由“機(jī)械能守恒定律”的物理意義與物理圖像說開去

胡揚(yáng)洋+李蓓

摘 要：高中物理“機(jī)械能守恒定律”的物理意義是不同形式機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。定律的數(shù)學(xué)推導(dǎo)應(yīng)呈現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化雙向性的物理圖像。定律的表述則可采取從反面揭示的方式。教學(xué)實(shí)現(xiàn)從動力學(xué)觀點(diǎn)的物理圖像到功能觀點(diǎn)的物理圖景應(yīng)考慮在教材編寫中聯(lián)系生產(chǎn)與工程實(shí)踐并采取從一般到特殊的編寫順序。

關(guān)鍵詞：機(jī)械能守恒；物理意義；教學(xué)設(shè)計(jì)；物理圖像；物理圖景

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）11（S）-0046-3

1 機(jī)械能守恒定律的物理意義

更為深刻地理解高中物理“機(jī)械能守恒定律”的教學(xué)，需要從理解該條定律的物理意義與物理圖像開始。

德國卡爾斯魯厄（KPK）物理教材中文譯者陳敏華博士認(rèn)為，首先，機(jī)械能是不守恒的；其次，守恒是對物理量來說的，而不是對系統(tǒng)來說的?！笆睾愣伞笨梢院啙嵉乇硎鰹椋睾懔考炔粫a(chǎn)生也不會消滅。所有守恒定律都是無條件的。當(dāng)我們說能量守恒時，意味著能量這個物理量不會產(chǎn)生，也不會消滅?；蛘哒f，當(dāng)一個系統(tǒng)的能量增加時，肯定有別的系統(tǒng)減少同樣多的能量；當(dāng)一個系統(tǒng)的能量減少時，肯定有別的系統(tǒng)增加了同樣多的能量。所以說，能量守恒與系統(tǒng)無關(guān)，即與系統(tǒng)是封閉的還是開放的無關(guān)。如果我們不這樣來理解“守恒”，我們就不能真正理解“不守恒”。系統(tǒng)的機(jī)械能最好說“不變”，而不要說“守恒”。

由此，我們認(rèn)為，中學(xué)階段的學(xué)生本該有更多的機(jī)會、重點(diǎn)地學(xué)到“守恒”，但是“機(jī)械能守恒定律”及其衍生的習(xí)題卻更多地是在體現(xiàn)“不變”，而沒有更多地體現(xiàn)準(zhǔn)確的“守恒”。如此一來，這就是一個很大的遺憾和偏差。然而“守恒”的理解卻頗為重要，在皮亞杰理論中標(biāo)志著學(xué)生的認(rèn)知水平達(dá)到了“具體運(yùn)算水平”。而對“能量”這一抽象守恒量的理解同樣有標(biāo)志性的意義。

既然“機(jī)械能守恒定律”并非真正意義上的“守恒”，那么其物理意義究竟是什么呢？對此，我們認(rèn)為，對該條定律表達(dá)意義的理解重點(diǎn)的確不應(yīng)放于“守恒”上，而應(yīng)放于不同形式機(jī)械能的“轉(zhuǎn)化”上。換言之，“機(jī)械能守恒定律”的物理意義實(shí)是不同形式機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。

現(xiàn)實(shí)中，由于在試圖運(yùn)用“機(jī)械能守恒”定律解題時，先要判別機(jī)械能“守恒”的“條件”，然后才能聯(lián)系兩個或多個狀態(tài)列方程求解，實(shí)質(zhì)上還是繞不開對物理過程的研究。這也更印證了機(jī)械能守恒定律的物理意義指向以及物理圖像的重點(diǎn)是“轉(zhuǎn)化”，而非守恒。然而在運(yùn)用定律解題時，“條件”的判斷往往成為了重點(diǎn)，造成了條件繁瑣多于規(guī)律本身的狀況，沒能很好地突出物理意義。

2 在數(shù)學(xué)推導(dǎo)中體現(xiàn)定律的物理圖像

在物理學(xué)家的工作語言中，對物理對象或范疇，“物理模型”強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)、機(jī)制與功能；“物理意義”強(qiáng)調(diào)其物理理論與本質(zhì)；“物理事件”強(qiáng)調(diào)其經(jīng)典意義上與力學(xué)意義上的相互作用；“物理圖像”強(qiáng)調(diào)其形象性、整體性與動態(tài)性；“物理圖景”則更強(qiáng)調(diào)與宏觀的物理學(xué)世界觀與方法論相聯(lián)系的“世界圖景”；并且對同一個物理范疇或?qū)ο螅陨蟽?nèi)容的闡釋應(yīng)該是互相統(tǒng)一的。機(jī)械能守恒定律的物理圖像也應(yīng)該與其物理意義相一致。

然而對現(xiàn)行機(jī)械能守恒定律教材，邢紅軍教授指出：“對于動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化，教材所舉‘物體沿光滑曲面滑下的例子只涉及了重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的情況，而對動能轉(zhuǎn)化為重力勢能的情況卻沒有包含，因此教材呈現(xiàn)的只是完整物理過程的一半?！币虼?，認(rèn)為應(yīng)該將現(xiàn)行教材的“物體沿光滑曲面滑下”的情境，換為光滑對稱曲面內(nèi)小球運(yùn)動的情境，以此凸顯機(jī)械能守恒定律中能量轉(zhuǎn)化雙向性的特點(diǎn)，呈現(xiàn)完整的物理圖像。我們認(rèn)為，這一做法與觀點(diǎn)是中肯的。以往的討論大都集中于“條件”，而不管機(jī)械能守恒定律所呈現(xiàn)的物理圖像是什么，實(shí)是一種偏差。

進(jìn)一步，我們認(rèn)為，機(jī)械能守恒定律的數(shù)學(xué)推導(dǎo)也應(yīng)該體現(xiàn)正確的物理圖像，這是緣于數(shù)學(xué)在物理學(xué)中也自然且必然地成為“物理化”的數(shù)學(xué)。事實(shí)上，數(shù)學(xué)之于物理不僅是重要的運(yùn)算工具，更承載著物理意義。對于物理教學(xué)工作，數(shù)學(xué)的形式與過程對物理意義的彰顯則尤其必要。無論是在動態(tài)還是靜態(tài)意義上，數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)在空間的呈現(xiàn)方式都給人以不同的因果暗示，這就是數(shù)學(xué)形式蘊(yùn)含物理意義的緣由。正如曹則賢先生指出：“關(guān)于方程不僅是兩個物理量在量上是相等的，有相同的量綱（dimension），更重要的是方程兩側(cè)所代表的物理圖像或抽象的思想內(nèi)容應(yīng)是自洽的、契合的。數(shù)學(xué)上等價的方程（或等式），在物理上未必是合理的?！币虼?，數(shù)學(xué)推導(dǎo)也應(yīng)呈現(xiàn)既有重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，又有動能向重力勢能的轉(zhuǎn)化的物理圖像。

3 定律的條件界定與表述形式

對高中物理“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)教學(xué)的研究除一般性的應(yīng)用研究和教學(xué)設(shè)計(jì)之外，有相當(dāng)部分的研究集中于對定律內(nèi)涵的理解上，更為具體地反映在對定律的條件界定及定律表述形式的討論上。

事實(shí)上，在更嚴(yán)格的意義上，機(jī)械能守恒的條件應(yīng)表述為：“當(dāng)一個系統(tǒng)所受外力之功等于零，而且與系統(tǒng)有關(guān)的機(jī)械能與非機(jī)械能的轉(zhuǎn)換并不發(fā)生?！敝栽赪外=0與W非內(nèi)=0之外增加強(qiáng)調(diào)，是因?yàn)閃外并不能排除系統(tǒng)與外界發(fā)生機(jī)械能與機(jī)械能的交換，如以非機(jī)械功或傳熱的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能，從而改變機(jī)械能。

機(jī)械能守恒定律本身的表述歷史上也曾有過眾多的變化和討論。現(xiàn)行人教版教材的對定律的表述形式為：“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變?！庇醒芯縿t指出：應(yīng)強(qiáng)調(diào)的其中的 “彈力”不僅包括彈簧的彈力，還有物體間因相互接觸而產(chǎn)生的內(nèi)彈力。

我們認(rèn)為，對定律本身的表述與理解不應(yīng)走向煩瑣哲學(xué)或八股條文，而應(yīng)以理解定律的深刻意義為宗旨。然而現(xiàn)有討論寧可花費(fèi)大量思路去“糾結(jié)”文字表述的嚴(yán)密性，而都不愿引入“非保守力”這一概念，實(shí)質(zhì)上是以學(xué)生學(xué)習(xí)新物理概念的機(jī)會換取了繁瑣與機(jī)械。而事實(shí)上，中學(xué)物理階段接觸的非保守力基本上只有摩擦力一種，因此，定律表示大可采取“排除法”——從反面來揭示定律的方式。即讓學(xué)生明晰：“系統(tǒng)的機(jī)械能沒有損失，即守恒，而造成機(jī)械能損失的絕大部分情況都是系統(tǒng)內(nèi)部摩擦力做功?！泵绹锢斫滩摹段锢恚涸砼c問題》的編寫方式為我們提供了啟示。該教材對機(jī)械能守恒的表述方式為：“如果不出現(xiàn)其他形式的能量，系統(tǒng)的機(jī)械能等于動能和勢能之和?！憋@然就呈現(xiàn)了“排除法”的思路。我們認(rèn)為，這種反面說明的角度有助于減少學(xué)生的思維負(fù)荷，并加深對定律意義的理解。而事實(shí)上，機(jī)械能沒有“損失”，就是“守恒（不變）”，其實(shí)質(zhì)還是“轉(zhuǎn)化”，舍此，去背一些繁瑣的條框則是舍本逐末。由是觀之，“機(jī)械能守恒的條件”則是一個物理意味寡淡的“末流問題”。

4 如何從物理圖像到物理圖景

我們認(rèn)為，機(jī)械能守恒定律教學(xué)更為深遠(yuǎn)的目標(biāo)是理解能量守恒并能夠以功能的視角審視物理學(xué)問題。然而長期以來的教學(xué)中，從動力學(xué)觀點(diǎn)到能量觀點(diǎn)則存在一個“階躍”，并且這一“飛躍”的意義異常重要，某種程度上正是學(xué)生從理解微觀的、動力學(xué)的“物理圖像”走向理解宏觀的、哲學(xué)的“世界圖景”的開始。

實(shí)現(xiàn)這一“階躍”困難的原因之一正是在于對機(jī)械能守恒定律意義與方向的忽視。如前所述，“能量守恒”的認(rèn)識關(guān)乎世界觀與方法論的變化，那么自然地，能量守恒定律的認(rèn)識就不是一個個體“實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果，而是人類“實(shí)踐”的結(jié)果。古希臘的“運(yùn)動不滅”思想、“活力守恒定律”、工程技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)踐、永動機(jī)的反面啟示、蒸汽機(jī)與熱能的應(yīng)用與研究等共同歷史地促成了人們對能量普遍轉(zhuǎn)化與守恒的理解。這在一定程度上也體現(xiàn)了教育與生產(chǎn)勞動相結(jié)合的必要和意義。因此，我們建議，教材編寫與教學(xué)應(yīng)該加強(qiáng)與生產(chǎn)實(shí)踐、工程實(shí)踐的聯(lián)系并進(jìn)行相對深入的功能分析，而非單純呈現(xiàn)個體的、偶然的、片段的生活實(shí)例。

教學(xué)中困難的原因之二在于教材編寫的順序問題。在我國現(xiàn)行人教版物理教材體系中，“機(jī)械能守恒定律”被單列一章，在介紹了功、動能、重力勢能、彈性勢能、以及動能定理之后，又單列了“機(jī)械能守恒”一節(jié)，最后設(shè)置“能量守恒與能源”一節(jié)。這種教學(xué)安排是想通過機(jī)械能守恒定律的教學(xué)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種“暗示”，引出“能量守恒”的概念。這里表現(xiàn)出的是一種“由特殊到一般”的思路。

具體的教學(xué)則采取了“從守恒條件”出發(fā)的方式，即從“只有重力做功”的情境出發(fā)，推出機(jī)械能守恒，再講解能量守恒，其實(shí)進(jìn)行了兩次“由特殊到一般”。有些教師還會再呈現(xiàn)“只有彈力做功”的情境，然后得出“機(jī)械能守恒的條件是只有重力和彈力做功”。然而學(xué)生不禁會問：為什么會想到與重力勢能轉(zhuǎn)化相聯(lián)系？條件為什么只有這兩個？是否還會有第三個？這一做法阻礙了學(xué)生對能量守恒理解的順暢性，最終影響學(xué)生形成平衡、和諧的物理知識構(gòu)架。

在具體的教學(xué)心理層面，為什么將重力做功與重力勢能的關(guān)系和動能定理結(jié)合起來會顯得突兀和不自然？首先，是因?yàn)閷W(xué)生之前有“一力不可二用”的思想，引起了之前知識的負(fù)遷移。以“一功”表示“兩能”的轉(zhuǎn)化，重力做功參與了兩個角度，學(xué)生在此會對重力做功“用了兩遍”而“打鼓”，然而這正是機(jī)械能“轉(zhuǎn)化”的體現(xiàn)。其次是因?yàn)?，動能定理的條件體現(xiàn)出非保守性和開放性，重力做功與重力勢能轉(zhuǎn)化關(guān)系體現(xiàn)出保守性，而二者聯(lián)合推出的機(jī)械能守恒定律則體現(xiàn)出封閉性與保守性，其中就存在復(fù)雜的齟齬。這也反映出，機(jī)械能守恒定律是比動能定理更為特殊的一個定理。

事實(shí)上，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過“能量守恒”。因此，高中物理再“謹(jǐn)小慎微”地推進(jìn)其實(shí)是低估了學(xué)生的理論思維水平，并會造成額外的困擾，在學(xué)科的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)“矮化”了學(xué)科的內(nèi)涵。其根本原因還是在于對機(jī)械能守恒定律地位以及物理意義的忽視和誤解。

相較之下，美國《物理：原理與問題》教材中機(jī)械能守恒定律所在章的標(biāo)題為“能量與能量守恒”，并且將“能量守恒定律”單列一節(jié)，“機(jī)械能守恒定律”僅作為本節(jié)一個次級知識點(diǎn)介紹。這里體現(xiàn)的是一種“從一般到特殊”的思路。中美教材的兩種處理方式不得不引起我們的深入思考。我們認(rèn)為，我國的教材改革也應(yīng)考慮嘗試“從一般到特殊”的順序展開。在更深層次上則是需要思考：教材編寫是否有必要將機(jī)械能守恒置于這樣高的地位？畢竟如前所述，“機(jī)械能守恒”物理意義的重點(diǎn)是“轉(zhuǎn)化”，而能量守恒的認(rèn)識則是實(shí)踐的產(chǎn)物。

參考文獻(xiàn)：

[1]Minhua Chen. Conservation and Non-conservation of Extensive Quantities [J].（未發(fā)表）.

[2][5]邢紅軍，胡揚(yáng)洋，李蓓. 機(jī)械能守恒定律的高端備課[J].（未發(fā)表）.

[3][4]曹則賢. 物理學(xué)咬文嚼字之十八：平、等與方程[J]. 物理，2008，37（12）：882.

[6]聶宜如，常利，常悅，等.普通物理專題研究[M]北京：首都師范大學(xué)物理系.（未出版）

[7]人民教育出版社 課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 物理2必修[M].北京：人民教育出版社，2006：69-72.

[8][10]齊澤維茨等著.錢振華，等，譯.科學(xué)發(fā)現(xiàn)者 物理 原理與問題[M]譯. 杭州：浙江教育出版社，2008.

[9]李艷平，申先甲.物理學(xué)史教程[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

（欄目編輯 陳 潔）

4 如何從物理圖像到物理圖景

我們認(rèn)為，機(jī)械能守恒定律教學(xué)更為深遠(yuǎn)的目標(biāo)是理解能量守恒并能夠以功能的視角審視物理學(xué)問題。然而長期以來的教學(xué)中，從動力學(xué)觀點(diǎn)到能量觀點(diǎn)則存在一個“階躍”，并且這一“飛躍”的意義異常重要，某種程度上正是學(xué)生從理解微觀的、動力學(xué)的“物理圖像”走向理解宏觀的、哲學(xué)的“世界圖景”的開始。

實(shí)現(xiàn)這一“階躍”困難的原因之一正是在于對機(jī)械能守恒定律意義與方向的忽視。如前所述，“能量守恒”的認(rèn)識關(guān)乎世界觀與方法論的變化，那么自然地，能量守恒定律的認(rèn)識就不是一個個體“實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果，而是人類“實(shí)踐”的結(jié)果。古希臘的“運(yùn)動不滅”思想、“活力守恒定律”、工程技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)踐、永動機(jī)的反面啟示、蒸汽機(jī)與熱能的應(yīng)用與研究等共同歷史地促成了人們對能量普遍轉(zhuǎn)化與守恒的理解。這在一定程度上也體現(xiàn)了教育與生產(chǎn)勞動相結(jié)合的必要和意義。因此，我們建議，教材編寫與教學(xué)應(yīng)該加強(qiáng)與生產(chǎn)實(shí)踐、工程實(shí)踐的聯(lián)系并進(jìn)行相對深入的功能分析，而非單純呈現(xiàn)個體的、偶然的、片段的生活實(shí)例。

教學(xué)中困難的原因之二在于教材編寫的順序問題。在我國現(xiàn)行人教版物理教材體系中，“機(jī)械能守恒定律”被單列一章，在介紹了功、動能、重力勢能、彈性勢能、以及動能定理之后，又單列了“機(jī)械能守恒”一節(jié)，最后設(shè)置“能量守恒與能源”一節(jié)。這種教學(xué)安排是想通過機(jī)械能守恒定律的教學(xué)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種“暗示”，引出“能量守恒”的概念。這里表現(xiàn)出的是一種“由特殊到一般”的思路。

具體的教學(xué)則采取了“從守恒條件”出發(fā)的方式，即從“只有重力做功”的情境出發(fā)，推出機(jī)械能守恒，再講解能量守恒，其實(shí)進(jìn)行了兩次“由特殊到一般”。有些教師還會再呈現(xiàn)“只有彈力做功”的情境，然后得出“機(jī)械能守恒的條件是只有重力和彈力做功”。然而學(xué)生不禁會問：為什么會想到與重力勢能轉(zhuǎn)化相聯(lián)系？條件為什么只有這兩個？是否還會有第三個？這一做法阻礙了學(xué)生對能量守恒理解的順暢性，最終影響學(xué)生形成平衡、和諧的物理知識構(gòu)架。

在具體的教學(xué)心理層面，為什么將重力做功與重力勢能的關(guān)系和動能定理結(jié)合起來會顯得突兀和不自然？首先，是因?yàn)閷W(xué)生之前有“一力不可二用”的思想，引起了之前知識的負(fù)遷移。以“一功”表示“兩能”的轉(zhuǎn)化，重力做功參與了兩個角度，學(xué)生在此會對重力做功“用了兩遍”而“打鼓”，然而這正是機(jī)械能“轉(zhuǎn)化”的體現(xiàn)。其次是因?yàn)?，動能定理的條件體現(xiàn)出非保守性和開放性，重力做功與重力勢能轉(zhuǎn)化關(guān)系體現(xiàn)出保守性，而二者聯(lián)合推出的機(jī)械能守恒定律則體現(xiàn)出封閉性與保守性，其中就存在復(fù)雜的齟齬。這也反映出，機(jī)械能守恒定律是比動能定理更為特殊的一個定理。

事實(shí)上，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過“能量守恒”。因此，高中物理再“謹(jǐn)小慎微”地推進(jìn)其實(shí)是低估了學(xué)生的理論思維水平，并會造成額外的困擾，在學(xué)科的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)“矮化”了學(xué)科的內(nèi)涵。其根本原因還是在于對機(jī)械能守恒定律地位以及物理意義的忽視和誤解。

相較之下，美國《物理：原理與問題》教材中機(jī)械能守恒定律所在章的標(biāo)題為“能量與能量守恒”，并且將“能量守恒定律”單列一節(jié)，“機(jī)械能守恒定律”僅作為本節(jié)一個次級知識點(diǎn)介紹。這里體現(xiàn)的是一種“從一般到特殊”的思路。中美教材的兩種處理方式不得不引起我們的深入思考。我們認(rèn)為，我國的教材改革也應(yīng)考慮嘗試“從一般到特殊”的順序展開。在更深層次上則是需要思考：教材編寫是否有必要將機(jī)械能守恒置于這樣高的地位？畢竟如前所述，“機(jī)械能守恒”物理意義的重點(diǎn)是“轉(zhuǎn)化”，而能量守恒的認(rèn)識則是實(shí)踐的產(chǎn)物。

參考文獻(xiàn)：

[1]Minhua Chen. Conservation and Non-conservation of Extensive Quantities [J].（未發(fā)表）.

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[3][4]曹則賢. 物理學(xué)咬文嚼字之十八：平、等與方程[J]. 物理，2008，37（12）：882.

[6]聶宜如，常利，常悅，等.普通物理專題研究[M]北京：首都師范大學(xué)物理系.（未出版）

[7]人民教育出版社 課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 物理2必修[M].北京：人民教育出版社，2006：69-72.

[8][10]齊澤維茨等著.錢振華，等，譯.科學(xué)發(fā)現(xiàn)者 物理 原理與問題[M]譯. 杭州：浙江教育出版社，2008.

[9]李艷平，申先甲.物理學(xué)史教程[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

（欄目編輯 陳 潔）

4 如何從物理圖像到物理圖景

我們認(rèn)為，機(jī)械能守恒定律教學(xué)更為深遠(yuǎn)的目標(biāo)是理解能量守恒并能夠以功能的視角審視物理學(xué)問題。然而長期以來的教學(xué)中，從動力學(xué)觀點(diǎn)到能量觀點(diǎn)則存在一個“階躍”，并且這一“飛躍”的意義異常重要，某種程度上正是學(xué)生從理解微觀的、動力學(xué)的“物理圖像”走向理解宏觀的、哲學(xué)的“世界圖景”的開始。

實(shí)現(xiàn)這一“階躍”困難的原因之一正是在于對機(jī)械能守恒定律意義與方向的忽視。如前所述，“能量守恒”的認(rèn)識關(guān)乎世界觀與方法論的變化，那么自然地，能量守恒定律的認(rèn)識就不是一個個體“實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果，而是人類“實(shí)踐”的結(jié)果。古希臘的“運(yùn)動不滅”思想、“活力守恒定律”、工程技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)踐、永動機(jī)的反面啟示、蒸汽機(jī)與熱能的應(yīng)用與研究等共同歷史地促成了人們對能量普遍轉(zhuǎn)化與守恒的理解。這在一定程度上也體現(xiàn)了教育與生產(chǎn)勞動相結(jié)合的必要和意義。因此，我們建議，教材編寫與教學(xué)應(yīng)該加強(qiáng)與生產(chǎn)實(shí)踐、工程實(shí)踐的聯(lián)系并進(jìn)行相對深入的功能分析，而非單純呈現(xiàn)個體的、偶然的、片段的生活實(shí)例。

教學(xué)中困難的原因之二在于教材編寫的順序問題。在我國現(xiàn)行人教版物理教材體系中，“機(jī)械能守恒定律”被單列一章，在介紹了功、動能、重力勢能、彈性勢能、以及動能定理之后，又單列了“機(jī)械能守恒”一節(jié)，最后設(shè)置“能量守恒與能源”一節(jié)。這種教學(xué)安排是想通過機(jī)械能守恒定律的教學(xué)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種“暗示”，引出“能量守恒”的概念。這里表現(xiàn)出的是一種“由特殊到一般”的思路。

具體的教學(xué)則采取了“從守恒條件”出發(fā)的方式，即從“只有重力做功”的情境出發(fā)，推出機(jī)械能守恒，再講解能量守恒，其實(shí)進(jìn)行了兩次“由特殊到一般”。有些教師還會再呈現(xiàn)“只有彈力做功”的情境，然后得出“機(jī)械能守恒的條件是只有重力和彈力做功”。然而學(xué)生不禁會問：為什么會想到與重力勢能轉(zhuǎn)化相聯(lián)系？條件為什么只有這兩個？是否還會有第三個？這一做法阻礙了學(xué)生對能量守恒理解的順暢性，最終影響學(xué)生形成平衡、和諧的物理知識構(gòu)架。

在具體的教學(xué)心理層面，為什么將重力做功與重力勢能的關(guān)系和動能定理結(jié)合起來會顯得突兀和不自然？首先，是因?yàn)閷W(xué)生之前有“一力不可二用”的思想，引起了之前知識的負(fù)遷移。以“一功”表示“兩能”的轉(zhuǎn)化，重力做功參與了兩個角度，學(xué)生在此會對重力做功“用了兩遍”而“打鼓”，然而這正是機(jī)械能“轉(zhuǎn)化”的體現(xiàn)。其次是因?yàn)?，動能定理的條件體現(xiàn)出非保守性和開放性，重力做功與重力勢能轉(zhuǎn)化關(guān)系體現(xiàn)出保守性，而二者聯(lián)合推出的機(jī)械能守恒定律則體現(xiàn)出封閉性與保守性，其中就存在復(fù)雜的齟齬。這也反映出，機(jī)械能守恒定律是比動能定理更為特殊的一個定理。

事實(shí)上，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過“能量守恒”。因此，高中物理再“謹(jǐn)小慎微”地推進(jìn)其實(shí)是低估了學(xué)生的理論思維水平，并會造成額外的困擾，在學(xué)科的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)“矮化”了學(xué)科的內(nèi)涵。其根本原因還是在于對機(jī)械能守恒定律地位以及物理意義的忽視和誤解。

相較之下，美國《物理：原理與問題》教材中機(jī)械能守恒定律所在章的標(biāo)題為“能量與能量守恒”，并且將“能量守恒定律”單列一節(jié)，“機(jī)械能守恒定律”僅作為本節(jié)一個次級知識點(diǎn)介紹。這里體現(xiàn)的是一種“從一般到特殊”的思路。中美教材的兩種處理方式不得不引起我們的深入思考。我們認(rèn)為，我國的教材改革也應(yīng)考慮嘗試“從一般到特殊”的順序展開。在更深層次上則是需要思考：教材編寫是否有必要將機(jī)械能守恒置于這樣高的地位？畢竟如前所述，“機(jī)械能守恒”物理意義的重點(diǎn)是“轉(zhuǎn)化”，而能量守恒的認(rèn)識則是實(shí)踐的產(chǎn)物。

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（欄目編輯 陳 潔）