中美課標中能量部分的比較研究

張煥笛 蘇玉成

(中央民族大學理學院,北京 100089)

課程標準是規定某一學科的課程性質、課程目標、內容目標、實施建議的教學指導性文件．2013年,美國頒布的《新一代科學教育標準》(The Next Generation Science Standards,NGSS,以下簡稱《新課標》)[1]重視教學內容、教學過程的的整合性,同時強調課程設置的連貫性、學科課程與實踐的關聯性以及教育目的的人本性,具有一定的科學性和先進性．郭玉英,姚建欣,彭征對美國《新一代科學教育標準》探究分析得到其整合理念對我國理科課程標準的修訂和教育研究具有重要啟示．[2]劉興然對美國《新一代科學教育標準》的編制框架與特點進行分析,探究了整合科學與數學、人文之間的關系,并以新的學習理論作為修訂標準的指導思想,這些經驗均是值得我們學習的．[3]通過對中美物理課程標準進行比較研究,將從多角度更好地了解我國課程標準所具有的特點,同時根據我國現階段教育特點有選擇借鑒他國課程標準以助于我國科學教育理念與實踐的發展．

能量的守恒定律是自然界的最基本、最普遍規律之一．高中階段學習的有關能量的內容與各學科、社會生產以及日常生活之間都息息相關．同時,能量部分內容對于學生形成可持續發展觀以及進一步學習其他科學技術至關重要．本文以高中階段的能量內容為例,將《新課標》與我國2017年新出版《普通高中課程標準》(以下簡稱我國《課標》)[4]進行比較研究．

1 概況簡介

《新課標》中將科學教育分為3個維度,分別為實踐工程實踐(Science and Engineering Practices)、跨學科概念(Crosscutting Concepts)和學科核心概念(Disciplinary Core Ideas),并將這3個維度結合在每一條課程標準中,又在所有課程標準之間設置了連接,期望通過3個維度的整合發展學生的知識與能力．《新課標》旨在提高美國基礎教育階段中學生的科學素養,并通過提高未來勞動力的實踐能力來滿足美國未來的經濟、社會發展需求．

我國2017年由教育部出臺的普通高中物理課程標準是對其2003年出臺的普通高中物理課程標準(實驗稿)進行修訂,以貫徹“立德樹人”根本任務為指針．該《課標》從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面培養學生物理學科核心素養，并為學生終身發展考慮,使其具有應對現代社會和未來發展挑戰的能力．

2 高中階段能量內容的比較研究

美國《新課標》高中階段的能量內容主要分為以下4個板塊: (1) 能量的定義; (2) 能量的守恒和轉移; (3) 能量和力之間的關系; (4) 日常生活中的能量．我國《課標》中高中階段的能量內容主要涉及: (1) 機械能及其守恒定律; (2) 靜電場; (3) 電磁場; (4) 能源與可持續發展; (5) 動量與動量守恒定律; (6) 熱力學定律; (7) 物理學與新能源等7個板塊．下面將以美國《新課標》的4個板塊劃分維度為依據與我國《課標》中相關要求進行比較研究．

2.1 中美課標關于能量的定義的比較

能量的定義是高中物理中的基本概念,其貫穿于高中物理知識的各個部分．對于能量定義的學習有助于學生從能量角度分析并解釋現階段問題,促進學生能量觀念的形成．能量的概念是一較為抽象的概念,中美課標中對于能量的定義這部分內容都進行了相關要求,其具體比較分析見表1．

表1 中美課標關于能量的定義比較

由表1分析比較可知,美國《新課標》中給出能量的定義為“能量是一個系統的定量屬性,它依賴于物體的運動和物體的相互作用”．我國《課標》是從“功”的角度來引入能量的概念,時學生通過對能量的量度功以及功率的學習來理解能量．美國《新課標》中指出學生宏觀的角度上了解能量存在形式,并要求在此基礎上舉例幾種能量存在的具體形式．中國《課標》在這一基礎概念上并未對其進行具體要求．美國《新課標》中提出構建并使用模型來理解機械能是物體動能與勢能的結合并說明構建模型可以包括圖標、描繪以及模擬等形式．通過這些可以看出,美國《新課標》中對于能量的定義這部分學習要求重點在于對相關概念的理解以及相關模型的建立,并未對能量部分相關計算有較高要求．中國《課標》中則重點要求理解功、功率的大小與意義、動能與動能定理以及重力勢能與重力做功的關系,其重點在于對能量量度功的理解與功率的計算,要求學生理解并應用動能定理和重力勢能與重力做功的關系,并通過舉例要求學生利用牛頓第二定理對動能定理進行推導驗證．中國《課標》中側重點在于定理概念的理解與推導并未強調通過建立模型理解能量的定義．

2.2 中美課標關于能量的守恒與轉移的比較

能量轉化與守恒定律是物理學中重要的基本規律之一，它揭示了電、熱、光、機械、化學等各種運動形式之間相互聯系以及相互轉化的統一性.它不僅是自然科學的一條基本規律，更是檢驗一個科學理論是否正確的基本準繩之一.中美課標對于該部分內容提出了相關要求，見表2.

表2 中美課標關于能量守恒與轉移比較

由表2分析比較可知，美國《新課標》與中國《課標》在能量守恒定律都進行了具體說明.美國《新課標》要求學生設計創建一個模型來計算在已知部分能量流動情況下，系統內能量變化的情況，并限制模型建立涉及兩到三個系統、基本的代數運算以及研究范圍.相比中國《課標》要求通過實驗驗證能量守恒定律并要求利用能量守恒定律解釋生活、生產中常見的問題.美國《新課標》要求重點傾向于模型設計與物理原理的理解，中國《課標》要求重點傾向于利用所學原理與實際生活的聯系與應用.對于熱力學第二定律，美國《新課標》要求設計一個實驗攤就分析熱力學第二定律，并要求課程的重點在于分析學生實驗得到的數據以及培養學生定量研究的數學思維和利用概念性語句描述實驗原理的能力.對于實驗對象也做了相應的限制，要求學生利用容易獲得的物體或材料進行探究.其課標要求的重點在于學生科學思維的培養以及科學研究方法的學習，使學生可以利用定量研究的方法獨立設計實驗驗證相關定理.中國《課標》要求通過從宏觀角度理解能量轉化的方向性來理解熱力學第二定律的原理.其課標的要求重點傾向于物理原理在實際生活中的應用，注重科學知識與的實踐性以及建立物理學中的守恒觀念.

2.3 中美課標關于能量和力之間的關系的比較

能量貫穿于各物體間相互作用.在電場和磁場中，能量相關定律是分析問題、解決問題重要原理之一.中美課標中對于電場、磁場中力與能量間關系進行了相關要求，見表3.

表3 中美課標關于能量和力關系比較

由表3分析比較可知，對于能量與力關系部分，美國《新課標》主要對電場和磁場中能量進行了課程要求.美國《新課標》要求學生需要通過構建兩個物體模型，探究在電場和磁場中兩個物體間受到相互作用的力與能量之間的變化關系.其課標中對于模型建立進行了具體限制，要求模型種類可以包括繪畫、圖標以及文本3種形式，并舉例說明可以繪制兩個異種電荷在相互靠近時能量變化關系.對于實驗調查也進行了具體要求，其規定學生設計實施的實驗需要學生協同作業或者獨立完成并得到可靠數據作為驗證理論支撐基礎.對于實驗數據的類型、數量和準確性也有相應的要求.中國《課標》，其關于電場和磁場中有關能量部分要求學生學習了解楞次定律以及法拉第電磁感應定律，通過定律的角度認識電場與電磁場中物體能量變化關系并通過要求學生對電功、電功率以及焦耳定律的理解掌握電路中能量守恒與轉換.相比美國《新課標》并未對該部分進行相關要求.中國《課標》要求重點在于培養學生利用原理解釋現象的能力，加深對科學原理的理解與應用.

2.4 中美課標關于日常生活中的能量的比較

美國《新課標》中注重跨學科概念，在能量部分中對能量在其他學科與實踐方面應用提出了相關要求.相比于我國《課標》，在能量相關知識的應用上也進行了相應的要求，具體比較分析見表4.

表4 中美課標關于日常生活中的能量比較

由表4分析比較可知，美國《新課標》中要求學生設計、構建或者改進一個能量裝置模型，要求該模型可以將一種形式的能量轉化為另一種形式，并對模型的類型提出了具體說明.中國《課標》在此部分的要求了解利用水能、風能、太陽能和核能的方式并初步了解核裂變與核聚變.同時要求了解可再生能源和不可再生能源的分類，認識能源的過度開發和利用對環境的影響.美國《新課標》對于日常生活中能量部分的學習重視學生對實驗的設計、構建以及對原有實驗的改進，其目的在于培養學生建立一套完整的科學思維.鼓勵學生以日常生活中可接觸到的實例進行分析探究，從而進一步提高學生分析問題、解決問題的能力.中國《課標》側重于要求學生了解目前物理能源各種具體來源方式，與現階段我國物理能源科技發展相結合.同時側重于要求學生對日常生活中可再生能源和不可再生能源的區分，強調能源的開發與利用對環境的影響，符合現階段我國發展基本國情.

3 總結與建議

根據高中物理能量部分的比較研究，筆者提出以下建議：

(1) 能量概念是整個物理學的基礎，對于高中物理能量部分相關概念與定理的認識，也是學生是否可以從能量角度分析問題、解決問題的關鍵.同時，能量觀念是物理觀念重要組成部分，而物理觀念是物理核心素養的重要維度之一.建立扎實的能量觀念將有助于提高學生分析問題、解決問題能力，培養學生科學核心素養.

(2) 物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗模型的建立有助于相關物理知識、定律的理解與學習.在能量部分課標要求中，對于相關理論模型建立的評估標準、適用條件應提出具體要求.

(3) 在力與能量間關系相關要求中，不僅僅從楞次定律與法拉第電磁感應定律角度探究電場與磁場中能量守恒與轉移，同時應增加相關模型的建立，培養學生科學探究精神.