3版本物理教材例題的對比與分析
——以動能定理為例

鄧沛恩 程敏熙

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

物理例題教學是物理課堂中必不可少的部分，教師通過對解決物理例題的示范，使學生初步掌握物理問題解決的方法，從而對物理本質有更深刻的理解.根據皮亞杰認知發展理論，學生在學習物理例題的過程中，通過同化與順應，新學的物理概念和規律得到認知上的更新，從而促進學生的理解.物理例題的學習，為學生提供物理問題解決的“腳手架”，引導學生理解物理學的本質，提高學生解決實際問題的能力，是培養學生物理學科核心素養的有效途徑之一.隨著《普通高中物理課程標準(2017年版)》的實行，各版本物理教材編寫了新的版本，不同版本的物理教材在例題設置方面呈現了不同的特點.

1 舊人教版例題分析

舊人教版教材的動能定理部分設置了兩道例題.“例題1”的情景是噴氣式飛機的滑跑過程，飛機的初速度v0為零，題干中給出了飛機的質量m，受到的阻力f，滑行距離l以及末速度v，求解飛機受到的牽引力.

圖1 舊人教版例題1

在上述“例題1”中，只存在一個未知量，即飛機的牽引力.學生在明確飛機滑跑過程的做功情況以及初末速度之后，將其相應地代入動能定理的表達式中即可求解.本例題涉及的過程單一、未知量單一、各力做功情況明確，屬于對動能定理的初步應用，對于初學者具有較好的啟發意義.但同時也存在一些問題值得商榷：

(1)在圖文呈現方面，題干中描述的是飛機的滑跑過程，但是圖片上呈現的卻是飛機滑跑后已經起飛的情景，圖文不對應不能有效地幫助學生建立正確的物理模型，甚至會誤導學生.

(2)題干中要求求解的是“飛機受到的牽引力”，但是在解題示例中只求得了牽引力的大小，沒有對牽引力的方向進行說明，忽略了力的矢量性.

(3)飛機滑跑過程中的牽引力應是變力，本題通過動能定理求得的牽引力是平均值，例題中并未進行說明，部分學生容易誤以為是恒力，不符合實際情況.

綜上所述，本例題對一些細節處理得并不完善.

舊人教版教材中“例題2”的情景是汽車關閉發動機后的滑行過程，從題干中可得到汽車的質量m,汽車的初速度v0,滑行距離l以及汽車末速度為零，求解汽車受到的阻力.

圖2 舊人教版例題2

聯系本節教材的邏輯結構可以發現，本例題的設計意圖是說明用動能定理解決合外力對物體做負功的情況.對比“例題1”與“例題2”我們不難發現，兩道例題的相似程度高：題干中直接給出的條件相似，待求解的物理量相似，做功的情況相似，物理過程過于單一，學生在解決“例題2”時只需模仿“例題1”將相關的物理量進行替換即能夠順利求解，不能充分發揮設置兩道例題的價值.在完成兩道例題時，部分學生容易忽略對物理過程的分析，甚至容易養成“套公式”的思維模式，不利于學生科學思維的發展.

比較分析以上兩道例題，舊人教版動能定理部分的例題題型單一，對學生缺乏實質層面的啟發性.

2 新人教版例題分析

新人教版中的“例題1”沿用了舊人教版中的“例題1”的形式，并且做了細節上的完善，題干中的描述更加嚴謹，插圖部分也與題干中飛機的滑跑過程相對應，插圖中清晰地標注了飛機的受力、位移、速度方向等，對于物理過程在學生腦海中的表征有良好的引導作用.

圖3 新人教版例題1

新人教版中“例題2”的情景為兩個人在工地中“打夯”，重物運動的物理過程可以分為4個部分：

(1)在兩個人施力以及重力的作用下向上做勻加速直線運動；

(2)兩個人停止施力后在重力作用下向上做勻減速直線運動；

(3)重物到達最高點后做自由落體運動；

(4)重物到達地面后在阻力與重力的作用下減速至零.

圖4 新人教版例題2

相對而言，“例題2”比“例題1”面臨的物理過程更加復雜，學生需要將題干中的對象和過程轉換成物理模型.教材中的分析部分將題干中的對象與過程轉換成相應的物理模型，在示意圖中清晰地做出了受力分析，并且4個狀態是置于同一水平面上，其位移情況一目了然，將“靜態”的語言描述轉換成“動態”的物理過程，通過將題中信息的表征形式進行轉化，能幫助學生找到最適合問題的表征形式[1].從而提高學生物理模型的建構能力.

圖5 新人教版例題2的物理模型

對于初學者，解決“例題2”的復雜性還體現在以下幾個方面：

(1)力的方向不在同一方向上，需要進一步的合成或分解.

(2)需要選取恰當的物理過程才能夠應用動能定理進行求解，“套公式”的解題方式將不再“得逞”.

(3)重力做功屬于隱藏條件，需要學生自主挖掘.

相對于舊人教版而言，新人教版中的兩道例題基于“最近發展區”，在學生初步掌握動能定理應用的基礎上，通過類比推理，將新目標情境中的問題和已經學過的基礎情境問題相比較，依據兩者中部分屬性的相同為前提，推出目標問題中的其他屬性[2].

另外，兩道例題的情境創設分別從社會、生產出發，有利于學生認識科學·技術·社會·環境的關系，認識物理學對于前沿技術以及生活生產的重要應用.

3 新粵教版例題分析

在新粵教版物理教材中共設置了一道例題，題干中的情境為汽車在高速公路上行駛，求汽車的安全距離.

圖6 新粵教版例題

本例題以學生生活中常見的汽車行駛為出發點進行設計，其中還考慮到司機的反應時間，與實際情境密切結合.題目中設置了汽車剎車前通過的位移，需要學生從題干中提取有效信息，并且對其進行整合、加工與處理，從而得到解決問題的突破口.

從新粵教版整個動能定理的應用部分來看，在例題前面教材還對動能定理在戰斗機、滑梯以及行駛汽車的安全距離等實際問題中的應用給出了文字描述，涉及的方面十分豐富且廣泛.在例題后面，教材還有一個欄目是“實踐與拓展”，引導學生通過查閱資料或走訪有關部門，搜集汽車制動距離與車速的關系.我們不難發現，整個動能定理的應用部分存在一條線索是“制動安全距離”，設計意圖是引導物理教學的關注點從習題訓練轉換到實際問題的解決.根據自組織轉變理論，科學教育過程是學生在教師指導下完成對教學內容掌握的同時其認知系統從被組織向自組織轉變的過程[3].通過多種教學形式相結合，能夠促進學生自組織轉變的進行，有效培養學生的學科核心素養.

4 對教師例題選取與教學的啟示

由于教材的篇幅有限，在每一個知識點都設置相應的例題并不現實，教師通常需要結合本班學生的情況以及實際教學需要選擇例題.通過3版本教材的分析比較，筆者認為教師在新課教學中所選例題應當參考以下幾個條件為宜.

(1)例題應與該節課所學內容緊密結合，避免涉及與本節學習內容無關的知識.認知負荷理論指出，例題通過分離和解析題目中的信息，以減少學生學習過程中與問題解決策略無關的認知負荷.避免涉及無關的知識點，能夠讓學生將注意力更好地集中在本節課所學內容上.

(2)例題應該將已知條件清晰地告知學生，減少在已知條件上給學生設置障礙.這能夠幫助學生將認知負荷控制在工作記憶所能承受的范圍之內，而不是在一些無關緊要的條件上給學生增加額外的障礙.

(3)例題中物理過程應當獨立且清晰，每個物理過程應當只有一個未知量，未知量的求解應是唯一的，避免冗雜的計算過程，避免涉及分類討論的情況，最大限度地減少學生在分析過程中出現的思維障礙.

(4)例題的選擇要有一定的難度梯度，基于學生的“最近發展區”，從學生已有的認知結構出發，所選擇或設計的例題要有代表性與啟發性.

學生作為初學者，教師在物理課堂中對例題的分析與解題形成的示范效應尤為關鍵，在示范過程中，教師應當注重對物理過程的分析，引導學生從題干中抽象出物理模型，向學生展示對于信息完整的判斷、選擇、處理、分析的過程，從而認識到科學的本質[4].另外，板書過程應當與分析過程相對應，將有助于保留學生對于教師分析過程的記憶.