摘 要：比較、分析現(xiàn)行各版本教材中對(duì)于“功、動(dòng)能和動(dòng)能定理”相關(guān)知識(shí)的編排、引入等，并根據(jù)實(shí)際存在的問題結(jié)合物理學(xué)史提出相應(yīng)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：功;動(dòng)能;動(dòng)能定理;物理學(xué)史

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

而“功”是學(xué)生學(xué)習(xí)“功和能”時(shí)接觸的第一個(gè)物理量，“動(dòng)能”基本上是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一個(gè)“能量”，而“動(dòng)能定理”則是學(xué)生對(duì)“功能關(guān)系”的最初體驗(yàn)。所以，對(duì)功、動(dòng)能（定理）的理解程度，直接影響學(xué)生對(duì)功能關(guān)系的正確認(rèn)識(shí)以及整個(gè)能量觀念的建立。

本文選取《物理必修第二冊》山東科學(xué)技術(shù)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(jìn)行比較研究，比較其在內(nèi)容章節(jié)位置編排、章節(jié)內(nèi)內(nèi)容安排、概念引入定義等的區(qū)別。

一、相關(guān)內(nèi)容的編排比較

在整個(gè)“功和機(jī)械能”相關(guān)內(nèi)容的編排上，各個(gè)版本教材處理方式迥異。魯科版將其放在第一章，在學(xué)習(xí)拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)之后，整體位置亦比較靠后，如表格1所示。

從章節(jié)編排順序來說，魯科版顯得更為科學(xué)。能量觀念和牛頓第二定律、動(dòng)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(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、萬有引力等是否有學(xué)習(xí)對(duì)做功、能量、功能關(guān)系的新知識(shí)學(xué)習(xí)并沒有太大的影響，而如果先學(xué)習(xí)完功和能的相關(guān)概念，再學(xué)習(xí)拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、萬有引力等，不僅可以不斷印證功能關(guān)系的普遍性，更能用能量的視角去審視學(xué)習(xí)新學(xué)運(yùn)動(dòng)形式，加深理解、豐富認(rèn)知。

在“動(dòng)能與動(dòng)能定理”的內(nèi)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(dòng)能說起，更符合物理學(xué)史，但是脫離“功”的鋪墊，學(xué)生理解起來頗有難度。

二、相關(guān)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(jì)算方法。而在“動(dòng)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(dòng)能與質(zhì)量、速度的定性關(guān)系，然后直接給出表達(dá)式;二是直接用牛頓第二定律進(jìn)行推導(dǎo)，將功FS等式左邊，右邊為兩個(gè)相似表達(dá)式相減，然后直接給出即為動(dòng)能的表達(dá)式，如人教版教材中“很可能是一個(gè)具有特定意義的物理量”即是此類。在“動(dòng)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(dǎo)得出之外，其他三套教材都采用了理論推導(dǎo)+實(shí)驗(yàn)探究的模式。表格2為各版本教材相關(guān)概念的引入和定義比較。

三、對(duì)現(xiàn)行教材中相關(guān)內(nèi)容的思考

各個(gè)教材中理論教學(xué)情境和實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境的結(jié)合，能夠有效地幫助學(xué)生建立與動(dòng)能相關(guān)的概念，但同時(shí)也存在一些可供討論的地方。

（1）理論教學(xué)情境會(huì)疏離學(xué)生的感性認(rèn)知。

“知識(shí)邏輯展開”的整個(gè)思維過程過于空洞、貧乏，給學(xué)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(gè)功？為什么是F·S而不是F·S2呢？還有人教版中從數(shù)學(xué)關(guān)系里面發(fā)現(xiàn)的特殊性，這種直接由牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，通過簡單推導(dǎo)就得出了一個(gè)新的物理概念、規(guī)律，不免使學(xué)生對(duì)“動(dòng)能、動(dòng)能定理的緣由”產(chǎn)生困惑，此外，還會(huì)有“數(shù)學(xué)凌駕物理”之感。如果不能有效解決以上問題，公式推導(dǎo)就會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)遷移，學(xué)生會(huì)認(rèn)為任何物理概念都可不經(jīng)實(shí)驗(yàn)操作而直接通過演繹推導(dǎo)得到，更為重要的是，這種理論推導(dǎo)完全不能體現(xiàn)動(dòng)能及動(dòng)能定理在物理學(xué)中的重要地位。[1]利用理論分析和公式推導(dǎo)容易使學(xué)生誤以為動(dòng)能的概念是從理論上來定義，而不是人們在長期的科學(xué)實(shí)踐中建立起來的。[2]

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境不易把控。

本部分實(shí)驗(yàn)主要包含在研究動(dòng)能相關(guān)因素的定性實(shí)驗(yàn)和探究合外力做功與動(dòng)能變化量的定量實(shí)驗(yàn)。前者顯得尤為刻意且充滿預(yù)設(shè)，為什么我們就直接研究動(dòng)能和質(zhì)量、速度的關(guān)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(guān)于動(dòng)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(xué)生接受，卻也易使學(xué)生脫離生活實(shí)際，對(duì)動(dòng)能不能充分認(rèn)識(shí)到“運(yùn)動(dòng)的物體可以做功，所以物體由于運(yùn)動(dòng)而具有能量”。在后面合外力做功與動(dòng)能改變的定量實(shí)驗(yàn)中，雖然滬科版和粵教版都將實(shí)驗(yàn)冠以“探究”之名，但實(shí)質(zhì)上都是已知表達(dá)式的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而已;魯科版教材將探究放在了公式推導(dǎo)的前面，多了一些探究的意味，但在設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般由老師根據(jù)教材直接給出實(shí)驗(yàn)方案，弱化了學(xué)生的主動(dòng)性，容易使實(shí)驗(yàn)流于形式。

（3）關(guān)鍵點(diǎn)“功能關(guān)系”的得出沒有鋪墊和探究。

學(xué)生對(duì)于“功能關(guān)系”的認(rèn)識(shí)應(yīng)該在“動(dòng)能定理”的得出之前，所以“功能關(guān)系”應(yīng)該有更加正式的出現(xiàn)場合。而教材中基本上直接給出“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”而沒有說明理由，人教版教材以“外力對(duì)物體做多少功，能量就改變多少”的思路定量推導(dǎo)出動(dòng)能計(jì)算公式在得到動(dòng)能的計(jì)算式后順勢給出動(dòng)能定理表述，強(qiáng)調(diào)公式中的功為合力做的功。這一過程可以使學(xué)生體會(huì)功和能之間、力做功與物體能量變化之間關(guān)系密切，但是沒有一定的鋪墊和探究。

動(dòng)能、動(dòng)能定理教學(xué)的主要問題在于沒有對(duì)這一概念產(chǎn)生的原因和本質(zhì)給予深刻地詮釋，沒有將其產(chǎn)生過程與實(shí)際的生產(chǎn)生活、歷史事件關(guān)聯(lián)，使學(xué)生沒有規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程的體驗(yàn)感、代入感，思維缺乏錨點(diǎn)。

四、教學(xué)建議：物理學(xué)史的運(yùn)用

動(dòng)能乃至能量概念的建立過程非常曲折，而在教材相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)中，這一部分的物理學(xué)史是缺位的。教育重演論指出，學(xué)習(xí)科學(xué)的過程與人類研究科學(xué)的過程存在一定的相似性，可以說是對(duì)人類研究科學(xué)過程的“重演”。[3]因此，可以在教學(xué)中引入物理學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生重演“動(dòng)能”這一概念建立的曲折過程，加深認(rèn)識(shí)，并汲取其蘊(yùn)含的豐富哲學(xué)思想。按照程力對(duì)問題情境的分類，物理學(xué)史是一種典型的學(xué)習(xí)探索問題情境，兼具科學(xué)與人文，其豐富的內(nèi)容和獨(dú)特的視角，能夠促進(jìn)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)提升及課程目標(biāo)的達(dá)成。[4]

“功”這一概念是“工程師的應(yīng)用力學(xué)得出，并強(qiáng)迫理論家接受它?！盵5]（恩格斯語）早在17世紀(jì)，物理學(xué)家們便根據(jù)使用機(jī)械的一般經(jīng)驗(yàn)來探討機(jī)械或“力”的守恒。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中總結(jié)機(jī)械效能的運(yùn)用無非是減慢速度以增加力，或者反之。萊布尼茲在研究運(yùn)動(dòng)量的過程中，認(rèn)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(shí)便蘊(yùn)含重力做功的觀念。在蒸汽機(jī)發(fā)明之后，工程師們需要比較各種機(jī)械的效益，約定將機(jī)械舉高物體的重量和路程的乘積來衡量一個(gè)機(jī)械的輸出。經(jīng)過納維葉、科里奧利等努力，將其和萊布尼茲的“活力”聯(lián)系在一起，“功”被引入到物理學(xué)中。

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

由此可見，功、能的發(fā)展史本來就是豐富多彩而又波瀾曲折的，其中蘊(yùn)含著豐富的物理思想、哲學(xué)思辨，并和生產(chǎn)生活、工業(yè)發(fā)展積極緊密聯(lián)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(guān)物理學(xué)史的真正價(jià)值，挖掘其中的有用素材，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，樹立正確的能量觀念，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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

[2]許慧.高中物理能量相關(guān)知識(shí)的教學(xué)研究[D].蘇州大學(xué)，2008.

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

[4]程力、李勇.基于高考評(píng)價(jià)體系的物理科考試內(nèi)容改革實(shí)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(xué)，中學(xué)一級(jí)教師