劉富民

(陜西師范大學(xué)出版總社,陜西 西安 710062)

從理論到實(shí)驗(yàn) 從特殊到一般 凸顯學(xué)生認(rèn)知規(guī)律
——5版本高中教材動(dòng)能定理文本編排的比較研究及教學(xué)建議

劉富民

(陜西師范大學(xué)出版總社,陜西 西安 710062)

從編排位置、動(dòng)能表達(dá)式的得出、實(shí)驗(yàn)探究與理論探究動(dòng)能定理及其應(yīng)用等方面比較了5版本教材關(guān)于動(dòng)能定理編排的異同,綜合各版本教材的優(yōu)勢(shì),基于學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ),對(duì)這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)分別給出了相關(guān)的教學(xué)建議．

動(dòng)能定理;5版本教材;編排;比較;教學(xué)建議

動(dòng)能定理在高中物理中有重要的地位．課標(biāo)要求分別從實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)兩個(gè)方面來探究得出動(dòng)能定理,無論實(shí)驗(yàn)探究還是理論探究,都只要求探究恒力做功的情況．[1]這符合人們認(rèn)識(shí)事物從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從特殊到一般的規(guī)律．

1 5版本教材關(guān)于“動(dòng)能定理”編排的比較

1.1 安排位置上的比較

5版本教材都把動(dòng)能和動(dòng)能定律編排在高中物理必修2之中,但具體位置有所不同．使用不同版本教材的學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)能定理時(shí)的知識(shí)儲(chǔ)備不同,面臨的問題和困惑也不同,這也涉及學(xué)生學(xué)習(xí)過程是否能夠在教材引領(lǐng)下由淺入深、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)．好的編排應(yīng)該符合認(rèn)知規(guī)律,使得學(xué)生學(xué)習(xí)過程中思路清晰,更易構(gòu)建知識(shí)之間的聯(lián)系．

人教版教材:必修2第7章第6節(jié)為“實(shí)驗(yàn):探究功與速度變化的關(guān)系”，第7節(jié)為“動(dòng)能和動(dòng)能定理”.在此前，學(xué)生學(xué)過了曲線運(yùn)動(dòng)、功、功率、重力勢(shì)能、探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式等知識(shí)．

粵教版教材:必修2第4章第2節(jié)“動(dòng)能勢(shì)能”中編排了動(dòng)能的概念和表達(dá)式的推導(dǎo),第3節(jié)編排了“探究外力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系”.在此前，學(xué)生學(xué)過了功、動(dòng)能、重力勢(shì)能等知識(shí)．

教科版教材:必修2第4章第4節(jié)為“動(dòng)能 動(dòng)能定理”.在此前，學(xué)生學(xué)過了功、功率、勢(shì)能等知識(shí)．

滬科版教材:必修2第3章第1節(jié)為“探究動(dòng)能的變化跟做功的關(guān)系”，第3節(jié)為“動(dòng)能定理的應(yīng)用”,而第2節(jié)為“研究功與功率”．在此前，學(xué)生學(xué)過拋體運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí)．

魯科版教材:必修2第2章“能量守恒與轉(zhuǎn)化”的第1節(jié)為“動(dòng)能的改變”.在上一章中，學(xué)生學(xué)過了機(jī)械功、功和能、功率等知識(shí)．

1.2 編排內(nèi)容上的差異

(1) 差異的比較.

差異1:魯科版教材在編排動(dòng)能定理之前沒有介紹曲線運(yùn)動(dòng),其余4版本教材在此前都編排了拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容．沒有學(xué)習(xí)曲線運(yùn)動(dòng),不能立即把動(dòng)能定理的適用范圍推廣到一般情況．

差異2:滬科版教材對(duì)動(dòng)能定理的探究和應(yīng)用分2節(jié)編排,間隔了“研究功和功率”一節(jié)．這是因?yàn)闇瓢娼滩脑谔骄客饬ψ龉εc動(dòng)能變化的關(guān)系時(shí),學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)功,對(duì)力與位移方向不相同時(shí)所做的功、功的正負(fù)以及多個(gè)共點(diǎn)力所做的功、變力做功等沒有掌握,而這些是在應(yīng)用動(dòng)能定理時(shí)必備的知識(shí),這樣就增加了學(xué)習(xí)難度．

差異4:粵教、魯科版教材在編排動(dòng)能定理時(shí)已經(jīng)編排了功能關(guān)系,而人教、滬科、教科版教材沒有．功能關(guān)系比較抽象,是教學(xué)難點(diǎn)．在教學(xué)中能夠通過實(shí)例分析,讓學(xué)生理解功能關(guān)系,對(duì)動(dòng)能定理的引入、推導(dǎo)、理解都大有裨益．

(2) 相關(guān)教學(xué)建議.

① 先學(xué)習(xí)曲線運(yùn)動(dòng)的章節(jié),后學(xué)習(xí)機(jī)械能的章節(jié),并且把動(dòng)能定理的學(xué)習(xí)安排在功、功率之后.② 通過列舉大量的實(shí)例分析后,讓學(xué)生理解功能關(guān)系.③ 把動(dòng)能、定能定理、動(dòng)能定理的應(yīng)用安排在一起．

2 得出動(dòng)能表達(dá)式的比較

在5版本教材中,動(dòng)能表達(dá)式的編排可分為如下兩類．

魯科版教材給出動(dòng)能的概念后,提出問題:“物體動(dòng)能的大小與哪些因素有關(guān)呢?”接著通過演示實(shí)驗(yàn)定性探究后,直接給出表達(dá)式．

教學(xué)建議:建議在定性實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出表達(dá)式．定性探究實(shí)驗(yàn),可以吸引學(xué)生的注意力,讓學(xué)生更好地投入到學(xué)習(xí)中．理論推導(dǎo)符合動(dòng)能的概念和動(dòng)能定理的歷史過程,這一過程體現(xiàn)了物理學(xué)前輩們的科學(xué)思維方式,又與學(xué)生的已有基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際認(rèn)知水平相符合,以有利于歷史追問與教學(xué)現(xiàn)實(shí)之間的有機(jī)結(jié)合．

3 理論探究與實(shí)驗(yàn)探究的比較

5版本教材都從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探究外力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系,但是在理論探究、實(shí)驗(yàn)探究以及兩者的先后安排上都有差異．

3.1 兩者先后安排上的比較

人教、粵教、魯科版教材先實(shí)驗(yàn)探究后理論探究,而滬科、教科版教材則先理論探究得出結(jié)論,后實(shí)驗(yàn)探究．先進(jìn)行理論探究,使得實(shí)驗(yàn)探究有明確方向．如果先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,要么動(dòng)能表達(dá)式只能硬塞給學(xué)生,要么在實(shí)驗(yàn)探究中不提及動(dòng)能的表達(dá)式和概念,在后面的理論探究中再給出．

3.2 理論探究上的比較

5版本教材中關(guān)于理論探究的物理情景分別如圖1～圖3所示.

圖1 粵教版教材中的探究情景

圖2 人教、教科、魯科版教材中的探究情景

圖3 滬科版教材中的探究情景

(1) 共同點(diǎn).

① 都是物體在力F的作用下做勻變速直線運(yùn)動(dòng),經(jīng)過位移s后,速度由v1增加到v2.

③ 所給情景中力與運(yùn)動(dòng)方向都相同．

(2) 差異性.

① 粵教版教材中物體在水平方向受到兩個(gè)力,恒定拉力F和阻力f,其余只有一個(gè)力．

② 滬科版教材中所舉的例子,貼近生活,其余版本教材中設(shè)置的情景都是抽象后的純物理情景．

3.3 實(shí)驗(yàn)探究上的比較

5版本教材都通過實(shí)驗(yàn)來探究外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)探究裝置分別如圖4～圖8所示．

圖4 人教版教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 滬科版教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

圖6 教科版教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

圖7 魯科版教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

圖8 粵教版教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

人教版教材:如圖4所示，“小車在橡皮筋作用下彈出,沿木板滑行．當(dāng)把2條、3條…同樣的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次…實(shí)驗(yàn)時(shí),使每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都保持一致…如果把第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)橡皮筋做的功記為W,以后各次所做的功就是2W、3W…”“小車獲得的速度可以由紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出．進(jìn)行若干次測(cè)量,可以得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)．”然后作出W-v圖像，得到二者的定量關(guān)系．(在人教社最近剛修訂的教材中，將實(shí)驗(yàn)裝置中的拉力分別改為由重物和橡皮筋提供，其處理思路未變.)

教科版教材:如圖6所示，“借用探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置打出的紙帶及拉力F與小車的質(zhì)量m的數(shù)據(jù),量出起始點(diǎn)至各計(jì)數(shù)點(diǎn)的距離,計(jì)算小車在打下各計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度,進(jìn)而計(jì)算出小車運(yùn)動(dòng)到打下各計(jì)數(shù)點(diǎn)過程中合外力對(duì)它所做的功以及所增加的動(dòng)能ΔEk,看看它們是否相等．”

魯科版教材:如圖7所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案做了詳細(xì)的介紹,實(shí)驗(yàn)方案與滬科版教材相同．

粵教版教材:如圖8所示，重物拖著紙帶自由下落,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)．測(cè)出兩紙帶上點(diǎn)之間的距離,計(jì)算出打這兩點(diǎn)時(shí)重物的瞬時(shí)速度、動(dòng)能和動(dòng)能的增量，求得打這兩點(diǎn)的時(shí)間間隔內(nèi)重力對(duì)物體做功．比較重力做功和動(dòng)能的變化,到外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系．

(1) 5版本教材探究方案的差異性.

① 平衡摩擦力方法不同．人教、粵教、教科、魯科版教材采用把長(zhǎng)木板墊高的方法,滬科教材用氣墊導(dǎo)軌“消除”摩擦力．

② 測(cè)速度所用的核心器材不同．人教、粵教、教科、魯科版教材用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,滬科版教材用光電門．

③ 提供拉力的方法不同．滬科、魯科、教科版教材是采用懸掛鉤碼等重物來提供恒定拉力,粵教版教材是用重物的自身重力來提供恒定拉力,人教版教材則由橡皮筋對(duì)小車提供彈力來實(shí)現(xiàn)．

④ 研究的運(yùn)動(dòng)不同．人教版教材中是先做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng),然后做勻速運(yùn)動(dòng);滬科版教材中研究的是在水平面上的勻加速直線運(yùn)動(dòng);教科、魯科版教材中研究的是在斜面上的勻加速直線運(yùn)動(dòng);粵教版教材中研究的是自由落體運(yùn)動(dòng)．

⑤ 處理數(shù)據(jù)的方法不同．人教版教材采用作圖法處理數(shù)據(jù);粵教、教科版教材都采用列表法,并由教材給出表格;滬科版教材給出兩種數(shù)據(jù)處理的方法,一是對(duì)比數(shù)據(jù)歸納法,二是作圖法;魯科版教材采用列表法,要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)表格．

(2) 相關(guān)教學(xué)建議.

先理論探究后實(shí)驗(yàn)探究,用理論探究的結(jié)論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)探究,從而把實(shí)驗(yàn)探究變成定向探究,降低探究的難度．5版本教材的實(shí)驗(yàn)器材選取都符合課程標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱課標(biāo))中“打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或光電計(jì)時(shí)器”的要求．粵教、教科、滬科、魯科版教材符合課標(biāo)要求的“恒力做功”,而人教版教材則是涉及變力做功問題．建議采用教科、滬科、魯科版教材的實(shí)驗(yàn)裝置來探究外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系．?dāng)?shù)據(jù)處理時(shí),建議先列表,后作圖．通過列表記錄數(shù)據(jù),然后通過計(jì)算、分析、歸納得出結(jié)論,培養(yǎng)學(xué)生的歸納能力,而作圖可以培養(yǎng)學(xué)生獲取和處理信息的能力．

4 關(guān)于動(dòng)能定理應(yīng)用的比較

4.1 定理適用范圍的推廣

教材中對(duì)于動(dòng)能定理是從簡(jiǎn)單的恒力做功和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的情景，通過實(shí)驗(yàn)和推導(dǎo)得到,但其適用范圍不局限于恒力做功和勻變速直線運(yùn)動(dòng),還適用于變力做功以及曲線運(yùn)動(dòng)．人教、粵教、教科版教材都明確地推廣了動(dòng)能定理的適用范圍．人教版教材還簡(jiǎn)述了證明方法，“當(dāng)物體受變力作用,或做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí),把過程分成許多小段,認(rèn)為物體在每小段運(yùn)動(dòng)中受到恒力,運(yùn)動(dòng)的軌跡是直線,這樣也能得到動(dòng)能定理．”滬科版教材僅給出了一個(gè)變力做功的例題．而魯科版教材,由于學(xué)生還未學(xué)有關(guān)曲線運(yùn)動(dòng)的知識(shí),沒有推廣定理的適用范圍．

4.2 定理應(yīng)用的比較

(1) 5版本教材的做法.

教科版和魯科版教材中有定性分析與生產(chǎn)、生活聯(lián)系的素材．教科版教材中介紹了飛機(jī)在航空母艦上的起飛、賽車在短時(shí)間的啟動(dòng)以及高速公路上開得快的車輛需要留有更長(zhǎng)的制動(dòng)距離等.魯科版教材中有剎車、保齡球撞擊球瓶的事例．粵教版和教科版教材在課后都提出了相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)．粵教版教材中安排有“測(cè)平拋物體時(shí)所做的功、估測(cè)自行車受到的阻力、收集汽車剎車距離與速度關(guān)系的數(shù)據(jù),要求用動(dòng)能定理進(jìn)行解釋；對(duì)于測(cè)變力所做的功,要求用平拋儀、彈簧測(cè)力計(jì)等器材測(cè)出小球沿斜槽下滑時(shí)摩擦力所做的功”．教科版教材則要求估測(cè)人手上拋石塊時(shí)所做的功．

(2) 相關(guān)教學(xué)建議.

① 把動(dòng)能定理的適用范圍從特殊推廣到一般,并指出也適用于曲線運(yùn)動(dòng)和變力做功的情況.② 講解例題時(shí),應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生自己歸納好應(yīng)用動(dòng)能定理解題的方法,要求學(xué)生用牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來求解直線運(yùn)動(dòng)中恒力做功的問題,從中比較兩種方法的優(yōu)劣.③ 開展課外實(shí)踐活動(dòng),如何測(cè)定變力所做功等.這樣的科技活動(dòng)十分有趣,能吸引學(xué)生,并可幫助學(xué)生建立知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系,促進(jìn)他們的認(rèn)知水平由單一結(jié)構(gòu)向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)升華．

1 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京:人民教育出版社,2003.

2017-02-13)