不同教材中力的合成與分解內(nèi)容的比較及重構(gòu)建議

周棟梁 時(shí)春華

摘 ? ?要：力的合成與分解是運(yùn)動(dòng)與相互作用觀形成和發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn)，不同教材對(duì)其組織方式不盡相同.教師應(yīng)從宏觀、中觀和微觀三個(gè)層面進(jìn)行比較.宏觀層面上應(yīng)該關(guān)注運(yùn)動(dòng)與相互作用間的關(guān)聯(lián)性，中觀層面應(yīng)該突出概念建構(gòu)的內(nèi)外關(guān)聯(lián)，微觀層面上則需激活實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原型，并在力的分解內(nèi)容組織上體現(xiàn)其工具性特點(diǎn).

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)與相互作用;力的合成;力的分解;教材;重構(gòu)

“運(yùn)動(dòng)與相互作用”是物理學(xué)核心概念之一，其對(duì)應(yīng)問(wèn)題解決的一般思維流程如圖1所示.顯然，作為力的等效處理方法的力的合成和分解是運(yùn)動(dòng)與相互作用觀形成和發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn).綜觀2019年人教版、2010年人教版、滬科版、教科版、粵教版、魯科版六種版本的內(nèi)容組織，其總體結(jié)構(gòu)基本一致，但具體到兩個(gè)概念的內(nèi)容組織，其理念不盡相同，其中“力的分解”內(nèi)容組織更是出現(xiàn)2019年人教版、2010年人教版與其他四種版本編寫(xiě)理念截然相反的情況，這在教材編寫(xiě)中極為少見(jiàn).為此，本文先對(duì)其內(nèi)容組織方式進(jìn)行比較，然后據(jù)此提出重構(gòu)建議.

一、教材內(nèi)容組織的比較

教材內(nèi)容組織是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及宏觀、中觀和微觀三個(gè)層面.為此，本文分別從這三個(gè)層面進(jìn)行分析、比較.

（一）教材內(nèi)容組織的宏觀比較

關(guān)于力的合成和分解宏觀層面上的內(nèi)容組織，需要體現(xiàn)出它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)與相互作用觀形成和發(fā)展中的地位和作用.因此，其內(nèi)容組織首先需要回答為何要引入力的合成概念.

1. 引入力的合成概念的組織方式

關(guān)于為何要引入力的合成概念的內(nèi)容組織，六種版本的組織方式可歸結(jié)為滬科版、2019年人教版和其他四種版本三種方式.

（1）滬科版的組織方式

以斜拉橋塔柱、橋面平衡為學(xué)習(xí)主題，探尋鋼索斜向拉力對(duì)研究對(duì)象的共同作用效果，以此體現(xiàn)引入“力的合成”概念的必要性.

（2）2019年人教版的組織方式

“力的合成和分解”這一節(jié)先安排圖2所示的導(dǎo)入性問(wèn)題，再呈現(xiàn)一些日常生活事例，以此引入力的合成概念.

（3）其他四種版本的組織方式

均以日常生活事例為情境，期望以此體現(xiàn)引入力的合成概念的必要性.例如2010年人教版教材呈現(xiàn)了如圖3所示的卡通圖.

2.引入力的合成概念組織方式的比較

就教材編寫(xiě)理念而言，2019年人教版站在運(yùn)動(dòng)與相互作用觀形成和發(fā)展的高度，滲透運(yùn)動(dòng)與相互作用之間的關(guān)聯(lián)性;滬科版體現(xiàn)工程教育與科學(xué)教育相整合理念，而其他四種版本則體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”思想.就概念建構(gòu)教學(xué)邏輯而言，2019年人教版、滬科版體現(xiàn)了清晰的教學(xué)邏輯，而其他四種版本，雖然呈現(xiàn)日常生活實(shí)例，但問(wèn)題是“一個(gè)成年人用的力與兩個(gè)小孩用的力效果相同”與引入力的合成概念之間并不存在邏輯上的必然性！

（二）教材內(nèi)容組織的中觀比較

教材專題、單元的內(nèi)容組織，在中觀層面上需要系統(tǒng)規(guī)劃專題、單元內(nèi)重要概念、基礎(chǔ)概念之間的內(nèi)外關(guān)聯(lián)方式，以體現(xiàn)出層次清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)邏輯.

1.力的合成和分解外在關(guān)聯(lián)內(nèi)容組織的比較

（1）力的合成與分解外在關(guān)聯(lián)的內(nèi)容組織

關(guān)于力的合成和分解的外在關(guān)聯(lián)，主要指向結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)主題的構(gòu)建方式.對(duì)此，六種版本內(nèi)容組織方式可歸結(jié)為滬科版與其他五種版本兩種類型.

①滬科版的組織方式

整個(gè)單元圍繞斜拉橋塔柱及橋身平衡這一工程化主題展開(kāi)“力的合成”“力的分解”“共點(diǎn)力的平衡及其應(yīng)用”三個(gè)層面的項(xiàng)目學(xué)習(xí).

②其他五種版本的組織方式

2010年人教版、教科版由日常生活現(xiàn)象引入力的合成概念，又通過(guò)拖拉機(jī)拉靶和人斜向上拉汽車(chē)情境引入力的分解概念;其他三種版本則是在力的合成概念之后直接引入力的分解概念，沒(méi)有體現(xiàn)出情境上的關(guān)聯(lián).

（2）力的合成與分解外在關(guān)聯(lián)方式的比較

滬科版在單元結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)了清晰的問(wèn)題解決思想，而每個(gè)課時(shí)對(duì)應(yīng)問(wèn)題解決的一個(gè)方面，符合新頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)所倡導(dǎo)的基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)、基于問(wèn)題解決學(xué)習(xí)的課程理念[1];其他五種版本的外在關(guān)聯(lián)方式則相對(duì)松散，問(wèn)題解決思想體現(xiàn)較為隱晦.

2.力的合成與分解內(nèi)在關(guān)聯(lián)內(nèi)容組織的比較

（1）力的合成與分解內(nèi)在關(guān)聯(lián)的內(nèi)容組織

力的合成與分解的內(nèi)在關(guān)聯(lián)主要體現(xiàn)在教學(xué)邏輯的兩個(gè)層面：一是需要回答為何在建構(gòu)起“力的合成”概念及其運(yùn)算法則后又引入“力的分解”方法.因?yàn)椋瓌t上，只要建立了平行四邊形定則即可處理力系簡(jiǎn)化問(wèn)題;二是合乎邏輯地組織“力的分解”是“力的合成”的逆運(yùn)算.對(duì)此，六種版本的內(nèi)容組織方式可歸結(jié)為2019年人教版、滬科版及其他四種版本三種類型.

①2019年人教版的組織方式

通過(guò)圖4所示探究合力與分力關(guān)系實(shí)驗(yàn)中F1、F2和F順序的調(diào)整，使之轉(zhuǎn)化為“探究力的分解規(guī)律”實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而說(shuō)明力的分解是力的合成的逆運(yùn)算.

②滬科版組織方式

以斜拉橋塔柱為研究對(duì)象，并對(duì)兩鋼索的拉力按圖5所示方式分解，說(shuō)明力的分解也是一種力的等效處理方式.

③其他四種版本組織方式

都是基于力的合成與力的分解概念內(nèi)涵，直接指出力的分解是力的合成的逆運(yùn)算，然后安排力的分解例題與習(xí)題.

（2）力的合成與分解內(nèi)在關(guān)聯(lián)方式的比較

六種版本教材均沒(méi)有闡述為何在建構(gòu)起“力的合成”概念及平行四邊形定則后又引入“力的分解”方法，而對(duì)力的分解是力的合成的逆運(yùn)算的組織，除2019年人教版以外的五種版本直接加以說(shuō)明，雖然這樣并不影響學(xué)生處理工具的建構(gòu)和應(yīng)用，但是，按2019年人教版的組織方式，可以很好地滲透“說(shuō)話、做事要講道理，要合乎邏輯的科學(xué)價(jià)值觀” [2].

（三）教材內(nèi)容組織的微觀比較

教材微觀設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面：一是落實(shí)宏觀、中觀規(guī)劃;二是微觀層面上的內(nèi)容組織和呈現(xiàn)方式的設(shè)計(jì).對(duì)此，本文從三個(gè)方面進(jìn)行比較.

1.問(wèn)題情境與實(shí)驗(yàn)方案關(guān)聯(lián)性的比較

力的合成情境創(chuàng)設(shè)除了需要體現(xiàn)宏觀、中觀設(shè)計(jì)思想外，還需要在微觀層面上考慮問(wèn)題情境對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的啟發(fā)性.

（1）問(wèn)題情境與實(shí)驗(yàn)方案關(guān)聯(lián)性的組織

幾種版本教材都依據(jù)圖4所示的形變等效原理.至于問(wèn)題情境與實(shí)驗(yàn)方案關(guān)聯(lián)性的組織，六種版本教材可歸結(jié)為滬科版與其他五種版本兩種類型.

①滬科版的組織方式

通過(guò)以斜拉橋塔柱、橋面的平衡為研究對(duì)象，可以為實(shí)驗(yàn)方案提供兩個(gè)設(shè)計(jì)方向，其中塔柱平衡與鋼索斜向拉力之間的關(guān)系和圖4所示實(shí)驗(yàn)方案更為匹配.

②其他五種版本的組織方式

都創(chuàng)設(shè)了類似于圖3所示的狀態(tài)等效情境，而呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)則是圖4所示的形變等效實(shí)驗(yàn).

（2）問(wèn)題情境與實(shí)驗(yàn)方案關(guān)聯(lián)性的比較

滬科版中塔柱平衡與形變等效具有內(nèi)在一致性，是實(shí)驗(yàn)方案的問(wèn)題原型，由此組織實(shí)現(xiàn)了中觀層面上的外在關(guān)聯(lián)與微觀層面上的實(shí)驗(yàn)原型設(shè)計(jì)融合起來(lái);而其他版本所呈現(xiàn)的狀態(tài)等效情境與形變等效實(shí)驗(yàn)的方案匹配性較差，不利于實(shí)驗(yàn)的原型激活.當(dāng)然，即使按滬科版方式組織，教師在教學(xué)中仍然需要運(yùn)用適當(dāng)方式激活實(shí)驗(yàn)原型，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)或者是體會(huì)圖4所示的實(shí)驗(yàn)方案.

2.力的分解方式內(nèi)容組織的比較

（1）力的分解方式的內(nèi)容組織

力的分解是平行四邊形定則應(yīng)用方式的拓展.常規(guī)力的分解方式有按效果分解法、正交分解法和按需分解法.關(guān)于其內(nèi)容組織，包含兩個(gè)方面，一是力的分解方式的選擇，二是對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)安排.綜觀六種版本的內(nèi)容組織，2019年人教版、2010年人教版與其他四種版本的編寫(xiě)思想截然相反.

①2010年人教版、2019年人教版的組織方式

取消了按力的作用效果進(jìn)行分解的提示，當(dāng)然也不存在對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)安排，而是通過(guò)圖6所示的例題或習(xí)題直接要求：“現(xiàn)在需要沿平行于斜面的方向和垂直于斜面的方向?qū)ξ矬w的運(yùn)動(dòng)和力分別進(jìn)行研究”（注：著重符號(hào)系筆者添加）為此建立直角坐標(biāo)系……

②其他四種版本的組織方式

都強(qiáng)調(diào)按力的作用效果進(jìn)行分解，并且安排了圖7、8、9類型的實(shí)驗(yàn)，目的是讓學(xué)生體會(huì)相關(guān)力的作用效果.

（2）力的分解方式內(nèi)容組織的比較

基于運(yùn)動(dòng)與相互作用問(wèn)題解決的思維流程，對(duì)復(fù)雜力系簡(jiǎn)化時(shí)，是根據(jù)運(yùn)動(dòng)情況研究的需要，而不是局限于按作用效果進(jìn)行，因此，特別強(qiáng)調(diào)按力的作用效果進(jìn)行分解是極為不妥的.至于對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)安排，更是隱含邏輯問(wèn)題.例如，在圖8所示重力作用效果顯示實(shí)驗(yàn)中，斜面形變情況顯示是定性的，我們無(wú)法據(jù)此判斷出施加在斜面上的力是沿圖10中的F1方向而不是沿F2等方向！其他幾個(gè)實(shí)驗(yàn)同樣如此.

3.力的分解解釋性組織方式的比較

一些版本教材呈現(xiàn)了運(yùn)用其解釋日常生活現(xiàn)象，我們將其稱之為力的分解解釋性.

（1）力的分解解釋性的內(nèi)容組織

可歸結(jié)為2010年人教版、2019年人教版及其他四種版本，而且2010年人教版與其他版本在編寫(xiě)思想上截然相反.

①2010年人教版的組織方式

2010年人教版教材淡化這一問(wèn)題，整節(jié)內(nèi)容中僅就橋梁坡度進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明.

②2019年人教版的組織方式

2019年人教版教材，正文部分完全取消了力的分解解釋性，但在章末復(fù)習(xí)題中，卻安排了斧頭劈木材習(xí)題，并配以圖11所示力的分解處理方法提示.

③其他四種版本的組織方式

滬科版、粵教版、教科版、魯科版重視力的分解解釋性，特別是魯科版、教科版，引入斧頭劈木材等現(xiàn)象的解釋.

（2）力的分解解釋性的內(nèi)容組織的比較

我們?cè)诒容^兩類組織方式之前，先審視其解釋中的科學(xué)性問(wèn)題.

斧頭“劈”木材，需要明確劈開(kāi)木材關(guān)鍵是質(zhì)量較大的斧頭具有較大初速的“劈”，而不是用力F緩慢地“壓”，其正確的現(xiàn)象解釋如下.

由此看來(lái)，單純“力的分解”不具備解釋此類物理現(xiàn)象的功能！

根據(jù)上面分析，除了2010年人教版外，其他版本在力的分解解釋性上存在潛在的科學(xué)性問(wèn)題.

二、教材內(nèi)容組織的重構(gòu)建議

通過(guò)六種版本教材內(nèi)容組織的比較，我們認(rèn)為有必要對(duì)教材內(nèi)容在宏觀、中觀和微觀層面進(jìn)行重構(gòu)，具體建議如下.

（一）教材內(nèi)容重構(gòu)的宏觀建議

站在運(yùn)動(dòng)與相互作用觀形成和發(fā)展的高度審視教材內(nèi)容組織，我們建議在宏觀層面上按新人教版的組織方式，設(shè)置滲透運(yùn)動(dòng)與相互作用觀的導(dǎo)入性問(wèn)題.

（二）教材內(nèi)容重構(gòu)的中觀建議

1.構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)主題，體現(xiàn)問(wèn)題解決思想

鑒于中觀層面外在關(guān)聯(lián)方式、微觀層面實(shí)驗(yàn)原型與實(shí)驗(yàn)方案關(guān)聯(lián)性比較，建議在外在關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)上，參照滬科版結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)主題設(shè)計(jì)方式，滲透問(wèn)題解決思想，構(gòu)建項(xiàng)目學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動(dòng).

2.體現(xiàn)引入力的分解方法的教學(xué)邏輯

為體現(xiàn)力的分解概念建構(gòu)的教學(xué)邏輯，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的問(wèn)題情境，讓學(xué)生體會(huì)到單純運(yùn)用力的合成求解合力的困難性.為此，建議將2019年人教版教材中圖2所示的導(dǎo)入性問(wèn)題簡(jiǎn)化為兩個(gè)力，并對(duì)其賦值，具體問(wèn)題如下.

問(wèn)題：若圖13中的F1、F2大小分別為7N和5N，其夾角為127°，嘗試運(yùn)用力的合成方法求解合力大小及方向.

在此基礎(chǔ)上再討論多個(gè)力依次合成的困難性，由此說(shuō)明需要對(duì)平行四邊形定則的應(yīng)用方式“另辟蹊徑”.

3.體現(xiàn)力的分解是力的合成的逆運(yùn)算

關(guān)于力的分解是力的合成的逆運(yùn)算，建議在按2019年人教版內(nèi)容組織方式轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)探究目的的同時(shí)，再創(chuàng)造一個(gè)“發(fā)現(xiàn)”的情境，讓學(xué)生在“發(fā)現(xiàn)”中學(xué)習(xí)，以便更好地提升學(xué)生學(xué)習(xí)的品質(zhì).

問(wèn)題：在橋梁模型中，F(xiàn)1和F2共同作用效果與F等效，它們遵循平行四邊形定則.對(duì)此，有同學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步的探究，具體的探究方法如下.

過(guò)F1和F2端點(diǎn)分別作平行于塔柱、垂直于塔柱的線段（圖14），發(fā)現(xiàn)垂直于塔柱的線段長(zhǎng)度相等，而沿塔柱方向的兩個(gè)線段長(zhǎng)度之和等于表示合力的線段長(zhǎng)度，于是該同學(xué)宣布“發(fā)現(xiàn)”了一種新的計(jì)算合力的方法，你認(rèn)為他的“發(fā)現(xiàn)”是否有科學(xué)道理？嘗試再作任意一個(gè)力的平行四邊形，檢驗(yàn)其“發(fā)現(xiàn)”的正確性.

（三）教材內(nèi)容重構(gòu)的微觀建議

1.構(gòu)建并激活實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的原型

關(guān)于實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)或者是體會(huì)實(shí)驗(yàn)方案，其關(guān)鍵是激活實(shí)驗(yàn)原型.為此，建議在教學(xué)中，通過(guò)斜拉橋塔柱平衡的情境創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模擬思想，設(shè)計(jì)或體會(huì)實(shí)驗(yàn)方案，具體問(wèn)題設(shè)計(jì)如下.

問(wèn)題：工程中，為使塔柱穩(wěn)固佇立，它們的共同作用效果可以等效為一豎直向下的力，這與你的想法一致嗎？

塔柱問(wèn)題我們無(wú)法直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)室為你提供了兩根彈簧秤、一根橡皮筋以及細(xì)線（或者是兩根彈簧秤、細(xì)線和鉤碼）等器材，試據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)探究合力與分力間的關(guān)系.

2.刪除按力的作用效果進(jìn)行分解要求

力的分解只是平行四邊形定則的一種應(yīng)用方式，建議刪去按力的作用效果進(jìn)行分解要求及其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組織，按2010年人教版教材的方式進(jìn)行內(nèi)容組織和學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì).

3.刪除力的分解解釋性問(wèn)題

力的分解如果不與諸如物體平衡條件、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等相結(jié)合，則不具備解釋功能，因此建議在教材內(nèi)容組織中刪去此類問(wèn)題.

關(guān)于力的合成和分解內(nèi)容組織方式的重構(gòu)建議，是我們多年教學(xué)實(shí)踐的感悟，它既有一線教師對(duì)教材編寫(xiě)層面上的草根化思考，但更多的是從整體性學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動(dòng)規(guī)劃的視角對(duì)教材內(nèi)容的校本化處理，是一種對(duì)核心素養(yǎng)落實(shí)途徑的實(shí)踐探索.

參考文獻(xiàn)：

[1]周棟梁.基于物理觀念形成和發(fā)展的高中物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019（7）：18-23.

[2]張穎.人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)選修3-1編寫(xiě)思想[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2007（5）：6-10.