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各版本教材中“功与动能”的内容比较与教学建

时间:2021-07-09 人气:

  摘 要:比较、分析现行各版本教材中对于“功、动能和动能定理”相关知识的编排、引入等,并根据实际存在的问题结合物理学史提出相应的教学建议。
  关键词:功;动能;动能定理;物理学史
  “能量”是物理学基本概念,能量的转化和守恒定律是物理学的基本原理,能量观念是高中物理核心素养中的重要物理观念,无论是从宏观上把握物理学科的整体结构,还是局部的求解一个具体的物理问题,都不可或缺。
  而“功”是学生学习“功和能”时接触的第一个物理量,“动能”基本上是学生学习的第一个“能量”,而“动能定理”则是学生对“功能关系”的最初体验。所以,对功、动能(定理)的理解程度,直接影响学生对功能关系的正确认识以及整个能量观念的建立。
  本文选取《物理必修第二册》山东科学技术出版社2019年版(鲁科版必修二)、人民教育出版社2019年版(人教版必修二)、广东教育出版社2005年版(粤教版必修二)、上海科技教育出版社2007年版(沪科版必修二)四套教科书进行比较研究,比较其在内容章节位置编排、章节内内容安排、概念引入定义等的区别。
  一、相关内容的编排比较
  在整个“功和机械能”相关内容的编排上,各个版本教材处理方式迥异。鲁科版将其放在第一章,在学习抛体运动、圆周运动、万有引力和近代物理之前。而人教版和粤教版都将其放到了最后一章,沪科版将其放在了抛体运动和圆周运动之后,整体位置亦比较靠后,,如表格1所示。
  从章节编排顺序来说,鲁科版显得更为科学。能量观念和牛顿第二定律、动量观念一样,是高中物理解题的基本武器,也是分析和理解各种物理过程的重要视角。抛体运动、圆周运动、万有引力等是否有学习对做功、能量、功能关系的新知识学习并没有太大的影响,而如果先学习完功和能的相关概念,再学习抛体运动、圆周运动、万有引力等,不仅可以不断印证功能关系的普遍性,更能用能量的视角去审视学习新学运动形式,加深理解、丰富认知。
  在“动能与动能定理”的内容安排上,鲁科版、人教版、粤教版都从“功”这一概念引入,再引入能量的概念,而沪科版却是从动能说起,更符合物理学史,但是脱离“功”的铺垫,学生理解起来颇有难度。
  二、相关概念引入、定义的比较
  在“功”的定义上,各版本教材基本上都是沿用初中的说法或者直接给出,然后给出不共线情况以及计算方法。而在“动能”这一概念的引入方面,通常采用以下两种做法:一是利用生活中的直观感受得到动能与质量、速度的定性关系,然后直接给出表达式;二是直接用牛顿第二定律进行推导,将功FS等式左边,右边为两个相似表达式相减,然后直接给出即为动能的表达式,如人教版教材中“很可能是一个具有特定意义的物理量”即是此类。在“动能定理”的得出上,除了人教版教材是直接用牛顿第二定律推导得出之外,其他三套教材都采用了理论推导+实验探究的模式。表格2为各版本教材相关概念的引入和定义比较。
  三、对现行教材中相关内容的思考
  各个教材中理论教学情境和实验教学情境的结合,能够有效地帮助学生建立与动能相关的概念,但同时也存在一些可供讨论的地方。
  (1)理论教学情境会疏离学生的感性认知。
  “知识逻辑展开”的整个思维过程过于空洞、贫乏,给学生虚无缥缈的感觉。比如,“功”的定义都是直接给出,没有指明这样定义的原因,为什么要定义一个功?为什么是F·S而不是F·S2呢?还有人教版中从数学关系里面发现的特殊性,这种直接由牛顿运动定律和运动学规律,通过简单推导就得出了一个新的物理概念、规律,不免使学生对“动能、动能定理的缘由”产生困惑,此外,还会有“数学凌驾物理”之感。如果不能有效解决以上问题,公式推导就会使学生产生相应的负迁移,学生会认为任何物理概念都可不经实验操作而直接通过演绎推导得到,更为重要的是,这种理论推导完全不能体现动能及动能定理在物理学中的重要地位。[1]利用理论分析和公式推导容易使学生误以为动能的概念是从理论上来定义,而不是人们在长期的科学实践中建立起来的。[2]
  (2)实验教学情境不易把控。
  本部分实验主要包含在研究动能相关因素的定性实验和探究合外力做功与动能变化量的定量实验。前者显得尤为刻意且充满预设,为什么我们就直接研究动能和质量、速度的关系而不是与其他物理量呢?定性分析之后,教材基本都采用初中物理中关于动能的定义并直接給出,这样固然可使问题阐述前后连贯,互不矛盾,易于学生接受,却也易使学生脱离生活实际,对动能不能充分认识到“运动的物体可以做功,所以物体由于运动而具有能量”。在后面合外力做功与动能改变的定量实验中,虽然沪科版和粤教版都将实验冠以“探究”之名,但实质上都是已知表达式的验证性实验而已;鲁科版教材将探究放在了公式推导的前面,多了一些探究的意味,但在设计探究实验时,一般由老师根据教材直接给出实验方案,弱化了学生的主动性,容易使实验流于形式。
  (3)关键点“功能关系”的得出没有铺垫和探究。
  学生对于“功能关系”的认识应该在“动能定理”的得出之前,所以“功能关系”应该有更加正式的出现场合。而教材中基本上直接给出“功是能量转化的量度”而没有说明理由,人教版教材以“外力对物体做多少功,能量就改变多少”的思路定量推导出动能计算公式在得到动能的计算式后顺势给出动能定理表述,强调公式中的功为合力做的功。这一过程可以使学生体会功和能之间、力做功与物体能量变化之间关系密切,但是没有一定的铺垫和探究。
  动能、动能定理教学的主要问题在于没有对这一概念产生的原因和本质给予深刻地诠释,没有将其产生过程与实际的生产生活、历史事件关联,使学生没有规律发现过程的体验感、代入感,思维缺乏锚点。
  四、教学建议:物理学史的运用
  动能乃至能量概念的建立过程非常曲折,而在教材相关知识学习中,这一部分的物理学史是缺位的。教育重演论指出,学习科学的过程与人类研究科学的过程存在一定的相似性,可以说是对人类研究科学过程的“重演”。[3]因此,可以在教学中引入物理学史,引导学生重演“动能”这一概念建立的曲折过程,加深认识,并汲取其蕴含的丰富哲学思想。按照程力对问题情境的分类,物理学史是一种典型的学习探索问题情境,兼具科学与人文,其丰富的内容和独特的视角,能够促进学生的学科核心素养提升及课程目标的达成。[4]

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