牛顿第一定律的教学研究

张晶

【摘 要】 当我们设计一些新的情境让学生运用牛顿第一定律去解决实际问题时，让我们十分吃惊和困惑的是：学生对牛顿第一定律的实际应用程度非常地差。这促使我们对牛顿第一定律的教学进行进一步深层次的理性思考，我们应该从学生的认知心理上，对这一规律的教学进行深入的研究。

【关 键 词】 牛顿第一定律；教学；物理；中学

牛顿第一定律的教学研究，在中学物理教学研究中早已不是一个新问题了。许多物理教育工作者对于这一定律的教学发表了自己颇有见地的教学见解，并且得到了满意的教学效果。

当我们在教学实践中运用这些教学策略时，我们发现，也确实可以取得一些预期效果。然而，当我们设计一些新的情境让学生运用牛顿第一定律去解决实际问题时，让我们十分吃惊和困惑的是：学生对牛顿第一定律的实际应用程度却非常地差。为何对同一教学策略的教学结果的评价出现那么大的偏差？是教师教的原因，还是学生学的原因，或者是两者兼而有之？这促使我们对牛顿第一定律的教学进行进一步深层次的理性思考，我们应该从学生的认知心理上，对这一规律的教学进行深入的研究。

首先，牛顿第一定律的教学，通常是按教材编排顺序，先进行演示实验引出课题，然后通过讲解伽利略与亚里士多德的争论，消除“力是维持物体运动原因”的错误观念，进一步通过做斜面小车实验证明牛顿第一定律的正确性，最后让学生运用牛顿第一定律去解释日常生活中的现象，从而完成整个教学过程。

为了检验学生学习和掌握牛顿第一定律的情况，我们曾用这样一道题目来检测学生。题目如下：你坐在向前匀速直线运动的汽车里，将手中的钥匙竖直上抛，问当钥匙落下来时是落在手里，还是落在手后面。全班56名同学在试卷上皆答：落在手后面。问其原因，皆曰：汽车在走，而钥匙抛出后不再向前走了。

其次，怎样更好地改进牛顿第一定律的教学效果，使牛顿第一定律的教学效果真正是实实在在意义上的令人满足。我们认为，由于一般形式上的教学方法的改进已是隔靴搔痒，而必须深入到学生的认知结构中去考察学生产生错误认识的根源。

认知心理学的理论告诉我们，学生在学习物理概念、规律时所形成的错误，常常是由于其头脑中的前科学概念的影响。

所谓前科学概念，是指儿童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。如牛顿第一定律就是如此。在物理教学中，那种认为只需要“正面”传授知识，学生就能接受，如果他们仍不理解，可以多讲几遍就能达到目的的想法是过于天真了。因为在有些学生的经验中，早已有了与亚里士多德“力是维持物体运动原因”的理论类似的观念。这样，当他们学习了牛顿第一定律之后，就可能把定律纳入到自己原有的认知结构中，牛顿第一定律实际上成了“力是维持物体运动原因”的代名词。让他们解释用手推车、用脚踢球等一些不易暴露错误观念的生活实例时，他们也能解释得头头是道。但当解释用手抛钥匙、飞机扔炸弹的例子时，他们却又运用亚里士多德的理论去解释，其错误观念暴露无遗。这正是牛顿第一定律教学效果不佳的症结之所在。

再次， 研究和改进牛顿第一定律的教学，应当了解学生头脑中前科学概念的特点。

第一，学生头脑中的前科学概念是自发形成的。过去，我们在教学中，常常误认为学生在学习物理之前其头脑如同一张“白纸”，教师可以在上面任意涂画，其实，事实并非如此。学生在长期的生活实践当中，逐渐形成了自己对客观世界物质运动规律的看法。他们几乎每天都会看到物体在力的作用下运动，而在力停止作用时物体静止，于是主观地断言：有力，则物体运动；无力，则物体静止。这正是亚里士多德“力是维持物体运动原因”的理论能持续两千多年的原因。

第二，学生头脑中的前科学概念具有隐蔽性。由于学生头脑中前科学概念都在潜移默化中形成的，所以它以潜在的形式存在。这包含两方面的意义。其一是学生自己并没有意识到它的存在，因为学生并没有有意识地思考并形成“力是维持物体运动原因”的概念。其二是前科学概念平时并不表现出来，但往往在学生运用物理概念解决问题时表现出来。如前述测验表明，许多有多年教龄的初中物理教师头脑中也存在着牛顿第一定律的前科学概念，然而他们自己却并不知道。

第三，学生头脑中的前科学概念具有顽固性。由于前科学概念是儿童头脑中已形成的概念，且长期的日常生活经验与观察又加强了这些概念。因此，学生头脑中的前科学概念是非常顽固的。

国内外物理教育界近年来的一些研究表明：一旦学生对某些物理现象形成了前科学概念，要想加以转变是极其困难的。尤其那些在人类科学认识史上经历了曲折历程的前科学概念，更是如此。这就是我们经常说的第一印象，一旦形成，就很难改正的原因。

按照皮亚杰的理论，学生认识什么和如何行动，主要决定于他们所具有的认知图式（思维模式），而不完全取决于教师所讲述的内容。他们按照自己已有的图式吸收和排斥信息。在有错误认识存在的情形下，就会在头脑中形成与正确信息极不相同的东西。

最后，在上述研究的基础上，我们对牛顿第一定律的教学提出如下教学建议。

（1）注重科学知识、科学方法与科学精神教育。牛顿第一定律不仅在物理学本身上占有重要地位，而且在物理教学中也具有很好的教育价值。在教学中，不仅应当注重科学知识教学（定律本身），而且要特别强调定律得出所运用的科学方法。包括理论实验方法和科学推理方法，这一点常常是许多物理教师容易忽略的方面。而且，还要结合定律的教学，潜移默化地对学生进行科学精神教育。为什么只有伽利略能够大胆地怀疑亚里士多德延续2000多年的错误结论？引导学生树立起科学的怀疑精神，树立实践是检验真理的唯一标准的信念。这样融知识、方法和精神于一体的教学，才真正体现了牛顿第一定律教学的更多内涵。

（2）必须破除教师头脑中的前科学概念。由于不少初中物理教师头脑中还具有牛顿第一定律的前科学概念，因此，很难想象出这些教师所教授出的学生头脑中的前科学概念能够加以破除。所以，破除教师自己头脑中前科学概念是牛顿第一定律教学的前提。

（3）破除学生头脑中的前科学概念。由于在牛顿第一定律教学中，学生头脑中存在着前科学概念，教师必须促使学生头脑中前科学概念的转变，在他们的头脑中引发认知冲突和危机，使他们头脑中原有的观念与当前面临的现实产生无法调和的矛盾，促使原结构的解体和新结构的建构。这种过程可以说是在学生头脑中引发了一场科学革命。

除以上两个例子外，还可向学生布置更多的问题并尝试解答。比如：

例1 （2013浙江温州） 如图1是小明自创的“大炮”示意图。当瓶内产生的气体增多时，瓶塞会水平向右冲出，若此时所有外力全部消失，瓶塞将（ ）

[图1]

A. 立即沿竖直方向下落到地面

B. 向上运动

C. 水平向右做匀速直线运动

D. 立即静止

例2 （2013江苏苏州） 如图2所示，在竖直平面内用轻质细线悬挂一个小球，将小球拉至A点，使细线处于拉直状态，由静止开始释放小球，不计摩擦，小球可在A、B两点间来回摆动。当小球摆到B点时，细线恰好断开，则小球将（ ）

[A][E][D（水平）][C（斜向上）][B][O][图2]

A. 在B点保持静止 B. 沿BE方向运动

C. 沿BC方向运动 D. 沿BD方向运动

例3 将上题改几个字，再来比较一下：如图2所示，在竖直平面内用轻质细线悬挂一个小球，将小球拉至A点，使细线处于拉直状态，由静止开始释放小球，不计摩擦，小球可在A、B两点间来回摆动。当小球摆到B点时，所有的力同时消失，则小球将（ ）

A. 在B点保持静止 B. 沿BE方向运动

C. 沿BC方向运动 D. 沿BD方向运动

例4 再改几个字比较一下：如图所示，在竖直平面内用轻质细线悬挂一个小球，将小球拉至A点，使细线处于拉直状态，由静止开始释放小球，不计摩擦，小球可在A、B两点间来回摆动。当小球摆到O点正下方B时，所有的力同时消失，则小球将（ ）

A. 在B点保持静止

B. 沿水平方向一直匀速直线运动

C. 沿切线方向一直匀速直线运动

D. 沿竖直向下方向一直匀速直线运动

例5 （2013湖北鄂州） 我国于2013年6月11日17：38在酒泉发射中心成功发射“神州十号”飞船，并开创了中国载人应用型飞行的先河。火箭升空120秒后，逃逸塔与箭体分离，在分离的瞬间，下列关于逃逸塔的说法正确的是（ ）

A. 失去重力 B. 速度为零

C. 仍有向上的速度 D. 速度反向

（4）坚持纠正前科学概念。由于前科学概念的顽固性。因此，认为前科学概念经过一两次纠正就消失了的观点是极其错误的。

破除学生头脑中的前科学概念不是一件轻而易举的事情，它的发生过程是相当缓慢的。克服旧图式（亚里士多德的观点）的惯性，用新的图式（牛顿第一定律）取代旧图式是一个非常艰难的过程。除非用旧图式不能解释问题，学生才会在头脑中发生认知冲突，才会建立新图式。因此，教师应当在期中、期末考试中，用新的情境问题考查学生对于牛顿第一定律的掌握程度，只有如此，才能真正使牛顿第一定律植根于学生的头脑中。

（5）反复强调正确科学概念。牛顿第一定律的内容是：一切物体不受外力时，将保持静止或匀速直线运动。这个定律的适用范围是：一切。就是没有不适用的情况，也就是说，这是个普遍定律，适用条件是：不受外力时。这是一种理想情况，非现实情况。“保持”这个词说明了惯性的适用的广泛性，“静止或匀速直线运动”是结果。但到底是静止还是匀速直线运动呢，这取决于在所有的力都消失的一瞬间这个物体是静止的还是匀速直线运动的。如果在所有的力都消失的一瞬间这个物体是静止的，那么这个物体将一直在原位置保持静止；如果在所有的力都消失的一瞬间，这个物体是运动的，那么这个物体将一直以这个速度的大小和方向保持匀速直线运动。想象这样一种情境：如果一个人正在跑跳，突然在他刚刚离地的一瞬间所有的力都消失了，那么这个人岂不是要飞离地球？

【参考文献】

[1] 张战胜. 牛顿第一定律[J]. 中学生导报（教学研究），2014（23）.

[2] 刘恺. “牛顿第一定律”展开生态化教学的方法[J]. 数理化解题研究（初中版），2014（3）.

[3] 吴宗华. 牛顿第一定律的教学研究[J]. 课程教育研究，2013（21）.