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亞太科學教育論壇， 第六期，第一冊，文章四(二零零五年六月) 陳萬德、郭炳偉 挑戰學生對慣性現象的物理概念 |
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亞太科學教育論壇， 第六期，第一冊，文章四(二零零五年六月) 陳萬德、郭炳偉 挑戰學生對慣性現象的物理概念 |
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實驗設計與教學方法
以下會介紹三個實驗去幫助學生學習牛頓第一運動定律，除實驗設計外，教學過程中主要採用Trowbridge & Bybee (1996, p.150-154) 的『概念改變』作為教學策略，幫助學生建立正確的科學概念。其中較多採用「預測 – 觀察 – 解釋」(POE)的教學法。方法是請學生在觀察現象前預測實驗結果，然後才進行實驗，最後教師要求學生對實驗前的預測與觀察所得之實驗結果比較，對一致(或差異)之處作解釋。
牛頓第一運動定律是形容物體在沒有外力影響下的兩個情況﹕(一) 物體靜止 及 (二) 物體以不變的速度在一直線上移動。實驗(1) 是教授牛頓第一運動定律時所描述物體靜止的情況；實驗(2)及實驗(3)是幫助學生了解物體在沒有外力的影響下，會以不變的速度作直線運動。
第一個實驗讓學生認識當靜止的物體沒有受到外力的影響時，它會保持靜止的狀態。圖(一)顯示一項學生活動，是要挑戰學生能否擊打薄膠片令其飛脫，但彈珠卻可保持靜止不動地留在管子上。為使實驗更有趣和有挑戰性，建議用較大的彈珠及較幼的管子來增加難度。教師要求全部學生仔細觀察和解釋實驗成功或失敗的原因。這實驗曾經在不同的中二班進行，384位學生中絕大多數能指出擊出的棍子角度要與薄膠片成直角，才可令薄膠片以水平方向飛走，減少撞擊力的垂直分量，從而減低對彈珠的影響 (Kwok, Chan & Mung, 1999 ) 。教師再引導學生思考減低對彈珠的影響之含意，即為減少外力作用於彈珠上，令學生建立『當 靜止物體沒有受到外力影響時，會保持靜止狀態 』的概念。
第二個實驗顯示的現象是：當沒有外力加諸一件移動中的物體時，物體會保持直線運動。裝置如圖(二)所示。實驗開始前，教師請學生預測彈珠離開鋁質軌道後的路線。Kwok, Chan & Mung, 1999指出：課堂經驗告訴我們，不少於三分一的學生認為彈珠會沿著圖(二)路線C而行。這結果顯示很多學生對「慣性」這術語存有錯誤的概念，而這實驗正好能清楚示範彈珠會沿路線B走。這實驗結果有效激發學生去反思他們實驗前的預測，重新建立正確的概念：彈珠在未脫離鋁質軌道前因受到軌道的約束而倚著弧形軌道行走，脫離鋁質軌道後，在缺少外力的情況下便會依著路線B作直線運動。
老師在發射彈珠前向學生提問以下的問題以測試他們對「慣性」的想法： 當彈珠發射後，沿著鋁軌走到軌道末端時，它跟著會向哪一個方向走呢？ 在第三個實驗中，採用了如圖(三)所示的三條表面粗糙程度不一的軌道：第一條軌道是將砂紙鋪於鋁質軌道，以增加其摩擦力；第二條是普通鋁質軌道；第三條是在光滑的鋁質軌道表面放上細小的塑膠珠，用以模擬一個接近無摩擦力的表面。
圖(四)顯示這裝置的實物照片。三個大小及重量相若的相同物質的物體由一彈簧發射，透過比較三個物體在不同摩擦力的表面上能前進的距離，幫助學生去預測和推論『當沒有摩擦力時，移動中的物體在一個無限長的軌道是不會停下來的』。教師再協助學生建立『這過程即表示物體的速度沒有慢下來』的概念，繼而推論在沒有外力的影響下，移動中的物體會以不變的速度作直線運動。
Copyright (C) 2005 HKIEd APFSLT. Volume 6, Issue 1, Article 4 (June, 2005). All Rights Reserved.
