不同教材對牛頓定律處理的比較

第第頁不同教材對牛頓定律處理的比較《物理教師雜志》2014年第六期

1兩套教材對牛頓定律的處理比較

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)，即知識的邏輯結(jié)構(gòu)、知識發(fā)展的順序以及學生的認知規(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，人教版嚴格按照牛頓三定律知識發(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)，知識結(jié)構(gòu)更為系統(tǒng)嚴密．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體系，實現(xiàn)課程的精簡及現(xiàn)代化，也許這樣可以更好地培養(yǎng)學生的思維，塑造應用型及創(chuàng)新性人才．（2）從物理知識發(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)容嚴格按照物理學史的進程，還原了知識的探索道路；而KPK則認為“物理學的發(fā)展歷史是一條錯綜復雜的道路，盡管存在著更容易到達相同目標的捷徑，但我們在教學中還是把這條復雜的道路強加于學生身上．”［4］KPK選擇了一種科學教學的統(tǒng)一的方法，充分利用在經(jīng)典物理學與現(xiàn)代物理學中密切相關(guān)的物理量，不僅試圖實現(xiàn)課程精簡，也嘗試實現(xiàn)物理課程的現(xiàn)代化．動量守恒定律本是牛頓定律的推論，但隨著電磁學、熱學、相對論、量子力學等現(xiàn)代物理學的發(fā)展，牛頓力學由于自身的不嚴謹已不再適用，而處于從屬地位的動量守恒定律卻依舊成立．KPK選擇了動量這條“近路”．下面，筆者從牛頓定律與動量守恒定律的關(guān)系來展示知識發(fā)展順序在兩套教材中的差異．

人教版中動量的提出是沿著歷史的足跡，在研究碰撞問題時發(fā)現(xiàn)mv這一物理量是不變的，因而意識到它的特殊意義．動量守恒定律是獨立于牛頓運動定律提出，但編者又不可避免地從牛頓運動定律的角度對動量及動量守恒做出了推導，顯然這種處理方法不能很好地體現(xiàn)動量及動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)合運動學公式推導出動量守恒定律．推導過程如下：據(jù)牛頓第二定律，碰撞時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)學表達形式F＝ma，然而在當初，牛頓是通過動量來表達力與運動的關(guān)系．因此，人教版繼上述推導之后，反過來用動量概念表示牛頓第二定律，為動量定理和沖量的講述做鋪墊．先假定物體受到恒力的作用，做勻變速直線運動．在時刻t物體的初速度為v，在時刻t′的末速度為v′，那么它KPK課程以實物型物理量為中心概念，用實物型量的流來構(gòu)建整個課程，其中描述物體運動所需要的第一個實物型量即為動量，它是一個獨立的基本物理量，并非導出量．作為描述運動的量，它的總量是不變的，并且可以在物體間流動．KPK中的動量在力學中扮演著和電學中的電荷量相同的角色．KPK體系把兩個物體之間發(fā)生相互作用引起的動量變化，看成是動量在相互作用中從一個物體流出，流入另一個物體．而在一段時間Δt內(nèi)，從一個物體流經(jīng)另一個物體橫截面的動量I（即傳統(tǒng)力學中的沖量），必定會造成動量流入方的動量p的增加．根據(jù)動量守恒定律，有I＝Δp，即此式為就是牛頓力學中的動量定律．如果將F稱為力，那么上式就是牛頓力學中最重要的牛頓第二定律．這與人教版中用動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，它將動量守恒定律進行擴展，最終統(tǒng)一了牛頓三定律．若兩個物體之間沒有任何動量流動，即沒有任何相互作用，兩個物體的動量都不會發(fā)生絲毫變化．這正是牛頓第一定律表達的思想．

兩個物體發(fā)生相互作用時，如果把流入物體的動量記為Δp1，流出物體的動量記為Δp2，根據(jù)動量守恒定律，有Δp1＝－Δp2，即F1＝－F2．此式即為牛頓第三定律．綜上所述，人教版嚴格遵循物理學史的發(fā)展順序，從牛頓定律得出動量守恒定律；KPK則相反，用動量守恒定律統(tǒng)一了牛頓定律．（3）從是否符合學生的認知規(guī)律看．奧蘇伯爾將學習分為3類：下位學習、上位學習、并列結(jié)合學習，［5］教材在編寫時最好先呈現(xiàn)一個概括性較高的概念，然后逐步豐富這個概念的內(nèi)容，使每一步學習都是豐富總括概念的下位學習．人教版力學的基礎(chǔ)知識主要集中在第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，阻斷了知識本身的聯(lián)系，同時也阻礙了知識遷移的產(chǎn)生．不過，教材中看似先呈現(xiàn)了重力、彈力這些下位概念，實際是為牛頓定律的學習做鋪墊，編者在“牛頓定律”最后一節(jié)通過講述用牛頓運動定律解決問題，將下位概念統(tǒng)一在概括性較高的規(guī)律學習中，使學生對運動和力有了整體的認知．另外，奧蘇伯爾還提出了比較性先行組織者，運用類比的方法將新概念與認知結(jié)構(gòu)中現(xiàn)存的舊概念做聯(lián)接，以獲得新知識．這種方法是幫助學生將過去保存的知識與課本內(nèi)容進行統(tǒng)整的有效方法之一．KPK依據(jù)認知結(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量流，通過類比電路中的節(jié)點定理、回路定理，建立了動量流的節(jié)點定理（見表2），為利用動量流描述牛頓定律奠定了基礎(chǔ)。

2總結(jié)與啟示

物理知識的邏輯結(jié)構(gòu)、發(fā)展順序以及學生的認知規(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值取向．［6］由上述比較可以發(fā)現(xiàn)，人教版更注重知識的邏輯結(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)來實現(xiàn)課程的精簡性．兩套教材都在遵循學生認知規(guī)律的前提下實現(xiàn)知識的呈現(xiàn)，不過各有側(cè)重．人教版旨在培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維，KPK則重在培養(yǎng)遷移和自我學習能力．對比是為了更好的學習．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