初中牛顿第一定律高端备课

靳 萱 邢红军

(首都师范大学物理系,北京 100048)

初中牛顿第一定律高端备课

靳 萱 邢红军

(首都师范大学物理系,北京 100048)

牛顿第一定律是初中物理教学的重要内容,也是学生接触力学的第一个重要定律,一直以来都是初中物理教学的重点与难点．教学实践表明,学生学习之后,往往并未真正掌握这一定律,头脑中依然会残存前科学概念．因此,让学生理解定律的内涵,破除头脑中的前科学概念,就成为牛顿第一定律教学的关键．

1 现行教材编写的分析

现行人教版教材在牛顿第一定律编写时,先将亚里士多德与伽利略的观点进行对比,引导学生分析阻力在物体运动过程中的影响,利用小车从高处下滑实验,观察小车在不同粗糙面上的滑行距离．在证实阻力的作用之后,教材给出伽利略的推测:“如果物体受到的阻力为零,速度就不会减小,物体将以恒定不变的速度永远运动下去”,从而引出牛顿第一定律．接下来,利用“放在金属片上的小球没有随金属片被弹飞而运动”以及“汽车刹车或启动时,乘客前倾或后仰”等实例夯实“惯性”这一重要概念．[1]

研究发现,教材编写存在3点问题:首先,教材虽然通过演示实验得出阻力减小、小车向前滑行距离变大的结论,但是没有恰当地“过渡”到不受阻力时物体保持匀速直线运动的结论．其次,教材给出的牛顿第一定律只说明“力不是维持物体运动状态的原因”,却没有讲清“力是改变物体运动状态的原因”．最后,教材列举的案例都未能有效引起学生的认知冲突,破除学生头脑中的前科学概念也就无从谈起．

笔者认为,初中牛顿第一定律的教学重点在于如何破除学生头脑中“力是维持物体运动状态的原因”,并得出“力不是维持物体运动状态的原因,而是改变物体运动状态的原因”的结论．教学首先需要解决的问题是,如何从一个受到阻力并最终停止运动的真实实验“过渡”到不受力的理想实验,并最终得出物体将一直保持匀速直线运动状态的结论,这就需要具有清晰的教学逻辑．需要指出的是,利用理想实验,学生只能建立起“物体的运动无需力来维持”的观念．而要寻找“运动无需力来维持”的原因,还需要借助“惯性”来释疑．最后,学生即使表面上接受了牛顿第一定律,但其头脑中依然存在着隐蔽的前科学概念．一旦遇到复杂的情境,就很容易摒弃牛顿第一定律,转而运用前科学概念加以解释,这事实上就意味着学生并未真正掌握牛顿第一定律．因此,展开初中牛顿第一定律高端备课就显得尤为重要．

2 彰显教学逻辑的高端备课

2.1 利用理想实验建立牛顿第一定律

显而易见,初中牛顿第一定律教学应当注重从真实实验现象过渡到理想实验结论．首先,需要讲清如何从小车滑行距离越来越远的实验现象,过渡到小车在理想实验情况下滑行距离为无限远的结论;其次,需讲清如何从小车速度越来越慢,过渡到小车在理想实验情况下速度保持不变．

图1 小车在不同粗糙面上滑动实验

由图1可知,阻力较大时小车滑行距离较短,阻力较小时小车滑行距离较远．进而可以得出“随着阻力的减小,小车滑行的距离变远”的结论．结合上述分析并进行合理外推,不难得出“当小车所受阻力为0时,小车滑行的距离将变为无限远”的结论(如表1所示)．

表1 “阻力与滑行距离的关系”从“真实”到“理想”的过渡

其次,当阻力较大时小车的速度变小较快,当阻力较大时小车的速度变小较慢．进而可知,“随着阻力的减小,小车滑行的时间越来越长、速度的变化越来越小”．应用理想条件,当“阻力为0时,小车将会滑行无限长的时间,速度不再改变,即保持匀速直线运动状态”(如表2所示)．

表2 “阻力与滑行时间、速度变化的关系”从“真实”到“理想”的过渡

结合上述两点结论可以得出:在理想条件下,小车将会一直保持匀速直线运动状态运动下去．此时,学生已经否定了“力是维持物体运动状态的原因”,并在头脑中建立了牛顿第一定律所描述的运动图像．

2.2 利用惯性深化牛顿第一定律

在牛顿第一定律教学的这一阶段,虽然学生已经知道理想状态下物体将保持匀速直线运动,却并不理解为什么会保持匀速直线运动状态,这就需要进入第2个教学环节．因此,需要运用惯性概念进行释疑．显然,正是由于物体具有惯性,所以在理想状态下才能一直保持匀速直线运动．惯性是物体保持当前运动状态的一种能力,惯性越大,物体保持当前运动状态的能力就越强,而这种能力是一切物体在任何情况下都具有的．

与理想实验结果不同的是,在真实实验中,运动的小车终将静止在平面上某一位置．因此,如果不能妥善的处理好理想与现实的矛盾,学生很容易对惯性产生错误的理解,进而重新寻求前概念进行解释．所以,教师需要进行进一步解释“力是改变物体运动状态的原因”．在真实情境下,小车虽然始终具有惯性,但是小车与桌面之间存在着摩擦阻力,使得小车的运动状态时刻都在发生变化,最终小车将会静止下来;而在理想条件下,小车与桌面之间没有摩擦阻力,由于小车具有惯性,所以小车就能够一直保持匀速直线运动状态不变．因此,人们正是利用理想实验描绘出物体不受力时的运动现象,才进一步认识到“力是改变物体运动状态的原因”,从而真正认清力与运动之间的关系．[2]

至此,学生不但清楚了理想状态下物体做何种运动,也清楚了物体为何做这种运动,从而破除了“力是维持物体运动状态的原因”的前科学概念,并且得出“力不是维持物体运动状态的原因,力是改变物体运动状态的原因”的结论,真正实现从现象到本质理解牛顿第一定律．

2.3 利用原始物理问题破除前科学概念

初中牛顿第一定律教学进入到这一步,须将学生置于生态化的情境中,通过引发学生的认知冲突,方能有效破除头脑中的前科学概念．对此,可以利用原始物理问题来达成这一目的．

一架飞机9:00从北京自东向西飞往乌鲁木齐,13:00到达;该架飞机14:30从乌鲁木齐起飞,18:00抵达北京．从北京飞往乌鲁木齐用时4h,从乌鲁木齐到北京用时3.5h．请你应用牛顿第一定律解释飞机两地飞行的时间差．

学生在解答这个问题时,容易认为是因为飞机飞行方向相对于地球自转方向的不同,从而得出同向运动时飞行时间长,相向运动时飞行时间短的错误解释．笔者认为,这一问题有助于破除学生头脑中的前科学概念．

具体而言,学生往往将本问题生搬硬套进“追及问题”与“相遇问题”当中,认为“飞机与地球同向运动时,飞行距离较长,所以用时较多;相向运动时,飞行距离较短,所以用时较少”．对此,教师应当因势利导,先按照这种观点解释:由于地球的自转方向为自西向东,当飞机从北京飞往乌鲁木齐时,飞机与地球为相向运动,飞行时间应该更短;从乌鲁木齐飞往北京时为同向运动,飞行时间应该更长．这样就可以让学生意识到这种解释是错误的．其次,教师应该向学生指出,飞机停留在地面时,已经具有了地球自转时表面的速度,由于惯性当飞机起飞时,仍然具有这个速度,所以与飞机的飞行方向无关．

那么为什么飞机飞行会有半个小时的时间差呢?原来飞机在两地之间的飞行航线,处于北半球的西风带．当飞机从北京飞往乌鲁木齐时,飞机逆风飞行;当飞机从乌鲁木齐飞往北京时,飞机顺风飞行,所以产生了半个小时的时间差．

如果学生能够意识到“无论飞机在飞行过程中还是停留在地面,都因为惯性所以具有地球自转时表面的速度”,就能正确的解决这一原始物理问题．这也就意味着,学生已经破除了前科学概念的干扰,并且能够正确运用牛顿第一定律对现象进行合理解释．

3 教学启示

基于上述高端备课的研究,可以得到3点启示.3.1 应用理想化条件阐述牛顿第一定律“是什么”

教材中提及理想化条件时,仅仅叙述“如果小车运动时不受阻力,小车是不是就不会停下了”,不难发现教材的编写逻辑跳跃,处于具体运算阶段的初中生很难跟上教材的思路．即使学生记住了牛顿第一定律的表述,也难以真正理解定律的内涵,更无法熟练应用．高端备课则从真实实验现象出发,先引导学生理解物体所受外力越来越小时的运动情况,再利用理想化条件,顺利的使物体的运动距离与时间从“有限”过渡到“无限”,逻辑的外推出物体不受外力时保持当前运动状态．正是通过理想化方式的“逐步”展开,在真实实验现象与理想实验结论之间架设桥梁,才使学生的大脑从“真实”走向“理想”,从而更为合理地理解牛顿第一定律．

3.2 利用“惯性”诠释牛顿第一定律“为什么”

牛顿第一定律不仅仅是对力与运动关系的简单描述,其蕴藏的是关于力与运动深层次的物理本质以及物理思想,这也是本节高端备课的重点所在．牛顿第一定律内容的核心之一便是惯性．虽然在牛顿第一定律中没有提及“惯性”,但是惯性的思想却蕴藏在牛顿第一定律之中,并且影响着物体的运动状态．由于惯性是物体固有的保持当前运动状态的内在属性,所以物体在惯性的支配下,不依靠力的作用也能够独立进行运动．教学中不能将惯性与牛顿第一定律割裂开来．相反,教学中不仅应当讲清不受外力时物体的运动状态,更应该利用惯性概念解释牛顿第一定律成立的内在原因．唯有深层次的挖掘牛顿第一定律的物理本质,将内在原因与外在现象建立联结,才能让学生“知其然,更知其所以然”,从而更好地巩固牛顿第一定律．

3.3 运用物理教学理论深化牛顿第一定律

在惯性教学中,教师往往低估学生头脑中前科学概念的顽固性、隐蔽性等特点,认为讲授之后学生自然而然的就能够接受牛顿第一定律,然而真实情况却并不如此．这是因为,前科学概念的产生一直伴随着学生的成长,与学生的学习息息相关．学生在学习牛顿第一定律之后,如果没有将头脑中的前科学概念彻底破除,则正确的物理概念将会与前科学概念共存．一旦遇到真实情境下的复杂问题时,学生更倾向于抛弃已经习得的科学概念,转而采用熟悉的前科学概念进行解释,这对于物理教学将会产生不良影响．可见,如何有效的破除前科学概念成为高端备课的重点所在．与教材中列出的简单习题不同,我们尝试将学生置于生态化的问题中,通过引导学生头脑中存在的前科学概念,进而引发认知冲突,彻底剖析前科学概念的问题所在,再利用科学概念对现象进行正确解释,从而使学生在头脑中真正建立起牛顿第一定律．

1 人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材开发中心. 物理(八年级下册)[M]. 北京:人民教育出版社,2013：16-19.

2 缪钟英,罗启蕙. 力学问题讨论[M]. 北京:人民教育出版社,2003：132.

3 王慧，宁成，邢红军.“电势差”教学的高端备课[J].物理教师，2013(7)：26-30.

4 邢红军，石尧，李静.“平抛运动”教学的高端备课[J].物理教师，2014(6)：19-20.

2016-11-08)