不同教材對牛頓定律處理的比較范文
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《物理教師雜志》2014年第六期
教材內(nèi)容展開順序的合理性取決于3方面因素的協(xié)調(diào)，即知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)、知識(shí)發(fā)展的順序以及學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律．下面，筆者從以上3方面比較兩套教材的處理．（1）從物理知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)看．從教材對牛頓定律的處理方式看，人教版嚴(yán)格按照牛頓三定律知識(shí)發(fā)展的歷史順序設(shè)置內(nèi)容，先是牛頓第一定律、第二定律，最后是第三定律，并且從知識(shí)的邏輯順序上牛頓第一定律的得出為第二定律奠定了思想基礎(chǔ)，知識(shí)結(jié)構(gòu)更為系統(tǒng)嚴(yán)密．而KPK雖然在教材整體框架的搭建上具有整體性，不過各節(jié)知識(shí)顯得較為零散，銜接處理不夠．然而編者編寫KPK的意圖也正在于此，他們試圖打破原有的知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)課程的精簡及現(xiàn)代化，也許這樣可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的思維，塑造應(yīng)用型及創(chuàng)新性人才．（2）從物理知識(shí)發(fā)展的順序看．人教版教材側(cè)重歷史，KPK則側(cè)重未來．人教版內(nèi)容嚴(yán)格按照物理學(xué)史的進(jìn)程，還原了知識(shí)的探索道路；而KPK則認(rèn)為“物理學(xué)的發(fā)展歷史是一條錯(cuò)綜復(fù)雜的道路，盡管存在著更容易到達(dá)相同目標(biāo)的捷徑，但我們在教學(xué)中還是把這條復(fù)雜的道路強(qiáng)加于學(xué)生身上．”［4］KPK選擇了一種科學(xué)教學(xué)的統(tǒng)一的方法，充分利用在經(jīng)典物理學(xué)與現(xiàn)代物理學(xué)中密切相關(guān)的物理量，不僅試圖實(shí)現(xiàn)課程精簡，也嘗試實(shí)現(xiàn)物理課程的現(xiàn)代化．動(dòng)量守恒定律本是牛頓定律的推論，但隨著電磁學(xué)、熱學(xué)、相對論、量子力學(xué)等現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)由于自身的不嚴(yán)謹(jǐn)已不再適用，而處于從屬地位的動(dòng)量守恒定律卻依舊成立．KPK選擇了動(dòng)量這條“近路”．下面，筆者從牛頓定律與動(dòng)量守恒定律的關(guān)系來展示知識(shí)發(fā)展順序在兩套教材中的差異．
人教版中動(dòng)量的提出是沿著歷史的足跡，在研究碰撞問題時(shí)發(fā)現(xiàn)mv這一物理量是不變的，因而意識(shí)到它的特殊意義．動(dòng)量守恒定律是獨(dú)立于牛頓運(yùn)動(dòng)定律提出，但編者又不可避免地從牛頓運(yùn)動(dòng)定律的角度對動(dòng)量及動(dòng)量守恒做出了推導(dǎo)，顯然這種處理方法不能很好地體現(xiàn)動(dòng)量及動(dòng)量守恒定律是高于牛頓定律的宇宙法則．教材利用牛頓第二、第三定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)出動(dòng)量守恒定律．推導(dǎo)過程如下：據(jù)牛頓第二定律，碰撞時(shí)兩物體的加速度分別為現(xiàn)今大家已經(jīng)十分熟悉牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式F＝ma，然而在當(dāng)初，牛頓是通過動(dòng)量來表達(dá)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系．因此，人教版繼上述推導(dǎo)之后，反過來用動(dòng)量概念表示牛頓第二定律，為動(dòng)量定理和沖量的講述做鋪墊．先假定物體受到恒力的作用，做勻變速直線運(yùn)動(dòng)．在時(shí)刻t物體的初速度為v，在時(shí)刻t′的末速度為v′，那么它KPK課程以實(shí)物型物理量為中心概念，用實(shí)物型量的流來構(gòu)建整個(gè)課程，其中描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的第一個(gè)實(shí)物型量即為動(dòng)量，它是一個(gè)獨(dú)立的基本物理量，并非導(dǎo)出量．作為描述運(yùn)動(dòng)的量，它的總量是不變的，并且可以在物體間流動(dòng)．KPK中的動(dòng)量在力學(xué)中扮演著和電學(xué)中的電荷量相同的角色．KPK體系把兩個(gè)物體之間發(fā)生相互作用引起的動(dòng)量變化，看成是動(dòng)量在相互作用中從一個(gè)物體流出，流入另一個(gè)物體．而在一段時(shí)間Δt內(nèi)，從一個(gè)物體流經(jīng)另一個(gè)物體橫截面的動(dòng)量I（即傳統(tǒng)力學(xué)中的沖量），必定會(huì)造成動(dòng)量流入方的動(dòng)量p的增加．根據(jù)動(dòng)量守恒定律，有I＝Δp，即此式為就是牛頓力學(xué)中的動(dòng)量定律．如果將F稱為力，那么上式就是牛頓力學(xué)中最重要的牛頓第二定律．這與人教版中用動(dòng)量概念表示牛頓第二定律的思路基本一致．但是KPK又不止于此，它將動(dòng)量守恒定律進(jìn)行擴(kuò)展，最終統(tǒng)一了牛頓三定律．若兩個(gè)物體之間沒有任何動(dòng)量流動(dòng)，即沒有任何相互作用，兩個(gè)物體的動(dòng)量都不會(huì)發(fā)生絲毫變化．這正是牛頓第一定律表達(dá)的思想．
兩個(gè)物體發(fā)生相互作用時(shí)，如果把流入物體的動(dòng)量記為Δp1，流出物體的動(dòng)量記為Δp2，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，有Δp1＝－Δp2，即F1＝－F2．此式即為牛頓第三定律．綜上所述，人教版嚴(yán)格遵循物理學(xué)史的發(fā)展順序，從牛頓定律得出動(dòng)量守恒定律；KPK則相反，用動(dòng)量守恒定律統(tǒng)一了牛頓定律．（3）從是否符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律看．奧蘇伯爾將學(xué)習(xí)分為3類：下位學(xué)習(xí)、上位學(xué)習(xí)、并列結(jié)合學(xué)習(xí)，［5］教材在編寫時(shí)最好先呈現(xiàn)一個(gè)概括性較高的概念，然后逐步豐富這個(gè)概念的內(nèi)容，使每一步學(xué)習(xí)都是豐富總括概念的下位學(xué)習(xí)．人教版力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)主要集中在第3章“相互作用”，其中包括重力、彈力、摩擦力、力的合成與分解，而牛頓定律則自成一章．編者明顯將牛頓第三定律從相互作用中割裂出來，阻斷了知識(shí)本身的聯(lián)系，同時(shí)也阻礙了知識(shí)遷移的產(chǎn)生．不過，教材中看似先呈現(xiàn)了重力、彈力這些下位概念，實(shí)際是為牛頓定律的學(xué)習(xí)做鋪墊，編者在“牛頓定律”最后一節(jié)通過講述用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問題，將下位概念統(tǒng)一在概括性較高的規(guī)律學(xué)習(xí)中，使學(xué)生對運(yùn)動(dòng)和力有了整體的認(rèn)知．另外，奧蘇伯爾還提出了比較性先行組織者，運(yùn)用類比的方法將新概念與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中現(xiàn)存的舊概念做聯(lián)接，以獲得新知識(shí)．這種方法是幫助學(xué)生將過去保存的知識(shí)與課本內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)整的有效方法之一．KPK依據(jù)認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論在教材中采用了大量的類比，例如利用具體的、可感知的水流類比抽象的動(dòng)量流，通過類比電路中的節(jié)點(diǎn)定理、回路定理，建立了動(dòng)量流的節(jié)點(diǎn)定理（見表2），為利用動(dòng)量流描述牛頓定律奠定了基礎(chǔ)。
2總結(jié)與啟示
物理知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)、發(fā)展順序以及學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律在教材的編寫中往往是不能面面俱到的，而編者往哪一方面傾斜主要依賴于他本人的價(jià)值取向．［6］由上述比較可以發(fā)現(xiàn)，人教版更注重知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)和發(fā)展順序，KPK則突破了傳統(tǒng)的教材編寫模式，力圖通過改變物理的概念結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)課程的精簡性．兩套教材都在遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的前提下實(shí)現(xiàn)知識(shí)的呈現(xiàn)，不過各有側(cè)重．人教版旨在培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維，KPK則重在培養(yǎng)遷移和自我學(xué)習(xí)能力．對比是為了更好的學(xué)習(xí)．目前我國物理教材的開發(fā)現(xiàn)狀讓人憂慮：不同研究者占有的資料大同小異，研究視角與結(jié)論基本相似，開發(fā)的教材高度雷同．［7］教材的開發(fā)不能僅限于話語的轉(zhuǎn)換，還必須尋找新的視角．KPK作為新生事物，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)教材的改革．這不僅體現(xiàn)在一些新的概念（如實(shí)物型物理量、動(dòng)量流等），更體現(xiàn)在它的教學(xué)方法上．［8］這些能夠讓我們以一種新的眼光看待傳統(tǒng)物理課程及教材的不足，從而堅(jiān)定進(jìn)行物理課改的信心．
作者：張娜熊建文單位：華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院