摘要：本文從幾個角度表明了現列寬中數學教材中關于牛頓第一定理教學的一些問題，提出了一些新的觀點與技巧
關鍵詞：自然觀、方法論、慣性
一、關于歷史與內容
課本中將這一節（1）的內容分成兩個部份，將要牛頓第一定理的內容與完善牛頓第一定理的歷史區分開來。作者的這一降低中學生的科學歷史觀的試圖無疑是正確的：“作為思想方式的自然科學，存在于且已經存在于一個歷史的連貫性中，但是為了自身的存在，它依賴于歷史思想……一個人除非理解歷史，否則他就不能理解自然科學（2）”。而且,另一方面，在作者看來,這樣一種對課本內容的界定是有疑惑的。最至少的是，這些界定把牛頓第一定理當作一個不變的、終結性的東西。對牛頓之前，講了從亞里士多德以來的兩千年的歷史，而對牛頓然后卻哪些也不講，這就使中學生對牛頓第一定理的體悟有一種死板的覺得。作者覺得，在牛頓第一定理的歷史與內容的關系中起碼要考慮到下邊兩個問題。
第一，課本上援引了一段亞里士多德的話：“必須有力作用在物體上，物體能夠運動，沒有力的作用，物體就要靜止出來。”對于這樣的一種寫作方法與援引的這樣一段內容，作者不敢指摘。從寫作方法上而言，作者覺得，我們應該對在人類歷史長河中有卓越貢獻的人物的闡述是肯定性的。要是在教科書中純粹來闡述否定性的人物或否定性的推論的話，那不必要用亞里士多德來開刀呢，人類歷史長河中這類人物簡直是多得不計其數。其實，這些陳述形式是來自于思想界的習慣。真像黑格爾所說（3）：“亞里士多德乃是從來最多才最淵博（最深刻）的科學天才之一，——他是一個在歷史上無與論比的人……雖然他許多世紀以來乃是一切哲學的班主任,但卻從沒有一個哲學家曾被完全沒有思想的傳統這樣多地捏造過,這種關于他的哲學的傳統的說法,過去始終被保持著,到明天情形還是這么。人們把與他的哲學完全相反的觀點歸之于他。柏拉圖的專著被廣泛地閱讀，亞里士多德則直至近來幾乎還未被認識，所流行的乃是關于他的一些最錯誤的偏見。”
從內容上而言，事實上，課本上援引的亞里士多德的話，同亞里士多德關于力和運動關系的闡述是有出入的。關于這一個問題，因為太過分復雜，作者將另文闡述，只是在這兒須要強調：亞里士多德關于力與運動方面所闡述的原義和這兒大相徑庭；我們應該在古埃及哲學的背景中去領會亞里士多德關于力與運動關系的闡述；或則可以更直截了當地說，亞里士多德根本沒有講過引文中的話！（4）
仍舊，我們一般覺得精典熱學起源于人們對于亞里士多德數學學的批判。但從歷史的觀點來看，精典熱學毫無疑惑與亞里士多德數學學及中世紀數學學有著緊密的關系。因此，我們不能用非此即彼的心態來給真實而復雜的歷史下一個粗魯而簡單的推論。
另外一點須要非常強調的是，按照作者的研究，因為牛頓第一定理與牛頓第二定理有本質的區別（5）。與牛頓第一定理的發展有歷史淵源的亞里士多德數學學中的內容不是力與運動的關系（事實上這是與牛頓第二定理的發展有歷史淵源的），而是亞里士多德關于“天然運動”（6）與“天然處所”的觀點。其實，這一點對通常的讀者來說可能太責怪了，但作者有責任強調這一點。事實上，我們從牛頓所列出（7）的關于牛頓第一定理的反例中就可見到這一蹤跡。
第二，慣性定理是人類理智在兩千多年的歷史長河中發展的產物，它除了在牛頓之前經歷了坎坷的發展歷程，在牛頓然后也有了很大的發展。在這兒非常一提的是愛因斯坦與諾特爾對慣性定理的發展所做出的創造性工作。非常是愛因斯坦在創建了廣義相對論之后，致使慣性定理顯得更有包容性：“物理學定理比牛頓所想像的情況簡單得多。我們不須要對偏離慣性定理的情況做出解釋。由于根本不存在偏離慣性定理的情況，所有運動都是慣性運動，所有物體完全順著時空的自然等直線運動。那些等直線的形狀則取決于對這種等直線進行觀測所處的參照系。在慣性參照系中，等直線偶然是直線。在其他參照系中等值線為曲線。在慣性參照系與其他參照系之間不存在任何實質的區別，也沒有數學學上的區別，而只有幾何學上的區別。在所有參照系中數學定理都有一樣，但是所有運動都是慣性運動。”（8）
愛因斯坦將慣性定理表達成：“一個質點離開其他一切質點都足夠遠時牛頓第一定律教學過程，它的加速度的各個份量就消失了。”（9）其實，這些我們看上去比較特殊的抒發方法遭到了卡爾·皮爾遜的極大影響：“第一定理被視為相當于這樣的陳述：周圍環境決定加速度——沒有其他粒子存在就沒有加速度。”（10）在這兒，皮爾遜敏銳地捕捉到了慣性的由周圍環境的決定性，為二十世紀初諾特爾的證明作了思想上的打算。
因此，我們在述說慣性定理時，必須思索這樣一個問題：我們應該如何來掌握慣性定理的度？作者覺得，愛因斯坦的相對論意義下的慣性觀，已遠超出了學校數學學的范圍，但諾特爾關于時間均勻性與空間對稱性的觀點卻是必須向中學生講授的。由于從時空的性質來闡述、講解慣性，使中學生接觸到了關于慣性的更本質的東西。同時按照作者的實踐，中學生也是可以接受的。
二、關于自然觀與方式論
課本上對牛頓第一定理及其它內容的陳述主要是推論性的。其次，是對伽利略的方式論作了簡略介紹，而對于與方式論有重大關系的自然觀卻只字未提。而且，無論是在法國的思想史上還是在法國的科學史上，自然的觀念仍然是一個焦點，也一直是一個熱烈和持久的被反省的課題。而以自然的觀念為基礎的自然科學也驟然被賦于了新的面貌（11）：牛頓第一定理的歷史，正首先是一個對自然觀念變更與進化的旁證。也正是人類首先在自然的觀念上起了變化，才引起了對自然研究方式的不同，因而也得到了不同方式的推論。愛因斯坦在提到廣義相對論的成立過程時就十分明白地表明了這一點。（12）從另外一層意義上來說，自然觀無論是對科學定理的構建還是對中學生科學素質的提升都起著非常重要的作用。因此，作者覺得很有必要在述說牛頓第一定理的歷史時加入特別具有代表性的三位思想者的自然觀，進而使中學生的思維也越緊靠歷史的真面目。
素養教育的目標是尋找人類智慧之根，是使人的認識返樸歸真。而且對于牛頓先前的科學家卻因為我們知之堪少，只能記得她們的某些推論了，對于她們的方式論只是一知半解，而對于她們的自然觀則幾乎毫無覺得了。并且，在科學創造中，自然觀念總是起著先導的作用，他決定著科學創造的方向與內容。
由上述所闡述的觀點，作者對現行課本中牛頓第一定理的教學內容進行了適當的調整。現將作者的具體授課提綱列于下邊：
1、亞里士多德（前384-322古埃及自然哲學家和思想家）
（1）自然觀：自然界是一個自我運動著的事物的世界，凸顯在自然界中的變化和結構是按邏輯關系相互聯系的，變化的最后結局是循環。a、提出了關于自然變化緣由的“四因說”：方式因、質料因、動力因、目的因b、在運動的方式方面將天和地分辨開來
（2）方式論：觀察現象、歸納得出解釋性原理、演繹出關于現象的陳述
（3）推論：天體的運動是“天然運動”；地面上的物體有個“天然處所”
（4）貢獻：開辟了探求自然界奧秘的一條新路——觀察
2、伽利略（-1642日本化學學家）
(1)自然觀：大自然是和諧的，自然的真理存在于物理的事實中，自然中真實的和可理解的是這些可檢測而且是定量的東西
(2)方式論：觀察提問、合理假定、數學變換、實驗驗證
(3)推論：當一個物體在一個無限延展的水平面上運動時，如果它沒有碰到任何制約的話，……它的運動將永遠以不變的速率繼續下去
(4)貢獻：提出了新的研究方式——數學變換和科學實驗
3、牛頓（-1727美國科學家）
(1)自然觀：自然界是真實的、客觀的、是由各類實在的粒子所組成；自然界的結構是簡單的、和諧的、各種運動是有規律的，但是這種規律應當構建在觀察和實驗之上；化學世界是一個因果性的完整體系
(2)方式論：剖析與綜合，指出論證要用實驗驗證
(3)推論：一切物體總保持靜止或勻速直線運動狀態，直至有外力促使它改變這些狀態為止
a、“一切物體”是指地下物體與天上物體
b、慣性：使物體保持原先的靜止或勻速直線運動狀態的性質
一切物體都有慣性
c、慣性是宇宙的時間均勻性與空間對稱性的結果
d、牛頓第一定理是關于自然之美的定理
（4）貢獻：我不曉得他人是怎樣看我的，我認為自己如同是一個在海濱嬉戲的兒子，不時地拾到了一些光滑而美麗的貝殼，而真理的大海離我還很遠。假如我有哪些貢獻的話，那是由于我站在巨人的右臂上。
4、牛頓然后
（1）愛因斯坦的“相對論”揭示了空間與時間是有聯系的1905
（2）“量子熱學”的發展表明，基本粒子的性質與對稱性有極大關系1927
（3）揚振寧、李政道提出了“宇稱不守恒”，吳健雄用實驗驗證了這一理論1956-1957
在此，作者對上述提綱作兩點簡略的說明。第一，在提綱中非常強調了，一切物體是指地下與天上物體。由于作者倍感這一點十分重要。牛頓第一定理中所包含的這幾個字的涵義正是表明了由哥白尼所探討的新天文學理論的絕對勝利，也表示了任何一種對地下與天上物體之間作任何質的區別的否定。同時，我們也聽到這一結果的得來花了多大的代價——布魯諾因此被射殺在火刑柱上。（13）而作者在常年的教學實踐中見到的情況是，有不少班主任將“一切物體”解釋成是氣態、液態、固態等情形。第二，提綱上將慣性看成是時間均勻性與空間對稱性的結果。這其實是遠離了中學生的想像力，不好講。對此，作者在實踐中用了這樣一個邏輯過程，供你們參考：既然一切物體均有慣性，這么，慣性就是一切物體的性質，而一切物體是用哪些觀念來表示的呢？其實是宇宙，這么，宇宙又是哪些呢？就是時間與空間。作者的感受是，中學生按照高二地理課本上的知識是可以領會的。
三、關于閱讀材料
課本上有一個標題為《愛因斯坦談伽利略的貢獻》的閱讀材料。作者的問題是：這篇材料放到這兒是否恰當？首先，這一章的內容是牛頓運動定理，牛頓的貢獻才是中學生首要了解的內容。而且，在前一章的閱讀材料《伽利略對自由落體運動的研究》（14）中早已對伽利略科學研究的方式作了比較完整的介紹，雖然沒有必要在這兒再對伽利略的貢獻進行扼要的說明。作者在實際的教學實踐中用了一段班主任教學用書（15）上關于牛頓生平的資料作為中學生的閱讀材料，這一段材料間要、明白、清楚，中學生對它的反應良好。并且，這樣的做法也同時填補了在課堂教學中述說牛頓貢獻上的不足。
另外，《物理學的進化》這本書主要是出自英費爾德的手筆，愛因斯坦只是列舉了一個關于本書的寫作大綱。因此，這本書的文字并不嚴格地等于愛因斯坦的思想。愛因斯坦寫本書的目的主要是為了解決英費爾德的生活問題。因此我們并不能把這一本書看作是一本嚴謹的科學專著牛頓第一定律教學過程，它只是一本通常性的科普讀物。而在文章的最后，用“毀滅直覺的觀點而用新的觀點來取代它”作為對伽利略的發覺的重大意義的評價是否妥當？對于愛因斯坦來說，因為他是一個堅信化學概念是人的思維自由創造（16）的理論化學學家，因此他闡述伽利略貢獻的視角就會同歷史學家的視角不一樣。事實上，伽利略是這么豐富的一個天才。我們完全可能從他的詳盡觀察力、深刻的直覺掌握力、嫻熟的物理方法、精湛的實驗技能的任何一個方面來談論他對科學的貢獻。畢竟，愛因斯坦在不同的階段、不同的場合對伽利略貢獻的闡述也是有區別的：“純粹的邏輯思維不能給我們任何關于經驗世界的知識；一切關于實在的知識，都是從經驗開始，又終結于經驗。用純粹邏輯方式所得到的命題，對于實在來說是完全空洞的。因為伽利略聽到了這一點。尤其是因為他向科學界殷切不倦地教導這一點。他才成為一代化學之父——事實上也成為整個近代科學之父”。（17）“常聽人說，伽利略之所以成為近代科學之父，是因為他以經驗的，實驗的方式來取代思辨的、演繹的方式。但我覺得，這些理解是經不起嚴格審查的。任何一種經驗方式都有其思辨概念和思辨體系；并且任何一種思辨思維，它的概念經過比較仔細的考察以后，就會顯漏出它們所由形成的經驗材料。把經驗的心態同詮釋的心態迥然對立上去，那是錯誤的，并且也不代表伽利略的思想。”（18）其實，作者在這一篇文章不是為了研究伽利略的貢獻問題，只是想表明，《物理學的進化》中的這一片斷置于這兒當成閱讀材料的不恰當性。
再度，在這段引文中出現了“直覺”這個概念。而且，哪些是“直覺”？其實這對于任何一個人來說都是一個很難回答的問題。而且，作為與直接觀察結果相對應的直覺及直覺的觀點也是有重大分辨的。對此，不要說對于初三的中學生，就是許多班主任可能也很難掌握。因此，很難說這篇閱讀材料會給中學生留下如何的印象。作者的多慮之處是：我們不能因為與愛因斯坦有關的這一段文字而把直覺攻入死南街。由于正如拉格朗日所覺得的那樣（19）：伽利略在熱學方面從常常見到的現象中發覺規律是有超凡的天才的。伽利略的這些天才莫非與他的直覺毫無關系嗎？事實上，“我們所認識的，都是同時憑直覺和結論獲得的，即通過覺得和氣質相結合的使用而獲得的。”（20）“科學的發展有時不是靠邏輯的思維和推理，而是一種理智的直覺。邏輯是證明的工具，理智直覺是發覺的工具。（21）”楊振寧也說過：“我曾對中國科技學院的朋友們提出過‘三P’：，，Power，意思是：直覺，堅持，力量。要有科學的直覺意識去創造，用堅持不懈的努力去拼搏，以扎實的知識力量去克服困難。（22）”直覺是人對存在的一種最基本的假象能力，它是人的意識基礎中一個不可分割的內核，它也與人的判定力有關：“直覺的最奇妙的?胤劍謁鵲陀詬拍詈徒崧郟指哂詬拍詈徒崧邸Ｒ蛭趕虻模且環碌耐枷瘛Ｖ本醪皇潛歡遠欠敝承緣摹Ｖ本跫熱揮行┥衩亍⒉豢勺矯裕墓饣裕齠ㄓ諂淥斫獾惱媸凳瀾紜Ｃ揮姓媸檔氖瀾紓本蹩贍苡澇洞τ諦菝咦刺瓷畈卦諦牧槭瀾緄哪掣黿鍬洹＃?3）”因而我們不能簡單地說直覺是對的還是錯的。而且教育的目的何不是為了使中學生最終獲得一種良好的與直覺有關的綜合判定力呢？
四、關于習題
課本上對這一節的內容安排了五個習題。而且，在作者看來（24），這五個題目中只有第一個是從不太嚴格的意義上來說是可做的，而其余四個均是不恰當的。其中第二題、第三題中的c.小題及第四題是屬于非慣性系中的動力學問題。雖然，我們從課本上第三章第八節《慣性系和非慣性系》這一內容前面習題的欠缺就可以看出作者在處理這一內容上的貧乏與混亂性。而第三題中的a.和b.小題則是關于牛頓第二定理的應用題，也就是說只能用牛頓第二定理而不能用牛頓第一定理來解釋。第三題中的d.小題則應該放到第五章第二節《運動的合成和分解》里面。至于第五題，則是一個文不對題的題目，作者早已十分明晰地強調了這一點。因此，作者在具體的課堂教學實踐中設計了下邊幾個習題。結果表明，中學生的接受性較好。
1．用亞里士多德的四因說解釋你覺得感興趣的一件事
2．關于伽利略的理想實驗，下述說法中正確的是（）
A．只要接觸面相當光滑，物體在水平面上能夠勻速運動下去
B．這個實驗實際上是永遠沒法做到的
C．借助氣墊滑軌，才能使實驗成功
D．是想像中的實驗，構建在大自然是和諧的觀點之上
3．你覺得假如時間不均勻，空間不對稱，則這個世界將是一個怎么的情形？
4．下述關于慣性的說法中，正確的是
A．不使勁踏單車，單車會慢慢停下，所以慣性就漸漸消失
B．慣性與物體質量的大小無關，與物體是否運動無關。與物體速率是否變化無關
C．當物體處于靜止狀態或做勻速直線運動時，表現出了慣性
D.當物體做變速運動時，沒有表現出慣性，因此此時慣性不存在
參考文獻：
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