本节课通过一系列原始问题探测学生的前概念，进而引发学生的认知冲突，并力图改造学生已有的认知图式，达到建立新图式的目的.在更广泛的意义上，这项工作要求将前概念分析作为一项基本的备课活动，建议教师在关于前概念教学理论的指导下，力争对每节课中前概念的破除，都作出恰当的教学安排.

1 人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理(必修1)［M］.北京:人民教育出版社，2011:68-71.

2 陈清梅，邢红军.应用理想化方法讲解“伽利略实验”的教学研究［J］.中学物理教学参考，2008(1-2):20.