三種版本初中物理教材“速度”概念的比較及教學(xué)策略

朱柏樹

摘 要 比較人教版、蘇科版和上教版三個版本教材對“速度”概念的不同描述，分析各版本教材編寫的特點。從高中“速度”的教學(xué)要求出發(fā)，分析學(xué)生在初高中階段對速度概念認(rèn)知的發(fā)展，明確初中“速度”的內(nèi)涵，提出初中“速度”的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞 不同版本 速度 認(rèn)知發(fā)展 初高中銜接 教學(xué)策略

一、三種版本教材“速度”描述的比較

1.三種版本教材“速度”的描述

（1）人教版教材[1]中速度描述

人教版教材使用比值定義法定義速度，給出速度計算公式和速度的物理意義，沒有將速度的定義限定于直線運動。

（2）蘇科版教材[2]中速度描述

蘇科版教材給出了速度的物理意義和計算公式，沒有使用比值定義法定義速度，也沒有將速度的定義限定于直線運動。

（3）上教版教材[3]中速度的概念出現(xiàn)在“勻速直線運動”中

上教版教材給出速度計算公式和速度的物理意義，將速度的定義限定于直線運動。比值定義法的思想體現(xiàn)不明顯。

2.三種版本教材“速度”的描述差異

比較上述三種教材，它們的主要差異有兩點：

（1）是否使用比值定義法定義速度；

（2）是否將速度的定義限定于直線運動。

同一個概念，不同版本教材描述為什么會出現(xiàn)上述兩點差別呢？這是由速度這個概念的特殊性所決定的。速度是學(xué)生惟一歷經(jīng)初中、高中和大學(xué)三個學(xué)段學(xué)習(xí)的一個“特殊”概念，隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生對它的認(rèn)識逐漸加深和提高。初中“速度”作為一個過渡性概念，不同版本教材編者對它的理解與認(rèn)識的不同，導(dǎo)致描述方式出現(xiàn)差異。

二、從高中“速度”看初中“速度”

1.高中對速度的認(rèn)識

在高中，與速度直接相關(guān)的物理量有四個：平均速度、瞬時速度、平均速率和瞬時速率。它們的定義如表1所示。

學(xué)生進(jìn)入高中學(xué)習(xí)時，在直線運動中，用位移定義速度，認(rèn)識其矢量性，形成平均速度的認(rèn)識。再用極限或微分的數(shù)學(xué)方法將平均速度發(fā)展成瞬時速度。

2.對初中“速度”的認(rèn)識

（1）初中“速度”的內(nèi)涵

初中“速度”是一個過渡性概念，它將發(fā)展成高中的平均速度。從初中到高中，學(xué)生對速度概念認(rèn)知的發(fā)展過程如圖4所示。

學(xué)生在初中“速度”的認(rèn)識基礎(chǔ)上，融入矢量性的知識后，用位移定義速度，將初中速度發(fā)展成高中的平均速度。所以，表1中高中的四個“速度”中與初中速度直接對接的是平均速度，即初中速度是高中平均速度的“前身”。

因此，初中速度應(yīng)該是高中平均速度中除矢量性外的其他內(nèi)容，即初中速度就是高中平均速度的大小。

（2）將初中“速度”的定義限定于直線運動

需要注意的是，在表1中，質(zhì)點的路程s與經(jīng)過這一段路程所用時間△ t 的比值，即vs=，定義的是平均速率。當(dāng)質(zhì)點沿曲線運動時，位移大小小于路程，其平均速率大于平均速度的大小，這時平均速率不等于平均速度的大小，它們的意義和結(jié)果都是不同的。

在初中，如果不限定于直線運動，直接用“路程與時間的比值”來定義速度，這種定義方式定義的是平均速率，而不是平均速度的大小。如果再將這一定義應(yīng)用在曲線運動中，雖然教學(xué)時不向?qū)W生提及平均速率的概念，但這時在學(xué)生的潛意識中，他們對速度的定義所形成的是高中平均速率的認(rèn)識，他們會在無意識中將初中速度定位成高中的平均速率，后續(xù)學(xué)習(xí)中將自然地將其發(fā)展成平均速率。這樣的發(fā)展軌跡偏離初中速度的發(fā)展方向。而將初中速度的定義及應(yīng)用都限定在直線運動中，就可避免學(xué)生對初中速度的認(rèn)識產(chǎn)生上述偏差。

雖然初中教學(xué)中我們不要求學(xué)生區(qū)分平均速度的大小與平均速率的不同，但有一點是肯定的，初中速度作為一個過渡性概念，我們給學(xué)生的定義即使是階段性的，也必須是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模荒茏寣W(xué)生在潛意識中形成偏離發(fā)展方向的、錯誤的認(rèn)識。

因此，在初中定義速度時，應(yīng)將其定義限定于直線運動。上教版教材（圖3）中在定義速度時加上“直線運動”的限制條件，正是基于這樣的考慮。

三、三種版本教材速度描寫的分析

人教版教材（圖1）中，突出比值定義法的思想，但表述過于簡單，未將速度的定義限定于直線運動。如果教師在教學(xué)中處理不當(dāng)，學(xué)生容易將概念定位成高中的平均速率，不利于高中階段的教學(xué)。這樣的描寫可能使初中學(xué)生在潛意識中對速度概念的構(gòu)建“偏離正道”。

雖然人教版教材在定義速度時，沒有加上直線運動的條件，但在本章教材的小結(jié)“學(xué)到了什么”[1]中又將速度的定義限定于直線運動，如圖5所示。

很顯然，該處對速度定義時，編者考慮了初中速度將來的發(fā)展方向，這樣的定義更嚴(yán)謹(jǐn)、更科學(xué)、更規(guī)范，既體現(xiàn)比值定義法的思想，又避免學(xué)生認(rèn)識上的差錯。

在教學(xué)實踐中，經(jīng)常有學(xué)生將圖1與圖5比較后，對圖5中為什么加上“直線運動”的條件提出疑問。因此，教材編寫時，與其千呼萬喚始出來，不如在圖1中對速度定義時直接加上“在直線運動中”的限定條件，使教材描述前后一致。

蘇科版教材（圖2）中，描述比較謹(jǐn)慎，為避免將學(xué)生帶入平均速率的誤區(qū)，沒有用比值定義法對速度進(jìn)行定義，也就未能體現(xiàn)速度的比值定義法的思想。教材中只將v=說成速度的計算公式，會使學(xué)生對其認(rèn)識仍只停留于小學(xué)數(shù)學(xué)的認(rèn)知水平，沒有從物理量的角度來研究速度，未能體現(xiàn)物理概念的教學(xué)要求。這樣的描寫會導(dǎo)致初中學(xué)生對速度概念的構(gòu)建“短了一截”。

在2012年改版時，除速度外，教材中其他用比值定義法定義的物理量都使用比值定義法，唯獨速度是個例外，可能編者的意圖是為避免學(xué)生將“初中速度”定位成高中的平均速率。

上教版教材（圖3）中，將速度的定義限定于直線運動，可避免學(xué)生將其應(yīng)用到曲線運動中去，從而避免學(xué)生將概念定位成平均速率，概念的描寫相對合理，這樣的安排充分考慮到概念的后續(xù)發(fā)展，嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范。只是教材中，比值定義法思想體現(xiàn)不明顯，使得學(xué)生對速度概念的構(gòu)建因教材描寫的“羞羞答答”而“缺了一角”。

四、優(yōu)化初中“速度”教學(xué)的策略

1.突出比值定義，突顯思想方法

比值定義法是物理學(xué)中定義導(dǎo)出物理量的一種方法。速度是初中學(xué)生接觸的第一個用比值定義法定義的物理量。初中教學(xué)應(yīng)有別于小學(xué)數(shù)學(xué)和生活中的認(rèn)識，要讓學(xué)生從科學(xué)規(guī)范定義的角度對其形成科學(xué)的認(rèn)知。因此，初中物理教學(xué)中應(yīng)采用比值定義法定義速度，讓學(xué)生明確v=是速度的定義式，而不只是小學(xué)數(shù)學(xué)中的計算公式，體現(xiàn)比值定義法定義物理量的思想。

根據(jù)導(dǎo)出物理量的定義要求[4]，初中“速度”的定義為：速度是表示物體運動快慢的物理量（定性定義），在直線運動中其大小等于物體通過的路程s跟通過這一路程所用時間t的比值（定量定義）。依其定量定義可得出速度的定義式為：v=。

2.限定直線運動，避免誤入歧途

由前文分析已知，初中速度是高中平均速度的大小，則定義式中v=的路程s就必須等于位移的大小。如果物體做曲線運動，其路程大于位移的大小，v=定義的就不是平均速度大小，而是平均速率，這與初中速度發(fā)展方向是不一致的。因此，在定義初中速度時，加上物體沿直線運動的限定條件，其位移大小才等于路程，初中速度才是高中平均速度的大小。

初中教學(xué)中也不要將速度的定義應(yīng)用于曲線運動，這些問題在高中會用平均速率和線速度的概念進(jìn)行研究和分析。初中學(xué)生對速度知識的認(rèn)知不完備，他們不具備解決曲線運動問題所需的知識，如果初中教學(xué)時向前跨出一步，讓學(xué)生將其運用于曲線運動，他們通過自身的思維對概念進(jìn)行自我建構(gòu)，將初中速度定位成平均速率，形成錯誤的認(rèn)識，不利于高中“速度”概念的建立。

3.理解兩種“速度”，利于初高中銜接

“速度”與“平均速度”是初中學(xué)生在本章學(xué)習(xí)中遇到的兩個概念，三種版本的教材都在無意間將它們進(jìn)行了“割裂”，使學(xué)生誤以為它們是兩種完全不同的“速度”。上教版和人教版教材尤為明顯。上教版教材分別在兩種運動中給出兩種速度，互不關(guān)聯(lián)，彼此獨立。人教版教材的本章小結(jié)“學(xué)到了什么”[1]中在勻速直線運動中定義速度（如圖5所示）后，卻又另起一行：“在變速運動中，常用平均速度粗略描述運動的快慢”，這似乎在暗示學(xué)生，速度與平均速度是有區(qū)別的，它們只能分別運用在各自對應(yīng)的運動中。平時教學(xué)實踐中我們也發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生誤認(rèn)為此處的平均速度與此前的速度是兩個概念，從而錯誤地認(rèn)為速度是用來描述勻速直線運動，平均速度只是用來描述變速直線運動，它們是有區(qū)別的。

為使學(xué)生全面正確認(rèn)識兩種“速度”，有利于初中“速度”的發(fā)展，在給出平均速率概念后，按以下三個步驟展開教學(xué)。

第一步，統(tǒng)一兩種“速度”

教學(xué)中在平均速度的概念出現(xiàn)后，我們要回過頭來讓學(xué)生重新認(rèn)識速度的定義，使他們認(rèn)識到不管“勻速”還是“變速”直線運動中，所定義的都是平均速度，知道速度與平均速度不是兩個不同的概念，在初中它們是一致的，此前速度定義的就是平均速度。

第二步，比較兩種運動

勻速直線運動中的平均速度與時間選擇無關(guān)，變速直線運動中的平均速度與時間選擇有關(guān)。教學(xué)中要讓學(xué)生認(rèn)識到這一點，并通過對兩種運動中平均速度的比較，加深對平均速度的理解。

本片斷教學(xué)可利用人教版教材中圖1.3-3[1]（如圖6所示）。

先讓學(xué)生計算圖6中兩種運動每一段的平均速度和全程的平均速度，計算結(jié)果如表2。

再引導(dǎo)學(xué)生分析比較表2兩種運動中每一段的平均速度和全程的平均速度的大小，得出以下結(jié)論：（1）勻速直線運動中每段的平均速度與全程平均速度相同；（2）變速直線運動中每段平均速度一般不相同；變速直線運動全程平均速度與每段平均速度一般不相同。

最后，通過學(xué)生討論，形成以下認(rèn)識：（1）勻速直線運動中平均速度與所選時間無關(guān)；（2）變速直線運動中平均速度與所選時間有關(guān)，只能粗略描述物體運動的快慢。

第三步，留下發(fā)展空間

在變速直線運動中，提出以下兩個問題討論：

（1）全程與各段的平均速度相比，哪種方式計算的平均速度描述變速運動的快慢更準(zhǔn)確？

（2）要使描述汽車運動快慢更準(zhǔn)確一點，計算平均速度的時間應(yīng)如何選取？

通過學(xué)生討論，得出計算平均速度時所選取的時間越短，平均速度描述變速物體運動快慢越準(zhǔn)確的結(jié)論。學(xué)生在此基礎(chǔ)上自然會產(chǎn)生新的疑問：計算平均速度時如何才能使時間取得更短呢？這就為高中瞬時速度的教學(xué)留下思維的懸念、留下思考的空間，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣與欲望。

綜上所述，在初中“速度”的教學(xué)中應(yīng)充分考慮概念在初高中的銜接，從利于學(xué)生對概念認(rèn)知的發(fā)展方面來設(shè)計教學(xué)。用比值定義法的思想定義速度，使學(xué)生認(rèn)識到物理量與生活（或小學(xué)數(shù)學(xué)）中的“速度”的不同；不突破直線運動的范圍，避免初中學(xué)生潛意識中將其界定成高中的“平均速率”；認(rèn)識定義的是平均速度，其描述的準(zhǔn)確程度依賴于時間t的選取，為高中平均速度發(fā)展成瞬時速度的教學(xué)留下伏筆。

參考文獻(xiàn)

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[4] 楊廣佚.淺談物理量的定義方法[J].大眾科技，2010（3）.

【責(zé)任編輯 郭振玲】