從理論到實驗 從特殊到一般 凸顯學生認知規律
——5版本高中教材動能定理文本編排的比較研究及教學建議

劉富民

(陜西師范大學出版總社,陜西 西安 710062)

從理論到實驗 從特殊到一般 凸顯學生認知規律
——5版本高中教材動能定理文本編排的比較研究及教學建議

劉富民

(陜西師范大學出版總社,陜西 西安 710062)

從編排位置、動能表達式的得出、實驗探究與理論探究動能定理及其應用等方面比較了5版本教材關于動能定理編排的異同,綜合各版本教材的優勢,基于學生學習基礎,對這些關鍵環節分別給出了相關的教學建議．

動能定理;5版本教材;編排;比較;教學建議

動能定理在高中物理中有重要的地位．課標要求分別從實驗和理論推導兩個方面來探究得出動能定理,無論實驗探究還是理論探究,都只要求探究恒力做功的情況．[1]這符合人們認識事物從簡單到復雜、從特殊到一般的規律．

1 5版本教材關于“動能定理”編排的比較

1.1 安排位置上的比較

5版本教材都把動能和動能定律編排在高中物理必修2之中,但具體位置有所不同．使用不同版本教材的學生學習動能定理時的知識儲備不同,面臨的問題和困惑也不同,這也涉及學生學習過程是否能夠在教材引領下由淺入深、由簡單到復雜,循序漸進地學習．好的編排應該符合認知規律,使得學生學習過程中思路清晰,更易構建知識之間的聯系．

人教版教材:必修2第7章第6節為“實驗:探究功與速度變化的關系”，第7節為“動能和動能定理”.在此前，學生學過了曲線運動、功、功率、重力勢能、探究彈性勢能的表達式等知識．

粵教版教材:必修2第4章第2節“動能勢能”中編排了動能的概念和表達式的推導,第3節編排了“探究外力做功與動能變化的關系”.在此前，學生學過了功、動能、重力勢能等知識．

教科版教材:必修2第4章第4節為“動能 動能定理”.在此前，學生學過了功、功率、勢能等知識．

滬科版教材:必修2第3章第1節為“探究動能的變化跟做功的關系”，第3節為“動能定理的應用”,而第2節為“研究功與功率”．在此前，學生學過拋體運動和圓周運動等知識．

魯科版教材:必修2第2章“能量守恒與轉化”的第1節為“動能的改變”.在上一章中，學生學過了機械功、功和能、功率等知識．

1.2 編排內容上的差異

(1) 差異的比較.

差異1:魯科版教材在編排動能定理之前沒有介紹曲線運動,其余4版本教材在此前都編排了拋體運動、圓周運動等內容．沒有學習曲線運動,不能立即把動能定理的適用范圍推廣到一般情況．

差異2:滬科版教材對動能定理的探究和應用分2節編排,間隔了“研究功和功率”一節．這是因為滬科版教材在探究外力做功與動能變化的關系時,學生還沒有學習功,對力與位移方向不相同時所做的功、功的正負以及多個共點力所做的功、變力做功等沒有掌握,而這些是在應用動能定理時必備的知識,這樣就增加了學習難度．

差異4:粵教、魯科版教材在編排動能定理時已經編排了功能關系,而人教、滬科、教科版教材沒有．功能關系比較抽象,是教學難點．在教學中能夠通過實例分析,讓學生理解功能關系,對動能定理的引入、推導、理解都大有裨益．

(2) 相關教學建議.

① 先學習曲線運動的章節,后學習機械能的章節,并且把動能定理的學習安排在功、功率之后.② 通過列舉大量的實例分析后,讓學生理解功能關系.③ 把動能、定能定理、動能定理的應用安排在一起．

2 得出動能表達式的比較

在5版本教材中,動能表達式的編排可分為如下兩類．

魯科版教材給出動能的概念后,提出問題:“物體動能的大小與哪些因素有關呢?”接著通過演示實驗定性探究后,直接給出表達式．

教學建議:建議在定性實驗探究的基礎上,推導出表達式．定性探究實驗,可以吸引學生的注意力,讓學生更好地投入到學習中．理論推導符合動能的概念和動能定理的歷史過程,這一過程體現了物理學前輩們的科學思維方式,又與學生的已有基礎知識和實際認知水平相符合,以有利于歷史追問與教學現實之間的有機結合．

3 理論探究與實驗探究的比較

5版本教材都從理論和實驗兩方面探究外力做功與動能變化的關系,但是在理論探究、實驗探究以及兩者的先后安排上都有差異．

3.1 兩者先后安排上的比較

人教、粵教、魯科版教材先實驗探究后理論探究,而滬科、教科版教材則先理論探究得出結論,后實驗探究．先進行理論探究,使得實驗探究有明確方向．如果先進行實驗探究,要么動能表達式只能硬塞給學生,要么在實驗探究中不提及動能的表達式和概念,在后面的理論探究中再給出．

3.2 理論探究上的比較

5版本教材中關于理論探究的物理情景分別如圖1～圖3所示.

圖1 粵教版教材中的探究情景

圖2 人教、教科、魯科版教材中的探究情景

圖3 滬科版教材中的探究情景

(1) 共同點.

① 都是物體在力F的作用下做勻變速直線運動,經過位移s后,速度由v1增加到v2.

③ 所給情景中力與運動方向都相同．

(2) 差異性.

① 粵教版教材中物體在水平方向受到兩個力,恒定拉力F和阻力f,其余只有一個力．

② 滬科版教材中所舉的例子,貼近生活,其余版本教材中設置的情景都是抽象后的純物理情景．

3.3 實驗探究上的比較

5版本教材都通過實驗來探究外力做功與物體動能變化的關系,相關的實驗探究裝置分別如圖4～圖8所示．

圖4 人教版教材中的實驗裝置

圖5 滬科版教材中的實驗裝置

圖6 教科版教材中的實驗裝置

圖7 魯科版教材中的實驗裝置

圖8 粵教版教材中的實驗裝置

人教版教材:如圖4所示，“小車在橡皮筋作用下彈出,沿木板滑行．當把2條、3條…同樣的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次…實驗時,使每次實驗中橡皮筋拉伸的長度都保持一致…如果把第1次實驗時橡皮筋做的功記為W,以后各次所做的功就是2W、3W…”“小車獲得的速度可以由紙帶和打點計時器測出．進行若干次測量,可以得到若干組功和速度的數據．”然后作出W-v圖像，得到二者的定量關系．(在人教社最近剛修訂的教材中，將實驗裝置中的拉力分別改為由重物和橡皮筋提供，其處理思路未變.)

教科版教材:如圖6所示，“借用探究加速度與力、質量關系的實驗裝置打出的紙帶及拉力F與小車的質量m的數據,量出起始點至各計數點的距離,計算小車在打下各計數點時的瞬時速度,進而計算出小車運動到打下各計數點過程中合外力對它所做的功以及所增加的動能ΔEk,看看它們是否相等．”

魯科版教材:如圖7所示，對實驗方案做了詳細的介紹,實驗方案與滬科版教材相同．

粵教版教材:如圖8所示，重物拖著紙帶自由下落,打點計時器在紙帶上打下一系列點．測出兩紙帶上點之間的距離,計算出打這兩點時重物的瞬時速度、動能和動能的增量，求得打這兩點的時間間隔內重力對物體做功．比較重力做功和動能的變化,到外力做功與物體動能變化的關系．

(1) 5版本教材探究方案的差異性.

① 平衡摩擦力方法不同．人教、粵教、教科、魯科版教材采用把長木板墊高的方法,滬科教材用氣墊導軌“消除”摩擦力．

② 測速度所用的核心器材不同．人教、粵教、教科、魯科版教材用打點計時器,滬科版教材用光電門．

③ 提供拉力的方法不同．滬科、魯科、教科版教材是采用懸掛鉤碼等重物來提供恒定拉力,粵教版教材是用重物的自身重力來提供恒定拉力,人教版教材則由橡皮筋對小車提供彈力來實現．

④ 研究的運動不同．人教版教材中是先做加速度減小的加速運動,然后做勻速運動;滬科版教材中研究的是在水平面上的勻加速直線運動;教科、魯科版教材中研究的是在斜面上的勻加速直線運動;粵教版教材中研究的是自由落體運動．

⑤ 處理數據的方法不同．人教版教材采用作圖法處理數據;粵教、教科版教材都采用列表法,并由教材給出表格;滬科版教材給出兩種數據處理的方法,一是對比數據歸納法,二是作圖法;魯科版教材采用列表法,要求學生自己設計表格．

(2) 相關教學建議.

先理論探究后實驗探究,用理論探究的結論指導實驗探究,從而把實驗探究變成定向探究,降低探究的難度．5版本教材的實驗器材選取都符合課程標準(簡稱課標)中“打點計時器或光電計時器”的要求．粵教、教科、滬科、魯科版教材符合課標要求的“恒力做功”,而人教版教材則是涉及變力做功問題．建議采用教科、滬科、魯科版教材的實驗裝置來探究外力做功與物體動能變化的關系．數據處理時,建議先列表,后作圖．通過列表記錄數據,然后通過計算、分析、歸納得出結論,培養學生的歸納能力,而作圖可以培養學生獲取和處理信息的能力．

4 關于動能定理應用的比較

4.1 定理適用范圍的推廣

教材中對于動能定理是從簡單的恒力做功和勻變速直線運動的情景，通過實驗和推導得到,但其適用范圍不局限于恒力做功和勻變速直線運動,還適用于變力做功以及曲線運動．人教、粵教、教科版教材都明確地推廣了動能定理的適用范圍．人教版教材還簡述了證明方法，“當物體受變力作用,或做曲線運動時,把過程分成許多小段,認為物體在每小段運動中受到恒力,運動的軌跡是直線,這樣也能得到動能定理．”滬科版教材僅給出了一個變力做功的例題．而魯科版教材,由于學生還未學有關曲線運動的知識,沒有推廣定理的適用范圍．

4.2 定理應用的比較

(1) 5版本教材的做法.

教科版和魯科版教材中有定性分析與生產、生活聯系的素材．教科版教材中介紹了飛機在航空母艦上的起飛、賽車在短時間的啟動以及高速公路上開得快的車輛需要留有更長的制動距離等.魯科版教材中有剎車、保齡球撞擊球瓶的事例．粵教版和教科版教材在課后都提出了相關的實踐活動．粵教版教材中安排有“測平拋物體時所做的功、估測自行車受到的阻力、收集汽車剎車距離與速度關系的數據,要求用動能定理進行解釋；對于測變力所做的功,要求用平拋儀、彈簧測力計等器材測出小球沿斜槽下滑時摩擦力所做的功”．教科版教材則要求估測人手上拋石塊時所做的功．

(2) 相關教學建議.

① 把動能定理的適用范圍從特殊推廣到一般,并指出也適用于曲線運動和變力做功的情況.② 講解例題時,應引導學生自己歸納好應用動能定理解題的方法,要求學生用牛頓第二定律和勻變速直線運動的規律來求解直線運動中恒力做功的問題,從中比較兩種方法的優劣.③ 開展課外實踐活動,如何測定變力所做功等.這樣的科技活動十分有趣,能吸引學生,并可幫助學生建立知識點之間的聯系,促進他們的認知水平由單一結構向關聯結構升華．

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M]. 北京:人民教育出版社,2003.

2017-02-13)