不同教材中力的合成与分解内容的比较及重构建议

周栋梁 时春华

摘    要：力的合成与分解是运动与相互作用观形成和发展的重要节点，不同教材对其组织方式不尽相同.教师应从宏观、中观和微观三个层面进行比较.宏观层面上应该关注运动与相互作用间的关联性，中观层面应该突出概念建构的内外关联，微观层面上则需激活实验设计原型，并在力的分解内容组织上体现其工具性特点.

关键词：运动与相互作用;力的合成;力的分解;教材;重构

“运动与相互作用”是物理学核心概念之一，其对应问题解决的一般思维流程如图1所示.显然，作为力的等效处理方法的力的合成和分解是运动与相互作用观形成和发展的重要节点.综观2019年人教版、2010年人教版、沪科版、教科版、粤教版、鲁科版六种版本的内容组织，其总体结构基本一致，但具体到两个概念的内容组织，其理念不尽相同，其中“力的分解”内容组织更是出现2019年人教版、2010年人教版与其他四种版本编写理念截然相反的情况，这在教材编写中极为少见.为此，本文先对其内容组织方式进行比较，然后据此提出重构建议.

一、教材内容组织的比较

教材内容组织是个复杂的系统工程，它涉及宏观、中观和微观三个层面.为此，本文分别从这三个层面进行分析、比较.

（一）教材内容组织的宏观比较

关于力的合成和分解宏观层面上的内容组织，需要体现出它们在运动与相互作用观形成和发展中的地位和作用.因此，其内容组织首先需要回答为何要引入力的合成概念.

1. 引入力的合成概念的组织方式

关于为何要引入力的合成概念的内容组织，六种版本的组织方式可归结为沪科版、2019年人教版和其他四种版本三种方式.

（1）沪科版的组织方式

以斜拉桥塔柱、桥面平衡为学习主题，探寻钢索斜向拉力对研究对象的共同作用效果，以此体现引入“力的合成”概念的必要性.

（2）2019年人教版的组织方式

“力的合成和分解”这一节先安排图2所示的导入性问题，再呈现一些日常生活事例，以此引入力的合成概念.

（3）其他四种版本的组织方式

均以日常生活事例为情境，期望以此体现引入力的合成概念的必要性.例如2010年人教版教材呈现了如图3所示的卡通图.

2.引入力的合成概念组织方式的比较

就教材编写理念而言，2019年人教版站在运动与相互作用观形成和发展的高度，渗透运动与相互作用之间的关联性;沪科版体现工程教育与科学教育相整合理念，而其他四种版本则体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”思想.就概念建构教学逻辑而言，2019年人教版、沪科版体现了清晰的教学逻辑，而其他四种版本，虽然呈现日常生活实例，但问题是“一个成年人用的力与两个小孩用的力效果相同”与引入力的合成概念之间并不存在逻辑上的必然性！

（二）教材内容组织的中观比较

教材专题、单元的内容组织，在中观层面上需要系统规划专题、单元内重要概念、基础概念之间的内外关联方式，以体现出层次清晰的知识结构和教学逻辑.

1.力的合成和分解外在关联内容组织的比较

（1）力的合成与分解外在关联的内容组织

关于力的合成和分解的外在关联，主要指向结构化学习主题的构建方式.对此，六种版本内容组织方式可归结为沪科版与其他五种版本两种类型.

①沪科版的组织方式

整个单元围绕斜拉桥塔柱及桥身平衡这一工程化主题展开“力的合成”“力的分解”“共点力的平衡及其应用”三个层面的项目学习.

②其他五种版本的组织方式

2010年人教版、教科版由日常生活现象引入力的合成概念，又通过拖拉机拉靶和人斜向上拉汽车情境引入力的分解概念;其他三种版本则是在力的合成概念之后直接引入力的分解概念，没有体现出情境上的关联.

（2）力的合成与分解外在关联方式的比较

沪科版在单元结构上体现了清晰的问题解决思想，而每个课时对应问题解决的一个方面，符合新颁布的课程标准所倡导的基于项目学习、基于问题解决学习的课程理念[1];其他五种版本的外在关联方式则相对松散，问题解决思想体现较为隐晦.

2.力的合成與分解内在关联内容组织的比较

（1）力的合成与分解内在关联的内容组织

力的合成与分解的内在关联主要体现在教学逻辑的两个层面：一是需要回答为何在建构起“力的合成”概念及其运算法则后又引入“力的分解”方法.因为，原则上，只要建立了平行四边形定则即可处理力系简化问题;二是合乎逻辑地组织“力的分解”是“力的合成”的逆运算.对此，六种版本的内容组织方式可归结为2019年人教版、沪科版及其他四种版本三种类型.

①2019年人教版的组织方式

通过图4所示探究合力与分力关系实验中F1、F2和F顺序的调整，使之转化为“探究力的分解规律”实验，进而说明力的分解是力的合成的逆运算.

②沪科版组织方式

以斜拉桥塔柱为研究对象，并对两钢索的拉力按图5所示方式分解，说明力的分解也是一种力的等效处理方式.

③其他四种版本组织方式

都是基于力的合成与力的分解概念内涵，直接指出力的分解是力的合成的逆运算，然后安排力的分解例题与习题.

（2）力的合成与分解内在关联方式的比较

六种版本教材均没有阐述为何在建构起“力的合成”概念及平行四边形定则后又引入“力的分解”方法，而对力的分解是力的合成的逆运算的组织，除2019年人教版以外的五种版本直接加以说明，虽然这样并不影响学生处理工具的建构和应用，但是，按2019年人教版的组织方式，可以很好地渗透“说话、做事要讲道理，要合乎逻辑的科学价值观” [2].

（三）教材内容组织的微观比较

教材微观设计包含两个方面：一是落实宏观、中观规划;二是微观层面上的内容组织和呈现方式的设计.对此，本文从三个方面进行比较.

1.问题情境与实验方案关联性的比较

力的合成情境创设除了需要体现宏观、中观设计思想外，还需要在微观层面上考虑问题情境对实验方案设计的启发性.

（1）问题情境与实验方案关联性的组织

几种版本教材都依据图4所示的形变等效原理.至于问题情境与实验方案关联性的组织，六种版本教材可归结为沪科版与其他五种版本两种类型.

①沪科版的组织方式

通过以斜拉桥塔柱、桥面的平衡为研究对象，可以为实验方案提供两个设计方向，其中塔柱平衡与钢索斜向拉力之间的关系和图4所示实验方案更为匹配.

②其他五种版本的组织方式

都创设了类似于图3所示的状态等效情境，而呈现的实验则是图4所示的形变等效实验.

（2）问题情境与实验方案关联性的比较

沪科版中塔柱平衡与形变等效具有内在一致性，是实验方案的问题原型，由此组织实现了中观层面上的外在关联与微观层面上的实验原型设计融合起来;而其他版本所呈现的状态等效情境与形变等效实验的方案匹配性较差，不利于实验的原型激活.当然，即使按沪科版方式组织，教师在教学中仍然需要运用适当方式激活实验原型，引导学生设计或者是体会图4所示的实验方案.

2.力的分解方式内容组织的比较

（1）力的分解方式的内容组织

力的分解是平行四边形定则应用方式的拓展.常规力的分解方式有按效果分解法、正交分解法和按需分解法.关于其内容组织，包含两个方面，一是力的分解方式的选择，二是对应的实验安排.综观六种版本的内容组织，2019年人教版、2010年人教版与其他四种版本的编写思想截然相反.

①2010年人教版、2019年人教版的组织方式

取消了按力的作用效果进行分解的提示，当然也不存在对应的实验安排，而是通过图6所示的例题或习题直接要求：“现在需要沿平行于斜面的方向和垂直于斜面的方向对物体的运动和力分别进行研究”（注：着重符号系笔者添加）为此建立直角坐标系……

②其他四种版本的组织方式

都强调按力的作用效果进行分解，并且安排了图7、8、9类型的实验，目的是让学生体会相关力的作用效果.

（2）力的分解方式内容组织的比较

基于运动与相互作用问题解决的思维流程，对复杂力系简化时，是根据运动情况研究的需要，而不是局限于按作用效果进行，因此，特别强调按力的作用效果进行分解是极为不妥的.至于对应的实验安排，更是隐含逻辑问题.例如，在图8所示重力作用效果显示实验中，斜面形变情况显示是定性的，我们无法据此判断出施加在斜面上的力是沿图10中的F1方向而不是沿F2等方向！其他几个实验同样如此.

3.力的分解解释性组织方式的比较

一些版本教材呈现了运用其解释日常生活现象，我们将其称之为力的分解解释性.

（1）力的分解解释性的内容组织

可归结为2010年人教版、2019年人教版及其他四种版本，而且2010年人教版與其他版本在编写思想上截然相反.

①2010年人教版的组织方式

2010年人教版教材淡化这一问题，整节内容中仅就桥梁坡度进行简要说明.

②2019年人教版的组织方式

2019年人教版教材，正文部分完全取消了力的分解解释性，但在章末复习题中，却安排了斧头劈木材习题，并配以图11所示力的分解处理方法提示.

③其他四种版本的组织方式

沪科版、粤教版、教科版、鲁科版重视力的分解解释性，特别是鲁科版、教科版，引入斧头劈木材等现象的解释.

（2）力的分解解释性的内容组织的比较

我们在比较两类组织方式之前，先审视其解释中的科学性问题.

斧头“劈”木材，需要明确劈开木材关键是质量较大的斧头具有较大初速的“劈”，而不是用力F缓慢地“压”，其正确的现象解释如下.

由此看来，单纯“力的分解”不具备解释此类物理现象的功能！

根据上面分析，除了2010年人教版外，其他版本在力的分解解释性上存在潜在的科学性问题.

二、教材内容组织的重构建议

通过六种版本教材内容组织的比较，我们认为有必要对教材内容在宏观、中观和微观层面进行重构，具体建议如下.

（一）教材内容重构的宏观建议

站在运动与相互作用观形成和发展的高度审视教材内容组织，我们建议在宏观层面上按新人教版的组织方式，设置渗透运动与相互作用观的导入性问题.

（二）教材内容重构的中观建议

1.构建结构化的学习主题，体现问题解决思想

鉴于中观层面外在关联方式、微观层面实验原型与实验方案关联性比较，建议在外在关联的设计上，参照沪科版结构化学习主题设计方式，渗透问题解决思想，构建项目学习内容和学习活动.

2.体现引入力的分解方法的教学逻辑

为体现力的分解概念建构的教学逻辑，需要设计相应的问题情境，让学生体会到单纯运用力的合成求解合力的困难性.为此，建议将2019年人教版教材中图2所示的导入性问题简化为两个力，并对其赋值，具体问题如下.

问题：若图13中的F1、F2大小分别为7N和5N，其夹角为127°，尝试运用力的合成方法求解合力大小及方向.

在此基础上再讨论多个力依次合成的困难性，由此说明需要对平行四边形定则的应用方式“另辟蹊径”.

3.体现力的分解是力的合成的逆运算

关于力的分解是力的合成的逆运算，建议在按2019年人教版内容组织方式转变实验探究目的的同时，再创造一个“发现”的情境，让学生在“发现”中学习，以便更好地提升学生学习的品质.

问题：在桥梁模型中，F1和F2共同作用效果与F等效，它们遵循平行四边形定则.对此，有同学进行进一步的探究，具体的探究方法如下.

过F1和F2端点分别作平行于塔柱、垂直于塔柱的线段（图14），发现垂直于塔柱的线段长度相等，而沿塔柱方向的两个线段长度之和等于表示合力的线段长度，于是该同学宣布“发现”了一种新的计算合力的方法，你认为他的“发现”是否有科学道理？尝试再作任意一个力的平行四边形，检验其“发现”的正确性.

（三）教材内容重构的微观建议

1.构建并激活实验方案设计的原型

关于实验方案设计或者是体会实验方案，其关键是激活实验原型.为此，建议在教学中，通过斜拉桥塔柱平衡的情境创设，引导学生运用模拟思想，设计或体会实验方案，具体问题设计如下.

问题：工程中，为使塔柱稳固伫立，它们的共同作用效果可以等效为一竖直向下的力，这与你的想法一致吗？

塔柱问题我们无法直接通过实验进行探究，现在，实验室为你提供了两根弹簧秤、一根橡皮筋以及细线（或者是两根弹簧秤、细线和钩码）等器材，试据此设计实验方案来探究合力与分力间的关系.

2.删除按力的作用效果进行分解要求

力的分解只是平行四边形定则的一种应用方式，建议删去按力的作用效果进行分解要求及其对应的实验组织，按2010年人教版教材的方式进行内容组织和学习活动设计.

3.删除力的分解解释性问题

力的分解如果不与诸如物体平衡条件、牛顿运动定律等相结合，则不具备解释功能，因此建议在教材内容组织中删去此类问题.

关于力的合成和分解内容组织方式的重构建议，是我们多年教学实践的感悟，它既有一线教师对教材编写层面上的草根化思考，但更多的是从整体性学习内容、学习活动规划的视角对教材内容的校本化处理，是一种对核心素养落实途径的实践探索.

参考文献：

[1]周栋梁.基于物理观念形成和发展的高中物理单元教学设计[J].中学物理教学参考，2019（7）：18-23.

[2]張颖.人教版普通高中物理课程标准实验教科书选修3-1编写思想[J].中学物理教学参考，2007（5）：6-10.