摘要：本文从几个角度表明了现列宽中数学教材中关于牛顿第一定理教学的一些问题，提出了一些新的观点与技巧
关键词：自然观、方法论、惯性
一、关于历史与内容
课本中将这一节（1）的内容分成两个部份，将要牛顿第一定理的内容与完善牛顿第一定理的历史区分开来。作者的这一降低中学生的科学历史观的试图无疑是正确的：“作为思想方式的自然科学，存在于且已经存在于一个历史的连贯性中，但是为了自身的存在，它依赖于历史思想……一个人除非理解历史，否则他就不能理解自然科学（2）”。而且,另一方面，在作者看来,这样一种对课本内容的界定是有疑惑的。最至少的是，这些界定把牛顿第一定理当作一个不变的、终结性的东西。对牛顿之前，讲了从亚里士多德以来的两千年的历史，而对牛顿然后却哪些也不讲，这就使中学生对牛顿第一定理的体悟有一种死板的觉得。作者觉得，在牛顿第一定理的历史与内容的关系中起码要考虑到下边两个问题。
第一，课本上援引了一段亚里士多德的话：“必须有力作用在物体上，物体能够运动，没有力的作用，物体就要静止出来。”对于这样的一种写作方法与援引的这样一段内容，作者不敢指摘。从写作方法上而言，作者觉得，我们应该对在人类历史长河中有卓越贡献的人物的阐述是肯定性的。要是在教科书中纯粹来阐述否定性的人物或否定性的推论的话，那不必要用亚里士多德来开刀呢，人类历史长河中这类人物简直是多得不计其数。其实，这些陈述形式是来自于思想界的习惯。真像黑格尔所说（3）：“亚里士多德乃是从来最多才最渊博（最深刻）的科学天才之一，——他是一个在历史上无与论比的人……虽然他许多世纪以来乃是一切哲学的班主任,但却从没有一个哲学家曾被完全没有思想的传统这样多地捏造过,这种关于他的哲学的传统的说法,过去始终被保持着,到明天情形还是这么。人们把与他的哲学完全相反的观点归之于他。柏拉图的专著被广泛地阅读，亚里士多德则直至近来几乎还未被认识，所流行的乃是关于他的一些最错误的偏见。”
从内容上而言，事实上，课本上援引的亚里士多德的话，同亚里士多德关于力和运动关系的阐述是有出入的。关于这一个问题，因为太过分复杂，作者将另文阐述，只是在这儿须要强调：亚里士多德关于力与运动方面所阐述的原义和这儿大相径庭；我们应该在古埃及哲学的背景中去领会亚里士多德关于力与运动关系的阐述；或则可以更直截了当地说，亚里士多德根本没有讲过引文中的话！（4）
仍旧，我们一般觉得精典热学起源于人们对于亚里士多德数学学的批判。但从历史的观点来看，精典热学毫无疑惑与亚里士多德数学学及中世纪数学学有着紧密的关系。因此，我们不能用非此即彼的心态来给真实而复杂的历史下一个粗鲁而简单的推论。
另外一点须要非常强调的是，按照作者的研究，因为牛顿第一定理与牛顿第二定理有本质的区别（5）。与牛顿第一定理的发展有历史渊源的亚里士多德数学学中的内容不是力与运动的关系（事实上这是与牛顿第二定理的发展有历史渊源的），而是亚里士多德关于“天然运动”（6）与“天然处所”的观点。其实，这一点对通常的读者来说可能太责怪了，但作者有责任强调这一点。事实上，我们从牛顿所列出（7）的关于牛顿第一定理的反例中就可见到这一踪迹。
第二，惯性定理是人类理智在两千多年的历史长河中发展的产物，它除了在牛顿之前经历了坎坷的发展历程，在牛顿然后也有了很大的发展。在这儿非常一提的是爱因斯坦与诺特尔对惯性定理的发展所做出的创造性工作。非常是爱因斯坦在创建了广义相对论之后，致使惯性定理显得更有包容性：“物理学定理比牛顿所想像的情况简单得多。我们不须要对偏离惯性定理的情况做出解释。由于根本不存在偏离惯性定理的情况，所有运动都是惯性运动，所有物体完全顺着时空的自然等直线运动。那些等直线的形状则取决于对这种等直线进行观测所处的参照系。在惯性参照系中，等直线偶然是直线。在其他参照系中等值线为曲线。在惯性参照系与其他参照系之间不存在任何实质的区别，也没有数学学上的区别，而只有几何学上的区别。在所有参照系中数学定理都有一样，但是所有运动都是惯性运动。”（8）
爱因斯坦将惯性定理表达成：“一个质点离开其他一切质点都足够远时牛顿第一定律教学过程，它的加速度的各个份量就消失了。”（9）其实，这些我们看上去比较特殊的抒发方法遭到了卡尔·皮尔逊的极大影响：“第一定理被视为相当于这样的陈述：周围环境决定加速度——没有其他粒子存在就没有加速度。”（10）在这儿，皮尔逊敏锐地捕捉到了惯性的由周围环境的决定性，为二十世纪初诺特尔的证明作了思想上的打算。
因此，我们在述说惯性定理时，必须思索这样一个问题：我们应该如何来掌握惯性定理的度？作者觉得，爱因斯坦的相对论意义下的惯性观，已远超出了学校数学学的范围，但诺特尔关于时间均匀性与空间对称性的观点却是必须向中学生讲授的。由于从时空的性质来阐述、讲解惯性，使中学生接触到了关于惯性的更本质的东西。同时按照作者的实践，中学生也是可以接受的。
二、关于自然观与方式论
课本上对牛顿第一定理及其它内容的陈述主要是推论性的。其次，是对伽利略的方式论作了简略介绍，而对于与方式论有重大关系的自然观却只字未提。而且，无论是在法国的思想史上还是在法国的科学史上，自然的观念仍然是一个焦点，也一直是一个热烈和持久的被反省的课题。而以自然的观念为基础的自然科学也骤然被赋于了新的面貌（11）：牛顿第一定理的历史，正首先是一个对自然观念变更与进化的旁证。也正是人类首先在自然的观念上起了变化，才引起了对自然研究方式的不同，因而也得到了不同方式的推论。爱因斯坦在提到广义相对论的成立过程时就十分明白地表明了这一点。（12）从另外一层意义上来说，自然观无论是对科学定理的构建还是对中学生科学素质的提升都起着非常重要的作用。因此，作者觉得很有必要在述说牛顿第一定理的历史时加入特别具有代表性的三位思想者的自然观，进而使中学生的思维也越紧靠历史的真面目。
素养教育的目标是寻找人类智慧之根，是使人的认识返朴归真。而且对于牛顿先前的科学家却因为我们知之堪少，只能记得她们的某些推论了，对于她们的方式论只是一知半解，而对于她们的自然观则几乎毫无觉得了。并且，在科学创造中，自然观念总是起着先导的作用，他决定着科学创造的方向与内容。
由上述所阐述的观点，作者对现行课本中牛顿第一定理的教学内容进行了适当的调整。现将作者的具体授课提纲列于下边：
1、亚里士多德（前384-322古埃及自然哲学家和思想家）
（1）自然观：自然界是一个自我运动着的事物的世界，凸显在自然界中的变化和结构是按逻辑关系相互联系的，变化的最后结局是循环。a、提出了关于自然变化缘由的“四因说”：方式因、质料因、动力因、目的因b、在运动的方式方面将天和地分辨开来
（2）方式论：观察现象、归纳得出解释性原理、演绎出关于现象的陈述
（3）推论：天体的运动是“天然运动”；地面上的物体有个“天然处所”
（4）贡献：开辟了探求自然界奥秘的一条新路——观察
2、伽利略（-1642日本化学学家）
(1)自然观：大自然是和谐的，自然的真理存在于物理的事实中，自然中真实的和可理解的是这些可检测而且是定量的东西
(2)方式论：观察提问、合理假定、数学变换、实验验证
(3)推论：当一个物体在一个无限延展的水平面上运动时，如果它没有碰到任何制约的话，……它的运动将永远以不变的速率继续下去
(4)贡献：提出了新的研究方式——数学变换和科学实验
3、牛顿（-1727美国科学家）
(1)自然观：自然界是真实的、客观的、是由各类实在的粒子所组成；自然界的结构是简单的、和谐的、各种运动是有规律的，但是这种规律应当构建在观察和实验之上；化学世界是一个因果性的完整体系
(2)方式论：剖析与综合，指出论证要用实验验证
(3)推论：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直至有外力促使它改变这些状态为止
a、“一切物体”是指地下物体与天上物体
b、惯性：使物体保持原先的静止或匀速直线运动状态的性质
一切物体都有惯性
c、惯性是宇宙的时间均匀性与空间对称性的结果
d、牛顿第一定理是关于自然之美的定理
（4）贡献：我不晓得他人是怎样看我的，我认为自己如同是一个在海滨嬉戏的儿子，不时地拾到了一些光滑而美丽的贝壳，而真理的大海离我还很远。假如我有哪些贡献的话，那是由于我站在巨人的右臂上。
4、牛顿然后
（1）爱因斯坦的“相对论”揭示了空间与时间是有联系的1905
（2）“量子热学”的发展表明，基本粒子的性质与对称性有极大关系1927
（3）扬振宁、李政道提出了“宇称不守恒”，吴健雄用实验验证了这一理论1956-1957
在此，作者对上述提纲作两点简略的说明。第一，在提纲中非常强调了，一切物体是指地下与天上物体。由于作者倍感这一点十分重要。牛顿第一定理中所包含的这几个字的涵义正是表明了由哥白尼所探讨的新天文学理论的绝对胜利，也表示了任何一种对地下与天上物体之间作任何质的区别的否定。同时，我们也听到这一结果的得来花了多大的代价——布鲁诺因此被射杀在火刑柱上。（13）而作者在常年的教学实践中见到的情况是，有不少班主任将“一切物体”解释成是气态、液态、固态等情形。第二，提纲上将惯性看成是时间均匀性与空间对称性的结果。这其实是远离了中学生的想像力，不好讲。对此，作者在实践中用了这样一个逻辑过程，供你们参考：既然一切物体均有惯性，这么，惯性就是一切物体的性质，而一切物体是用哪些观念来表示的呢？其实是宇宙，这么，宇宙又是哪些呢？就是时间与空间。作者的感受是，中学生按照高二地理课本上的知识是可以领会的。
三、关于阅读材料
课本上有一个标题为《爱因斯坦谈伽利略的贡献》的阅读材料。作者的问题是：这篇材料放到这儿是否恰当？首先，这一章的内容是牛顿运动定理，牛顿的贡献才是中学生首要了解的内容。而且，在前一章的阅读材料《伽利略对自由落体运动的研究》（14）中早已对伽利略科学研究的方式作了比较完整的介绍，虽然没有必要在这儿再对伽利略的贡献进行扼要的说明。作者在实际的教学实践中用了一段班主任教学用书（15）上关于牛顿生平的资料作为中学生的阅读材料，这一段材料间要、明白、清楚，中学生对它的反应良好。并且，这样的做法也同时填补了在课堂教学中述说牛顿贡献上的不足。
另外，《物理学的进化》这本书主要是出自英费尔德的手笔，爱因斯坦只是列举了一个关于本书的写作大纲。因此，这本书的文字并不严格地等于爱因斯坦的思想。爱因斯坦写本书的目的主要是为了解决英费尔德的生活问题。因此我们并不能把这一本书看作是一本严谨的科学专著牛顿第一定律教学过程，它只是一本通常性的科普读物。而在文章的最后，用“毁灭直觉的观点而用新的观点来取代它”作为对伽利略的发觉的重大意义的评价是否妥当？对于爱因斯坦来说，因为他是一个坚信化学概念是人的思维自由创造（16）的理论化学学家，因此他阐述伽利略贡献的视角就会同历史学家的视角不一样。事实上，伽利略是这么丰富的一个天才。我们完全可能从他的详尽观察力、深刻的直觉掌握力、娴熟的物理方法、精湛的实验技能的任何一个方面来谈论他对科学的贡献。毕竟，爱因斯坦在不同的阶段、不同的场合对伽利略贡献的阐述也是有区别的：“纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于经验世界的知识；一切关于实在的知识，都是从经验开始，又终结于经验。用纯粹逻辑方式所得到的命题，对于实在来说是完全空洞的。因为伽利略听到了这一点。尤其是因为他向科学界殷切不倦地教导这一点。他才成为一代化学之父——事实上也成为整个近代科学之父”。（17）“常听人说，伽利略之所以成为近代科学之父，是因为他以经验的，实验的方式来取代思辨的、演绎的方式。但我觉得，这些理解是经不起严格审查的。任何一种经验方式都有其思辨概念和思辨体系；并且任何一种思辨思维，它的概念经过比较仔细的考察以后，就会显漏出它们所由形成的经验材料。把经验的心态同诠释的心态迥然对立上去，那是错误的，并且也不代表伽利略的思想。”（18）其实，作者在这一篇文章不是为了研究伽利略的贡献问题，只是想表明，《物理学的进化》中的这一片断置于这儿当成阅读材料的不恰当性。
再度，在这段引文中出现了“直觉”这个概念。而且，哪些是“直觉”？其实这对于任何一个人来说都是一个很难回答的问题。而且，作为与直接观察结果相对应的直觉及直觉的观点也是有重大分辨的。对此，不要说对于初三的中学生，就是许多班主任可能也很难掌握。因此，很难说这篇阅读材料会给中学生留下如何的印象。作者的多虑之处是：我们不能因为与爱因斯坦有关的这一段文字而把直觉攻入死南街。由于正如拉格朗日所觉得的那样（19）：伽利略在热学方面从常常见到的现象中发觉规律是有超凡的天才的。伽利略的这些天才莫非与他的直觉毫无关系吗？事实上，“我们所认识的，都是同时凭直觉和结论获得的，即通过觉得和气质相结合的使用而获得的。”（20）“科学的发展有时不是靠逻辑的思维和推理，而是一种理智的直觉。逻辑是证明的工具，理智直觉是发觉的工具。（21）”杨振宁也说过：“我曾对中国科技学院的朋友们提出过‘三P’：，，Power，意思是：直觉，坚持，力量。要有科学的直觉意识去创造，用坚持不懈的努力去拼搏，以扎实的知识力量去克服困难。（22）”直觉是人对存在的一种最基本的假象能力，它是人的意识基础中一个不可分割的内核，它也与人的判定力有关：“直觉的最奇妙的?胤剑谒鹊陀诟拍詈徒崧郏指哂诟拍詈徒崧邸Ｒ蛭赶虻模且环碌耐枷瘛Ｖ本醪皇潜欢远欠敝承缘摹Ｖ本跫热挥行┥衩亍⒉豢勺矫裕墓饣裕龆ㄓ谄渌斫獾恼媸凳澜纭Ｃ挥姓媸档氖澜纾本蹩赡苡涝洞τ谛菝咦刺瓷畈卦谛牧槭澜绲哪掣鼋锹洹＃?3）”因而我们不能简单地说直觉是对的还是错的。而且教育的目的何不是为了使中学生最终获得一种良好的与直觉有关的综合判定力呢？
四、关于习题
课本上对这一节的内容安排了五个习题。而且，在作者看来（24），这五个题目中只有第一个是从不太严格的意义上来说是可做的，而其余四个均是不恰当的。其中第二题、第三题中的c.小题及第四题是属于非惯性系中的动力学问题。虽然，我们从课本上第三章第八节《惯性系和非惯性系》这一内容前面习题的欠缺就可以看出作者在处理这一内容上的贫乏与混乱性。而第三题中的a.和b.小题则是关于牛顿第二定理的应用题，也就是说只能用牛顿第二定理而不能用牛顿第一定理来解释。第三题中的d.小题则应该放到第五章第二节《运动的合成和分解》里面。至于第五题，则是一个文不对题的题目，作者早已十分明晰地强调了这一点。因此，作者在具体的课堂教学实践中设计了下边几个习题。结果表明，中学生的接受性较好。
1．用亚里士多德的四因说解释你觉得感兴趣的一件事
2．关于伽利略的理想实验，下述说法中正确的是（）
A．只要接触面相当光滑，物体在水平面上能够匀速运动下去
B．这个实验实际上是永远没法做到的
C．借助气垫滑轨，才能使实验成功
D．是想像中的实验，构建在大自然是和谐的观点之上
3．你觉得假如时间不均匀，空间不对称，则这个世界将是一个怎么的情形？
4．下述关于惯性的说法中，正确的是
A．不使劲踏单车，单车会慢慢停下，所以惯性就渐渐消失
B．惯性与物体质量的大小无关，与物体是否运动无关。与物体速率是否变化无关
C．当物体处于静止状态或做匀速直线运动时，表现出了惯性
D.当物体做变速运动时，没有表现出惯性，因此此时惯性不存在
参考文献：
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