關于中德初級物理教材中“浮力”的比較研究

文瑩瑩 張軍朋

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

國內外的基礎教育都在加強課程改革，而教材作為課程內容的載體則體現了各國基礎教育改革的特色.教材向學生傳授知識、技能、方法、價值觀等，是學生學習知識的來源，也是教師教學的依據，各個國家教材的編寫體系將反映其教育思想觀念及教學方式.物理教材作為教學的信息資源，是根據物理課程標準而編寫以反映物理學科內容的教科書，其內容的選取和程度要求是各版本教材編寫意圖的具體體現，反映著不同的指導思想和教學要求.

筆者選取人民教育出版社出版的義務教育教科書物理8年級上冊（以下簡稱為中國教材）和德國卡爾斯魯厄初級中學物理課程第1冊（Der Karlsruher Physikkurs，以下簡稱為 KPK教材）中“浮力”的相關內容，采用文本分析法、文獻法等來比較中德教材在內容設計、欄目設置和插圖設計、內容呈現順序、問題引入方式、概念表述和公式推導方式、例題習題設計6個方面的異同，以期借鑒他國之長，促進我國中學物理教材的進一步發展，引導我們在實際教學中開拓新思路.

1 教材內容設計的比較

中德初級物理教材關于“浮力”的知識結構設計，如表1.

表1

從表1中可以看出，在“浮力”的內容設計上，中國教材與KPK教材的知識點基本一致，都包括浮力的概念、大小、產生的原因、物體的沉浮條件等.在相同知識點的基礎上，中國教材還增加了探究決定浮力大小的因素及浮力應用這兩個小模塊.在探究浮力的大小與哪些因素有關這一小模塊中，采用控制變量的實驗方法，通過猜想、設計、實驗來得到結果，這將為下一節探究阿基米德原理做好鋪墊，為學生探究浮力的大小提供假設的基礎.這種探究式的內容設計將增加學生的學習興趣，同時培養學生的探究精神與科學素養.中國教材在最后部分添加浮力應用這小模塊，通過介紹輪船、潛水艇、氣球和飛艇的原理來加深對浮力的理解，形象生動，使物理同社會生產與生活相結合，更符合現代教育理念的特色.

而“浮力”這一知識點在教材中所占的比重，中國教材遠遠大于KPK教材.中國教材用了3節12頁 的版面來介紹“浮力”，而整套教材中只有86節，“浮力”就占了3節.KPK教材卻只用2節3頁就把設計基本一致的內容介紹完，在240節內容的教材中，“浮力”只占其中的2小節.可見，中國教材在“浮力”知識點上介紹得更詳細.但在全套教材的內容布置中，KPK教材遠比中國教材介紹的知識點多范圍廣，這將為學生提供更大的知識面，打造更加全面的科學基礎.

在當代隨著物理學的發展，中學物理教材中知識量不斷增多，但有限的教學課時不能滿足實際需要，KPK的教材卻在有限的課時內講授更多的知識內容，解決了知識量與課時量之間的矛盾.

2 欄目設置及插圖的比較

在欄目設置上，中國教材顯得比較多樣化，除了正文描述外，還有“導入語”、“演示實驗”、“探究實驗”、“小資料”、“動手動腦學物理”、“想想做做”、及“學到了什么”等小欄目.這些欄目側重學生自己動手活動，更貼切初中生具有強烈操作興趣的心理發展特點，充分顯示學生的主體地位.KPK教材在欄目設置方面則顯得比較單一，只是采用資料活頁的方式用敘述，推導的方法來介紹浮力的內容，在知識點介紹完成后增加練習題欄目.從整體上看，KPK教材的設計風格顯得比較樸素，但是在文字上卻更加嚴謹，比較注重內容邏輯的嚴密性，更有利于學生邏輯思維的培養.

兩種版本的教材都在重難點內容介紹中設計了相關的插圖，但中國教材中的插圖數量遠遠多于KPK教材，在12頁教材中總共有18幅插圖，而在3頁KPK教材中只有3幅插圖.在教材中采用圖文并茂的方式具有很強的趣味性，符合初中生處在形象思維階段的認知思維特征.插圖的數量可能不會影響到教學效果，但是結合學生的年齡特點與認知規律，筆者認為中學生以直接興趣為主，那么在實際教學過程中，插圖作為一種直觀性的教學素材，能更好地激發學生的學習興趣，啟發學生從生活實際中走進物理世界，同時引導學生擺脫抽象難懂的物理概念，幫助學生理解掌握物理知識.

3 內容呈現順序的比較

兩個版本的教材在內容呈現順序上也有不同的設計.從整套教材上看，中國教材是根據學生的認知特點，按聲、物態變化、光、力、能量、電和磁等由易及難的順序逐步編排.由日常生活中常見的聲光等現象來吸引學生的學習興趣和熱情之后插入比較抽象難懂的力學知識，浮力這一知識點則是在學習了力和壓強的概念后，從力的角度分析壓力差來引入.

KPK教材則是根據結構體系的需要，按能量、動量、熵、信息、電、光、反應、波和原子的順序來編排.先介紹能量、動量等實物型基本物理概念，以實物型量的流構建課程結構.所以，浮力這一知識點是在學習了能量、流、動量等核心概念之后，采用動量及動量流來解釋.這種方式比較新穎且邏輯性較強，在初中課程中把能量概念置于最高點，用能量和流構成力熱光電等各體系，充分體現了KPK教材的現代化特征，解決了現代物理學不能與經典物理學理想結合的矛盾，有利于學生科學素養的發展.

4 問題引入方式的比較

在相同知識點的問題引入方式上，中德教材也有很大的差異.中國教材都是從生活的現象引入知識點，例如以冰山、游艇為例引出浮力的概念；假想木頭在水中、人在死海中這些生活實際的例子來探究浮力大小的影響因素.KPK教材則在教材開始部分設疑之后，采用推理的方式一步步引入知識點.在進入學習浮力的概念、產生原因、大小等之前，學生已經先從密度的角度討論了“物體何時沉浮”這一問題.可見在知識點的引入方式上，中國教材更注重于將物理知識與生活中的實例相聯系，充分體現了從生活走向物理，從物理走向社會的教育理念，而KPK教材則強調相關內容的銜接及知識點之間的邏輯關系，從多個角度來引入課程學習的內容，注重學生邏輯思維的培養.

5 概念表述及公式推導方式的比較

兩套教材的不同點更多的體現在概念的表述及浮力公式的推導方法上.例如，浮力的概念，中國教材定義為浸在液體中的物體受到向上的力.KPK教材則把浮力描述為流入液體中的動量流的強度.可見，在“浮力”這一知識模塊中，中德教材在物理表述上存在著很大的區別，中國教材將浮力解釋為物體與液體之間的相互作用，但學生不理解這種相互作用的具體內容是什么，對浮力概念的理解是模糊的，僅停留在形象化的層次，不能從本質上去理解浮力.

KPK教材引用 “動量流”來代替傳統“力”的概念，把動量看成一個基本的物理量，在不同的系統中傳遞.在力學體系中，中國教材主要介紹力、運動及機械，是以“力的模型”來表述物理現象及規律.而KPK教材則以動量作為力學的基礎，采用“動量流模型”，以動量、動量流來介紹力學的內容.動量流的概念相比于力的概念，更簡單易懂，容易與日常的生活經驗相聯系.用動量，動量流作為力學的主概念，避免在教學一開始就引入抽象的力的概念或采用一系列晦澀難懂物理定義及相關術語.在知識量不斷增加的時代，只有用新概念來代替舊的傳統概念，同時刪除在現代物理中一些已經不重要的、多余的物理概念，才能簡化教材，簡化科學教育.

中德兩套教材在浮力公式推導的思維方式上也是不同的.中國教材是從阿基米德鑒定皇冠的史實引出浮力的大小用猜想與實驗的方法來證實了阿基米德原理即浸入液體中的物體受到向上的浮力，其大小等于它排開的液體所受的重力.而在KPK教材中采用逐步推理的方法來探究浮力的大小.先假設在水中有一小部分空間的水被隔開，稱為水物體，懸浮于水中，此時引力場流入水物體的總動量流為F入＝m水g，這個動量流通過水物體表面再流向周圍的水并流向大地，則流向大地的動量流為F出＝m水g.如果將水物體換成相同體積的鐵塊，則流入鐵塊的動量流變成F入＝m鐵g，由于鐵塊與水物體在水中的表面壓強分布是一樣的，所以從鐵塊中流出的動量流跟水物體一樣為F出＝m水g.此時凈動量流為F凈＝F入－F出＝（m鐵－m水）g.鐵塊浸入水中，凈動量流減少了m水g，減少的動量流即為鐵塊所受到的浮力.若用其他液體代替水，則F凈＝（m物－m液）g.浮力就是從m物g中減去的部分動量流F浮＝m液g.

在KPK教材中，對浮力的文字描述是物體的視質量比它的真質量少了，差值被取代的那部分液體的質量.明顯的，我國教材比較重視生活中現象和經驗，以學生的興趣和認真規律為基礎，用有趣的小實驗去探究浮力的大小，使物理探究的過程中充滿樂趣.但是KPK教材則立足物理學自身發展的邏輯順序，側重理論分析，用系統的思維方法去推導浮力大小，注重內容的邏輯嚴密性，帶有方法論的內容及思辨思想，獨特且有利于學生理性思維的發展.

6 例題習題設計的比較

例題是向學生傳授新知識的紐帶，幫助學生將剛獲得的零碎的新知識進行綜合運用以建構知識體系.而習題是真正起到鞏固知識，開發智力，培養學生良好思維品質的作用.

從表2中可以明顯地看出，中國教材在“浮力”這一知識點中的練習題數量遠遠超過了KPK教材.可見中國學生的課后學業負擔是比較重的，在“中考”的壓力下，部分學校采取“題海戰術”的方式來提高學生的學業成績，這種機械式的訓練將形成思維定勢而抑制學生創造性的發展，不利于學生綜合能力的培養.KPK教材中沒有設計例題，而中國教材在學習了阿基米德原理之后，設計一道計算浮力大小的習題來幫助學生理解浮力大小的公式，及時鞏固新知識以完善知識體系，且形成基本的解題技能.

表2

續表

從習題種類、數量上看，中國教材和KPK教材一樣都非常重視計算類的練習，題量超過總數的一半，都是對計算浮力大小的公式進行運用.此外兩種教材都設計了兩道問答題，以拓展學生的思路，引導學生的科學素養向物理學科發展前沿發展.但在實驗類及判斷類的習題上，中德教材就存在明顯的差異.KPK教材中沒有設計這兩種類型的習題，說明德國在浮力這一知識點上不注重實驗探究以及培養學生在日常生活中判斷物體沉浮條件.中國教材在這里設計了兩道實驗題，一道是用實驗證明“沉入水中的物體受浮力的作用”，另一道是讓學生設計實驗檢驗“浸沒在液體中的固體所受的浮力跟固體形狀是否有關”.顯然中國教材非常注重學生的探究活動，特別是探究實驗的過程，不僅在習題中體現，在教材知識點介紹中，也多處采用演示實驗、探究實驗的方式來得出結論，且探究過程嚴格按照科學探究的7個步驟進行.

物理學習是以觀察、實驗為基礎的，在試驗中獲得感性材料的基礎上經過抽象思維才能得出物理概念和規律.這種探究類習題的設計，不僅培養學生動手操作的實驗技能，同時給學生提供一個創造性平臺，培養學生的創新意識與探究能力.

7 結論和啟示

KPK教材較中國教材知識面廣、內容新，采用全新的物理概念，側重類比遷移，有助于學生知識體系的建構且達到精簡化的目的.注重概念本質的理解，結構邏輯性較強，注重科學推導，有利于培養學生科學的物理思維，同時將前沿物理知識引進中學教材，建構現代化的課程體系.但是中國教材也有自己本身的特色，它緊緊抓住中學生的心理特點，根據其認知特征和思維特點去編寫教材，形式多樣，能幫助學生在學習物理概念的過程中建立形象化的模型，促進知識理解，提高教學效率.同時注重物理與生產生活相結合的理念，重視實驗探究過程，培養學生觀察動手能力，促進學生科學探究能力的發展.

通過本文的分析，筆者認為在中德初級物理教材的比較中對我國教材的改進與實際教學有如下啟示.

在教材編寫時，（1）要簡化物理表述，拋棄晦澀難懂的舊的物理概念，采用邏輯性更強的知識體系結構，以精簡物理教材.（2）要充實完善教材的內容，拓寬科學知識范圍，引入前沿的物理知識，將現代物理學逐漸引入中學教材，使物理教材有現代化的特征.（3）要把握好物理課程標準的本質，根據教學目的和學生的認知規律，衡量好教材編寫中知識內容的廣度和深度.

在教學過程中，（1）要加強學生對物理概念的理解，引入前沿新穎的物理表述，從不同的角度去剖析物理過程，培養學生創造性的思維.（2）教師要注重課堂教學過程中關于概念理論的解說以及公式定律的推導，以教材作為“物質”載體，引導學生改善學習方式，促進邏輯思維的發展.（3）更要重視學生實驗探究能力的培養，開發設計新穎獨特的實驗，加強學生科學探究能力的培養.

1 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育教科書物理8年級下冊［M］.北京：人民教育出版社，2012：49－60.

2 ［德］F.Herrmann，G.Job著，陳敏華譯.中學物理能量、動量、熵 Volume1［M］.上海：上海教育出版社，2007：111－112.

3 李亞儒.中美高中物理教材的比較研究——以“加速度”一節為例［J］.物理教師，2011（10）：52－54.

4 張恩德，吳江梅，潮興兵.德國KPK物理課程設計思想評述［J］.物理教學探討，2008（7）：27.

5 涂靜秀.中德兩套初級中學物理教材的比較研究［D］.上海師范大學碩士學位論文，2009：15－18，50－53.

6 涂靜秀.中德兩套初中物理教材的比較［J］.物理教師，2010（9）：47－48.