两套教材对物体在重力场中运动的比较

宫 雪 方 伟

（上海师范大学数理学院 上海 200234）

随着我国新课程改革的不断深入，对教材的改革也成为人们关注的焦点.我国传统教材内容局限在物质、运动和相互作用、能量3个部分，没有实质性的变化.德国卡尔斯鲁厄物理课程起源于卡尔斯大学，以德国赫尔曼教授为核心的精心力作，不仅教材内容新颖独特，还吸收了当代物理发展的最新成果，展现了物理教学体系的新篇章.本文将以物体在重力场中的运动为例，比较人教版教材与德国KPK教材的不同，希望能拓宽人们对物理课程的视野，促进我国课程改革的进一步发展.

1 两套教材的教材体系的研究

1.1 两套教材的内容比较

物体在重力场中的运动主要分为两个部分，分别为自由落体运动和平抛运动.

人教版《物理》教材中自由落体这一节内容位于必修1的第二章第5节，平抛运动位于必修2第五章第3节.

物体下落的运动是一种常见的运动，那么不同的物体，下落得快慢是否相同呢？

早在16世纪末，伽利略认为重的物体与轻的物体下落得同样快，通过猜想与假说和实验验证得出了“如果完全排除空气阻力，那么，所有物体将下落得同样快.”

这时，落体运动也就真的成为自由落体运动了.从力和运动的角度出发得出自由落体运动就是“物体只有在重力作用下从静止开始下落的运动”.由定义［1］可知

抛体运动规律在学习质点在平面内的运动之后，在学习完坐标系的基础上，通过生活中的实例得出“以一定速度将物体抛出，在空气阻力可以忽略的情况下，物体只受重力作用，它的运动叫做抛体运动”［2］.平抛运动的初速度方向是沿水平方向的，因此可以得出

在德国KPK教材中，物体在重力场中的运动被安排在第三章第3节，前面几节介绍了动量流和能流等相关知识，通过让手中的物体自由下落到地面，把这个现象解释为有强度为mg 的动量流入物体，降落距离越长，物体储存的动量越多，运动得就越快［3］.即

整理得

把这种物体从地球流入动量的情况下的运动，叫做自由落体.而物体在水平方向的动量保持不变，做匀速直线运动；物体在竖直方向做自由落体运动，这样的运动叫做平抛运动.

从以上内容的比较可以看出，德国KPK教材跟我国教材相比不仅新而且全，KPK 教材摒弃了旧的力学概念，用流体模型建构了整个课程体系［4］，内容的逻辑性更强，虽然这些内容存在一定的难度，但对学生来说还是可以接受的.

1.2 两套教材的结构比较

从结构体系比较而言，可以从逻辑性、知识发展和认知规律这3个方面进行比较［5］.按照逻辑性的顺序人教版教材将自由落体运动划分在直线运动中，平抛运动划分在曲线运动中.可见，人教版教材严格按照学生思维的逻辑顺序设置教学结构，安排教学活动，具有分散性.人教版教材更侧重于历史发展，按照知识发展顺序来说，我国教材是按照力的发展过程层层递进，由浅入深，先引入概念，再说明原理和应用.按照学生认知规律特点来说，人教版力学方面的基础知识主要还是集中于必修1的第三章，其中包括重力、弹力、摩擦力等，而自由落体运动这一节知识内容安排在第二章节，被研究的物体只有重力作用下的运动才属于自由落体运动，这是学生还没有就接触到重力的概念，由此可以看出教材知识的结构体系不符合学生的认知特点.

德国KPK 教材的结构体系在逻辑性方面比我国人教版强，它是以实物型量为中心的概念，采用动量流模型建构课程结构，在教材体系上没有涉及力和功的概念，在研究自由落体运动时，KPK 教材以动量流引入，只有从地球流入物体的动量流，没有从其他动量流流入或流出，从地球流入物体的动量越多，物体积聚起来的动量越大，物体运动的速度就越大，且下落前物体静止，流入物体的动量方向始终竖直向下，这样的运动叫做自由落体运动.在课程结构安排上，KPK 教材将自由落体运动、竖直上抛运动、平抛运动以及有摩擦的情况安排在物体在重力场中的运动这一节，由此可看出KPK教材在教材整体框架方面具有整体性，它打破了原有的知识框架，使课程变得更加精简，从总体上考虑，更符合现代化的教学内容.

KPK 教材在结构设计上采用了类比的形式，符合人们的认知规律，同时可以把难以理解的抽象概念转变得更加形象生动，更容易让学生去理解，还可以侧敲学生举一反三的能力，产生触类旁通的效果.

纵观整个KPK 结构及其表述形式，我们发现KPK 教材将物理学归分为以下几门学科，包括电学、力学、热学和化学，并把这些学科综合在这个结构中，以物质性物理量、强度量、流和能流这4个物理量构成KPK教材各个分支的主干［6］，其中物质性物理量是KPK教材结构可以堪称“顶梁柱”，在课程的统一结构中起着举足轻重的作用.另外，KPK 教材还以能量贯穿物理的所有概念，能量可以从一个系统传递到另外一个系统，因此我们可以把能量当做流体来研究，这也就是在定义自由落体运动的时候所提到的动量流，不明肆意，能量这个概念具有及其普遍的意义，远远比其他物理概念重要.在应用方面，远远超过了物理学领域，在科学技术、人类生活等领域具有不可磨灭的重要意义.

2 两套教材的思想评述

当今世界国与国之间的竞争说到底就是科技和人才的竞争，而整个科学技术要想发展最重要的基础还是物理学，是否具有强大的科技实力决定于一个国家在世界的地位，所以说科技很重要，学好物理也很重要.

对于人教版物理教材的优点我们都看得见，在中国大部分地区仍在沿用人教版教材，但时代在发展，物理学的发展成果这些所谓的新的知识应该附加在教材中，否则学生的视角仍局限在经典的物理学中，而中学物理课程内容变得越来越多，学生的接受能力有一定的局限，这就要求我们进行课程改革.

在物理教学研究领域，卡尔斯鲁厄大学是硕果累累，这主要得益于G.Falk教授等一大批德才兼备的物理学家和物理学教学专家.以他们为核心的团队站在现在物理学新成就的高度，重新审视时代对人才的要求，从更高、更远的视角，通过对物理学发展史的回顾和反思，解构业已成形的各种物理学图景，对传统物理学的研究视角、描述方法、知识体系与逻辑框架进行了梳理、修整、重构等大胆的探索与假设.由于他们的努力，一门崭新的物理学课程—— 卡尔斯鲁厄物理课程（简称KPK）诞生了.

KPK 教材有着独特的课程思想和全新的课程结构，在物理课程内容方面做了大量的工作，从广延量出发，引入另外一些重要的物理概念，如动量流、动量、熵、驱动力等，但KPK教材摒弃了力、热、功等物理概念，建构了全新的概念结构和思想，并把各个分支学科（如力、热、电、化学等）融合交叉在一个统一的结构内［7］，这样一个分支学科的知识规律和结构可以通过类比的方法迁移到其他另一分支学科，同时也使彼此有了相互联系，由此，我们可以以一种全新的眼光和独特的角度来认识自然科学，我们的视野也可以加以开拓.在章节结构设置上也是循序渐进，从课程的基础广延量和强度量出发，引出流概念，让看似静止的物理量在空间内流动，注入一种生命活力.KPK 教材同时也采用公式和表格的结构，让学生学习起来更加简单化.这也使物理课程真正地变得精简化，实现了物理课程内容的现代化.

3 结束语

物理学的重要程度在我们生活中已经有所体会了，但就目前我国物理教材改革现状而言，其效果令人担忧，对于国内研究者所占有的观点基本上都大同小异，教材开发的内容和结构基本雷同，这就需要我们寻找新的视角和高度.KPK 教材作为新生事物的代表，其内容是全新的，以新生概念实物型量的流来建构整个教材结构，其结构也与我们传统物理教材大有不同，KPK 的课程开发与研究令我们思考，如果我们用一种新的眼光看待我国传统物理课程的不足，我相信，引入KPK 的物理思想和课程结构必定推进我国物理课程改革.

1 课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书 物理·必修1.北京：人民教育出版社，2004

2 课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理·必修2.北京：人民教育出版社，2004

3 F.Herrmann.德国KPK 物理高中精编版.上海：上海教育出版社，2013

4 吴国玢.浅谈德国KPK 教材的基本特点.物理与工程，2010，20（5）：6～9

5 张娜，熊建文.不同教材对牛顿定律处理方法的比较.物理教师，2014，35（6）：6～13

6 刘运新.德国中学物理教材的知识结构特点分析.中学物理，2009，27（15）：24～26

7 涂静秀.中德两套初中物理教材的比较，2010，31（9）：47～48