各版本教材中“功與動能”的內(nèi)容比較與教學(xué)建議

摘 要：比較、分析現(xiàn)行各版本教材中對于“功、動能和動能定理”相關(guān)知識的編排、引入等，并根據(jù)實際存在的問題結(jié)合物理學(xué)史提出相應(yīng)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：功;動能;動能定理;物理學(xué)史

“能量”是物理學(xué)基本概念，能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律是物理學(xué)的基本原理，能量觀念是高中物理核心素養(yǎng)中的重要物理觀念，無論是從宏觀上把握物理學(xué)科的整體結(jié)構(gòu)，還是局部的求解一個具體的物理問題，都不可或缺。

而“功”是學(xué)生學(xué)習(xí)“功和能”時接觸的第一個物理量，“動能”基本上是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一個“能量”，而“動能定理”則是學(xué)生對“功能關(guān)系”的最初體驗。所以，對功、動能（定理）的理解程度，直接影響學(xué)生對功能關(guān)系的正確認識以及整個能量觀念的建立。

本文選取《物理必修第二冊》山東科學(xué)技術(shù)出版社2019年版（魯科版必修二）、人民教育出版社2019年版（人教版必修二）、廣東教育出版社2005年版（粵教版必修二）、上?？萍冀逃霭嫔?007年版（滬科版必修二）四套教科書進行比較研究，比較其在內(nèi)容章節(jié)位置編排、章節(jié)內(nèi)內(nèi)容安排、概念引入定義等的區(qū)別。

一、相關(guān)內(nèi)容的編排比較

在整個“功和機械能”相關(guān)內(nèi)容的編排上，各個版本教材處理方式迥異。魯科版將其放在第一章，在學(xué)習(xí)拋體運動、圓周運動、萬有引力和近代物理之前。而人教版和粵教版都將其放到了最后一章，滬科版將其放在了拋體運動和圓周運動之后，整體位置亦比較靠后，如表格1所示。

從章節(jié)編排順序來說，魯科版顯得更為科學(xué)。能量觀念和牛頓第二定律、動量觀念一樣，是高中物理解題的基本武器，也是分析和理解各種物理過程的重要視角。拋體運動、圓周運動、萬有引力等是否有學(xué)習(xí)對做功、能量、功能關(guān)系的新知識學(xué)習(xí)并沒有太大的影響，而如果先學(xué)習(xí)完功和能的相關(guān)概念，再學(xué)習(xí)拋體運動、圓周運動、萬有引力等，不僅可以不斷印證功能關(guān)系的普遍性，更能用能量的視角去審視學(xué)習(xí)新學(xué)運動形式，加深理解、豐富認知。

在“動能與動能定理”的內(nèi)容安排上，魯科版、人教版、粵教版都從“功”這一概念引入，再引入能量的概念，而滬科版卻是從動能說起，更符合物理學(xué)史，但是脫離“功”的鋪墊，學(xué)生理解起來頗有難度。

二、相關(guān)概念引入、定義的比較

在“功”的定義上，各版本教材基本上都是沿用初中的說法或者直接給出，然后給出不共線情況以及計算方法。而在“動能”這一概念的引入方面，通常采用以下兩種做法：一是利用生活中的直觀感受得到動能與質(zhì)量、速度的定性關(guān)系，然后直接給出表達式;二是直接用牛頓第二定律進行推導(dǎo)，將功FS等式左邊，右邊為兩個相似表達式相減，然后直接給出即為動能的表達式，如人教版教材中“很可能是一個具有特定意義的物理量”即是此類。在“動能定理”的得出上，除了人教版教材是直接用牛頓第二定律推導(dǎo)得出之外，其他三套教材都采用了理論推導(dǎo)+實驗探究的模式。表格2為各版本教材相關(guān)概念的引入和定義比較。

三、對現(xiàn)行教材中相關(guān)內(nèi)容的思考

各個教材中理論教學(xué)情境和實驗教學(xué)情境的結(jié)合，能夠有效地幫助學(xué)生建立與動能相關(guān)的概念，但同時也存在一些可供討論的地方。

（1）理論教學(xué)情境會疏離學(xué)生的感性認知。

“知識邏輯展開”的整個思維過程過于空洞、貧乏，給學(xué)生虛無縹緲的感覺。比如，“功”的定義都是直接給出，沒有指明這樣定義的原因，為什么要定義一個功？為什么是F·S而不是F·S2呢？還有人教版中從數(shù)學(xué)關(guān)系里面發(fā)現(xiàn)的特殊性，這種直接由牛頓運動定律和運動學(xué)規(guī)律，通過簡單推導(dǎo)就得出了一個新的物理概念、規(guī)律，不免使學(xué)生對“動能、動能定理的緣由”產(chǎn)生困惑，此外，還會有“數(shù)學(xué)凌駕物理”之感。如果不能有效解決以上問題，公式推導(dǎo)就會使學(xué)生產(chǎn)生相應(yīng)的負遷移，學(xué)生會認為任何物理概念都可不經(jīng)實驗操作而直接通過演繹推導(dǎo)得到，更為重要的是，這種理論推導(dǎo)完全不能體現(xiàn)動能及動能定理在物理學(xué)中的重要地位。[1]利用理論分析和公式推導(dǎo)容易使學(xué)生誤以為動能的概念是從理論上來定義，而不是人們在長期的科學(xué)實踐中建立起來的。[2]

（2）實驗教學(xué)情境不易把控。

本部分實驗主要包含在研究動能相關(guān)因素的定性實驗和探究合外力做功與動能變化量的定量實驗。前者顯得尤為刻意且充滿預(yù)設(shè)，為什么我們就直接研究動能和質(zhì)量、速度的關(guān)系而不是與其他物理量呢？定性分析之后，教材基本都采用初中物理中關(guān)于動能的定義并直接給出，這樣固然可使問題闡述前后連貫，互不矛盾，易于學(xué)生接受，卻也易使學(xué)生脫離生活實際，對動能不能充分認識到“運動的物體可以做功，所以物體由于運動而具有能量”。在后面合外力做功與動能改變的定量實驗中，雖然滬科版和粵教版都將實驗冠以“探究”之名，但實質(zhì)上都是已知表達式的驗證性實驗而已;魯科版教材將探究放在了公式推導(dǎo)的前面，多了一些探究的意味，但在設(shè)計探究實驗時，一般由老師根據(jù)教材直接給出實驗方案，弱化了學(xué)生的主動性，容易使實驗流于形式。

（3）關(guān)鍵點“功能關(guān)系”的得出沒有鋪墊和探究。

學(xué)生對于“功能關(guān)系”的認識應(yīng)該在“動能定理”的得出之前，所以“功能關(guān)系”應(yīng)該有更加正式的出現(xiàn)場合。而教材中基本上直接給出“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”而沒有說明理由，人教版教材以“外力對物體做多少功，能量就改變多少”的思路定量推導(dǎo)出動能計算公式在得到動能的計算式后順勢給出動能定理表述，強調(diào)公式中的功為合力做的功。這一過程可以使學(xué)生體會功和能之間、力做功與物體能量變化之間關(guān)系密切，但是沒有一定的鋪墊和探究。

動能、動能定理教學(xué)的主要問題在于沒有對這一概念產(chǎn)生的原因和本質(zhì)給予深刻地詮釋，沒有將其產(chǎn)生過程與實際的生產(chǎn)生活、歷史事件關(guān)聯(lián)，使學(xué)生沒有規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程的體驗感、代入感，思維缺乏錨點。

四、教學(xué)建議：物理學(xué)史的運用

動能乃至能量概念的建立過程非常曲折，而在教材相關(guān)知識學(xué)習(xí)中，這一部分的物理學(xué)史是缺位的。教育重演論指出，學(xué)習(xí)科學(xué)的過程與人類研究科學(xué)的過程存在一定的相似性，可以說是對人類研究科學(xué)過程的“重演”。[3]因此，可以在教學(xué)中引入物理學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生重演“動能”這一概念建立的曲折過程，加深認識，并汲取其蘊含的豐富哲學(xué)思想。按照程力對問題情境的分類，物理學(xué)史是一種典型的學(xué)習(xí)探索問題情境，兼具科學(xué)與人文，其豐富的內(nèi)容和獨特的視角，能夠促進學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)提升及課程目標的達成。[4]

“功”這一概念是“工程師的應(yīng)用力學(xué)得出，并強迫理論家接受它?！盵5]（恩格斯語）早在17世紀，物理學(xué)家們便根據(jù)使用機械的一般經(jīng)驗來探討機械或“力”的守恒。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中總結(jié)機械效能的運用無非是減慢速度以增加力，或者反之。萊布尼茲在研究運動量的過程中，認為把1磅重的物體A提升4英尺的力，等同于把4磅重的物體B提升1英尺的力，其所謂的“力”，其實便蘊含重力做功的觀念。在蒸汽機發(fā)明之后，工程師們需要比較各種機械的效益，約定將機械舉高物體的重量和路程的乘積來衡量一個機械的輸出。經(jīng)過納維葉、科里奧利等努力，將其和萊布尼茲的“活力”聯(lián)系在一起，“功”被引入到物理學(xué)中。

“動能”概念來源于對于守恒量的追尋，伽利略17世紀開始研究擺的等高性，思考其中必然蘊含某一種“運動的不變量”。后來，笛卡爾和牛頓都主張用動量作為描述運動的量，而萊布尼茲與惠更斯則主張用質(zhì)量與速度平方的乘積，萊布尼茲稱其為“活力”，稱動量為“死力”，并提出“活力守恒”這一結(jié)論。在達朗貝爾進行總結(jié)之前，活力和死力之爭持續(xù)了很長時間。1831年，科里奧利定義了“功”這一概念，并將活力的表達式由mv2修改為，并通過積分給出功與動能的關(guān)系：，由此動能定理得以建立。

由此可見，功、能的發(fā)展史本來就是豐富多彩而又波瀾曲折的，其中蘊含著豐富的物理思想、哲學(xué)思辨，并和生產(chǎn)生活、工業(yè)發(fā)展積極緊密聯(lián)系在一起，是一座容易被人忽視的寶庫，我們需要重新審視相關(guān)物理學(xué)史的真正價值，挖掘其中的有用素材，加深學(xué)生對知識的理解，樹立正確的能量觀念，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1]阿不都克由木·吾吉阿不拉、邢紅軍、李晶、石堯.物理學(xué)史的力量—物理概念教學(xué)的新視角—以動量概念的建立為例[J].教育科學(xué)研究，2017（09）：40-45.

[2]許慧.高中物理能量相關(guān)知識的教學(xué)研究[D].蘇州大學(xué)，2008.

[3]王全、母小勇.“科學(xué)史-探索”教學(xué)模式的“重演”論基礎(chǔ)[J].課程.教材.教法，2008，（7）

[4]程力、李勇.基于高考評價體系的物理科考試內(nèi)容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38

[5]恩格斯.自然辯證法[M].北京：人民出版社，1984：88

作者簡介：尹嵩山，男，福建省廈門集美中學(xué)，中學(xué)一級教師