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不同教材对牛顿定律处理的比较

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《物理教师杂志》2014年第六期

1两套教材对牛顿定律的处理比较

教材内容展开顺序的合理性取决于3方面因素的协调,即知识的逻辑结构、知识发展的顺序以及学生的认知规律.下面,笔者从以上3方面比较两套教材的处理.(1)从物理知识的逻辑结构看.从教材对牛顿定律的处理方式看,人教版严格按照牛顿三定律知识发展的历史顺序设置内容,先是牛顿第一定律、第二定律,最后是第三定律,并且从知识的逻辑顺序上牛顿第一定律的得出为第二定律奠定了思想基础,知识结构更为系统严密.而KPK虽然在教材整体框架的搭建上具有整体性,不过各节知识显得较为零散,衔接处理不够.然而编者编写KPK的意图也正在于此,他们试图打破原有的知识体系,实现课程的精简及现代化,也许这样可以更好地培养学生的思维,塑造应用型及创新性人才.(2)从物理知识发展的顺序看.人教版教材侧重历史,KPK则侧重未来.人教版内容严格按照物理学史的进程,还原了知识的探索道路;而KPK则认为“物理学的发展历史是一条错综复杂的道路,尽管存在着更容易到达相同目标的捷径,但我们在教学中还是把这条复杂的道路强加于学生身上.”[4]KPK选择了一种科学教学的统一的方法,充分利用在经典物理学与现代物理学中密切相关的物理量,不仅试图实现课程精简,也尝试实现物理课程的现代化.动量守恒定律本是牛顿定律的推论,但随着电磁学、热学、相对论、量子力学等现代物理学的发展,牛顿力学由于自身的不严谨已不再适用,而处于从属地位的动量守恒定律却依旧成立.KPK选择了动量这条“近路”.下面,笔者从牛顿定律与动量守恒定律的关系来展示知识发展顺序在两套教材中的差异.

人教版中动量的提出是沿着历史的足迹,在研究碰撞问题时发现mv这一物理量是不变的,因而意识到它的特殊意义.动量守恒定律是独立于牛顿运动定律提出,但编者又不可避免地从牛顿运动定律的角度对动量及动量守恒做出了推导,显然这种处理方法不能很好地体现动量及动量守恒定律是高于牛顿定律的宇宙法则.教材利用牛顿第二、第三定律结合运动学公式推导出动量守恒定律.推导过程如下:据牛顿第二定律,碰撞时两物体的加速度分别为现今大家已经十分熟悉牛顿第二定律的数学表达形式F=ma,然而在当初,牛顿是通过动量来表达力与运动的关系.因此,人教版继上述推导之后,反过来用动量概念表示牛顿第二定律,为动量定理和冲量的讲述做铺垫.先假定物体受到恒力的作用,做匀变速直线运动.在时刻t物体的初速度为v,在时刻t′的末速度为v′,那么它KPK课程以实物型物理量为中心概念,用实物型量的流来构建整个课程,其中描述物体运动所需要的第一个实物型量即为动量,它是一个独立的基本物理量,并非导出量.作为描述运动的量,它的总量是不变的,并且可以在物体间流动.KPK中的动量在力学中扮演着和电学中的电荷量相同的角色.KPK体系把两个物体之间发生相互作用引起的动量变化,看成是动量在相互作用中从一个物体流出,流入另一个物体.而在一段时间Δt内,从一个物体流经另一个物体横截面的动量I(即传统力学中的冲量),必定会造成动量流入方的动量p的增加.根据动量守恒定律,有I=Δp,即此式为就是牛顿力学中的动量定律.如果将F称为力,那么上式就是牛顿力学中最重要的牛顿第二定律.这与人教版中用动量概念表示牛顿第二定律的思路基本一致.但是KPK又不止于此,它将动量守恒定律进行扩展,最终统一了牛顿三定律.若两个物体之间没有任何动量流动,即没有任何相互作用,两个物体的动量都不会发生丝毫变化.这正是牛顿第一定律表达的思想.

两个物体发生相互作用时,如果把流入物体的动量记为Δp1,流出物体的动量记为Δp2,根据动量守恒定律,有Δp1=-Δp2,即F1=-F2.此式即为牛顿第三定律.综上所述,人教版严格遵循物理学史的发展顺序,从牛顿定律得出动量守恒定律;KPK则相反,用动量守恒定律统一了牛顿定律.(3)从是否符合学生的认知规律看.奥苏伯尔将学习分为3类:下位学习、上位学习、并列结合学习,[5]教材在编写时最好先呈现一个概括性较高的概念,然后逐步丰富这个概念的内容,使每一步学习都是丰富总括概念的下位学习.人教版力学的基础知识主要集中在第3章“相互作用”,其中包括重力、弹力、摩擦力、力的合成与分解,而牛顿定律则自成一章.编者明显将牛顿第三定律从相互作用中割裂出来,阻断了知识本身的联系,同时也阻碍了知识迁移的产生.不过,教材中看似先呈现了重力、弹力这些下位概念,实际是为牛顿定律的学习做铺垫,编者在“牛顿定律”最后一节通过讲述用牛顿运动定律解决问题,将下位概念统一在概括性较高的规律学习中,使学生对运动和力有了整体的认知.另外,奥苏伯尔还提出了比较性先行组织者,运用类比的方法将新概念与认知结构中现存的旧概念做联接,以获得新知识.这种方法是帮助学生将过去保存的知识与课本内容进行统整的有效方法之一.KPK依据认知结构迁移理论在教材中采用了大量的类比,例如利用具体的、可感知的水流类比抽象的动量流,通过类比电路中的节点定理、回路定理,建立了动量流的节点定理(见表2),为利用动量流描述牛顿定律奠定了基础。

2总结与启示

物理知识的逻辑结构、发展顺序以及学生的认知规律在教材的编写中往往是不能面面俱到的,而编者往哪一方面倾斜主要依赖于他本人的价值取向.[6]由上述比较可以发现,人教版更注重知识的逻辑结构和发展顺序,KPK则突破了传统的教材编写模式,力图通过改变物理的概念结构来实现课程的精简性.两套教材都在遵循学生认知规律的前提下实现知识的呈现,不过各有侧重.人教版旨在培养学生的系统思维,KPK则重在培养迁移和自我学习能力.对比是为了更好的学习.目前我国物理教材的开发现状让人忧虑:不同研究者占有的资料大同小异,研究视角与结论基本相似,开发的教材高度雷同.[7]教材的开发不能仅限于话语的转换,还必须寻找新的视角.KPK作为新生事物,实现了对传统教材的改革.这不仅体现在一些新的概念(如实物型物理量、动量流等),更体现在它的教学方法上.[8]这些能够让我们以一种新的眼光看待传统物理课程及教材的不足,从而坚定进行物理课改的信心.

作者:张娜熊建文单位:华南师范大学物理与电信工程学院

物理教师杂志责任编辑:田老师    阅读:人次