中美高中物理教材物理學史習題的分析與比較

侯新杰 趙歡歡

(河南師范大學物理與材料科學學院,河南 新鄉(xiāng) 453007)

·國外教育·

中美高中物理教材物理學史習題的分析與比較

侯新杰 趙歡歡

(河南師范大學物理與材料科學學院,河南 新鄉(xiāng) 453007)

本文對中美高中物理教材物理學史習題進行分析與比較.分析統(tǒng)計中美高中物理教材習題總數(shù)量、物理學史習題數(shù)量、物理學史習題類型、計算物理學史習題所占比例等;比較中美物理學史習題在數(shù)量、題型分布比重、題型分布結(jié)構(gòu)和習題編制特點等方面的異同,為我國高中物理教材物理學史習題的編制提出改進建議.

高中物理教材;物理學史;文本分析;中美比較

將物理學史與物理教學相結(jié)合是改革傳統(tǒng)物理教學的有益手段.《普通高中物理課程標準》(實驗)從課程性質(zhì)、內(nèi)容標準、活動建議等多方面對物理學史內(nèi)容提出了明確要求,[1]物理教科書的編寫開始融入物理學史內(nèi)容.

本研究以物理教材物理學史習題為研究對象,將人教版高中物理必修1、必修2、選修3系列[2](下文中簡稱人教版教材)與美版高中物理教材[3](下文中簡稱美版教材)課后物理學史習題進行對比,分析兩版物理教材在物理學史習題方面的異同,希望從中有所啟迪,為我國高中物理教材物理學史習題編制提供一些切實可行的建議.

1 研究方法及指標體系

“物理學史”:物理學史是人類研究客觀自然界中各種物理現(xiàn)象的發(fā)展史.它研究物理學發(fā)生和發(fā)展的基本規(guī)律,研究物理學概念、物理學思想發(fā)展和變革的過程,研究物理學怎樣不斷開拓新領(lǐng)域,怎樣產(chǎn)生新的飛躍,研究物理學各個分支怎樣相互滲透,怎樣綜合或怎樣分化.[4]

“物理學史習題”:將直接考察相關(guān)物理學史本身的習題或以物理學史為背景考察相關(guān)物理知識的習題.

本研究中“將直接考察相關(guān)物理學史本身的習題”稱為“A”類習題;將“以物理學史為背景考察相關(guān)物理知識的習題”稱為“B”類習題.

(1) 研究方法.

本文用文本分析法對中美高中物理教材物理學史習題進行定性與定量的比較研究.以物理學史習題類型為分析單位,每一類型物理學史習題記為一處.因為兩版教材編排方式不同,在本研究統(tǒng)計的物理學史習題中,統(tǒng)計人教版教材每一小節(jié)的“課后習題”一個板塊習題數(shù)量,統(tǒng)計美版教材的“本節(jié)復(fù)習題”、“測評”和“標準化測試”3個板塊習題數(shù)量.本文對比分析中美高中物理教材物理學史習題在數(shù)量、題型分布比重、題型分布結(jié)構(gòu)和習題編制特點等方面的異同.

(2) 指標體系建立.

文獻[5]作者對中美高中物理教材科學史內(nèi)容進行了定量統(tǒng)計與對比,其研究結(jié)論指出:人教版和美版高中物理教材科學史習題類型有: ① 用史料提供運用新知識解決問題的情境; ② 用與科學過程相關(guān)的史料,引導(dǎo)學生對科學研究、發(fā)現(xiàn)過程的思考; ③ 用史料引導(dǎo)學生對科學過程以及科學知識合理性的思考.文獻[6]作者根據(jù)對化學史概念的界定,將化學史習題分為:直接考察化學史的習題(S1),以化學史為背景或鋪墊,考察化學概念和技能(S2,1),以化學史為背景或鋪墊,考察化學研究方法(S2,2),以化學史為背景或鋪墊,考察化學情感和化學觀念(S2,3).統(tǒng)計對比了中美高中化學教材化學史習題總數(shù)、化學史習題類型、每種類型相應(yīng)的章節(jié)分布,計算了化學史習題占相應(yīng)模塊教材總習題數(shù)的百分比.在此基礎(chǔ)上對比分析中美化學教材化學史習題數(shù)量和分布的異同,指出了人教版教材化學史習題存在的不足,并對人教版教材的化學史習題編寫和研究提出了建議.

筆者借鑒文獻[5]對物理學史習題分類的研究結(jié)論,結(jié)合文獻[6]對化學史習題的分析框架,形成了本研究的框架和研究工具:根據(jù)物理學史習題功能將“A”類和“B”類物理學史習題細化(表1).

表1 物理學史習題分析類目表

注: 在本研究中A1、A2、A3、A4分別是對A類型習題的細化;B1、B2、B3、B4分別是對B類型習題的細化.

本研究主要對比統(tǒng)計中美高中物理教材課后習題的總數(shù)量、物理學史習題數(shù)量、物理學史習題類型、計算物理學史習題所占比例等.

根據(jù)相關(guān)核心概念界定和已建立的相應(yīng)指標體系,研究者列出了人教版教材和美版教材A類型和B類型物理學史習題分布格局,統(tǒng)計了各個模塊習題的數(shù)量并計算出相應(yīng)比例(表2和表3).本研究中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別為人教版教材必修1、必修2、選修3-1、3-2、3-3、3-4、3-5;Y1、Y2、Y3分別為美版教材上冊、中冊和下冊.

表2 人教版教材物理學史習題統(tǒng)計

續(xù)表

注: 3A3的含義為3道A3類型的習題

表3 美版教材物理學史習題統(tǒng)計

2 研究結(jié)果

通過對中美物理教材習題總數(shù)量、物理學史習題數(shù)量、物理學史習題類型、物理學史習題所占比例等方面的分析與比較,得到了以下結(jié)論.

中美兩版教材物理學史習題的相同點:

(1) 人教版教材和美版教材物理學史習題數(shù)量都比較匱乏;物理學史習題占總習題的比例均很低.

人教版教材的物理學史習題共為21道,美版教材的物理學史習題共為47道.人教版教材物理學史習題占總習題的比例為4.04%;美版教材為1.8%.兩種版本教材物理學史習題的數(shù)量和比例均有待增加.圖1、圖2為兩版教材各模塊物理學史習題數(shù)量占總習題數(shù)量的比重.

圖1 人教版教材各模塊物理學史習題數(shù)量比重

圖2 美版教材各模塊物理學史習題數(shù)量比重

(2) 人教版教材和美版教材在題型分布比重上都缺乏合理性,習題類型分布不均衡.

比如:人教版教材對A3題型考察最多,為33.33%,對A1和B1的考察最少,為0%;美版教材對A2題型的考察最多,為34.78%,對B2題型的考察最少,為2.17%.圖3、圖4為兩版教材物理學史題型分布比例.

圖3 人教版教材物理學史習題題型分布比重

圖4 美版教材物理學史習題題型分布比重

以上兩點是兩版教材在物理學史習題方面存在的共同問題,但兩版教材存在的更多是差異性,主要有物理學史習題數(shù)量、分布結(jié)構(gòu)、習題編制特點等.

中美兩版教材物理學史習題的不同點.

(1) 美版教材的物理學史習題總數(shù)較多.從題型分布結(jié)構(gòu)來看,美版教材更加注重多角度考察物理學史.

美版教材的物理學史習題總數(shù)為47道,顯著高于人教版教材物理學史習題總數(shù)(21道),但由于美版教材課后習題總數(shù)很多,因此美版教材總物理學史習題占總習題的比例低于人教版.

人教版教材物理學史習題只涉及A2、A3、A4、B2、B3、B4 6種題型,并且在X1、X3中都沒有設(shè)置物理學史習題;美版教材在Y1、Y2、Y3 3本教材中都設(shè)置有物理學史習題,涉及8種題型.

(2) 從模塊分布結(jié)構(gòu)來看,美版教材更加注重均衡合理.

美版教材中“科技寫作”類型對物理學史的考察是教材的一大特色.有利于培養(yǎng)學生的哲學思想、語言表達能力和元認知能力.問題呈現(xiàn)側(cè)重通過對物理學家工作的考察,使學生掌握物理原理.人教版教材只有一道寫作性題目,美版教材17道.下面僅以兩個特例來說明美版教材科技寫作板塊的考察特點.

例:Y1,第1章“物理學工具箱”:“研究和描述物理學史中的一個課題.解釋關(guān)于此課題的觀念是如何隨著時間不斷演變的.注意論述中要包括各個科學家的貢獻,并從科學思想以及外界環(huán)境等方面評估這些貢獻所產(chǎn)生的影響.”[3]題目緊扣“史學”,考察物理觀念的發(fā)展、變革和飛越,從而理解物理學原理.讓學生體會物理學發(fā)展中蘊含的哲學思想,認識真理的絕對性和相對性,以發(fā)展的眼光看待事物;以重要科學家的貢獻,思想,實驗過程和方法為考察重點,多角度的考察方式,既有廣度,又有深度.體現(xiàn)了美國對物理學習的理念:學習物理學體系、學習物理學史體系、學習科學哲學體系.

(3) 從物理學史習題編制特點來看,兩版教材存在很大的差異.

人教版教材物理學史習題考察目的比較單向化,問題設(shè)置具有寬泛性、發(fā)散性.美版教材物理學史習題考察目的比較多向化,問題設(shè)置具有引導(dǎo)性和層次性,題目之間具有較好的連通度.主要表現(xiàn)在以下兩個方面:

① 人教版教材對物理學史的考察側(cè)重以物理學史為背景,考察相關(guān)物理知識;美版教材側(cè)重直接考察學生對科學家、對物理學歷史上研究方法、研究過程的掌握情況.

比如，人教版教材,對愛因斯坦光電效應(yīng)實驗的考察只提到“光電效應(yīng)實驗”,考點僅聚焦到光電效應(yīng)的實驗結(jié)論,旨在檢測學生對知識的掌握,考察目的比較單向化.美版教材,同樣考察“光電效應(yīng)”.但考察方式很有借鑒意義:讓學生用自己的語言敘述愛因斯坦是怎樣解釋的.不僅鍛煉了學生的語言表達能力,而且使學生經(jīng)歷了科學家思維發(fā)生、發(fā)展的過程,讓學生的思維有了發(fā)生的起點,更達到了掌握知識的目的,使學生的全面發(fā)展有載體可尋.美版教材物理學史習題編排符合美版教材題目初衷——物理原理與問題:強調(diào)對物理原理的掌握,培養(yǎng)學生的問題解決能力,考察目的比較多向化.

② 人教版教材物理學史問題設(shè)置寬泛,有利于培養(yǎng)學生的自主學習能力;美版教材物理學史習題設(shè)置具有導(dǎo)向性,有利于引領(lǐng)學生的思維發(fā)展方向.

比如，人教版教材,X6,第12章“機械波”:在有搜索功能的網(wǎng)站鍵入“多普列”一詞,查找多普列效應(yīng)的應(yīng)用,并寫出一篇介紹文章,與全班同學交流.[2]對多普列效應(yīng)的考察,沒有給出具體的問題導(dǎo)向,問題設(shè)置寬泛,具有發(fā)散性,有利于培養(yǎng)學生的自主學習能力.

美版教材,對多普列效應(yīng)的考察中,首先考察多普列效應(yīng)在天文學上的應(yīng)用,給出范圍界定,具有引導(dǎo)性.然后提出3個小問題:在宇宙大爆炸中的作用、怎樣探測行星、怎樣研究銀河系的運動.層次分明,步步設(shè)問,各個分問題之間具有較好的連通度,符合學生的認知發(fā)展規(guī)律,促進學生思維螺旋式發(fā)展.

3 研究建議

物理學史教育能夠促進學生的學習興趣,幫助學生理解物理原理,提高物理學核心素養(yǎng).基于本研究結(jié)果,筆者給出以下建議,希望對我國高中物理教材物理學史習題編寫有所幫助.

3.1 適當增加物理學史習題數(shù)量,合理分配物理學史習題題型比重

題目設(shè)置不僅要以物理學史為背景考察物理知識,也要適當增加對物理學史本身的考察,多角度考察物理學史,使考察目的多向化.在教材中增設(shè)類似“科技寫作”類的物理學史板塊,開拓學生的視野,促進顯性化物理學史教育.[7]

比如我們可以增設(shè)這樣一個習題:“研究并闡述伽利略對物理學的貢獻”.學生要回答這個問題,通過查閱資料,會涉及伽利略的斜面實驗,涉及伽利略為什么要研究自由落體?他是怎樣思考的?伽利略到底有沒有在比薩斜塔做過自由落體實驗?對問題的深入研究不僅能強化學生頭腦中對慣性定律的認識和理解,也能促進學生面對歷史求真、求實的科學態(tài)度.

3.2 適當增加具有引導(dǎo)性、層次性和連通性的物理學史習題

習題設(shè)置起點要低,引導(dǎo)學生思考;多層設(shè)問要深化習題,加強學生對知識的理解;各個分問題之間要能夠聯(lián)系起來,促進學生形成物理學史框架體系,培養(yǎng)學生的物理學核心素養(yǎng).比如美版教材對物理學史習題的設(shè)置:“邁克爾孫采用將一束光射到一面鏡子上的辦法來測量光束.這面鏡子安放在35 km遠處的山上.”

(A) 光抵達山上的鏡面然后返回需多長時間?

(B) 假定邁克爾孫采用一個八面體旋鏡,并假定從其中一個鏡面上反射的光將射到另一座山上,然后被固定在這座山上的一面鏡子反射回八面體旋鏡處.如果調(diào)整旋鏡的轉(zhuǎn)速,使返回的光恰好被轉(zhuǎn)過的下一個鏡面反射.旋鏡的轉(zhuǎn)速應(yīng)為多大?

(C) 如果每面鏡子的質(zhì)量均為10 g,在一個圓周上轉(zhuǎn)動的平均半徑為10 cm.為了使鏡子轉(zhuǎn)動,需要對它施加多大的向心力?[3]

這道題目的第1個分問題利用簡單的運動學就能求出答案,考察直線運動的情況,起點比較低.第2個分問過渡到高中的重點內(nèi)容——曲線運動,結(jié)合直線運動,考察曲線運動中的轉(zhuǎn)速.第3個分問題直接考察曲線運動中的向心力,3個題目之間難度具有較好的層次性,對知識點的考察具有較好的聯(lián)系性.

根據(jù)以上分析,現(xiàn)將X7第18章“氫原子光譜”中的一道習題進行改編:

原題:經(jīng)典物理學在解釋原子光譜時遇到了什么困難?[2]

改編后:1897年,湯姆遜在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了電子的存在,促進了科學家對微觀世界的研究.玻爾借鑒巴爾末對光譜的研究,引入“量子”的概念,修正了盧瑟福的“行星系統(tǒng)”模型,進而提出量子化原子模型,解決了原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題,完美的解釋了氫原子光譜的實驗規(guī)律.

(A) 什么是線狀譜?什么是連續(xù)譜?

(B) 經(jīng)典電磁理論的預(yù)言對盧瑟福的“行星系統(tǒng)”模型提出了怎樣的質(zhì)疑?

(C) 經(jīng)典物理學對原子光譜的解釋與實驗事實有什么不符?

(D) 玻爾的量子化思想雖然取得了很大的成功,但是為什么后來的歷史學家們在評論玻爾的理論時,總是會用到“半經(jīng)典半量子”之類的詞語?表現(xiàn)在哪里?

改編后的習題更能結(jié)合學生的認知基礎(chǔ),起點低,能夠引導(dǎo)學生的思考方向,進而達到解決問題的目的.

3.3 適當增設(shè)A類物理學史習題

問題設(shè)置應(yīng)體現(xiàn)物理學家的研究方法和研究過程,體現(xiàn)科學家的精神和品質(zhì),培養(yǎng)學生積極的情感態(tài)度與價值觀,使學生的學習歷程、成長歷程有學科素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的依托.

必修2第6章“萬有引力與航天”是高中物理的難點,研究對象從地面運動到天體運動的轉(zhuǎn)變,抽象的行星運動定律以及學生對衛(wèi)星知識了解甚少都對本章教學和學習提出了挑戰(zhàn).“蘋果落地”的故事只能讓學生感受到萬有引力建立過程的戲劇性,而對萬有引力的真實探究過程了解甚少.

為優(yōu)化教學效果,我們可以在借鑒美版教材物理學史習題設(shè)置的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國課程標準,設(shè)置這樣有關(guān)物理學史的習題:

1687年,牛頓將萬有引力定律發(fā)表在《自然哲學的數(shù)學原理》中,這部巨著是天文學、數(shù)學和力學發(fā)展的歷史的產(chǎn)物,實現(xiàn)了物理學史上第一次大綜合.

(A) 哥白尼和第谷對開普勒的研究有什么幫助?

(B) 牛頓從開普勒的平方反比定律中得到了什么啟發(fā)?

(C) 為什么牛頓認為一定有力作用在月球上?

(D) 牛頓在建立萬有引力的過程中繼承了前人的哪些成果?

題目設(shè)置使學生認識到萬有引力定律的建立并非單憑靈感和天才,它離不開世世代代科學家的努力,離不開牛頓的勤奮好學,積極思考,我們要學習牛頓的研究成果,也要學習他的科研精神.

從物理學史習題的角度研究物理學史教育,旨在讓物理學史的顯性化教學效果得以鞏固,希望在接下來的研究中,研究者能夠關(guān)注物理學史習題在學校測評、中考試卷、高考試卷中的考察情況,評價物理學史考題與課程標準的吻合度,研究物理學史考題的現(xiàn)狀,以促進物理學史教育的發(fā)展.

1 侯新杰, 趙紅枝.物理學史與物理教學相結(jié)合的情況分析及改進建議[J].教育導(dǎo)刊,2006(04):43-45.

2 張大昌,彭前程,張維善等. 普通高中課程標準實驗教科書[M].北京:人民教育出版社,2006.

3 P W Zitzewitz著.科學的發(fā)現(xiàn)者:物理原理與問題[M].錢振華譯.杭州:浙江教育出版社,2008.

4 郭奕玲,沈慧君.物理學史[M].北京:清華大學出版社,2005:1-5.

5 栗素嬌.科學本質(zhì)視野下中美高中物理教材中科學史內(nèi)容分析[D].新鄉(xiāng):河南師范大學,2013:80-82.

6 宗國慶,李遠蓉,李敏等.中美高中化學教材中化學史習題的對比研究[J]. 中學化學教學參考,2016(4):72-74.

7 侯新杰,陳留定,趙紅枝等.利用物理學史進行科學本質(zhì)顯性化教學的策略[J].教學月刊(中學版),2016(7-8):45-48.

河南省中學物理學科教育教學研究基地(教基二[2016]807號).

2017-07-03)