牛頓第三運動定律之教材與相關研究

一、牛頓第三運動定律

牛頓對作用力與反作用力的看法是：物體互相產生的力。牛頓認為這個力是 由一個物體在動態上被測出有所改變，牛頓相信這兩個力大小相等且方向相反，

甚至在斜面上碰撞也是如此。國立編譯館（2003）將牛頓第三運動定律解釋為「兩 物體交互作用時，彼此互以力作用於對方，兩者大小相等，方向相反，但作用在 不同的物作用體上」。而黃振華（2001）將牛頓第三運動定律詮釋為「作用力與 反作用力大小相等，方向相反，並彼此作用於對方的物體」。參考洪木利、周啟

（1994）所發展的專家牛頓運動定律概念圖，其中包含牛頓第三運動定律的次概 念有：作用力與反作用力皆存在，作用力與反作用力方向相反，作用力與反作用 力大小相等，作用力與反作用力同時產生，作用力與反作用力彼此作用於對方的 物體上。

綜合上述，研究者從牛頓的看法到近幾年的研究看法得知，學生從動態的觀 察到靜態的觀察，學生學習容易產生迷思概念。研究者透過科學活動模式帶入課 程中讓學生能體認作用力與反作用力，並能清楚的了解作用力的大小相同，方向 相反，作用於不同物體上的概念，也讓學生能夠主動的學習。學生從國小課程接 觸，直到國中才提及概念，探討牛頓第三運動定律的相關研究與相關教材。

二、牛頓第三運動定律的相關教材

將國內的中、小學之康軒出版社、翰林出版社、南一出版社之自然與生活科 技領域的教科書做為參考教材，去探討其教材內容發現，在國小階段只有與牛頓 第三運動定律概念相關的單元，但卻無提到「牛頓第三運動定律」概念的名稱。

學生一直到國中階段才開始接觸「牛頓第三運動定律」這個名詞，但是在國

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小的課程中，楊明璋（2006）曾分析國小「自然與生活科技」教科書力學概念單 元包括「力有大小和方向」、「力施於物體會改變物體運動狀態，運動狀態包括轉 動和平行移動」、「力施於物體會造成物體產生形變，例如彈簧受力產生伸長、壓 縮、彎曲或扭轉」、以及「地心引力會使物體具有重量」皆與牛頓第三運動定律 有關的單元，也將牛頓第三運動定律的概念帶入課程裡，而且國中階段的牛頓運 動定律偏向公式的介紹與應用，因此國小階段有關於牛頓運動定律的概念就顯得 重要。

三、牛頓第三運動定律的相關研究

Clement（1989）注意到許多學生不相信靜止的物體能產生動力，於是和同 事引用 Posner（1982）提出控制概念改變時，概念狀態的要點在於課堂教學之 中，用學生實際操作、演示的經驗，來突顯學生的迷思概念。教學前，學生不相 信置於桌上靜止的書本有受到桌面向上的推力，於是 Clement 先讓學生在手上 壓縮彈簧，感受彈簧靜止時仍有力的存在，再將一本書放在有彈簧的板上，讓學 生依此類比來推論，學生才願意相信書本靜置於桌面上，桌面對書本是有作用力

（引自王美芬、熊召弟譯，1996）。

從兒童的對於牛頓運動定律來看，洪木利（1999）曾研究我國兒童牛頓運動 定律的概念架構，其研究關於第三運動定律學習發展，以及兒童在牛頓第三運動 定律的次概念發展程序得先後。從只考慮作用力到再同時考慮作用力與反作用力，

最後才認識作用力與反作用力大小；兒童的年級與概念成熟階段和作用力、反作 用力概念的理解成顯著正相關；兒童在動態的情境下，較能理解作用力與反作用 力的概念；三、四年級的兒童，過半數能體認到作用力的存在。

在小學階段中，學生對於力與運動的概念學習，彭泰源、張惠博（1999）探 討國小五年級「力與運動」的概念中，發現學生認為兩物體大小不同相撞「作用

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力與反作用力」的大小不同，以及有運動才會有摩擦力產生，靜止不會有摩擦力 的產生，學生在學習「力與運動」的概念產生迷思概念。

而在陳美月（2002）研究臺北市國小中年級學生對物體運動快慢與力之間的 另有概念，其在教學上建議教師舉例說明時，應以日常生活的事物為主，形成兒 童的共鳴，兒童會以直觀的思考方式來來判斷物體運動，正是學習的前奏，也是 學生開始接觸「力與運動」概念。

在國小高年級階段的學生對力與運動的概念學習，楊訪屏（2004）運用 CPS 科學遊戲課程以行動研究的角度進行牛頓第三運動定律遊戲課程，發現國小六年 級學生在實際活動中能應用研究者於課程中培養之創造性問題解決能力，創造性 問題解決能力表現得比第一次遊戲課程階段還要好。並且學生瞭解牛頓第三運動 定律，瞭解創造性問題解決教學模式，並能引起學生好奇接觸遊戲課程瞭解「作 用力與反作用力」的概念。

除了上述研究者曾對「力與運動」的概念研究，尚有黃振華（2001）、陳勇 全（2000）、王俊貴（2003）等研究者，對力的概念做分析調查的研究，但少有 研究是直接針對牛頓第三運動定律概念的教學課程做設計與研究，因此研究者從 力的概念分析之研究文獻中，了解學生對力學所可能發生的迷思及對教學的建議，

設計以學生為主體的課程，讓學生主動積極的建構日常生活上常見的現象概念。

並融入創造性問題解決模式讓學生喜愛學習科學。

從全忠平（1994）分析師範學院學生對於力學概念之分析研究，發現學生學 到新的物理學概念，如反作用力，卻無法理解「反作用力」新概念的意義，學生 會利用此「反作用力」新概念以錯誤方式解釋物體受到「反作用力」，使得學生 無法理解「反作用力」的概念意義。再觀看周承岡（2001）透過紙筆測驗來瞭解 高中學生對牛頓運動定律的迷思，發現學生對於力學分析圖，因不會分析且對於 作用力來自系統內與系統，因外無法判斷導致學習概念迷思。

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除了紙筆測驗可以瞭解學生學習牛頓運動定律迷思，在楊其安、郭重吉（1990）

利用臨床晤談的方式探究國中生對力學概念，探討出學生對於地心引力是物體與 地面的距離有關，且學生認為物體運動需要力，力越大跑得越快，對於加速度運 動概念是薄弱的。顯示學生在學習力學概念，有時將日常生活經驗放入說明，往 往會解釋錯誤，而使人無法理解。

國外研究顯示，Hung 和 Jonassen（2006）針對高中學生對於學習力學概念，

發現需要透過熟悉的類比教學才能促進學生的力學概念的理解，否則是沒有顯著 的影響。在牛頓力學的探討中，Whiteley（1995）研究發現指出學生認牛頓第三 運動定律之作用反作用力的是做用於相同的物體上，因此而產生了概念迷思，要 釐清學生作用力與反作用的關係，也提到學生不容易找出成對的作用力與反作用 了的關係。另外一方面，學生容易認為拔河比賽獲勝的一方拉繩子的力量較大，

其實這兩方的受力是一樣的，因此，輸的一方學生認為自己受力較小，會輸這一 場比賽（Watts & Zylbersztajn,1981）。

從牛頓力學碰撞的觀點，Oliva（1999）的研究結果發現，兩物體的相互碰 撞時，學生比較傾向於物體較重者具有作用力，較輕的物體則沒有作用力，學生 在思考物體若碰撞過程中較大的力會受到比較大的效應，學生思考模式屬於線性 的推理。再從拋體運動來看，學生也認為拋體之所以會往上運動原因，物體受到 一個方向向上的力的作用，因此這個力是透過手的作用力傳到拋體上才使得維持

（Clement, 1982; Watts & Zylbersztajn,1981）。

在牛頓力學的觀點中，除了學習者透過自己學習或經驗發現許多力學迷思概 念，或是將新概念以錯誤的方式去解釋物體的狀態，產生一連串的學習錯誤。因 此，何偉雲（2003）透過創造思考的觀點去探討國小學童物理問題解決，發現了 流暢性和變通性是創造思考的高度相關，是問題解決的一大重要環節。本研究主 要以牛頓第三運動定律概念融入創造性問題解決教學活動模式，讓學生進行活動 以學習牛頓第三運動定律的相關概念。

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綜合上述研究整理發現，第一，學生先體會有作用力的存在，才進一步認識 作用力與反作用力。第二，學生在學習力與運動的概念中，容易將作用力與反作 用力中的施力者與受力者之間的關係產生混淆。第三，可以透過日常生活經驗讓 學生理解作用力與反作用力並了解物體受力。本研究主要利用創造性問題解決活 動讓學生體驗作用力與反作用力及應用，和理解作用力與反作用力的概念。

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