對(duì)人教版“動(dòng)能定理”和“機(jī)械能守恒定律”的重構(gòu)

周棟梁

（灌南高級(jí)中學(xué) 江蘇 連云港 222500）

隨著新課程改革的逐步深入，教師的教材觀逐步由“教材即知識(shí)”向新課程所倡導(dǎo)的“教材是范例”轉(zhuǎn)變，教師的教學(xué)行為也由“教教材”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝媒滩摹?，這就要求教師在實(shí)施教學(xué)的過(guò)程中，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行適度增減、置換及加工，即對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)［1］，使之更好地適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求.

中學(xué)物理教師對(duì)教材內(nèi)容的重構(gòu)，是一個(gè)接受、理解、選擇、批判和再創(chuàng)造的過(guò)程，是在教師對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)中課程內(nèi)容的領(lǐng)會(huì)和把握的基礎(chǔ)上，超越對(duì)教材內(nèi)容的機(jī)械傳遞，創(chuàng)造性、個(gè)性化地運(yùn)用教材，以生成豐富、多樣的教學(xué)內(nèi)容，從而把教材、教學(xué)兩個(gè)不同層面的東西貫通起來(lái)，實(shí)現(xiàn)教材內(nèi)容向教學(xué)內(nèi)容的轉(zhuǎn)化.

基于這一理念，筆者在對(duì)人教版教材中的“動(dòng)能定理”及“機(jī)械能守恒定律”兩單元的教學(xué)內(nèi)容認(rèn)真分析、反思的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出如下的重構(gòu)建議.

1 關(guān)于動(dòng)能定理的重構(gòu)建議

1.1 教材分析

在新課標(biāo)人教版教材中，本節(jié)內(nèi)容較以往教材作了較大幅度的修改，它在突出對(duì)動(dòng)能概念建構(gòu)的同時(shí)，試圖展示動(dòng)能定理的建構(gòu)過(guò)程，現(xiàn)分析如下.

教材通過(guò)圖1所示的物理模型，運(yùn)用牛頓第二定律F＝ma與運(yùn)動(dòng)學(xué)公式導(dǎo)出W＝，然后說(shuō)明等式右邊表示在末態(tài)與開(kāi)始狀態(tài)的差值，正好等于力對(duì)物體做的功，所以動(dòng)能的表達(dá)式應(yīng)該為顯然，這種建構(gòu)動(dòng)能概念的方式，強(qiáng)調(diào)了探究的過(guò)程，體現(xiàn)了對(duì)話的理念，突出了學(xué)生的主體地位.

圖1

1.2 重構(gòu)方案

對(duì)于動(dòng)能定理，其嚴(yán)格的推導(dǎo)過(guò)程如下.

將上式積分有

此式即為動(dòng)能定理，從而說(shuō)明了動(dòng)能定理的本質(zhì)是牛頓定律的積分形式.

考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平，不可能按上述方法呈現(xiàn)，那么如何從學(xué)生的認(rèn)知水平出發(fā)，對(duì)動(dòng)能定理進(jìn)行建構(gòu)呢？

在美國(guó)心理學(xué)家和教育學(xué)家布魯納看來(lái)，發(fā)現(xiàn)不限于那種尋求人類(lèi)尚未知曉的事物行為，還包括用自己的頭腦親自獲得知識(shí)的一切形式.發(fā)現(xiàn)可以是對(duì)現(xiàn)成基本知識(shí)的“再發(fā)現(xiàn)”，解決問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)以及更高層次的新發(fā)現(xiàn).

基于這一思想，建議用如下的遞進(jìn)性問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理科學(xué)方法對(duì)動(dòng)能定理進(jìn)行建構(gòu).

問(wèn)題1：在圖1所示的水平面上，如果物體與水平面間有摩擦力作用，物體的動(dòng)能變化量與什么功相對(duì)應(yīng)？

問(wèn)題2：如圖2所示，物體在l1段位移中受到的水平作用力大小為F1，在l2段位移中受到的水平作用力大小為F2，則物體的動(dòng)能變化量與什么功相對(duì)應(yīng)？

圖2

問(wèn)題3：如果物體在水平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到的水平作用力F是變化的，則物體的動(dòng)能變化量又與什么功相對(duì)應(yīng)？

在問(wèn)題2的原型啟發(fā)下，學(xué)生能運(yùn)用微元方法對(duì)變力做功問(wèn)題進(jìn)行演繹推理，并仍然得出上面的結(jié)論.

通過(guò)對(duì)以上三個(gè)問(wèn)題的探究，學(xué)生建構(gòu)起了直線運(yùn)動(dòng)中功與動(dòng)能變化量的關(guān)系.那么，此結(jié)論對(duì)于曲線運(yùn)動(dòng)是否成立？如果成立，我們就發(fā)現(xiàn)了一條新的物理規(guī)律，從而激發(fā)學(xué)生探索的激情.

問(wèn)題4：如果物體做曲線運(yùn)動(dòng)，且受到的作用力F是恒定的，則物體的動(dòng)能變化量又與什么功相對(duì)應(yīng)？為直觀起見(jiàn)，可設(shè)置如下的具體問(wèn)題.

從高為H處將一小球以初速度v0沿水平方向拋出，對(duì)于此物體做曲線運(yùn)動(dòng)情形，求物體落地時(shí)的速率.

實(shí)踐表明，在上面三個(gè)問(wèn)題的解決過(guò)程中，學(xué)生初步體會(huì)到物理科學(xué)方法在探究過(guò)程中的作用，并試圖從兩個(gè)角度對(duì)此問(wèn)題探究，一是運(yùn)用“猜想－檢驗(yàn)”模式，具體的思路是，提出假說(shuō)“重力對(duì)物體做的功等于物體動(dòng)能的變化量”，然后運(yùn)用平拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)；二是運(yùn)用微元方法，化曲為直，進(jìn)行演繹推理.

問(wèn)題5：如果物體做曲線運(yùn)動(dòng)，且受到的作用力F是變化的，則物體的動(dòng)能變化量又與什么功相對(duì)應(yīng)？

問(wèn)題5的解決模式與問(wèn)題4相同.

在對(duì)上面五個(gè)問(wèn)題探究的基礎(chǔ)上，再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物體做直線運(yùn)動(dòng)與曲線運(yùn)動(dòng)兩類(lèi)情況進(jìn)行歸納，從而真正建構(gòu)起具有普遍意義的動(dòng)能定理.

上面的重構(gòu)方式，其實(shí)質(zhì)是先對(duì)各種情況進(jìn)行演繹推理，然后運(yùn)用“歸納”方法建構(gòu)起動(dòng)能定理，它與動(dòng)能定理的嚴(yán)格推理過(guò)程中的先分析后綜合的思想異曲同工.因而解決了教材中動(dòng)能定理呈現(xiàn)方式中存在的問(wèn)題，同時(shí)也讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)思維方法在科學(xué)探究中的作用，并對(duì)動(dòng)能定理進(jìn)行“再發(fā)現(xiàn)”，從而在提高學(xué)生學(xué)習(xí)效益的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

2 關(guān)于機(jī)械能守恒定律的重構(gòu)建議

2.1 教材分析

相比于以前人教版教材，新教材先就特殊情況運(yùn)用演繹推理，說(shuō)明此情況下的機(jī)械能是守恒的，再用歸納方法建構(gòu)起機(jī)械能守恒定律，從而完整地體現(xiàn)了定律的建構(gòu)過(guò)程.另外，在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”一節(jié)的編寫(xiě)上，沒(méi)有列出具體的實(shí)驗(yàn)步驟，而是呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中注意的事項(xiàng)，并設(shè)置了問(wèn)題討論，以突出科學(xué)探究的思想，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)器材的選擇原則.

但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，按此模式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生仍然不能有效地體會(huì)到機(jī)械能守恒的條件，原因是學(xué)生沒(méi)有主動(dòng)參與這一條件的建構(gòu).為此，我們?nèi)匀灰罁?jù)布魯納的發(fā)現(xiàn)法教育思想，同時(shí)借鑒司南版教材的呈現(xiàn)方式，結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)構(gòu)建、激活原型，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)而“發(fā)現(xiàn)”機(jī)械能守恒的條件，具體的重構(gòu)方式如下.

2.2 重構(gòu)方案

針對(duì)學(xué)生在理解、運(yùn)用機(jī)械能守恒定律中存在的問(wèn)題，其有效策略是重構(gòu)教材的內(nèi)容體系，具體的方案如下.

第一節(jié)：“探究阻力對(duì)動(dòng)能與重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化的影響”

第二節(jié)：“機(jī)械能守恒定律”

在探究阻力對(duì)動(dòng)能與重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化的影響時(shí)，為了讓學(xué)生充分體會(huì)到機(jī)械能守恒是有條件的，可按以下程序進(jìn)行.

（1）原型構(gòu)建

原型1：如圖3所示，用一根細(xì)線懸掛一金屬小球，將擺線拉開(kāi)一定角度后釋放，觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況.

原型2：將上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的金屬小球換為同樣形狀、大小的泡沫塑料小球，重新觀察其運(yùn)動(dòng)情況.

對(duì)于上面兩個(gè)現(xiàn)象原型，除了為學(xué)生建立感性認(rèn)識(shí)外，還隱含了兩種基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，一是比較思想，通過(guò)比較金屬小球與泡沫塑料小球回到原來(lái)高度處的“記憶”能力，揭示出空氣阻力對(duì)這種“記憶”的影響；二是控制思想，通過(guò)選取相同體積、形狀的兩種小球，隱含著在速度不太大情況下，它們所受空氣阻力近似相等.顯然，通過(guò)這兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生意識(shí)到機(jī)械能守恒是有條件的.那么，影響機(jī)械能守恒的條件是什么？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究？從而在探究的過(guò)程中產(chǎn)生新的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生探究的激情.

（2）探究方案的設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)探究方案，可通過(guò)下面的遞進(jìn)性問(wèn)題來(lái)構(gòu)建、激活原型.

問(wèn)題1：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，使之便于測(cè)量物體的重力勢(shì)能和動(dòng)能的變化量.

圖3

對(duì)于這一問(wèn)題，學(xué)生能設(shè)計(jì)出圖4所示的實(shí)驗(yàn)方案.

問(wèn)題2：借鑒原型1，2的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，在不測(cè)量阻力的情況下，探究阻力對(duì)機(jī)械能轉(zhuǎn)化的影響.

在原型1，2的啟發(fā)下，學(xué)生能設(shè)計(jì)出圖4所示的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體的方法是：在紙帶下所掛的重物分別是同體積相同形狀的金屬重錘和泡沫塑料小球（近似認(rèn)為兩種情況下物體所受阻力相等）.

（3）數(shù)據(jù)處理

為比較阻力對(duì)機(jī)械能轉(zhuǎn)化帶來(lái)的影響，提出如下問(wèn)題.

問(wèn)題3：比較同體積相同形狀的金屬重錘和泡沫塑料小球動(dòng)能變化量與對(duì)應(yīng)重力勢(shì)能減少量的比值的大小，你能得出什么結(jié)論？

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、比較，學(xué)生能夠得出阻力相對(duì)于重力越大，其損失的機(jī)械能所占的比例就越高.

（4）守恒條件建構(gòu)

為了引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)機(jī)械能守恒的條件，再以如下的問(wèn)題為原型，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建假說(shuō)，具體內(nèi)容如下.

問(wèn)題4：如果物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受阻力作用，你能作出什么猜想？

實(shí)踐表明，按此方式重構(gòu)后，學(xué)生運(yùn)用外推法提出如下猜想：“如果小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受阻力為零，則其機(jī)械能守恒.”

重構(gòu)后的教學(xué)體系，為學(xué)生展示了一個(gè)完整的科學(xué)探究過(guò)程.即先通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析，提出物理假說(shuō)，再運(yùn)用演繹方法進(jìn)行論證，最后由歸納方法概括出機(jī)械能守恒定律.

圖4

1 張正嚴(yán).論新課程背景下中學(xué)物理教師對(duì)教材內(nèi)容的重構(gòu).物理教師，2007（6）