對(duì)人教版不同時(shí)代教材加速度引入之比較

姚彬

摘? ?要：加速度對(duì)于高一學(xué)生是一個(gè)全新的物理概念，該概念的引入非常重要。文章比較近三十年來(lái)人教版四個(gè)版本的高中物理教材中加速度概念的引入方式、編排位置、表述方式、實(shí)例分析等方面的異同，并對(duì)此給出具體的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：教材;加速度;引入;比較研究;教學(xué)建議

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）6-0019-3

從八十年代初歷經(jīng)三十余年，高中物理教材也經(jīng)歷了數(shù)種版本的變化。通過(guò)比較人教版不同時(shí)期的四版本教材（如圖1），可以發(fā)現(xiàn)編者在引入物理概念時(shí)越來(lái)越重視學(xué)生的認(rèn)知心理特點(diǎn)（本文對(duì)四版本教材分別簡(jiǎn)稱為乙種本、必修本、試驗(yàn)本、2010年版）。例如，高一加速度概念的引入。加速度是高中物理非常重要的核心概念，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的“分水嶺”。只有突破了加速度這一概念的教學(xué)，學(xué)生后續(xù)的物理學(xué)習(xí)才能順利進(jìn)行。比較各版本教材對(duì)加速度的引入，可以對(duì)教學(xué)中突破該概念的教學(xué)難點(diǎn)提供很多有益的啟示。

1? ? 學(xué)生學(xué)習(xí)加速度常見(jiàn)的障礙

加速度是學(xué)生在高中物理學(xué)習(xí)中難度較大的物理概念。學(xué)生學(xué)習(xí)加速度概念時(shí)形成的各種錯(cuò)誤理解歸納為以下幾點(diǎn)。

1.1? ? 對(duì)物理意義理解不夠深刻

學(xué)習(xí)加速度概念之后，先提問(wèn)“為什么引入速度這個(gè)概念？”絕大部分學(xué)生都能回答是比較物體運(yùn)動(dòng)快慢的需要。再提問(wèn)學(xué)生“為什么要引入加速度這個(gè)概念？”各種答案都有，有些學(xué)生說(shuō)是速度有變化就需要加速度，有些說(shuō)為了讓我們知道加速度的定義式，更多的是回答不了。運(yùn)動(dòng)快慢可以通過(guò)直觀觀察得出，在相同的時(shí)間里誰(shuí)運(yùn)動(dòng)的距離長(zhǎng)誰(shuí)的速度就快，或者運(yùn)動(dòng)相同的距離誰(shuí)用的時(shí)間短誰(shuí)的速度就快。而速度變化快慢，在直觀觀察中無(wú)法進(jìn)行比較，只能通過(guò)抽象的比值才能得出結(jié)論。概念抽象是學(xué)生對(duì)加速度概念的物理意義理解不到位的主要原因。

1.2? ? 對(duì)定義式理解不夠深刻

1.3? ? 對(duì)速度變化理解不夠深刻

剛接觸加速度概念時(shí)，很多學(xué)生顧名思義，覺(jué)得加速度就是指“增加的速度”。這種錯(cuò)覺(jué)帶來(lái)的直接后果是無(wú)法接受勻減速運(yùn)動(dòng)還有加速度這一事實(shí)。另外，剛接觸加速度概念時(shí)常見(jiàn)的問(wèn)題是如何準(zhǔn)確辨識(shí)速度v、速度變化量Δv和速度變化率 。教學(xué)中一般采用舉例來(lái)幫助學(xué)生辨析這幾個(gè)概念。

1.4? ? 對(duì)瞬時(shí)加速度理解不夠深刻

由于教材和練習(xí)題中舉出的實(shí)例以勻變速直線運(yùn)動(dòng)居多，學(xué)生不自覺(jué)地將勻變速直線運(yùn)動(dòng)和加速度聯(lián)系在一起，認(rèn)為只有在勻變速直線運(yùn)動(dòng)中才有加速度，其他的變速運(yùn)動(dòng)沒(méi)有加速度。因此，對(duì)瞬時(shí)加速度更加難以理解。其根源還是學(xué)生對(duì)時(shí)間和時(shí)刻的認(rèn)識(shí)停留在日常生活經(jīng)驗(yàn)的水平，還未具備極限或無(wú)窮小的思想。

2? ? 四版本教材的引入方式

針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)加速度概念時(shí)出現(xiàn)的障礙，教學(xué)中采取什么方式引入加速度概念更顯重要。以下簡(jiǎn)要概述四個(gè)版本教材在引入加速度時(shí)的處理方法。

乙種本教材先直接給出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的定義，再通過(guò)一個(gè)勻加速和一個(gè)勻減速兩個(gè)實(shí)例來(lái)認(rèn)識(shí)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)基本特征：在每一秒內(nèi)速度變化是一樣的。再說(shuō)明火車的啟動(dòng)、炮彈的發(fā)射等運(yùn)動(dòng)可視為勻變速運(yùn)動(dòng)。比較不同的勻變速運(yùn)動(dòng)速度改變的快慢的不同，接著提出問(wèn)題“怎樣來(lái)表示速度變化的快慢？”再通過(guò)分析火車和汽車加速時(shí)每一秒內(nèi)速度的變化值，從而引出加速度的概念[1]。

必修本教材對(duì)加速度概念的引入與乙種本教材大同小異。稍有不同之處是：用表格數(shù)據(jù)形式來(lái)說(shuō)明火車加速和汽車減速兩個(gè)實(shí)例為勻變速直線運(yùn)動(dòng)[2]。

試驗(yàn)本教材分析了勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像后，引入勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像，強(qiáng)調(diào)了速度隨時(shí)間均勻增加的特點(diǎn)。在隨后第五節(jié)中用鉛球、炮彈的速度變化快慢為例來(lái)正式引入加速度概念[3]。這是一種與前兩個(gè)版本教材完全不同的引入方式。

2010年版教材研究汽車和列車在啟動(dòng)過(guò)程中的加速問(wèn)題，比較變化相同速度所用時(shí)間，得出“誰(shuí)的速度增加的比較快？”再研究在啟動(dòng)過(guò)程中“它們的速度平均1 s各增加多少？”由此抓住加速度的物理意義，引入加速度概念。而前一節(jié)速度-時(shí)間圖像中出現(xiàn)了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的圖像，但教材并沒(méi)有像試驗(yàn)本教材那樣引入勻變速直線運(yùn)動(dòng)的概念[4]。

3? ? 四版本教材的引入特點(diǎn)及教學(xué)啟示

四版本教材對(duì)加速度引入的處理方式呈現(xiàn)漸變的特點(diǎn)。80年代的乙種本教材和90年代的必修本教材是以勻變速直線運(yùn)動(dòng)為例引入，必修本教材用表格數(shù)據(jù)形式更好地反映速度均勻變化的特點(diǎn)。試驗(yàn)本教材在前兩版教材的基礎(chǔ)上嘗試著突破。雖然仍是以勻變速直線運(yùn)動(dòng)為例，但并沒(méi)有直接導(dǎo)入加速度概念，而是讓學(xué)生從更為直觀的圖像開(kāi)始形成速度變化和對(duì)應(yīng)的變化時(shí)間這樣一種意識(shí)，再通過(guò)一些非勻變速的例子得出加速度概念?？梢哉f(shuō)從試驗(yàn)本教材開(kāi)始，對(duì)加速度概念出現(xiàn)了完全不同的引入方式。2010年版教材沿用試驗(yàn)本教材的引入方式，先由兩個(gè)非勻變速直線運(yùn)動(dòng)直接引入加速度概念，再引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分平均加速度和瞬時(shí)加速度，而勻變速直線運(yùn)動(dòng)作為加速度恒定的特例放在概念形成之后引入。

上述各版本教材在處理時(shí)呈現(xiàn)出漸變的特點(diǎn)，歸納起來(lái)主要是如何處理好兩個(gè)問(wèn)題：一是如何處理勻變速直線運(yùn)動(dòng)和加速度在引入中的先后問(wèn)題;二是用怎樣的實(shí)例以及怎樣的方式呈現(xiàn)才能更好地幫助學(xué)生理解加速度。

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題其本質(zhì)是如何處理“一般”和“特殊”的關(guān)系?，F(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，在人的認(rèn)知過(guò)程中，前后關(guān)系很重要[5]。所有變速運(yùn)動(dòng)均存在加速度，而勻變速直線運(yùn)動(dòng)只是所有變速運(yùn)動(dòng)中的一個(gè)特例。兩者在教材中的先后位置可以說(shuō)是從特殊到一般還是從一般到特殊的問(wèn)題。

乙種本、必修本和試驗(yàn)本教材均采用“從特殊到一般”的處理方式。這種處理方式極有可能會(huì)讓學(xué)生形成錯(cuò)覺(jué)“只有勻變速直線運(yùn)動(dòng)才有加速度”，教材為了避免出現(xiàn)這種問(wèn)題，直接用一大段文字說(shuō)明“常見(jiàn)的變速運(yùn)動(dòng)都可以看作是勻變速運(yùn)動(dòng)”。如此處理是希望讀者意識(shí)到，變速運(yùn)動(dòng)可以劃分成無(wú)數(shù)個(gè)時(shí)間小段，在每個(gè)時(shí)間小段里可以視為勻變速直線運(yùn)動(dòng)。但這種說(shuō)明會(huì)與后續(xù)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生矛盾。因?yàn)槲覀儗⒆兯龠\(yùn)動(dòng)無(wú)限劃分后，實(shí)際每個(gè)無(wú)窮短的時(shí)間內(nèi)是視為勻速直線運(yùn)動(dòng)。而且此階段的學(xué)生尚未完全建立起無(wú)窮極限意識(shí)，所以結(jié)論“常見(jiàn)的變速運(yùn)動(dòng)都可以看作是勻變速運(yùn)動(dòng)”的給出確實(shí)有點(diǎn)突兀。

2010年版教材采用“從一般到特殊”的處理方式。先給出幾例變速運(yùn)動(dòng)，再直接提問(wèn)“誰(shuí)的速度變化快”，從而得出加速度的概念，隨后用簡(jiǎn)短的文字來(lái)說(shuō)明何為勻變速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，教材還專門開(kāi)設(shè)一個(gè)章節(jié)來(lái)分析和探討勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

2010年版教材對(duì)加速度概念的引入簡(jiǎn)明扼要，清晰地讓學(xué)生知道加速度就是用來(lái)比較速度變化快慢的物理量。而且避免了形成“只有勻變速直線運(yùn)動(dòng)才有加速度”的錯(cuò)覺(jué)，使學(xué)生知道只要是速度變化就一定有加速度。

在說(shuō)明何為勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，2010年版教材描述為“加速度保持不變的運(yùn)動(dòng)叫做勻變速運(yùn)動(dòng)。在這種運(yùn)動(dòng)中，平均加速度與瞬時(shí)加速度相等”，明確提出平均加速度和瞬時(shí)加速度的概念。

第二個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是舉例不僅要切合實(shí)際，而且要符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。乙種本教材和必修本教材先是用一個(gè)勻加速和一個(gè)勻減速的例子來(lái)說(shuō)明什么是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)例子可以讓學(xué)生接受勻減速運(yùn)動(dòng)中也存在速度變化，但所舉的例子會(huì)讓學(xué)生形成錯(cuò)覺(jué)“只要每秒速度變化相同就是勻變速運(yùn)動(dòng)”。隨后又分析火車加速和汽車加速兩個(gè)實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生觀察速度大小變化和變化時(shí)間的比值，通過(guò)比值大小來(lái)比較火車和汽車速度變化快慢，從而得出加速度的定義式。

通過(guò)觀察速度大小變化與時(shí)間的比值，可以讓學(xué)生很好地理解勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特征，也可以讓學(xué)生理解加速度是通過(guò)比值法來(lái)定義的。這兩例都是加速運(yùn)動(dòng)，需要補(bǔ)充減速運(yùn)動(dòng)的實(shí)例來(lái)說(shuō)明加速度。而且這兩例同樣存在“勻加速才有加速度”的錯(cuò)覺(jué)問(wèn)題。

試驗(yàn)本教材先用表格形式給出汽車每隔5 s的瞬時(shí)速度，再在速度-時(shí)間圖像中畫出它的運(yùn)動(dòng)圖像。通過(guò)圖像來(lái)說(shuō)明“在相等的時(shí)間內(nèi)，速度的改變是相等的”，最后給出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的定義。然后再用一個(gè)速度-時(shí)間圖像說(shuō)明什么是勻減速直線運(yùn)動(dòng)。再比較鉛球和炮彈加速度瞬時(shí)速度改變的快慢來(lái)引入加速度概念。

試驗(yàn)本教材并沒(méi)有從勻變速運(yùn)動(dòng)引出加速度概念，而是用兩個(gè)瞬時(shí)加速的例子來(lái)引入，并且比較明確地提出“加速度是用來(lái)描述速度改變的快慢”。但是，在速度-時(shí)間圖像中就提出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的概念，與后面的加速度概念沒(méi)有形成前后銜接。

2010年版教材則是比較轎車和列車加速到100 km/h所用的時(shí)間，來(lái)說(shuō)明速度變化快慢。再引導(dǎo)學(xué)生舉出一些例子來(lái)說(shuō)明“速度快”“速度變化大”“速度變化快”的不同。在引入加速度概念時(shí)，所舉的兩例均為加速運(yùn)動(dòng)，需要補(bǔ)充減速運(yùn)動(dòng)的實(shí)例加深對(duì)加速度的理解。

通過(guò)對(duì)四版本教材的比較分析，筆者覺(jué)得在加速度概念教學(xué)中采取如下方式引入可能會(huì)比較符合高一階段學(xué)生的認(rèn)識(shí)心理：

（1）首先，通過(guò)幾個(gè)實(shí)例直接明了地引導(dǎo)學(xué)生比較速度變化快慢，得出加速度的概念和定義式。這樣能使學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)到加速度的物理意義。

（2）所舉實(shí)例中應(yīng)包含減速運(yùn)動(dòng)，可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到減速運(yùn)動(dòng)中也存在速度變化快慢，也存在加速度。

（3）得出不同實(shí)例的加速度后，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到平均加速度和瞬時(shí)加速度的不同。

（4）最后再引出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的基本特征是加速度不變。

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[3]人民教育出版社物理室. 全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)（試驗(yàn)修訂本·必修）物理第一冊(cè)（第2版） [M].北京：人民教育出版社， 2000：27-29.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理 必修1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2010：25-26.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）