牛顿第一定律的教材编制摭论，本文主要内容关键词为：定律论文,教材论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
牛顿第一定律是学生学习力学的重要基础，关于该定律的教学讨论很多，不少大学教授、中学教师都进行了持续的研究，也撰写了诸多文章，但是仍然有些问题含糊不清，需要不断探索。分析现行高中教材编制存在的疏漏，帮助大家厘清认识，有助于促进教师灵活地开展教学，减少学生的困惑。
一、教材缺少对亚里士多德的客观评价
现行的五个版本的高中物理教材中，伽利略两次在落体运动以及力与运动关系上进行了跨越时空的对话，两次都是伽利略胜利。而我们教材中没有一个版本客观、全面地介绍亚里士多德的贡献，仅仅沪科版以旁注的形式加入了伽利略对亚里士多德的评价：“老实说我赞成亚里士多德的著作，并精心进行研究，我只是责备那些把自己沦为亚里士多德奴隶的人。”[1]这不足以让学生引起重视，更不足以产生客观公平的评价。如果在上课过程中，教师过于功利的话，往往会对科学史的处理一笔带过，而把经历花费在通过多做练习让学生理解牛顿第一定律上。这非常容易给学生一个错觉，好像亚里士多德这个人阻碍了社会的进步，以致学生心中很难对亚里士多德有科学、公正的评价。其实，在粤教版的“资料活页”、人教版的“科学漫步”等栏目，可以补充对亚里士多德的介绍，引导师生正确看待亚里士多德的贡献与历史局限性。
在教学处理中，教师则需要把握以下几点：（1）亚里士多德对人类的贡献是巨大的，他传世的著作有47部，他是许多学科（哲学、生物学、教育学等）的奠基人。（2）科学研究中，提出问题是前提和基础，虽然他的不少观点是错误的，但是他提出问题就是巨大的贡献。（3）亚里士多德之所以提出错误的观点，是因为与他所处时代的科学水平有关的，在2000多年以前，科学还在萌芽阶段，任何人的观点都与所处时代的科技水平有关。
二、教材及教学中理想实验的处理不到位
关于理想实验，研究教材的处理，要么整体上过于平淡——没有突出其思维过程，要么结论表示不准确——放大其结论，这也导致了很多教学的偏差。牛顿第一定律的建立体现了很多的物理思想方法，这些在教学中必须凸显出来，本节的教学应该把牛顿第一定律的建立过程及理解当成教学的重点、难点。而在建立牛顿第一定律的过程中，伽利略的理想实验是亚里士多德提出力是维持物体运动状态的原因后两千多年以后人类首次质疑，是人类认识力与运动的转折点，所以理想实验的处理应该是本节课的重点内容之一，但是现实却不乐观。
1.对理想实验的处理整体上过于平淡，没有突出其思维过程
第一，该实验体现的物理思想和“实验+思维”的科学研究方法非常重要，有必要让学生理解理想实验的萌芽（摆钟）、实验、推理的过程。第二，理想实验在牛顿第一定律建立过程中有十分重要的作用。然而，教材的处理实在过于平淡，各个版本的教材都只是介绍了理想实验的4个步骤和外推结论，并没有把伽利略的理想实验从萌芽到推理过程很好地给学生展现出来。实际上伽利略的理想实验是受到教堂摆钟的启发，一步步往后演变才得到的。其实，伽利略与教堂摆钟结下不解之缘，他在关于摆的周期的研究又一次与亚里士多德展开了跨越时空的对话，也是受到教堂摆钟的启发。展现这一萌芽过程可以让学生体悟到，人的思想、观点与所处时代的环境以及个人的阅历有关。
一般教师的教学处理也很平淡。他们往往认为这部分内容最终呈现出来的知识比较简单，思维难度不大，无形忽视了牛顿第一定律建立的艰辛过程中所体现出来的前辈们的美妙的思维，更忽视了这些物理思维的教育价值。
教学建议：按照图1所示单摆，小球从A点释放几乎能到与B等高的B点。推理：在没有空气阻力的情况下，可以到达B点。在过渡到图2（见下页），图2中小球从A点释放，到了O点的右侧半径依次变大，小球几乎到达与M点等高的A、B、C、D、E。推理：如果没有空气阻力的话小球能到达与M点等高的A、B、C、D、E；如果不是单摆而是光滑的圆弧轨道，如图3所示，小球从M点释放则小球能一次到达与M等高的A、B、C、D、E。随着运动轨迹半径的增大，小球由于要试图回到与释放位置等高的地方，所以要经过更长的路程，花费更多的时间，而速度的减小也越来越慢。如果把圆弧轨道换成斜面，由图3过渡到图4。小球从M点释放能滚到第二个斜面上（事实），推理：如果斜面光滑小球将会滚到与M点等高的位置，第二个斜面的倾角变小后小球为了回到等高的B、C、D、E点而经过更长的路程花费更长的时间，如果第二个斜面水平小球为了回到等高的位置，要经过无限长的路程与时间，而一直运动下去。[2][3]
2.理想实验的结论表示不准确，放大其结论
另外，有些教材把一些不是由伽利略理想实验得到的结论，甚至是后人的认知，放在理想实验的结论里面，放大了理想实验的结论。例如，人教版说：“结论显然是，球将永远滚动下去。这就是说力不是维持物体运动的原因。也就是说力不是维持物体速度的原因，而恰恰是改变物体运动，即改变物体的速度的原因。因此，一旦物体具有速度，如果它不受力，就将以这一速度匀速直线地运动下去。”[4]在这样的表述中，“（力是）改变物体的速度的原因”，“就将以这一速度匀速直线地运动下去”，这两句话放在理想实验后面是很不恰当的，这两个结论是在牛顿第一定律提出来后才有的。通过理想实验只是得到，没有受力的物体将一直运动下去，而它的直线运动是沿与地心等距的曲线，其实就是今天的圆周运动。这一点，我们一些教师在教学中也没有区分开来，直接就说沿轨道做匀速直线运动，这是不妥的。这不是伽利略的观点，也不是理想实验的结论，而是今人的视角。
三、教材对笛卡儿的贡献评价不够客观
同样，对于笛卡儿的贡献，教材的处理存在两种不客观的情况，一是忽略，二是放大。
1.忽略笛卡儿的贡献
在粤教版、沪科版对笛卡儿贡献只字未提，这是不公平的。笛卡儿在伽利略研究的基础上迈进了一大步。“他明确指出，除非物体受到外因的作用，物体将保持其静止或运动状态，并且还特别声明，惯性运动的物体将不会使自己趋向曲线运动，而是保持在直线上运动，他表述为两条定律：（一）每一个单质微粒都将继续保持同一状态，直到与其他微粒相撞改变这一状态为止；（二）所有运动其本身都是沿直线的。”[5]由此可以看出，笛卡儿在伽利略的基础上有三点创新：笛卡儿纠正伽利略物体贴着地球表面的直线运动；物体不受力时物体的状态也从伽利略的“一直运动下去”变为“保持静止或运动状态（都将继续保持同一状态）”，新增了“保持静止”这一状态；笛卡儿“认为惯性定律是解决力学问题的关键所在,是他最早把惯性定律作为原理加以确立，并视为整个自然观的基础，这对后来牛顿的综合工作意义深远。”[6]
而有些版本的教材为了让学生好理解，在表述笛卡儿的结论时，没有表述到位，漏掉了某些内容，把笛卡儿的贡献缩小。例如，鲁科版：“他提出：如果没有其他原因，运动的物体将继续以原来的速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。”[7]这与笛卡儿的表述“都将继续保持同一状态”有漏掉静止状态的嫌疑，而从今人的视角看是肯定漏掉物体保持静止的情况。再如，沪科版：“法国科学家笛卡儿最先领悟到了这种境界：一个不受外界任何影响的运动着的物体，将保持原来的运动；一个静止的不受外界影响的物体，将保持静止。”[8]这里漏掉了笛卡儿指出一个物体不受外界影响（力）时沿直线运动的贡献。
2.表述不准确，放大笛卡儿的贡献
相反，在教材的处理中也存在表述不准确，放大笛卡儿的贡献的情况，这搞得牛顿像一个抄袭别人劳动成果的人。例如，人教版说：“与伽利略同时代的科学家笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，明确指出：除非物体受到力的作用，物体将永远保持静止或运动状态，永远不会使自己沿直线运动，而只是保持在直线上运动。”[9]把这样的表述与牛顿第一定律的表述“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止”[10]相比较，只有两点不同，一是后者更简洁，二是前者中的“直线运动”更加具体为“匀速直线运动”。这样就放大了笛卡儿的作用。其实牛顿的总结不是开会时前面有人发言后面主持人归纳一下大意这种简单的总结，而是科学研究中非常重要的继承与创新。我们要看到牛顿是“站在巨人的肩膀上”，更要看到牛顿的创新。就牛顿对惯性定律的建立而言，他的创新之处至少有：第一，实现了由个别到一般的飞跃，这是一个质的飞跃，在笛卡儿的表述是“单个微粒……”；第二，明确指出一切物体不受力时将“都将保持匀速直线运动状态或静止状态”，笛卡儿的“都将继续保持同一状态”可能包含“静止”，但是不明确；第三，把直线运动明确为匀速直线运动。
四、教材对牛顿第一定律的阐述欠妥
牛顿三定律是经典力学的重要基础，牛顿第一定律是牛顿第二定律、牛顿第三定律的前提。在牛顿第一定律的学习中除了要让学生了解客观物理学史，让学生体会牛顿第一定律建立过程中的物理思想和物理方法，还要让学生深刻理解牛顿第一定律，为后续的学习打下基础。然而，教材中对牛顿第一定律的阐述有两个方面的不足。
1.推论不当：不受合外力是否等价于合力为零
牛顿第一定律指出物体在不受力时将保持匀速直线运动或者静止状态，这里的不受力能否理解为等效为“合力为零”，这一点在粤教版、沪科版、教科版上没有明确的表述，而人教版和鲁科版则认为是可以等效的。人教版指出，“许许多多的现象可以帮助我们理解牛顿第一定律。例如：冰球场上，冰球离开球杆后，能以几乎不变的速度继续前进，直到它再次受到球杆的打击或者碰到障碍物，才改变这种状态。”[11]这样举例，说明人教版的编写者认为合力为零与不受力等效。鲁科版表述更直接，“牛顿第一定律表明，当合外力为零时，原来静止的物体将继续保持静止状态，原来运动的物体则将继续以原来的速度做匀速直线运动。合外力为零包括两种情况：一种是物体受到的所有外力相互抵消，合外力为零；另一种是物体不受外力的作用。”[12]人教版的例子、鲁科版的理解不太恰当。正如人教版所述“牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的产物，不可能用实验验证”[13]，“因为不可能把自然界的任何物体完全孤立起来，也就是说不受力的物体是不存在的”[14]。首先，牛顿第一定律说明了物体不受力时的运动状态，也定性阐明了力与运动的关系，恰如粤教版所述“牛顿第一定律揭示了物体不受外力作用时的运动情况”[15]。物体受力合力为零（加速为零），物体静止或者匀速直线运动属于牛顿第二定律的内容，不应该归为牛顿第一定律。其次，如果把合外力为零和不受外力等效，容易给人牛顿第一定律是第二定律的特例的错误认识，实际上牛顿第一定律是牛顿第二定律的前提和基础，牛顿第二定律只是牛顿第一定律的补充。
2.对关键词的界定不深入
对于牛顿第一定律的理解，现在的教材及教师的教学处理都还停留在力是改变运动状态的原因。比如，沪科版说：“它揭示了力与运动的关系：力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动的原因。”[16]教科版说：“牛顿第一定律揭示了力是使物体的运动状态发生变化（产生加速度）的一种作用，是物体获得加速的原因。”[17]要知道，学生在初中学习力的作用效果（使物体发生形变；改变物体运动状态）时，已经知道力是改变物体运动状态的原因，学习完牛顿第一定律还停留在这一个层面是不够的。物体运动状态的改变是否一定是力所为？这个问题是本节课要学生搞清楚的。我们应该从定律中“一切”、“总保持”、“除非”等关键词分析得出：力是改变物体运动状态的唯一原因。教材的处理在此都有进一步深入的必要。