各版本教材中“功與動能”的內容比較與教學建議

摘 要：比較、分析現行各版本教材中對于“功、動能和動能定理”相關知識的編排、引入等，并根據實際存在的問題結合物理學史提出相應的教學建議。

關鍵詞：功;動能;動能定理;物理學史

“能量”是物理學基本概念，能量的轉化和守恒定律是物理學的基本原理，能量觀念是高中物理核心素養中的重要物理觀念，無論是從宏觀上把握物理學科的整體結構，還是局部的求解一個具體的物理問題，都不可或缺。

而“功”是學生學習“功和能”時接觸的第一個物理量，“動能”基本上是學生學習的第一個“能量”，而“動能定理”則是學生對“功能關系”的最初體驗。所以，對功、動能（定理）的理解程度，直接影響學生對功能關系的正確認識以及整個能量觀念的建立。

本文選取《物理必修第二冊》山東科學技術出版社2019年版（魯科版必修二）、人民教育出版社2019年版（人教版必修二）、廣東教育出版社2005年版（粵教版必修二）、上海科技教育出版社2007年版（滬科版必修二）四套教科書進行比較研究，比較其在內容章節位置編排、章節內內容安排、概念引入定義等的區別。

一、相關內容的編排比較

在整個“功和機械能”相關內容的編排上，各個版本教材處理方式迥異。魯科版將其放在第一章，在學習拋體運動、圓周運動、萬有引力和近代物理之前。而人教版和粵教版都將其放到了最后一章，滬科版將其放在了拋體運動和圓周運動之后，整體位置亦比較靠后，如表格1所示。

從章節編排順序來說，魯科版顯得更為科學。能量觀念和牛頓第二定律、動量觀念一樣，是高中物理解題的基本武器，也是分析和理解各種物理過程的重要視角。拋體運動、圓周運動、萬有引力等是否有學習對做功、能量、功能關系的新知識學習并沒有太大的影響，而如果先學習完功和能的相關概念，再學習拋體運動、圓周運動、萬有引力等，不僅可以不斷印證功能關系的普遍性，更能用能量的視角去審視學習新學運動形式，加深理解、豐富認知。

在“動能與動能定理”的內容安排上，魯科版、人教版、粵教版都從“功”這一概念引入，再引入能量的概念，而滬科版卻是從動能說起，更符合物理學史，但是脫離“功”的鋪墊，學生理解起來頗有難度。

二、相關概念引入、定義的比較

在“功”的定義上，各版本教材基本上都是沿用初中的說法或者直接給出，然后給出不共線情況以及計算方法。而在“動能”這一概念的引入方面，通常采用以下兩種做法：一是利用生活中的直觀感受得到動能與質量、速度的定性關系，然后直接給出表達式;二是直接用牛頓第二定律進行推導，將功FS等式左邊，右邊為兩個相似表達式相減，然后直接給出即為動能的表達式，如人教版教材中“很可能是一個具有特定意義的物理量”即是此類。在“動能定理”的得出上，除了人教版教材是直接用牛頓第二定律推導得出之外，其他三套教材都采用了理論推導+實驗探究的模式。表格2為各版本教材相關概念的引入和定義比較。

三、對現行教材中相關內容的思考

各個教材中理論教學情境和實驗教學情境的結合，能夠有效地幫助學生建立與動能相關的概念，但同時也存在一些可供討論的地方。

（1）理論教學情境會疏離學生的感性認知。

“知識邏輯展開”的整個思維過程過于空洞、貧乏，給學生虛無縹緲的感覺。比如，“功”的定義都是直接給出，沒有指明這樣定義的原因，為什么要定義一個功？為什么是F·S而不是F·S2呢？還有人教版中從數學關系里面發現的特殊性，這種直接由牛頓運動定律和運動學規律，通過簡單推導就得出了一個新的物理概念、規律，不免使學生對“動能、動能定理的緣由”產生困惑，此外，還會有“數學凌駕物理”之感。如果不能有效解決以上問題，公式推導就會使學生產生相應的負遷移，學生會認為任何物理概念都可不經實驗操作而直接通過演繹推導得到，更為重要的是，這種理論推導完全不能體現動能及動能定理在物理學中的重要地位。[1]利用理論分析和公式推導容易使學生誤以為動能的概念是從理論上來定義，而不是人們在長期的科學實踐中建立起來的。[2]

（2）實驗教學情境不易把控。

本部分實驗主要包含在研究動能相關因素的定性實驗和探究合外力做功與動能變化量的定量實驗。前者顯得尤為刻意且充滿預設，為什么我們就直接研究動能和質量、速度的關系而不是與其他物理量呢？定性分析之后，教材基本都采用初中物理中關于動能的定義并直接給出，這樣固然可使問題闡述前后連貫，互不矛盾，易于學生接受，卻也易使學生脫離生活實際，對動能不能充分認識到“運動的物體可以做功，所以物體由于運動而具有能量”。在后面合外力做功與動能改變的定量實驗中，雖然滬科版和粵教版都將實驗冠以“探究”之名，但實質上都是已知表達式的驗證性實驗而已;魯科版教材將探究放在了公式推導的前面，多了一些探究的意味，但在設計探究實驗時，一般由老師根據教材直接給出實驗方案，弱化了學生的主動性，容易使實驗流于形式。

（3）關鍵點“功能關系”的得出沒有鋪墊和探究。

學生對于“功能關系”的認識應該在“動能定理”的得出之前，所以“功能關系”應該有更加正式的出現場合。而教材中基本上直接給出“功是能量轉化的量度”而沒有說明理由，人教版教材以“外力對物體做多少功，能量就改變多少”的思路定量推導出動能計算公式在得到動能的計算式后順勢給出動能定理表述，強調公式中的功為合力做的功。這一過程可以使學生體會功和能之間、力做功與物體能量變化之間關系密切，但是沒有一定的鋪墊和探究。

動能、動能定理教學的主要問題在于沒有對這一概念產生的原因和本質給予深刻地詮釋，沒有將其產生過程與實際的生產生活、歷史事件關聯，使學生沒有規律發現過程的體驗感、代入感，思維缺乏錨點。

四、教學建議：物理學史的運用

動能乃至能量概念的建立過程非常曲折，而在教材相關知識學習中，這一部分的物理學史是缺位的。教育重演論指出，學習科學的過程與人類研究科學的過程存在一定的相似性，可以說是對人類研究科學過程的“重演”。[3]因此，可以在教學中引入物理學史，引導學生重演“動能”這一概念建立的曲折過程，加深認識，并汲取其蘊含的豐富哲學思想。按照程力對問題情境的分類，物理學史是一種典型的學習探索問題情境，兼具科學與人文，其豐富的內容和獨特的視角，能夠促進學生的學科核心素養提升及課程目標的達成。[4]

“功”這一概念是“工程師的應用力學得出，并強迫理論家接受它。”[5]（恩格斯語）早在17世紀，物理學家們便根據使用機械的一般經驗來探討機械或“力”的守恒。牛頓在《自然哲學的數學原理》中總結機械效能的運用無非是減慢速度以增加力，或者反之。萊布尼茲在研究運動量的過程中，認為把1磅重的物體A提升4英尺的力，等同于把4磅重的物體B提升1英尺的力，其所謂的“力”，其實便蘊含重力做功的觀念。在蒸汽機發明之后，工程師們需要比較各種機械的效益，約定將機械舉高物體的重量和路程的乘積來衡量一個機械的輸出。經過納維葉、科里奧利等努力，將其和萊布尼茲的“活力”聯系在一起，“功”被引入到物理學中。

“動能”概念來源于對于守恒量的追尋，伽利略17世紀開始研究擺的等高性，思考其中必然蘊含某一種“運動的不變量”。后來，笛卡爾和牛頓都主張用動量作為描述運動的量，而萊布尼茲與惠更斯則主張用質量與速度平方的乘積，萊布尼茲稱其為“活力”，稱動量為“死力”，并提出“活力守恒”這一結論。在達朗貝爾進行總結之前，活力和死力之爭持續了很長時間。1831年，科里奧利定義了“功”這一概念，并將活力的表達式由mv2修改為，并通過積分給出功與動能的關系：，由此動能定理得以建立。

由此可見，功、能的發展史本來就是豐富多彩而又波瀾曲折的，其中蘊含著豐富的物理思想、哲學思辨，并和生產生活、工業發展積極緊密聯系在一起，是一座容易被人忽視的寶庫，我們需要重新審視相關物理學史的真正價值，挖掘其中的有用素材，加深學生對知識的理解，樹立正確的能量觀念，提升學生的核心素養。

參考文獻

[1]阿不都克由木·吾吉阿不拉、邢紅軍、李晶、石堯.物理學史的力量—物理概念教學的新視角—以動量概念的建立為例[J].教育科學研究，2017（09）：40-45.

[2]許慧.高中物理能量相關知識的教學研究[D].蘇州大學，2008.

[3]王全、母小勇.“科學史-探索”教學模式的“重演”論基礎[J].課程.教材.教法，2008，（7）

[4]程力、李勇.基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38

[5]恩格斯.自然辯證法[M].北京：人民出版社，1984：88

作者簡介：尹嵩山，男，福建省廈門集美中學，中學一級教師