初中“牛顿第一定律”教学的创新设计

朱春 邢红军 孙铁楠

摘 要：鉴于初中牛顿第一定律教学中存在的困难，从牛顿第一定律“是什么”、牛顿第一定律“为什么”以及牛顿第一定律“变什么”三个角度出发，对初中牛顿第一定律进行了创新教学设计，旨在厘清牛顿第一定律的教学逻辑，使学生更易于理解和掌握牛顿第一定律，从而能够更好地完成知识建构.

关键词：教学设计;教学逻辑;牛顿第一定律

文章编号：1008-4134（2020）06-0048    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

1 教材分析与研究

现行人教版初中物理教材的“牛顿第一定律”编写，通过对比亚里士多德与伽利略的观点，从而得出结论：运动的物体之所以会停下来，是因为受到了阻力;进一步借助于“阻力对物体运动的影响”演示实验，从而得出了牛顿第一定律;教材最后给出了惯性概念，并利用“金属片没有随小球飞出”“汽车刹车或启动时，乘客会前倾或后仰”等生活中的实例，来加深学生对惯性概念的认识[1].

通过以上分析，不难看出，教材关于“牛顿第一定律”的编写还存在以下改进的空间：首先，教材在牛顿第一定律的描述中，没有讲清楚并强调在理想状态下，物体有且仅有两种运动状态：静止状态和匀速直线运动状态.其次，教材在建立牛顿第一定律后，直接给出了惯性的概念，没有讲清楚正是由于物体具有惯性，物体才能够保持静止或匀速直线运动状态.最后，教材虽建立了牛顿第一定律，但没有提及若改变物体的运动状态需要什么条件，即没有强调“力是改变物体运动状态的原因”.这就会影响学生对于牛顿第一定律的理解.基于上述分析，不难发现，教材并没有很好地建构逻辑，根据皮亚杰的认知发展理论，初中生的认知发展水平还停留在前运算阶段和具体运算阶段，混乱的逻辑容易使学生形成对牛顿第一定律的一种模糊认识.因此，为了使学生更加有效地学习牛顿第一定律，就有必要创新教学设计，从而帮助学生更好地理解这一规律的本质.有鉴于此，通过建构清晰严密的教学逻辑，并结合教学比喻，使复杂的教学过程简单化，以期帮助学生更好地掌握牛顿第一定律.

2 牛顿第一定律的创新教学设计

据以上分析，本文从牛顿第一定律的“是什么”、牛顿第一定律的“为什么”以及牛顿第一定律的“变什么”三个角度，对初中牛顿第一定律教学进行创新设计.

2.1 牛顿第一定律的“是什么”——两种运动状态

查阅相关文献发现，就初中牛顿第一定律的教学研究大都着眼于破除学生头脑中的错误前科学概念，即“力是维持物体运动状态的原因”，教学设计主要通过演示斜面小车实验，而后经过合理的逻辑外推，最终建立牛顿第一定律.不可置否的是，斜面实验不仅具有很强的操作性，而且与伽利略设计的斜面实验有异曲同工之妙，通过还原物理学家对这一问题的研究过程，帮助学生理解牛顿第一定律.然而，目前许多教材和教师都把重点放在了如何通过斜面实验并运用极限推理来建立牛顿第一定律上，实验看似“轰轰烈烈”，但得出牛顿第一定律后却没有进一步深入这一定律，讲清楚牛顿第一定律到底“是什么”，只是生搬硬套牛顿第一定律的表述，因而并未真正触及牛顿第一定律的本质.

初中牛顿第一定律的内容为：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态[2].从牛顿第一定律的表述中不难看出，这一表述并没有讲清楚并强调物体在不受力的条件下有且仅有两种状态：静止状态和匀速直线运动状态，而只是“保持静止状态或匀速直线运动状态”.由于对“两种状态”的处理较为隐晦，导致学生对这一定律的认识不够清晰.因此，应向学生强调指出，根据牛顿第一定律，不受力的作用的物体，有且仅有两种状态：静止状态和匀速直线运动状态.并由此总结出两个子结论：

结论1：原先静止的物体，如果不受外力，将一直保持静止.如静止放置在书桌上的课本、静止悬挂在教室上方的灯管，若不对其施加力的作用，它们将会一直保持静止.

结论2：原来运动的物体，如果不受外力，将一直保持匀速直线运动状态.如斜面实验的小车，若没有阻力作用在小车上，小车将在水平面上一直保持匀速直线运动至无限远;斜向上抛出的石块，若没有受到重力的作用，将以斜向上的初速度做匀速直线运动[3].

也即是说，如果物体不受外力，那么只存在两种运动状态：静止状态和匀速直线运动状态.至此，学生在头脑中便初步建立了牛顿第一定律的运动图像.如图1所示：

2.2 牛顿第一定律的“为什么”——惯性

通过第一阶段的教学，学生已经了解到：一切物体在不受外力的作用时，将保持静止状态或匀速直线运动状态，这是牛顿第一定律的“是什么”，进一步，教师还要引导学生思考牛顿第一定律的“为什么”.即物体为什么会保持这两种运动状态呢？这就需要引入惯性这一概念来进行释疑.

惯性是物体的固有属性，是指物体对运动状态改变的抵抗性，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[4]. 正因为有惯性的存在，物体才具有保持当前运动状态的能力，也即是说，物体因为具有惯性，所以现在是静止状态，将一直保持静止状态，现在是匀速直线运动状态，将一直保持匀速直线运动状态.这就不难解释，为什么小车在不受力的情况下能够一直保持匀速直线运动了.需要强调指出的是，不论物体是否受到力的作用，物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性.

如图2所示，在自救匝道遠离公路的一段铺上石子，而靠近公路的一段不铺设石子，这样做的原因是：若将整个坡道都铺满石子，失控的货车冲上匝道后，整个车子将被一下制动下来，此时车身虽然停止运动，而车上装载的货物因为惯性会继续向前运动，这就会导致货物将货车驾驶室撞飞，具有巨大的危险性;而若坡道起始不铺设石子，失控的货车冲上匝道后，货车的动能转化为势能，不仅“货车”的速度得以降低，同时车上“货物”的速度也得以降低，货车再经过坡道时，货车和货物便都能够平安地制动，从而避免发生危险.

2.3 牛顿第一定律的“变什么”——运动状态如何改变

针对教材编写的第三个问题：教材虽然建立了牛顿第一定律，但却没有明确提及改变物体的运动状态需要什么条件，即“力是改变物体运动状态的原因”.这就涉及到第三个教学重点环节，当物体受到力的作用时，将会改变原来的静止状态或匀速直线运动状态.

力是物体对物体的作用，这种作用能够使物体的运动状态或形状发生改变.从亚里士多德时代开始，人们一直相信运动是由力来维持的.牛顿第一定律否定了这种根深蒂固的偏见，通过不受力作用的运动规律的描绘，揭示出力才是改变物体运动状态的原因[5].在小车实验中，在不受力作用的理想条件下，小车因为具有惯性将一直保持匀速直线运动，但不论是在毛巾还是平板上滑行，小车最终都会停止在水平面上的某个位置，这是因为小车与平板间存在摩擦阻力，正是这一阻力改变了小车匀速直线运动的状态，小车才最终停止运动.

至此，学生便清楚了物体不受力时的两种状态：静止状态和匀速直线运动状态;也清楚了为何物体保持这两种状态的原因以及如何改变这两种状态.再通过将物体与人作比喻，就可以更加深入地理解牛顿第一定律.见表1.

从表1不难看出，在不受外力时，物体只有两种运动状态：静止状态和匀速直线运动状态.人同样只有两种状态：睡眠状态和清醒状态;物体为何可以保持这两种状态？因为物体具有惯性.人为何可以保持这两种状态？因为人具有生命;物体如何改变这两种状态？给物体施加力的作用.人如何改变这两种状态？得了要命的疾病.显然，通过清晰顺畅的教学逻辑，形象具体的教学比喻，深刻地揭示了牛顿第一定律的教学本质.

3 教学启示

基于以上创新教学设计，可以得到以下三点启示.

3.1 物理教学要注重逻辑的完整连贯

逻辑完整连贯的物理教学有助于帮助学生建构良好的认知图结构.基于此，本文的创新教学设计就包括了以下三个环节：（1）牛顿第一定律的“是什么”;（2）牛顿第一定律的“为什么”;（3）牛顿第一定律的“变什么”.很显然，三个教学环节层层递进，为学生呈现出了清晰的教学脉络，并有助于学生系统完整地掌握牛顿第一定律.图3为牛顿第一定律的教学逻辑图.   3.2 重视“比喻”在物理教学中的作用

在牛顿第一定律的教学中，存在着从真实实验合理外推至理想实验、惯性概念抽象难懂、教学环节多而繁杂等诸多问题，由于初中生的认知发展水平尚处于前运算阶段和具体运算阶段，对较为抽象的牛顿第一定律往往難于理解.通过将物体比喻成人，学生就会在厘清牛顿第一定律理论脉络的同时，更好地理解牛顿第一定律的本质.初中物理教学还有很多知识都可以运用“比喻”，比如将电压比作水压、声波比作水波以及电势比作地势等.在初中物理教学中，正确运用“比喻”，不仅可以使抽象概念具体化，复杂问题简单化，还可以调动学生的积极性，从而有效地提高初中物理教学质量.

3.3 注重诠释物理概念的本质

如何讲好惯性这一概念，是许多初中物理教师面临的一个难题.由于大多数初中学生对惯性的理解还停留在比较肤浅的认识层面，而现行人教版初中物理教材在处理时，是根据牛顿第一定律引出了惯性的概念，显然，这一处理方式还有待探讨.这是因为，牛顿第一定律成立的前提条件是物体不受力的作用，学生就可能会想，物体只有在不受力的作用时才具有惯性，若物体受力时，对于物体是否仍具有惯性却不得而知，这样学生很容易将物体不受力与惯性联系在一起.因此，在惯性概念教学时，必须向学生强调，一切物体不论是否受力，也不论是否受力平衡，还是是否运动，物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性.所以教师应当向学生澄清，牛顿第一定律也称为惯性定律，但并非是惯性的定律，从而加深学生对惯性概念本质的理解.

参考文献：

[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，2012：18.

[2]许波华.基于物理观念形成的教学探讨——以初中《牛顿第一定律》为例[J].湖南中学物理，2019，34（09）：22-23.

[3]刘紫微，陈刚.试论牛顿第一定律的学习机制与教学[J].物理教师，2019，40（04）：33-35.

[4]缪钟英，罗启蕙.力学问题讨论[M].北京：人民教育出版社，2003.

[5]邢红军. 大学教学技能精进教程[M]. 北京：清华大学出版社，2017.

（收稿日期：2019-11-09）