不同教材中力的合成與分解內(nèi)容的比較及重構(gòu)建議

周棟梁 時春華

摘 ? ?要：力的合成與分解是運動與相互作用觀形成和發(fā)展的重要節(jié)點，不同教材對其組織方式不盡相同.教師應(yīng)從宏觀、中觀和微觀三個層面進(jìn)行比較.宏觀層面上應(yīng)該關(guān)注運動與相互作用間的關(guān)聯(lián)性，中觀層面應(yīng)該突出概念建構(gòu)的內(nèi)外關(guān)聯(lián)，微觀層面上則需激活實驗設(shè)計原型，并在力的分解內(nèi)容組織上體現(xiàn)其工具性特點.

關(guān)鍵詞：運動與相互作用;力的合成;力的分解;教材;重構(gòu)

“運動與相互作用”是物理學(xué)核心概念之一，其對應(yīng)問題解決的一般思維流程如圖1所示.顯然，作為力的等效處理方法的力的合成和分解是運動與相互作用觀形成和發(fā)展的重要節(jié)點.綜觀2019年人教版、2010年人教版、滬科版、教科版、粵教版、魯科版六種版本的內(nèi)容組織，其總體結(jié)構(gòu)基本一致，但具體到兩個概念的內(nèi)容組織，其理念不盡相同，其中“力的分解”內(nèi)容組織更是出現(xiàn)2019年人教版、2010年人教版與其他四種版本編寫理念截然相反的情況，這在教材編寫中極為少見.為此，本文先對其內(nèi)容組織方式進(jìn)行比較，然后據(jù)此提出重構(gòu)建議.

一、教材內(nèi)容組織的比較

教材內(nèi)容組織是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及宏觀、中觀和微觀三個層面.為此，本文分別從這三個層面進(jìn)行分析、比較.

（一）教材內(nèi)容組織的宏觀比較

關(guān)于力的合成和分解宏觀層面上的內(nèi)容組織，需要體現(xiàn)出它們在運動與相互作用觀形成和發(fā)展中的地位和作用.因此，其內(nèi)容組織首先需要回答為何要引入力的合成概念.

1. 引入力的合成概念的組織方式

關(guān)于為何要引入力的合成概念的內(nèi)容組織，六種版本的組織方式可歸結(jié)為滬科版、2019年人教版和其他四種版本三種方式.

（1）滬科版的組織方式

以斜拉橋塔柱、橋面平衡為學(xué)習(xí)主題，探尋鋼索斜向拉力對研究對象的共同作用效果，以此體現(xiàn)引入“力的合成”概念的必要性.

（2）2019年人教版的組織方式

“力的合成和分解”這一節(jié)先安排圖2所示的導(dǎo)入性問題，再呈現(xiàn)一些日常生活事例，以此引入力的合成概念.

（3）其他四種版本的組織方式

均以日常生活事例為情境，期望以此體現(xiàn)引入力的合成概念的必要性.例如2010年人教版教材呈現(xiàn)了如圖3所示的卡通圖.

2.引入力的合成概念組織方式的比較

就教材編寫理念而言，2019年人教版站在運動與相互作用觀形成和發(fā)展的高度，滲透運動與相互作用之間的關(guān)聯(lián)性;滬科版體現(xiàn)工程教育與科學(xué)教育相整合理念，而其他四種版本則體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”思想.就概念建構(gòu)教學(xué)邏輯而言，2019年人教版、滬科版體現(xiàn)了清晰的教學(xué)邏輯，而其他四種版本，雖然呈現(xiàn)日常生活實例，但問題是“一個成年人用的力與兩個小孩用的力效果相同”與引入力的合成概念之間并不存在邏輯上的必然性！

（二）教材內(nèi)容組織的中觀比較

教材專題、單元的內(nèi)容組織，在中觀層面上需要系統(tǒng)規(guī)劃專題、單元內(nèi)重要概念、基礎(chǔ)概念之間的內(nèi)外關(guān)聯(lián)方式，以體現(xiàn)出層次清晰的知識結(jié)構(gòu)和教學(xué)邏輯.

1.力的合成和分解外在關(guān)聯(lián)內(nèi)容組織的比較

（1）力的合成與分解外在關(guān)聯(lián)的內(nèi)容組織

關(guān)于力的合成和分解的外在關(guān)聯(lián)，主要指向結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)主題的構(gòu)建方式.對此，六種版本內(nèi)容組織方式可歸結(jié)為滬科版與其他五種版本兩種類型.

①滬科版的組織方式

整個單元圍繞斜拉橋塔柱及橋身平衡這一工程化主題展開“力的合成”“力的分解”“共點力的平衡及其應(yīng)用”三個層面的項目學(xué)習(xí).

②其他五種版本的組織方式

2010年人教版、教科版由日常生活現(xiàn)象引入力的合成概念，又通過拖拉機(jī)拉靶和人斜向上拉汽車情境引入力的分解概念;其他三種版本則是在力的合成概念之后直接引入力的分解概念，沒有體現(xiàn)出情境上的關(guān)聯(lián).

（2）力的合成與分解外在關(guān)聯(lián)方式的比較

滬科版在單元結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)了清晰的問題解決思想，而每個課時對應(yīng)問題解決的一個方面，符合新頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)所倡導(dǎo)的基于項目學(xué)習(xí)、基于問題解決學(xué)習(xí)的課程理念[1];其他五種版本的外在關(guān)聯(lián)方式則相對松散，問題解決思想體現(xiàn)較為隱晦.

2.力的合成與分解內(nèi)在關(guān)聯(lián)內(nèi)容組織的比較

（1）力的合成與分解內(nèi)在關(guān)聯(lián)的內(nèi)容組織

力的合成與分解的內(nèi)在關(guān)聯(lián)主要體現(xiàn)在教學(xué)邏輯的兩個層面：一是需要回答為何在建構(gòu)起“力的合成”概念及其運算法則后又引入“力的分解”方法.因為，原則上，只要建立了平行四邊形定則即可處理力系簡化問題;二是合乎邏輯地組織“力的分解”是“力的合成”的逆運算.對此，六種版本的內(nèi)容組織方式可歸結(jié)為2019年人教版、滬科版及其他四種版本三種類型.

①2019年人教版的組織方式

通過圖4所示探究合力與分力關(guān)系實驗中F1、F2和F順序的調(diào)整，使之轉(zhuǎn)化為“探究力的分解規(guī)律”實驗，進(jìn)而說明力的分解是力的合成的逆運算.

②滬科版組織方式

以斜拉橋塔柱為研究對象，并對兩鋼索的拉力按圖5所示方式分解，說明力的分解也是一種力的等效處理方式.

③其他四種版本組織方式

都是基于力的合成與力的分解概念內(nèi)涵，直接指出力的分解是力的合成的逆運算，然后安排力的分解例題與習(xí)題.

（2）力的合成與分解內(nèi)在關(guān)聯(lián)方式的比較

六種版本教材均沒有闡述為何在建構(gòu)起“力的合成”概念及平行四邊形定則后又引入“力的分解”方法，而對力的分解是力的合成的逆運算的組織，除2019年人教版以外的五種版本直接加以說明，雖然這樣并不影響學(xué)生處理工具的建構(gòu)和應(yīng)用，但是，按2019年人教版的組織方式，可以很好地滲透“說話、做事要講道理，要合乎邏輯的科學(xué)價值觀” [2].

（三）教材內(nèi)容組織的微觀比較

教材微觀設(shè)計包含兩個方面：一是落實宏觀、中觀規(guī)劃;二是微觀層面上的內(nèi)容組織和呈現(xiàn)方式的設(shè)計.對此，本文從三個方面進(jìn)行比較.

1.問題情境與實驗方案關(guān)聯(lián)性的比較

力的合成情境創(chuàng)設(shè)除了需要體現(xiàn)宏觀、中觀設(shè)計思想外，還需要在微觀層面上考慮問題情境對實驗方案設(shè)計的啟發(fā)性.

（1）問題情境與實驗方案關(guān)聯(lián)性的組織

幾種版本教材都依據(jù)圖4所示的形變等效原理.至于問題情境與實驗方案關(guān)聯(lián)性的組織，六種版本教材可歸結(jié)為滬科版與其他五種版本兩種類型.

①滬科版的組織方式

通過以斜拉橋塔柱、橋面的平衡為研究對象，可以為實驗方案提供兩個設(shè)計方向，其中塔柱平衡與鋼索斜向拉力之間的關(guān)系和圖4所示實驗方案更為匹配.

②其他五種版本的組織方式

都創(chuàng)設(shè)了類似于圖3所示的狀態(tài)等效情境，而呈現(xiàn)的實驗則是圖4所示的形變等效實驗.

（2）問題情境與實驗方案關(guān)聯(lián)性的比較

滬科版中塔柱平衡與形變等效具有內(nèi)在一致性，是實驗方案的問題原型，由此組織實現(xiàn)了中觀層面上的外在關(guān)聯(lián)與微觀層面上的實驗原型設(shè)計融合起來;而其他版本所呈現(xiàn)的狀態(tài)等效情境與形變等效實驗的方案匹配性較差，不利于實驗的原型激活.當(dāng)然，即使按滬科版方式組織，教師在教學(xué)中仍然需要運用適當(dāng)方式激活實驗原型，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計或者是體會圖4所示的實驗方案.

2.力的分解方式內(nèi)容組織的比較

（1）力的分解方式的內(nèi)容組織

力的分解是平行四邊形定則應(yīng)用方式的拓展.常規(guī)力的分解方式有按效果分解法、正交分解法和按需分解法.關(guān)于其內(nèi)容組織，包含兩個方面，一是力的分解方式的選擇，二是對應(yīng)的實驗安排.綜觀六種版本的內(nèi)容組織，2019年人教版、2010年人教版與其他四種版本的編寫思想截然相反.

①2010年人教版、2019年人教版的組織方式

取消了按力的作用效果進(jìn)行分解的提示，當(dāng)然也不存在對應(yīng)的實驗安排，而是通過圖6所示的例題或習(xí)題直接要求：“現(xiàn)在需要沿平行于斜面的方向和垂直于斜面的方向?qū)ξ矬w的運動和力分別進(jìn)行研究”（注：著重符號系筆者添加）為此建立直角坐標(biāo)系……

②其他四種版本的組織方式

都強調(diào)按力的作用效果進(jìn)行分解，并且安排了圖7、8、9類型的實驗，目的是讓學(xué)生體會相關(guān)力的作用效果.

（2）力的分解方式內(nèi)容組織的比較

基于運動與相互作用問題解決的思維流程，對復(fù)雜力系簡化時，是根據(jù)運動情況研究的需要，而不是局限于按作用效果進(jìn)行，因此，特別強調(diào)按力的作用效果進(jìn)行分解是極為不妥的.至于對應(yīng)的實驗安排，更是隱含邏輯問題.例如，在圖8所示重力作用效果顯示實驗中，斜面形變情況顯示是定性的，我們無法據(jù)此判斷出施加在斜面上的力是沿圖10中的F1方向而不是沿F2等方向！其他幾個實驗同樣如此.

3.力的分解解釋性組織方式的比較

一些版本教材呈現(xiàn)了運用其解釋日常生活現(xiàn)象，我們將其稱之為力的分解解釋性.

（1）力的分解解釋性的內(nèi)容組織

可歸結(jié)為2010年人教版、2019年人教版及其他四種版本，而且2010年人教版與其他版本在編寫思想上截然相反.

①2010年人教版的組織方式

2010年人教版教材淡化這一問題，整節(jié)內(nèi)容中僅就橋梁坡度進(jìn)行簡要說明.

②2019年人教版的組織方式

2019年人教版教材，正文部分完全取消了力的分解解釋性，但在章末復(fù)習(xí)題中，卻安排了斧頭劈木材習(xí)題，并配以圖11所示力的分解處理方法提示.

③其他四種版本的組織方式

滬科版、粵教版、教科版、魯科版重視力的分解解釋性，特別是魯科版、教科版，引入斧頭劈木材等現(xiàn)象的解釋.

（2）力的分解解釋性的內(nèi)容組織的比較

我們在比較兩類組織方式之前，先審視其解釋中的科學(xué)性問題.

斧頭“劈”木材，需要明確劈開木材關(guān)鍵是質(zhì)量較大的斧頭具有較大初速的“劈”，而不是用力F緩慢地“壓”，其正確的現(xiàn)象解釋如下.

由此看來，單純“力的分解”不具備解釋此類物理現(xiàn)象的功能！

根據(jù)上面分析，除了2010年人教版外，其他版本在力的分解解釋性上存在潛在的科學(xué)性問題.

二、教材內(nèi)容組織的重構(gòu)建議

通過六種版本教材內(nèi)容組織的比較，我們認(rèn)為有必要對教材內(nèi)容在宏觀、中觀和微觀層面進(jìn)行重構(gòu)，具體建議如下.

（一）教材內(nèi)容重構(gòu)的宏觀建議

站在運動與相互作用觀形成和發(fā)展的高度審視教材內(nèi)容組織，我們建議在宏觀層面上按新人教版的組織方式，設(shè)置滲透運動與相互作用觀的導(dǎo)入性問題.

（二）教材內(nèi)容重構(gòu)的中觀建議

1.構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)主題，體現(xiàn)問題解決思想

鑒于中觀層面外在關(guān)聯(lián)方式、微觀層面實驗原型與實驗方案關(guān)聯(lián)性比較，建議在外在關(guān)聯(lián)的設(shè)計上，參照滬科版結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)主題設(shè)計方式，滲透問題解決思想，構(gòu)建項目學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動.

2.體現(xiàn)引入力的分解方法的教學(xué)邏輯

為體現(xiàn)力的分解概念建構(gòu)的教學(xué)邏輯，需要設(shè)計相應(yīng)的問題情境，讓學(xué)生體會到單純運用力的合成求解合力的困難性.為此，建議將2019年人教版教材中圖2所示的導(dǎo)入性問題簡化為兩個力，并對其賦值，具體問題如下.

問題：若圖13中的F1、F2大小分別為7N和5N，其夾角為127°，嘗試運用力的合成方法求解合力大小及方向.

在此基礎(chǔ)上再討論多個力依次合成的困難性，由此說明需要對平行四邊形定則的應(yīng)用方式“另辟蹊徑”.

3.體現(xiàn)力的分解是力的合成的逆運算

關(guān)于力的分解是力的合成的逆運算，建議在按2019年人教版內(nèi)容組織方式轉(zhuǎn)變實驗探究目的的同時，再創(chuàng)造一個“發(fā)現(xiàn)”的情境，讓學(xué)生在“發(fā)現(xiàn)”中學(xué)習(xí)，以便更好地提升學(xué)生學(xué)習(xí)的品質(zhì).

問題：在橋梁模型中，F(xiàn)1和F2共同作用效果與F等效，它們遵循平行四邊形定則.對此，有同學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步的探究，具體的探究方法如下.

過F1和F2端點分別作平行于塔柱、垂直于塔柱的線段（圖14），發(fā)現(xiàn)垂直于塔柱的線段長度相等，而沿塔柱方向的兩個線段長度之和等于表示合力的線段長度，于是該同學(xué)宣布“發(fā)現(xiàn)”了一種新的計算合力的方法，你認(rèn)為他的“發(fā)現(xiàn)”是否有科學(xué)道理？嘗試再作任意一個力的平行四邊形，檢驗其“發(fā)現(xiàn)”的正確性.

（三）教材內(nèi)容重構(gòu)的微觀建議

1.構(gòu)建并激活實驗方案設(shè)計的原型

關(guān)于實驗方案設(shè)計或者是體會實驗方案，其關(guān)鍵是激活實驗原型.為此，建議在教學(xué)中，通過斜拉橋塔柱平衡的情境創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生運用模擬思想，設(shè)計或體會實驗方案，具體問題設(shè)計如下.

問題：工程中，為使塔柱穩(wěn)固佇立，它們的共同作用效果可以等效為一豎直向下的力，這與你的想法一致嗎？

塔柱問題我們無法直接通過實驗進(jìn)行探究，現(xiàn)在，實驗室為你提供了兩根彈簧秤、一根橡皮筋以及細(xì)線（或者是兩根彈簧秤、細(xì)線和鉤碼）等器材，試據(jù)此設(shè)計實驗方案來探究合力與分力間的關(guān)系.

2.刪除按力的作用效果進(jìn)行分解要求

力的分解只是平行四邊形定則的一種應(yīng)用方式，建議刪去按力的作用效果進(jìn)行分解要求及其對應(yīng)的實驗組織，按2010年人教版教材的方式進(jìn)行內(nèi)容組織和學(xué)習(xí)活動設(shè)計.

3.刪除力的分解解釋性問題

力的分解如果不與諸如物體平衡條件、牛頓運動定律等相結(jié)合，則不具備解釋功能，因此建議在教材內(nèi)容組織中刪去此類問題.

關(guān)于力的合成和分解內(nèi)容組織方式的重構(gòu)建議，是我們多年教學(xué)實踐的感悟，它既有一線教師對教材編寫層面上的草根化思考，但更多的是從整體性學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動規(guī)劃的視角對教材內(nèi)容的校本化處理，是一種對核心素養(yǎng)落實途徑的實踐探索.

參考文獻(xiàn)：

[1]周棟梁.基于物理觀念形成和發(fā)展的高中物理單元教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019（7）：18-23.

[2]張穎.人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書選修3-1編寫思想[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2007（5）：6-10.