高中物理“牛頓第一定律”的PCK解析

杜愛慧 張淑君

(河南師范大學物理與材料科學學院，河南 新鄉 453007)

1 牛頓第一定律教學中存在的問題

牛頓第一定律作為牛頓運動定律的前提,學生在初中階段已經進行過學習,因此很多教師在教授高中教材的這部分內容時,往往傾向于復習舊知識或默認為學生已經掌握,認為學習第一定律就是為接下來學習牛頓第二定律打基礎,很少仔細鉆研教材和課標要求,也很少深入了解學生相應的前概念,完全按照自己的理解和經驗來授課,缺乏必要的教學策略,最終導致學生不能透徹地理解牛頓第一定律包含的豐富內涵,尤其是在力與運動、慣性等方面存在較大問題,這些都給學生接下來的學習制造了障礙．

2 PCK理論的內涵

針對目前牛頓第一定律教學中存在的諸多問題,我們可以根據舒爾曼教授提出的PCK理論來改善教學現狀．PCK是“學科教學知識”的簡稱,是教師在教學中通過分析教材、學生和課堂,結合各個學科的特性、學生的心理特點、認知水平和知識的掌握情況,把多種因素整合起來并以一種學生最易于理解的方式表達出來的知識形式．綜合多篇文獻,[1-2]PCK主要包含以下4個方面(見表1).

表1 PCK理論的內涵分析

續表

本文將從以上4個維度對牛頓第一定律進行解析,以期能夠引起教師對該部分內容的重視并能為教師有效改進教學提供借鑒和參考．

3 “牛頓第一定律”教學的PCK解析

3.1 學科的知識:牛頓第一定律的內容及教育價值

(1) 牛頓第一定律的教學內容.

教材給出了牛頓第一定律的文字敘述,即“一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態”．其物理內涵包括:① 明確了慣性的概念,即物體具有保持原來勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質,是物體自身所固有的屬性．慣性的兩種表現形式:“保持原狀”或“反抗改變”．② 揭示了力的本質,即力是物體與物體間的相互作用,是改變物體運動狀態的原因,而不是維持物體運動的原因．③ 牛頓第一定律成立的條件是質點在慣性參考系中的運動描述．在這種參考系中,一個不受力或所受合外力為0的物體將保持靜止或勻速直線運動狀態不變．

(2) 牛頓第一定律的教育價值.

① 對科學家進行正確評價,培養學生的辯證思維．對于亞里士多德提出的“力是維持物體運動的原因”這一錯誤判斷,我們不能對亞里士多德全盤否定,應該引導學生結合當時的社會、經濟、文化等發展水平從哲學角度辯證看待其觀點及貢獻,要讓學生學會辯證的、用發展的眼光思考問題,形成正確的價值觀．② 具有敢于質疑的精神和挑戰權威的勇氣．伽利略通過對現象觀察提出了自己的猜想,并進行了理想斜面實驗,進而通過邏輯推理得出“力不是維持物體運動的原因”．雖然這個結論與當時的觀念格格不入,但伽利略依然堅持自己的觀點,不畏懼權威,敢于對亞里士多德的論斷提出質疑．伽利略這種敢于挑戰權威、求真務實、實事求是的科學精神是促進學生全面發展,使其成為新時代人才的必然要求,教師應及時鼓勵學生向伽利略學習．③ 重視研究歷程,領悟科學研究方法,理解科學本質．牛頓第一定律經過亞里士多德、伽利略、笛卡兒和牛頓等人對其進行不斷的修正和完善,并最終作為基本原理正式提出．這一過程包含了合理外推法、理想實驗法、邏輯推理法等豐富的科學方法,讓學生經歷這個曲折又漫長的發展過程,理解科學研究、科學思想的本質,有助于學生批判性思維的形成．同時幫助學生認識到:科學知識是科學家經過不懈努力才得以形成的,使學生發自內心的尊敬科學家、尊重知識．

3.2 課程的知識:牛頓第一定律與其他教學內容的聯系

牛頓第一定律是牛頓力學體系的基石,力學的第一原理,其中包含的基本概念奠定了經典力學的概念基礎．通過對課標和教材的分析確立教學目標為:通過實驗探究了解阻力對物體運動的影響,經過分析、歸納和推理得出牛頓第一定律,并能用于分析實際現象;通過實驗觀察、體驗和實例分析,認識到物體具有慣性,能表述慣性概念,應用慣性解釋和解決生產、生活中的一些現象和問題．

(1) 橫向聯系.

高中物理必修1第一、二章主要講質點的運動,包括質點靜止、勻速直線運動和勻變速直線運動．第三章學習力,包括重力、彈力、摩擦力、力的合成與分解以及物體的受力分析．那么物體的運動和受力之間有怎樣的關系呢?接下來的牛頓第一定律就闡述了運動和力的關系,而這種關系正是高中物理的核心內容,對于之后要學習的知識都將圍繞這種關系而展開．因此牛頓第一定律在整個學科知識體系中具有承前啟后的作用．

(2) 縱向聯系.

學生在初中階段就已經對牛頓第一定律有了一些基本認識,如定律的內容、實驗推理過程以及對生活中慣性現象的分析等．初中內容不涉及慣性與質量的關系,而高中教材中會明確指出描述物體慣性的物理量是它們的質量,讓學生從物體慣性的角度認識質量,從而使學生更加深入的理解牛頓第一定律并糾正自己認識上的偏差．牛頓第一定律為第二、第三定律提供了非常重要的指導,為牛頓第二定律定量說明力、質量和加速度三者之間的關系奠定了基礎,是研究動力學的出發點．牛頓三定律是存在遞進性的,它們是一個完整的理論體系,而且之后的力學知識都是在這三大定律的基礎上得以研究的．

3.3 學生的知識:學生學習牛頓第一定律時可能存在的困難

表2 學生學習牛頓第一定律時的困難分析

3.4 教學策略的知識:幫助學生理解牛頓第一定律的教學策略

(1) 創設問題情境引發學生認知沖突.

在新課教學前,學生對所學知識已有所認識和了解,但這些認識大多來源于直接的生活經驗感受,是比較膚淺的甚至是錯誤的．這就需要學生打破頭腦中原有的錯誤認識,重新構建新的認知結構．通過創設能夠引發學生認知沖突的問題情境,進而打破原有圖式結構的平衡狀態,有利于刺激學生的思維,激發其內驅力．因此教師要根據學生已有的知識水平以及學生發展的內在需要,創設科學有效的問題情境,使學生真正參與其中,達到有效建構的目的．

(2) 利用“問題串”引導學生積極思考.

教學的過程應該是一個不斷提出問題和解決問題的過程．教師通過一系列的“問題串”能使學生的思維清晰,更深刻地理解其正在探究的問題,領悟探究活動的精髓．[3]利用“問題串”進行教學時,第一步,教師首先設置引導學生主動思考的問題,讓學生表達自己對問題的看法;第二步,教師繼續提問或通過反饋來辨別學生的回答,目的是明確學生對該問題的理解程度;最后,引導學生反思自己的答案,借鑒參考別人的想法,并最終形成對問題的正確理解．

(3) 抽象問題具體化.

高中物理的知識比較抽象,高一學生雖然具備一定的分析推理和邏輯思維能力,但抽象思維水平不高,尚未形成理性分析的習慣,因此只靠單純的理論講解很難使學生對所學內容全面掌握．教師可以將物理知識具體化、生活化、形象化,利用學生熟悉并可以理解的方式進行講授,具體如通過引入實例、打比方、做類比等方法展開教學、這樣不僅可以幫助學生理解知識,激發其物理學習的積極性,而且有利于學生學以致用意識的培養．

4 “牛頓第一定律”的教學案例

教學活動1:課堂引入.

教師演示2個小實驗:實驗1,讓小車倒置,輪子朝上,在水平桌面上用力推小車后再撤去推力．現象:推它就動,撤去推力后小車就靜止在原地．學生們大多會根據觀察到的現象得出和亞里士多德相同的觀點,即力是維持物體運動的原因,符合學生的生活經驗．這樣做的目的就是為了引出學生頭腦中錯誤的前概念,教師可以適時說明亞里士多德的觀點,強化學生的錯誤認識,為接下來引發認知沖突作足鋪墊．接著演示實驗2,讓小車正立,輪子接觸桌面,用同樣大小的力再去推小車．現象:撤去推力后小車運動一段距離之后才會停下來,可以得出小車不受力后還可以向前運動,此時學生頭腦中開始出現認知沖突,教師可以適時提出伽利略的觀點:運動的物體不需要力來維持．請學生分析誰的觀點正確?

活動分析:利用認知沖突策略,首先澄清學生頭腦中的錯誤前概念,同一輛小車只因放置的方式不同就產生了不同的實驗現象和結論,引發了學生的認知沖突,調動了學生探究其中原因的學習積極性,同時也明確了接下來要探究的問題．

教學活動2:區別力與慣性.

教師展示兩個情境并提出相應問題讓學生分析．首先展示情境1:播放拋出去的石子在空中繼續飛行、踢出去的足球在草地上不會立即停下來、公交車突然剎車時人會向前傾這些生活中的場景．針對情境提出問題1:情景1中的物體為什么會繼續向前運動而不會立即停下來呢?(設計意圖:明確學生是否把力與慣性混淆)問題2:若混淆,問力的概念及產生條件分別是什么?(力是物體與物體之間的相互作用;必須有施力物體和受力物體)問題3:上述情境中的施力物體分別是什么?(學生在這個過程中肯定會碰壁,引導學生轉化角度思考問題)問題4:慣性是一種力嗎?(設計意圖:引導學生反思自己的答案)教師展示情境2:展示幾幅物體受力情況不同的圖片,讓學生畫出力的示意圖并指出各個力的施力物體．通過對比以上兩類情境中的物體,分別從力和慣性的概念、力的三要素等方面來區分力與慣性．向學生提出問題5:力和慣性的本質分別是什么,它們之間有什么區別?(設計意圖:讓學生最終形成對問題的正確理解)

結論:慣性不是一種力,因為它沒有施力物體,慣性的大小沒有具體數值,也沒有方向和作用點．慣性是物體本身的固有屬性,是使物體保持原來運動狀態不變的原因,而力則是改變物體運動狀態的原因．

活動分析:利用問題串的教學策略,通過層層遞進的提問和適時的引導,讓學生對問題進行深入思考并形成正確理解．

教學活動3:慣性的大小只與物體的質量有關.

播放生活中常見的慣性現象,讓學生結合生活體驗,真切感受到慣性與質量的關系．如:火車啟動時,空車和滿載時哪個更好啟動?騎自行車剎車時,單人時和載人時哪個更容易停下來?

活動分析:利用抽象問題具體化策略,可以將理論和實際緊密聯系起來,既解釋了生活現象,又深化了學生對理論的理解．讓學生感受到物理存在于生活的各個方面,有助于樹立理論聯系實際的良好學風．

教學活動4:慣性大小與速度無關.

例題.一個小車以15m/s的速度行駛,它完全停下來需要3s;當這個小車以20m/s的速度行駛時,它要完全停下來需要4s,問:兩個過程中小車的慣性大小相同嗎?對本題來說,運動狀態改變的難易程度具體指的是什么?

經過交流發現,對于第一個問題,認為慣性不一樣的學生給出的原因是,小車在第二種情況停下來所需時間大于第一種情況,所以說它的運動狀態較難改變,即慣性較大．支持慣性不變的多數學生的理由則是因為我們之前已經學習過慣性只和質量有關,因為是同一輛小車,質量不變所以慣性不變．只有極少部分學生是真正理解了慣性的本質．對于第二個問題,要引導學生比較單位時間內汽車速度的變化量,明確運動狀態改變的難易程度并不是指小汽車從運動到靜止這個過程所用時間的長短,而是說在單位時間內汽車的速度的變化量,變化量越大,我們就說它越容易改變,即慣性越?。畬τ诒绢}中的小車,不管它以多大的速度行駛,剎車時單位時間內速度的改變量都是5m/s．因為還是同一輛小車,它的質量沒變,所以慣性不變．

活動分析:慣性是一個很抽象的概念,中學生的抽象思維發展水平還不高,對于慣性本質的理解還存在困難,需要借助于具體的問題來幫助理解．利用抽象問題具體化策略可以幫助學生順利形成對慣性的理解．

以上我們基于PCK理論深入分析了牛頓第一定律的教學．對于高中物理教學,我們可以從PCK內涵的4個方面重點分析教學內容,基于物理學科的特點以及物理學科中最核心的知識基礎,落實到當前課堂所要教授的具體知識上,不僅要對課程知識進行整體把握和分析,還要深入了解學生對于該知識的認識,包括有利和不利的因素以及學生可能出現的困難等,然后以最易于學生理解的方式組織和展開教學活動,提高課堂教學的有效性．