中美物理教材的比較研究與啟示
——由牛頓三定律審視中美教材的差異

袁 博 張 磊

(山東師范大學物理與電子科學學院 山東濟南 250014)

1 教材介紹

美國教材種類繁多,為使研究更具代表性,筆者選用由Principles and Problems等人編寫的《Physics:PrinciplesandProblems》[1](2005年版)作為研究范本.這部物理教材在美國占有接近50%的選用率①.我國教材筆者選用人教版《物理·必修1》(2006年版)作為研究范本.對這兩種教材部分章節進行了認真比較(表1).

表1 中美教材第四章知識展開順序比較

2 由中美教材三個不同點出發依據學生認知規律分析教材展開順序的合理性

教材展開順序的合理性取決于三方面因素的協調,即物理知識的邏輯結構、物理知識發展的歷史順序以及學生的認知規律.從物理知識的邏輯結構上考察,我國教材的知識結構更系統,同時我國教材也更符合物理知識發展的歷史順序;但從學生認知規律的切合程度上講美國教材則更優越.下面筆者從兩國教材結構編排的三個不同點出發,以心理學學習理論為依據分析兩國教材展開順序的合理性.

2.1 中美教材中牛頓三定律所在章節知識的包容關系不同

由上表可見,美國教材將牛頓三定律的內容納入到一維空間中的力這一章,并將一些力學知識穿插到牛頓三定律的各節中;我國教材則將牛頓三定律的內容單獨開設一章,并在其前一章系統的講解了為牛頓三定律學習做鋪墊的基礎知識.

奧蘇泊爾將學習分為下位學習②、上位學習③、并列結合學習④,在這三種學習方式中下位學習最簡單[3].所以在編寫教材時為了降低學生理解的難度,最好先為學生呈現一個概括性較高的概念,然后逐步豐富這個概念的內容,使每一步學習都是豐富總括概念的下位學習.盡量避免在呈現總括概念之前先為學生講解一些細碎的概括性較低的概念和規律,同時也要注意避免單純的為了使教材中某一章節知識自成體系而把本應是上下位學習關系的內容硬性拆開,使下位知識不能歸屬到上位知識中學習,阻斷知識的遷移.

力是一個包容性比較強的概念,在這一概念下有三條支柱性的定律即牛頓三定律.美國教材將牛頓三定律下設到力這一章,使得力學的基礎知識能夠通過牛頓三定律的學習順理成章的聯系到一起.如圖1所示,“力的合成”、“接觸力與場力”是牛頓第二定律學習的準備知識.“阻力與最終速度”、“平衡條件”、“繩和弦上的力”、“支持力”這些概括性水平較低的下位知識都能歸屬到與之相對應的上位知識中學習.美國教材的結構增加了下位學習的機會符合了學生的認知規律,降低了學生理解教材的難度.

圖1

例如美國教材在牛頓第一定律之后安排了力的平衡條件這一內容.美國教材是這樣講解力的平衡條件的,“根據牛頓第一定律(如果作用在物體上的凈力為零,原來靜止的物體將保持靜止,原來運動的物體將繼續保持勻速直線運動),凈力(合外力)是引起一個物體速度發生改變的原因.如果作用在一個物體上的凈力為零這個物體就處于平衡狀態.一個處于平衡狀態的物體靜止或做勻速直線運動.注意靜止僅是勻速運動狀態的特例,這時v=0.牛頓第一定律揭示出凈力是改變平衡狀態的原因.因此,如果沒有凈力作用在物體上,這個物體將不會發生速度大小和方向的改變,并且處于平衡狀態.”[1]從這部分內容可以看出美國教材很重視知識的遷移.力的平衡條件中包含了兩層含義:一為物體靜止時處于平衡狀態;二為物體做勻速直線運動時處于平衡狀態.高中生在學習這部分內容時通常對做勻速直線運動的物體處于平衡狀態的情況存在理解上的困難.這里美國教材通過將平衡條件的知識安排在牛頓第一定律之后學習,利用學生頭腦中對牛頓第一定律的理解使學習發生正向遷移,使學生能夠將平衡條件的新知識順利納入到已經形成的牛頓第一定律的圖式之中.

如圖2所示,我國教材將力學的基礎知識集中到教材的第三章,其中包含重力、彈力、摩擦力、力的合成、力的分解,而牛頓運動定律的知識則自成一章.很顯然這種編寫方式割裂了知識本身的聯系,阻礙了知識遷移的產生,使重力、彈力這些下位概念不能夠歸屬于概括性較高的規律中學習,使知識的學習復雜化、反復化,增加了學習中不必要的困難.

圖2

2.2 中美教材難度梯度不同

美國教材把力的講解分成一維空間中的力和二維空間中的力;先在一維空間中講解牛頓三定律的內容,再在第五章承接第四章的內容講解牛頓運動定律在二維空間中的應用.我國教材則是直接從二維空間上講解牛頓三定律,并且為本章打基礎的前一章也是從二維空間上講解.

牛頓三定律是力學中比較重要也是比較難理解的知識.美國教材從一維空間入手,既保證了知識體系的完整性又降低了學習的難度.在學生理解了牛頓三定律的精髓思想知識后,美國教材在“二維空間中的力”這一章中繼續圍繞牛頓三定律展開,并通過引入力的合成與分解問題增加牛頓三定律的應用難度.美國教材通過漸近的方法使教材的難度螺旋上升,并利用教材的組織方式有效的降低知識理解的難度.相比之下,我國教材的難度較大,是直接從二維空間展開,并且在牛頓三定律的相關例題、習題中多涉及到二維空間中力的合成與分解問題,使本身比較難理解的規律難上加難.

2.3 中美教材中牛頓三定律的展開順序不同

由表1可見,美國教材的展開順序是牛頓第二定律、牛頓第一定律、牛頓第三定律,而我國教材則是按照牛頓第一定律、牛頓第二定律、牛頓第三定律的順序展開.

牛頓三定律知識發展的歷史順序是牛頓第一定律、第二定律、第三定律,并且從知識的邏輯順序上牛頓第一定律的得出為第二定律奠定了思想基礎.美國教材設計這部分內容的順序時犧牲了知識本身的邏輯結構和知識發展的歷史順序,將牛頓第二定律放在牛頓第一定律之前,而這樣做的目的無疑是為了符合學生的認知規律降低學生理解教材的難度.

從難易程度上講,牛頓第二定律比第一定律更容易理解,因為牛頓第二定律所揭示的規律與生活中的現象相符,而牛頓第一定律揭示出的規律與生活中的現象相悖.學生學習第一定律時要克服頭腦中科學前概念與科學知識之間的認知沖突;科學前概念在頭腦中已經形成的圖式會阻礙新圖式的生成,使新知識的學習變得更為困難.美國教材將牛頓第二定律放在牛頓第一定律之前符合了由易到難的認知規律,同時牛頓第二定律的學習能夠幫助學生理解牛頓第一定律.我國教材在編寫上則是按照知識的邏輯結構和歷史發展順序展開,這種組織方式能夠為學生提供完整的知識體系與物理學史線索,但增加了教材的難度.

3 總結與啟示

學生的認知規律與物理知識的邏輯順序、歷史發展順序在教材編寫過程中有時是一對矛盾,教材編寫者向哪一方面傾斜主要依賴于他本人的價值取向.由上文對中美教材的比較研究可以看出美國教材高度重視學生的認知規律,而我國教材則更側重于物理知識的內在邏輯結構.正是由于這兩種不同的價值取向導致了兩國教材結構上存在較大差異,并最終導致在傳遞相同知識內容的前提下兩國教材難度差異懸殊.

美國教材這一章知識展開順序的學習理論依據可以總結成以下三點:

(1)教材的展開順序是首先呈現概括性、包容性較強的概念,然后將包容在此概念中的下位知識按照其包容性和概括性的程度逐層分化,形成立體的層次結構,增多下位學習的機會,使知識能夠發生正向遷移從而減少機械學習.

(2)用螺旋上升的方式逐步加深教材的深度,即先用簡化的方式提取出規律的精髓思想,然后將這一規律逐步應用到復雜水平上.

(3)以學生的原有知識經驗為新知識的生長點,避重就輕地編寫教材.

毋庸置疑,美國教材成功的利用了以上三點學習理論使教材的展開順序更符合學生的認知規律,從而降低了教材的難度.

人教版新教材在改版過程中為了降低教材難度,刪除了舊教材中偏難的知識,并整合了科學方法、物理文化、現代科技以豐富教材內容,因此自改版以來受到廣大中學師生的好評;但在教學實踐過程中發現仍有一部分學生覺得教材的內容難于理解.以人為本是編寫教材的基本準則,所以學生的呼聲不能不考慮,但教材的改革不能以犧牲有價值的難點知識內容為代價來滿足部分學困生的學習需要.如何既不刪減教學內容又能有效降低教材難度是當下教材改革急于解決的問題.教材的難度主要取決于兩方面因素的影響:一為教材中所涵蓋的知識內容本身的難度;二為教材中知識組織方式的合理性,即教材展開順序是否有利于學生理解教材.我國教材在以往的改革中主要以刪減難點知識或是將必修內容變為選修內容的方式來降低教材難度,但這種方式都在不同種程度上減少了學生學習的知識內容,尤其不利于學有余力的學生發展.美國教材則是通過將學生的認知規律更多地考慮到教材編寫中,通過優化教材的展開順序來降低教材難度.這種方式不僅有效的降低了教材難度,同時也使美國教材中添加一些我國在大學階段才涉及到的知識內容成為可能.我國教材同樣可以借鑒這種方式實現在不刪減難點知識的條件下,利用教材本身的結構優勢降低教材難度,使之更符合學生的認知規律,從根本上解決降低教材難度的問題.

注:①美國的物理課程分為“常規一年級的物理課程”、“文科物理課程”、“榮譽生物理課程”、“高級物理課程 B”、“高級物理課程C”這五種類型的課程,其中“常規一年級的物理課程”、“文科物理課程”、“榮譽生物理課程”都有選擇《Physics :Principles and Problems》這本書作為物理教材,但選用率不同.這里“接近50%的選用率”是指“常規一年級物理課程”的選用率.

②認知結構中原有的有關觀念在包容和概括的水平上高于新學習的知識,新知識歸屬于舊知識得到理解.

③在原有概念的基礎上學習包容程度更高的概念.

④新命題既不能與認知結構中特有的觀念構成下位關系,又不能構成上位關系,而對它們的學習能夠引起聯合的意義.

1 Paul W.Zitzewitz. Physics : Principles and Problems.McGraw -Hill Companies, 2005:86 ～ 117

2 普通高級中學教科書物理第一冊.北京:人民教育出版社,2006.67～85

3 張承芬.教育心理學.濟南:山東教育出版社,2007.132～136

4 喬際平,邢紅軍.物理教育心理學.南寧:廣西教育出版社,2002.55～91

5 郭玉英.物理比較教育.南寧:廣西教育出版社,2006.75～136

6 張延凱.新課程設計的變革.北京:人民教育出版社,2003.222～278

7 丁朝蓬.新課程評價的理念與方法.北京:人民教育出版社,2003.92～117