兩套教材對物體在重力場中運(yùn)動(dòng)的比較

宮 雪 方 偉

（上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234）

隨著我國新課程改革的不斷深入，對教材的改革也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).我國傳統(tǒng)教材內(nèi)容局限在物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量3個(gè)部分，沒有實(shí)質(zhì)性的變化.德國卡爾斯魯厄物理課程起源于卡爾斯大學(xué)，以德國赫爾曼教授為核心的精心力作，不僅教材內(nèi)容新穎獨(dú)特，還吸收了當(dāng)代物理發(fā)展的最新成果，展現(xiàn)了物理教學(xué)體系的新篇章.本文將以物體在重力場中的運(yùn)動(dòng)為例，比較人教版教材與德國KPK教材的不同，希望能拓寬人們對物理課程的視野，促進(jìn)我國課程改革的進(jìn)一步發(fā)展.

1 兩套教材的教材體系的研究

1.1 兩套教材的內(nèi)容比較

物體在重力場中的運(yùn)動(dòng)主要分為兩個(gè)部分，分別為自由落體運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng).

人教版《物理》教材中自由落體這一節(jié)內(nèi)容位于必修1的第二章第5節(jié)，平拋運(yùn)動(dòng)位于必修2第五章第3節(jié).

物體下落的運(yùn)動(dòng)是一種常見的運(yùn)動(dòng)，那么不同的物體，下落得快慢是否相同呢？

早在16世紀(jì)末，伽利略認(rèn)為重的物體與輕的物體下落得同樣快，通過猜想與假說和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了“如果完全排除空氣阻力，那么，所有物體將下落得同樣快.”

這時(shí)，落體運(yùn)動(dòng)也就真的成為自由落體運(yùn)動(dòng)了.從力和運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā)得出自由落體運(yùn)動(dòng)就是“物體只有在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)”.由定義［1］可知

拋體運(yùn)動(dòng)規(guī)律在學(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)之后，在學(xué)習(xí)完坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，通過生活中的實(shí)例得出“以一定速度將物體拋出，在空氣阻力可以忽略的情況下，物體只受重力作用，它的運(yùn)動(dòng)叫做拋體運(yùn)動(dòng)”［2］.平拋運(yùn)動(dòng)的初速度方向是沿水平方向的，因此可以得出

在德國KPK教材中，物體在重力場中的運(yùn)動(dòng)被安排在第三章第3節(jié)，前面幾節(jié)介紹了動(dòng)量流和能流等相關(guān)知識，通過讓手中的物體自由下落到地面，把這個(gè)現(xiàn)象解釋為有強(qiáng)度為mg 的動(dòng)量流入物體，降落距離越長，物體儲(chǔ)存的動(dòng)量越多，運(yùn)動(dòng)得就越快［3］.即

整理得

把這種物體從地球流入動(dòng)量的情況下的運(yùn)動(dòng)，叫做自由落體.而物體在水平方向的動(dòng)量保持不變，做勻速直線運(yùn)動(dòng)；物體在豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)，這樣的運(yùn)動(dòng)叫做平拋運(yùn)動(dòng).

從以上內(nèi)容的比較可以看出，德國KPK教材跟我國教材相比不僅新而且全，KPK 教材摒棄了舊的力學(xué)概念，用流體模型建構(gòu)了整個(gè)課程體系［4］，內(nèi)容的邏輯性更強(qiáng)，雖然這些內(nèi)容存在一定的難度，但對學(xué)生來說還是可以接受的.

1.2 兩套教材的結(jié)構(gòu)比較

從結(jié)構(gòu)體系比較而言，可以從邏輯性、知識發(fā)展和認(rèn)知規(guī)律這3個(gè)方面進(jìn)行比較［5］.按照邏輯性的順序人教版教材將自由落體運(yùn)動(dòng)劃分在直線運(yùn)動(dòng)中，平拋運(yùn)動(dòng)劃分在曲線運(yùn)動(dòng)中.可見，人教版教材嚴(yán)格按照學(xué)生思維的邏輯順序設(shè)置教學(xué)結(jié)構(gòu)，安排教學(xué)活動(dòng)，具有分散性.人教版教材更側(cè)重于歷史發(fā)展，按照知識發(fā)展順序來說，我國教材是按照力的發(fā)展過程層層遞進(jìn)，由淺入深，先引入概念，再說明原理和應(yīng)用.按照學(xué)生認(rèn)知規(guī)律特點(diǎn)來說，人教版力學(xué)方面的基礎(chǔ)知識主要還是集中于必修1的第三章，其中包括重力、彈力、摩擦力等，而自由落體運(yùn)動(dòng)這一節(jié)知識內(nèi)容安排在第二章節(jié)，被研究的物體只有重力作用下的運(yùn)動(dòng)才屬于自由落體運(yùn)動(dòng)，這是學(xué)生還沒有就接觸到重力的概念，由此可以看出教材知識的結(jié)構(gòu)體系不符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn).

德國KPK 教材的結(jié)構(gòu)體系在邏輯性方面比我國人教版強(qiáng)，它是以實(shí)物型量為中心的概念，采用動(dòng)量流模型建構(gòu)課程結(jié)構(gòu)，在教材體系上沒有涉及力和功的概念，在研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，KPK 教材以動(dòng)量流引入，只有從地球流入物體的動(dòng)量流，沒有從其他動(dòng)量流流入或流出，從地球流入物體的動(dòng)量越多，物體積聚起來的動(dòng)量越大，物體運(yùn)動(dòng)的速度就越大，且下落前物體靜止，流入物體的動(dòng)量方向始終豎直向下，這樣的運(yùn)動(dòng)叫做自由落體運(yùn)動(dòng).在課程結(jié)構(gòu)安排上，KPK 教材將自由落體運(yùn)動(dòng)、豎直上拋運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)以及有摩擦的情況安排在物體在重力場中的運(yùn)動(dòng)這一節(jié)，由此可看出KPK教材在教材整體框架方面具有整體性，它打破了原有的知識框架，使課程變得更加精簡，從總體上考慮，更符合現(xiàn)代化的教學(xué)內(nèi)容.

KPK 教材在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了類比的形式，符合人們的認(rèn)知規(guī)律，同時(shí)可以把難以理解的抽象概念轉(zhuǎn)變得更加形象生動(dòng)，更容易讓學(xué)生去理解，還可以側(cè)敲學(xué)生舉一反三的能力，產(chǎn)生觸類旁通的效果.

縱觀整個(gè)KPK 結(jié)構(gòu)及其表述形式，我們發(fā)現(xiàn)KPK 教材將物理學(xué)歸分為以下幾門學(xué)科，包括電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)，并把這些學(xué)科綜合在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，以物質(zhì)性物理量、強(qiáng)度量、流和能流這4個(gè)物理量構(gòu)成KPK教材各個(gè)分支的主干［6］，其中物質(zhì)性物理量是KPK教材結(jié)構(gòu)可以堪稱“頂梁柱”，在課程的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)中起著舉足輕重的作用.另外，KPK 教材還以能量貫穿物理的所有概念，能量可以從一個(gè)系統(tǒng)傳遞到另外一個(gè)系統(tǒng)，因此我們可以把能量當(dāng)做流體來研究，這也就是在定義自由落體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候所提到的動(dòng)量流，不明肆意，能量這個(gè)概念具有及其普遍的意義，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他物理概念重要.在應(yīng)用方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了物理學(xué)領(lǐng)域，在科學(xué)技術(shù)、人類生活等領(lǐng)域具有不可磨滅的重要意義.

2 兩套教材的思想評述

當(dāng)今世界國與國之間的競爭說到底就是科技和人才的競爭，而整個(gè)科學(xué)技術(shù)要想發(fā)展最重要的基礎(chǔ)還是物理學(xué)，是否具有強(qiáng)大的科技實(shí)力決定于一個(gè)國家在世界的地位，所以說科技很重要，學(xué)好物理也很重要.

對于人教版物理教材的優(yōu)點(diǎn)我們都看得見，在中國大部分地區(qū)仍在沿用人教版教材，但時(shí)代在發(fā)展，物理學(xué)的發(fā)展成果這些所謂的新的知識應(yīng)該附加在教材中，否則學(xué)生的視角仍局限在經(jīng)典的物理學(xué)中，而中學(xué)物理課程內(nèi)容變得越來越多，學(xué)生的接受能力有一定的局限，這就要求我們進(jìn)行課程改革.

在物理教學(xué)研究領(lǐng)域，卡爾斯魯厄大學(xué)是碩果累累，這主要得益于G.Falk教授等一大批德才兼?zhèn)涞奈锢韺W(xué)家和物理學(xué)教學(xué)專家.以他們?yōu)楹诵牡膱F(tuán)隊(duì)站在現(xiàn)在物理學(xué)新成就的高度，重新審視時(shí)代對人才的要求，從更高、更遠(yuǎn)的視角，通過對物理學(xué)發(fā)展史的回顧和反思，解構(gòu)業(yè)已成形的各種物理學(xué)圖景，對傳統(tǒng)物理學(xué)的研究視角、描述方法、知識體系與邏輯框架進(jìn)行了梳理、修整、重構(gòu)等大膽的探索與假設(shè).由于他們的努力，一門嶄新的物理學(xué)課程—— 卡爾斯魯厄物理課程（簡稱KPK）誕生了.

KPK 教材有著獨(dú)特的課程思想和全新的課程結(jié)構(gòu)，在物理課程內(nèi)容方面做了大量的工作，從廣延量出發(fā)，引入另外一些重要的物理概念，如動(dòng)量流、動(dòng)量、熵、驅(qū)動(dòng)力等，但KPK教材摒棄了力、熱、功等物理概念，建構(gòu)了全新的概念結(jié)構(gòu)和思想，并把各個(gè)分支學(xué)科（如力、熱、電、化學(xué)等）融合交叉在一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)內(nèi)［7］，這樣一個(gè)分支學(xué)科的知識規(guī)律和結(jié)構(gòu)可以通過類比的方法遷移到其他另一分支學(xué)科，同時(shí)也使彼此有了相互聯(lián)系，由此，我們可以以一種全新的眼光和獨(dú)特的角度來認(rèn)識自然科學(xué)，我們的視野也可以加以開拓.在章節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置上也是循序漸進(jìn)，從課程的基礎(chǔ)廣延量和強(qiáng)度量出發(fā)，引出流概念，讓看似靜止的物理量在空間內(nèi)流動(dòng)，注入一種生命活力.KPK 教材同時(shí)也采用公式和表格的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來更加簡單化.這也使物理課程真正地變得精簡化，實(shí)現(xiàn)了物理課程內(nèi)容的現(xiàn)代化.

3 結(jié)束語

物理學(xué)的重要程度在我們生活中已經(jīng)有所體會(huì)了，但就目前我國物理教材改革現(xiàn)狀而言，其效果令人擔(dān)憂，對于國內(nèi)研究者所占有的觀點(diǎn)基本上都大同小異，教材開發(fā)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)基本雷同，這就需要我們尋找新的視角和高度.KPK 教材作為新生事物的代表，其內(nèi)容是全新的，以新生概念實(shí)物型量的流來建構(gòu)整個(gè)教材結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)也與我們傳統(tǒng)物理教材大有不同，KPK 的課程開發(fā)與研究令我們思考，如果我們用一種新的眼光看待我國傳統(tǒng)物理課程的不足，我相信，引入KPK 的物理思想和課程結(jié)構(gòu)必定推進(jìn)我國物理課程改革.

1 課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·必修1.北京：人民教育出版社，2004

2 課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理·必修2.北京：人民教育出版社，2004

3 F.Herrmann.德國KPK 物理高中精編版.上海：上海教育出版社，2013

4 吳國玢.淺談德國KPK 教材的基本特點(diǎn).物理與工程，2010，20（5）：6～9

5 張娜，熊建文.不同教材對牛頓定律處理方法的比較.物理教師，2014，35（6）：6～13

6 劉運(yùn)新.德國中學(xué)物理教材的知識結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析.中學(xué)物理，2009，27（15）：24～26

7 涂靜秀.中德兩套初中物理教材的比較，2010，31（9）：47～48