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——五版本教材机械能守恒编排对比及教学建议

摘要：对比五版本教材在编排机械能守恒定律这一高中重点内容时，在课题引入、动能和势能相互转化实例分析、机械能守恒定律推导、内容及公式表述、验证实验等方面的异同，并给出教学建议。

关键词：五版本教材、机械能守恒、编排、教学建议

一、课题引入对比

人教版：通过如图1所示的实验引入新课。“一个细线悬挂的小球从A点开始摆动。记住它向右能到达的最大高度。然后用一把直尺在P点挡住摆线，看一看这种情况下小球所能到达的最大高度。你认为这个实验说明了什么？”^【1】

粤教版：直接给出问题：“动能和势能是可以相互转化的，它们之间的转化是通过什么来实现的呢？在转化过程中，机械能总量是否发生变化呢？”^【2】

鲁科版：分析自行车下坡过程中动能和势能变化情况后，给出结论“经过大量的理论研究和精确的实验测量，人们发现在只有重力做功时，物体的动能和势能之间是可以相互转化的，但动能与重力势能之间的总和保持不变，这种情况在物理学中叫做守恒。”^【3】

教科版：分析自行车下坡时动能势能变化情况后，提出问题：“动能势能相互转化是否存在某种定量的关系，遵循什么规律呢？”。^【4】

沪科版：分析打桩机重锤下落过程中动能、重力势能转化情况，给出苹果下落、过山车、频闪照片中斜抛物体等图片，让学生研究图片中“各物体的动能和势能是怎样转化的？”。^【5】

五版本导入新课有4种策略，第一，人教版用实验导入；第二，粤教版的直接提出问题；第三，是鲁科版的分析实例，初步给出结论；第四，沪科版、教科版分析实例后给出问题。4种策略各有优势，实验导入让学生觉得新奇、容易吸引学生的注意力，激发学生的兴趣；直接提出问题，开门见山，简单明了；实例分析，贴近生活，体现了新课标“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念，分析实例时提出问题让学生思考或者在分析中由学生来提出问题比给出结论要有效。

教学建议：“万事开头难”，引入对一节课非常重要。好的引入能吸引学生的注意力、激发学生求知欲，与本节核心内容有非常密切相关性。本节中建议借鉴人教版的实验，后分析案例引入新课。实验时在人教版的基础上融合教科版的“碰鼻实验”课堂教学效果将会十分好，该实验会给学生带了很强的感官刺激，生活案例的分析会丰富学生的学习体验，这些都有利于激发学生学习兴趣。

二、动能和势能相互转化实例分析的对比

人教版：物体自由下落或沿光滑斜面下滑、物体竖直上升或沿光滑斜面上升、弹力飞机发射（图2所示）；粤教版：蹦床运动、飞流直下的瀑布、撑杆跳高等，配有图片；鲁科版：自行车下坡（有图片）；教科版：自行车下坡（无图片）的例子，给出荡秋千和撑杆跳高的图片；沪科版：打桩机重锤下落的过程，给出苹果下落、过山车、频闪照片中斜抛物体的图片。

各版本有如下不同点：

第一，沪科版、鲁科版的实例分析放在引入部分，教科版在引入部分有案例分析，之后又给出荡秋千和撑杆跳高的图片，让学生思考这些过程中动能和势能的转化情况。

第二，各版本分析素材数量不一样。沪科版最多4个，鲁科版最少1个，人教版、粤教版、教科版都是3个。

第三，鲁科版、沪科版只分析动能和重力势能之间的相互转化，人教版、粤教版、教科版既有动能和重力势能之间的相互转化，也有动能和弹性势能之间的相互转化。

第四，教科版、鲁科版、沪科版都只分析能量转化情况，没有进一步分析能量转化是通过什么途径实现，停留在初中水平。人教版、粤教版在分析中明确动能和重力势能的转化通过重力做功，动能和弹性势能的转化通过弹力做功来实现，这为后面推导机械能守恒定律、理解机械能守恒定律的条件奠定了基础。

教学建议：案例分析要做到：第一，案例素材要丰富；第二，呈现素材的方式要多元化，首选实验，其次视频，然后图片，最后语言表述，这些方式呈现素材，学生的学习体验递减，教学效果一次递减；第三，案例类型要全面，要有动能和重力势能之间相互转化的案例，也要有弹性势能和动能之间相互转化的案例；第四，案例分析要透彻，除了要分析什么能量转化成什么能量，还要分析能量转化的途径——什么力做了功，把功能关系突出出来；第五，案例情景复杂性逐渐递增，开始学习时案例中研究对象以单个物体为宜；第六，多给学生表述机会，让学生多讨论、质疑、争论。通过丰富的生活素材让学生真切的体验到物理与生活紧密联系，增强了学生的学习体验，有利于学生保持旺盛的求知欲。

三、机械能守恒定律推导对比

机械能守恒定律的理论推导是学生理解机械能守恒定律部分的重要基础。五个版本都根据学生已经学过的知识推导出只有重力做功时重力势能和动能之间相互转化时机械能守恒定律，推导过程中提供的背景如图3到图6所示，所选的都是物体下落的过程。

五版本有如下不同：

第一，推导情景不同。粤教版、鲁科版、沪科版都是利用自由落体这一最简单的情景来推导，教科版利用的是平抛运动，人教版更具一般性的物体“光滑的任意曲线”下滑。沪科版以打桩机这一与生活联系密切的情景来推导机械能守恒，人教版、粤教版、鲁科版、教科版都是经过抽象后物体运动的情景，没有联系生活实际。

第二，推导主体不同。推导过程中教科版给出情景，把推导过程作为任务交给学生，其余四个版本教材给出完整推导过程。沪科版，教材上有详细的推导过程，但是要求学生比较重锤在三个位置的机械能得出结论。

第三，推导过程中所用的知识不同。人教版、粤教版、鲁科版利用动能定理和重力做功与重力势能变化的关系推出定律。先由动能定理得重力所做的功，再由重力做功与重力势能变化关系得，综合两式得到，得到机械能守恒定律。沪科版推导的过程则是利用动能、重力势能的表达式和运动学的公式推出定律。 以桩顶为参考平面，重锤刚下落时离桩顶高H机械能是，下落至离桩顶h处时，，，此时重锤机械能是。重锤刚下落至桩顶时，，，，此时重锤具有的机械能是，比较重锤在三个位置的机械能得出结论。教科版，没有具体的推导过程，交代背景给出提示后“写出物体在位置A、B所具有的机械能”，“你能用所学的知识证明以上两个位置机械能的数量关系吗？试写出证明过程”，让学生自己推导。

第四、结论推广不同。人教版在物体沿光滑曲线下滑只有重力做功的背景下推导了定律，并把定律推广到只有弹力做功动能和弹性势能香花转化的情景；粤教版、沪科版利用自由落体背景推到结论后，先推广到曲线运动，后又推广到只有弹力做功的情景；鲁科版由自由落体推导结论后推广到只有重力做功的任何运动直线或曲线运动过程；教科版，在定律表述中明确定律的适用对象是“在只有重力或弹力做功的物体系统内”。

教学建议：第1步，以自由落体运动为推导背景，选取物体下落过程中的任意两位置，根据动能定理和重力做功与重力势能变化的关系推导出；第2步，根据重力做功的特点把结论推广到只有重力做功的任何运动；第3步，把上述结论归纳为机械能守恒；第4步，介绍只有弹力做功时，弹性势能和动能之间相互转化，机械能也守恒；第5步，给出机械能守恒定律的文字描述和表达式。只有学生经历了定律的推导过程，学生才会对定律有深刻的理解，才能熟练运用定律解决问题。

四、验证机械能守恒实验对比

五版本都根据课标的要求，通过实验来验证或探究机械能守恒定律。在实验安排的顺序上鲁科版放在理论探究得出机械能守恒定律之前，其余四版本都放在理论探究之后。所以，鲁科版的实验探究味更浓。在实验方案的设计中，鲁科版、人教版、沪科版、教科版都采用了图7所示的方案，重物拖着纸带自由落体运动，打点计时器记录运动信息，分析纸带上计算出所选的两点的机械能，通过比较得出结论。沪科版除了自由落体的方案，还给出了图8所示一个用单摆和DIS装置来验证机械能守恒的实验方案。粤教版的实验方案最开放，在教材中，先提出实验要求，接着给出实验指导，给学生提供的器材有：气垫导轨、小气源头、数字计时器、光电门、挡光片、滑块、刻度尺、打点计时器、纸带、铁架台、钩码、夹子、细线、带孔小钢球，要求学生利用这些器材，形成初步实验方案，并与同学交流最终形成可行的方案，实验完成后要求汇报交流：“你是否验证了机械能守恒定律？你是怎样验证的？在实验中进行了哪些量的测量？有哪些因素影响了观察和测量？你做了哪些工作来保证观察和测量的准确性？在实验中遇到了哪些困难？发现了哪些问题？又是如何客服和解决的？如果再做一次同样的实验，需要在哪些方面改进？通过这项研究，有什么收获或体会？”^【2】这些问题引导学生反思，升华对实验的掌握，对方法的理解。

教学建议：在做本实验时，学生已经完成大部分高中力学的实验，学生的实验探究能力已经得到了较好培养。建议给学生必要的提示和引导，让学生先充分的预习、思考，让学生自主设计实验方案，并和同学交流自己自己的实验所得和不足，相信在这一过程中学生会给自己的同学和老师带来不少惊喜。

参考文献：

【1】张大昌主编．普通高中课程标准实验教科书物理2[M]．北京：人民教育出版社．2011．69-72.

【2】保宗悌主编．普通高中课程标准实验教科书物理必修2[M]．广州：广东教育出版社，2005．79-84.

【3】廖伯琴主编．普通高中课程标准实验教科书物理2[M]．济南：山东科学技术出版社．2011．33-37.

【4】束炳如．何润东主编．普通高中课程标准实验教科书物理2[M]．上海：上海科技教育出版社术出版社．2011．62-66.

【5】陈熙谋．吴祖仁主编．普通高中课程标准实验教科书物理2[M]．北京：教育科学出版社．2005．72-75.