培養學生對慣性力的科學認識與批判性思維

劉三姐 王志峰

摘? 要：慣性力是物體運動中的一個重要概念，涉及慣性系和非慣性系的區分，牛頓運動定律的適用范圍，以及相對論的初步引入。該文以神舟十六號載人飛船發射為背景，設計一套慣性力教學活動，旨在培養學生對慣性力的科學認識和批判性思維，激發學生的探究興趣和創新能力。這套教學設計包括課前問題的提出、結合情境、導入新課、回顧基礎知識、探究與發現，介紹慣性力的定義和計算方法，分析和解決問題，總結和反思。

關鍵詞：慣性力;非慣性系;科學認識;批判性思維;教學設計

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）S2-0049-04

Abstract： Inertial force is an important concept in the motion of objects， involving the distinction between inertial and non-inertial frames， the scope of application of Newton's laws of motion， and the initial introduction of relativity. Based on the launch of the Shenzhou 16 manned spacecraft， this paper designs a set of inertial force teaching activities， aiming to cultivate students' scientific understanding and critical thinking of inertial force， and stimulate students' interest in inquiry and innovation ability. This set of teaching design includes the formulation of pre-class questions， combining situations， introducing new lessons， reviewing basic knowledge， inquiry and discovery， introducing the definition and calculation methods of inertial forces， analyzing and solving problems， summarizing and reflecting.

Keywords： inertial force; non-inertial frames; scientific understanding; critical thinking; teaching design

慣性力是物體運動中的一個重要概念，對于學生理解運動的本質和力的作用機制至關重要[1]。慣性力不是物體間的相互作用力，而是在非慣性系中為了保持牛頓運動定律而引入的一種虛擬力[2]。慣性力的存在表明了運動和力的關系是相對的，取決于觀察者所處的參考系。因此，慣性力的教學不僅可以幫助學生理解物理知識，還可以培養學生對物理現象的科學認識和批判性思維。然而，傳統的課堂教學往往側重于理論知識的灌輸，忽略了對學生實際應用和批判性思維的培養。因此，本論文旨在通過針對慣性力的教學設計，促進學生科學認識的培養和批判性思維能力的發展。

一? 教學設計的基礎

（一）? 教材分析

慣性力是趙近芳編著的《大學物理學》第六版的第二章質點動力學中第二節的內容。該節內容通過一個變速直線運動參考系的例子，說明了為了在非慣性系中沿用牛頓運動定律的形式，需要引入慣性力的概念，以及慣性力的方向和大小與非慣性系的加速度有關[3]。慣性力有多種形式，例如離心力、科里奧利力、歐拉力[4-5]。通過一個勻角速轉動參考系的例子，說明了在勻角速轉動的非慣性系中存在一種特殊的慣性力——慣性離心力，以及慣性離心力的方向和大小與物體的質量、角速度及半徑有關[6]。通過一個沿徑向勻速運動的例子，說明了在勻角速轉動參考系中還存在另一種特殊的慣性力——科里奧利力，以及科里奧利力的方向和大小與物體的質量、角速度及相對速度有關[7]。

教材還通過日常生活中的現象和實際應用來展示慣性離心力和科里奧利力在自然界中的應用和影響。這樣的實例可以幫助學生將所學的理論知識與實際問題聯系起來，進一步加深對慣性力的理解。

（二）? 學情分析

學生已經學習了牛頓運動定律、參考系變換、相對速度等相關知識，具備了一定的物理思維和計算能力。但是，學生對于非慣性系和慣性力的概念還不夠清晰，容易混淆真實力和虛擬力，難以正確分析非慣性系中的運動問題。為了幫助學生更好地理解和應用慣性力的概念，教師需要采取針對性的教學方法。首先，可以通過豐富的實例和圖示來幫助學生建立對非慣性系和慣性力的直觀感受[8]。通過具體的運動場景，讓學生觀察和思考在這些情境中存在的慣性力是如何產生的，以及它們對物體的運動產生了怎樣的影響。其次，教師可以引導學生深入分析慣性力的產生原因、表達式、作用效果。通過引導學生探究慣性力與非慣性系中的加速度之間的關系，幫助他們理解慣性力的數學表達式和計算方法。同時，通過對慣性力的影響和作用效果進行討論和分析，學生將能夠更好地理解和應用慣性力的概念。

（三）? 教學目標

本文設計了一套慣性力教學活動，旨在達到以下教學目標。

1? 知識與技能目標

讓學生掌握慣性系和非慣性系的概念，了解慣性力的定義和特點，理解非慣性系和慣性系的區別，以及如何利用慣性力解釋一些物理現象;能夠分類慣性力的不同形式，如離心力、科里奧利力、歐拉力，并掌握計算慣性力的方法;能夠用牛頓第二定律推導出各種慣性力的表達式[9];能夠運用慣性力的知識，分析非慣性系中的運動問題，如地球上的重力、地球自轉引起的離心力和科里奧利力等。

2? 過程與方法目標

培養學生通過觀察、分析、探究和討論等方式，培養其發現問題、解決問題、提出問題，并能夠運用數學工具進行計算和推理的能力;運用物理模型、數學工具、實驗方法分析非慣性系中的物理現象的能力，提高學生的抽象思維和邏輯推理能力，激發學生對物理規律的探索興趣[10]。

3? 情感與態度目標

增強學生對物理學的認識和熱愛，培養學生的創新精神和科學態度，讓學生體會到物理知識的相對性和辯證性，培養學生對物理現象的科學認識和批判性思維，激發學生的探究興趣和創新能力。

4? 教學重難點

本課的教學重點是讓學生掌握慣性力的概念、分類、計算方法，以及運用牛頓第二定律推導各種慣性力的表達式。本課的教學難點是讓學生能夠正確區分真實力和虛擬力，以及運用慣性力分析非慣性系中的運動問題。

二? 慣性力教學設計

（一）? 課前提出問題

為了激發學生的興趣和思考，教師可以先向學生提出一個有關慣性力的問題，這些問題旨在引導學生思考非慣性系中的物理現象，并激發他們對慣性力的探究興趣。以下是一些問題示例：在地球上，為什么我們感覺不到地球的自轉和公轉？在火車上，為什么我們可以站立和行走而不會摔倒？為什么火車突然啟動或停止時我們會感到身體有向前或向后傾斜的力？ 在旋轉的陀螺上，為什么我們可以看到陀螺的軸做圓錐運動？為什么陀螺在偏離垂直方向時會產生一個力使其恢復到垂直方向上？這些問題都涉及到非慣性系中的物理現象，需要用慣性力來解釋。這樣的問題引導將幫助學生開始思考非慣性系中的物理現象，并培養他們的批判性思維和科學探究能力。

（二）? 結合情境，導入新課

神舟十六號載人飛船執行中國空間站全面建成后首次載人飛行任務，于2023年5月30日9時31分在酒泉衛星發射中心點火發射，搭載了景海鵬、朱楊柱、桂海潮三名航天員。神舟十六號載人飛船與空間站組合體完成自主快速交會對接，空間站應用與發展階段首次載人發射任務取得圓滿成功。為了引入今天的新課——慣性力，教師可以播放神舟十六號載人飛船發射視頻讓學生親眼目睹這個令人振奮的時刻。隨后，教師提出一系列問題，例如：神舟十六號載人飛船是如何克服地球的引力，到達軌道的？在飛船內部，宇航員會感受到什么樣的力？這些力是怎么產生的？這些力和我們平時所說的慣性力有什么關系？

通過這些問題，教師引導學生思考飛船和航天員在不同運動狀態下所受到的力，以及這些力與慣性系和非慣性系的關系。教師可以結合牛頓第一定律和第二定律，以及相對運動的概念，解釋什么是慣性力，為什么在非慣性系中需要引入慣性力，以及如何計算慣性力的大小和方向。教師還可以利用飛船發射過程中的實際數據，讓學生用公式計算出飛船和宇航員在不同階段所受到的慣性力，并與視頻中的現象進行對比。

通過這樣的情境導入，不僅可以激發學生對航天工程的興趣，增強他們的民族自豪感和責任感，還能讓學生深入理解慣性力的物理本質和計算方法，提高他們的物理素養。

（三）? 回顧基礎知識

為了確保學生對基礎概念有清晰的理解，教師可以回顧一下牛頓運動定律和參考系的定義。在慣性系中，物體遵循牛頓運動定律的規律進行運動。如果參考系有加速度，那么它就是非慣性系，牛頓運動定律就不再適用。在非慣性系中，物體會受到額外的表觀力，即慣性力。這些慣性力的存在是為了使運動在非慣性系中仍能滿足牛頓運動定律。

教師可以用一些簡單的例子來說明這一點，以幫助學生更好的理解。例如，在加速或減速的汽車中，乘客會感覺到向前或向后的推力。這是因為當汽車加速或減速時，乘客身體的慣性使得他們傾向于保持之前的運動狀態，而汽車的加速或減速導致了相對于乘客的運動狀態發生改變，從而產生了向前或向后的推力。另一個例子是在旋轉平臺上。當站在旋轉平臺上旋轉時，人會感覺到向外或向內的拉力。這是因為旋轉平臺的旋轉引起了參考系的加速度變化，使得人體傾向于保持直線運動狀態，從而產生了向外或向內的拉力。

（四）? 探究與發現

為了加深學生對慣性力的理解，教師可以組織學生分組進行實驗。學生可以利用小車、小球、水平桌面和斜面等器材模擬船艙實驗，觀察并記錄在不同參考系中物體的運動狀態和受力情況。在實驗過程中，教師可以引導學生提出問題和假設。例如，學生可能會發現在加速的小車上，小球向后移動，產生一種被推的感覺。此時，教師可以引導學生思考和討論：為什么小球會有這樣的運動狀態？這與慣性力有什么關系？是否存在其他因素影響了小球的運動？通過學生之間的討論和辯論，可以讓他們深入探究慣性力的本質和意義。

教師可以鼓勵學生提供自己的理由和證據來支持他們的觀點，并評價他人的觀點和論據。這樣的討論過程將激發學生的批判性思維和科學探究能力。通過對實驗結果和理論分析的對比，學生可以深入理解慣性力的特點和規律，并形成對慣性力的更深層次的認識。通過實驗和討論，學生將能夠進一步理解慣性力的性質和作用，以及它與牛頓運動定律的關系。這種實踐性的學習方式將加深學生對慣性力的認識，并培養他們的實驗設計和數據分析能力。

（五）? 介紹慣性力的定義和計算方法

慣性力是一種在非慣性系中引入的假想力，用來使牛頓運動定律在非慣性系中仍然成立[11]。教師可以用數學語言來給出慣性力的定義和計算方法。慣性力是指在非慣性系中，由于參考系相對于慣性系的加速度而產生的一種表觀力。它與物體在非慣性系中相對于參考系靜止或勻速運動時所受到的真實力相反，并且與物體質量成正比。其計算公式為

F=-ma，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：F為慣性力;m為物體質量;a為參考系相對于慣性系的加速度。

在流體力學中，慣性力是用來表征流體質元動量變化的一種力，它與黏性力共同決定了流體的黏度。慣性力還包括離心力和科里奧利力，它們分別是由于參考系的勻速旋轉和相對運動而產生的。

離心力的計算公式是

F=mrω2，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：m為物體質量;r為物體到旋轉軸的距離;ω為旋轉角速度。

科里奧利力的計算公式是

F=2mωv ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：m為物體質量;ω為旋轉角速度;v為物體相對于旋轉參考系的速度。

教師可以用一些具體的例子來說明這個公式的應用，如在勻速圓周運動的參考系中，物體會受到向圓心的慣性力，即離心力。在勻速旋轉的參考系中，物體會受到垂直于旋轉平面的慣性力，即科里奧利力等[12]。

（六）? 分析和解決問題

教師可以回到最初提出的問題，讓學生運用慣性力的概念和計算方法來分析和解決這些問題。例如，在地球上，我們感覺不到地球的自轉和公轉，是因為地球相對于慣性系的加速度很小，因此產生的慣性力也很小，可以忽略不計[13];在火車上，我們可以站立和行走而不會摔倒，是因為火車相對于地面是一個近似的慣性系，只有在火車加速或減速時，我們才會感覺到慣性力;在旋轉的陀螺上，我們可以看到陀螺的軸做圓錐運動，是因為陀螺相對于地面是一個非慣性系，陀螺的軸受到了科里奧利力的作用，使得它做了一個進動運動等。教師可以鼓勵學生提出其他類似的問題，并引導他們運用慣性力的概念進行分析和解決。通過解決這些問題，學生將深入理解慣性力的物理原理，并能夠靈活運用慣性力的概念和計算方法。

此外，教師還可以引導學生進行設計或創造，應用慣性力的知識來解決一些實際或虛構的問題。例如，讓學生設計一款利用慣性力的玩具、游戲或裝置等。學生可以展示自己的作品，并解釋自己的思路和方法。通過這樣的實踐性學習，學生將能夠將慣性力的知識應用到實際情境中，并培養他們的創造力和解決問題的能力。通過分析和解決問題的活動，學生將更加深入地理解慣性力的作用和應用，同時提高他們的邏輯思維和創造性思考能力。

（七）? 總結和反思

教師可以總結一下本課的主要內容和要點，并讓學生復述慣性力的概念和特點，以及慣性力的計算方法和應用場景，鞏固所學知識。教師可以提出一些檢測性或拓展性的問題，如：在非慣性系中，牛頓第三定律是否仍然成立？或者，在非慣性系中，能量守恒定律是否仍然成立？或者，在非慣性系中，有沒有不受慣性力影響的物體？等等。教師可以鼓勵學生積極思考和回答這些問題，并給予適當的指導和評價?？偨Y和反思階段是對學生所學內容的鞏固和思考的機會，通過積極參與和思考，學生將對慣性力的概念和特點有更深入的理解，并培養他們的批判性思維和問題解決能力。這樣的學習過程將使學生對慣性力有更全面和深入的認識，同時也提高了他們的學習能力和自主學習的能力。

（八）? 課后作業

第一，閱讀愛因斯坦的論文《關于兩種世界體系的對話》，了解科學史和科學發展的背景，通過論文中的船艙實驗，了解相對論中的慣性力和引力之間的等效性。

第二，慣性力是什么？它與物體的運動狀態有什么關系？慣性力的方向和大小如何確定？有哪些因素影響慣性力？慣性力在哪些場合會出現？它對物體的運動和受力有什么影響？

三? 教學與評價

該教學設計緊扣課程標準和教材內容，突出了慣性力的物理本質和計算方法，讓學生深入理解慣性力的概念和特點。很好地結合了實際情境和學生的興趣，通過引入神舟十六號載人飛船的發射和航天員的體驗，將抽象的物理概念與實際事件聯系起來，幫助學生更好地理解和應用慣性力的概念，激發了學生對于慣性力的思考和學習興趣， 增強了學生的物理素養和社會責任感。教師采用了多種教學方法，從課前問題的提出，到結合情境導入新課，再到回顧基礎知識，探究與發現，介紹慣性力的定義和計算方法，分析和解決問題，最后總結和反思，全過程貫穿了以學生為主體，以問題為導向，以實驗為手段，以探究為目的的教學理念，使學生在實踐中探索和理解慣性力的概念和應用。同時，通過提出問題、討論和辯論，鼓勵學生積極思考和參與，培養了學生的創新能力和批判性思維。

改進建議：教學設計可能過于密集和復雜，需要適當簡化部分內容或步驟;提供多樣化的教學資源，如圖片、動畫、實物模型等，以幫助學生更好地理解和形象化慣性力的概念;在探究和討論環節中，引導學生深入思考，提出具有挑戰;可以增加慣性力在物理思想發展史上的重要意義和價值，如它是如何促進相對論和量子力學等現代物理理論的產生和發展的等。

四? 教學反思

本文設計了一套慣性力教學活動，通過提出問題、情境導入、回顧基礎知識、探究實驗、介紹定義和計算方法，以及分析解決問題等環節，旨在培養學生對慣性力的科學認識和批判性思維，激發學生的探究興趣和創新能力。通過實施本文設計的教學活動，發現了以下幾點收獲和不足。

第一，收獲。本文設計的教學活動能夠有效地吸引學生的注意力，激發學生的好奇心和求知欲，讓學生主動地參與到實驗、討論、交流等環節中，培養了學生對物理現象的科學認識和批判性思維。同時，本文設計的教學活動也能夠有效地提高學生對慣性力知識的掌握程度，應用能力、創新能力，讓學生能夠靈活地運用慣性力解釋一些物理現象。

第二，不足。首先，教學活動時間較緊張，沒有給學生足夠的時間進行深入的探究和思考，可能會影響學生對慣性力知識的深刻理解和鞏固。其次，教學活動沒有充分考慮到學生的個體差異和興趣愛好，沒有根據學生的實際情況進行適當的調整和優化，可能會導致部分學生在教學過程中感到困難或無聊。

五? 結束語

本文介紹了以慣性力教學設計為例的一種教學方法，旨在培養學生對慣性力的科學認識和批判性思維。通過提出問題、結合情境導入新課、回顧基礎知識、探究實驗和分析問題等步驟，引導學生深入理解慣性力的概念、計算方法，以及與非慣性系的關系。通過這樣的教學設計，學生能夠在思考問題和解決問題的過程中，培養科學思維和批判性思維能力。他們不僅能夠了解慣性力的物理本質，還能應用慣性力的概念和計算方法解釋各種現象。通過以航天工程為背景的案例引入，激發學生對航天工程的興趣，同時將抽象的概念與實際應用相結合，提高學生的物理素養。通過實驗和討論，學生有機會發現和探究慣性力的規律，并提出自己的疑問和假設，培養創新能力和科學探究的興趣。通過設計問題、實驗、解決問題的環節，學生將更好地理解慣性力的定義和計算方法，并能夠運用所學知識解決實際問題。

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基金項目：湖南理工學院教改項目“面向新工科建設的《集成電路工藝原理》課程產學研協同育人模式研究與實踐”（2023B018）

第一作者簡介：劉三姐（1991-），女，漢族，湖南邵陽人，博士，講師。研究方向為半導體物理。

*通信作者：王志峰（1990-），男，漢族，湖南邵陽人，碩士，講師。研究方向為結構防災。