中外高中物理教材中“功與能”的比較與啟示

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇 南京 210023)

隨著《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的頒布，最新高中物理課標(biāo)教材正式出版，物理課程改革進(jìn)入新時(shí)期。不斷拓寬視野，借鑒優(yōu)質(zhì)資源，方能使教學(xué)改革穩(wěn)步深入、教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提高。國(guó)際文憑大學(xué)預(yù)科項(xiàng)目IBDP(International Baccalaureate Diploma Programme)是獲得了世界范圍認(rèn)可的一套課程體系，“功與能”是力學(xué)知識(shí)的綜合與總結(jié)，一直是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。本文選取人民教育出版社2019年版《物理必修第二冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱人教版教材)第八章《機(jī)械能守恒定律》、劍橋大學(xué)出版社《Physics for the IB diploma》(以下簡(jiǎn)稱IBDP教材)2.7章《Work, energy and power》為樣本，進(jìn)行比較分析，并提出一些教學(xué)建議供參考。

1 章節(jié)編排、章首頁(yè)比較

筆者對(duì)人教版教材與IBDP教材的章節(jié)編排進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1

人教版教材章首頁(yè)概述了生活中的能量，簡(jiǎn)單介紹不同種能量之間存在的轉(zhuǎn)化關(guān)系。在進(jìn)入正式講解前，引用了德國(guó)物理學(xué)家勞厄的一段話：“物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律。因?yàn)檫@樣的規(guī)律的最簡(jiǎn)單形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對(duì)于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向。”這段話點(diǎn)出了守恒量的探尋在物理學(xué)發(fā)展史上的重要地位，契合本章主線，有很好的引導(dǎo)作用，物理名人名言的引用還為教材增添了人文氣息。IBDP教材的章首頁(yè)為一段簡(jiǎn)短的章內(nèi)容介紹，提出了較為詳細(xì)的本章學(xué)習(xí)目標(biāo)，闡述經(jīng)過(guò)本章的學(xué)習(xí)后學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)應(yīng)掌握到什么程度。可見(jiàn)，人教版教材側(cè)重背景的創(chuàng)設(shè)與導(dǎo)入，人文氣息強(qiáng)；IBDP教材在章首直截了當(dāng)?shù)馗嬷獙W(xué)生本章將要學(xué)哪些知識(shí)，目標(biāo)性強(qiáng)。

兩版教材均設(shè)有章末習(xí)題，IBDP教材本章共43題，多為計(jì)算分析題，難度梯度小；人教版教材設(shè)有13道習(xí)題，分為A、B兩組，其中A組6題，習(xí)題難度小，引導(dǎo)性強(qiáng)；而B組的7道題難度較A組有明顯提高。

2 物理內(nèi)容呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)的比較

人教版教材中章標(biāo)題為《機(jī)械能守恒定律》，IBDP教材中章標(biāo)題為《功，能量和功率》，對(duì)比兩版本教材各節(jié)內(nèi)容的安排，結(jié)果如表2所示。

人教版教材本章含有5節(jié)，其中1節(jié)為實(shí)驗(yàn)；IBDP教材則有8節(jié)，全部為理論講解。人教版教材整合了本章內(nèi)容，使得教材編排更為緊湊，每節(jié)包含更多欄目。兩版本教材的節(jié)編排順序也存在差異，這與教材講解知識(shí)點(diǎn)的思路有關(guān)，其他對(duì)比所得數(shù)據(jù)如表3所示。

表2

① IBDP教材中“摩擦力”一節(jié)是從功能關(guān)系的視角，解釋“當(dāng)摩擦力等外力存在時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械能不守恒”的原因，也引出了“當(dāng)機(jī)械能不守恒時(shí)，外力(諸如摩擦力)所做的功就是系統(tǒng)機(jī)械能損失量”的觀點(diǎn)。

表3

表3顯示，IBDP教材在更短的篇幅內(nèi)呈現(xiàn)了更多的知識(shí)點(diǎn)，變力做功的計(jì)算、效率、動(dòng)能與動(dòng)量關(guān)系等超出了人教版教材涉及的知識(shí)范圍。IBDP教材排版密集，文字量大，插圖少。進(jìn)一步分析各節(jié)包含的欄目，人教版教材各節(jié)都以問(wèn)題作為引入，常使用插圖使概念、規(guī)律形象化，并適時(shí)使用實(shí)驗(yàn)、拓展的形式加強(qiáng)與其他知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系。IBDP教材在知識(shí)點(diǎn)上關(guān)注普遍的物理情境，如介紹功時(shí)涉及了變力做功、物體做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)的做功，教材中的配圖均為示意圖。人教版教材例題數(shù)量較少，且較為基礎(chǔ)，給出了詳盡的解答步驟；IBDP教材例題形式豐富，需要更深入的思考，總體難度較大。

綜上所述，人教版教材在編排上過(guò)渡自然，利于學(xué)生順利地把握整個(gè)知識(shí)體系；IBDP教材則更加凸顯學(xué)術(shù)性，直接介紹知識(shí)點(diǎn)，形式上更接近我國(guó)大學(xué)物理教材。

3 教學(xué)思路比較

物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，指從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華。在高中物理教學(xué)中，物理觀念一直是教師關(guān)注的重點(diǎn)，也是教材編寫者期望在教材中呈現(xiàn)的核心內(nèi)容之一，本章是高中階段能量觀念的集中體現(xiàn)。

新版人教版教材將原“追尋守恒量”一節(jié)的內(nèi)容整合到了“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)中，在學(xué)生學(xué)習(xí)了功、功率、重力勢(shì)能、動(dòng)能等基本概念后，圍繞追尋“什么量守恒”而建構(gòu)“能量”觀念。這樣的設(shè)計(jì)巧妙地指引學(xué)生在學(xué)到本節(jié)時(shí)思考這些概念間的聯(lián)系，不僅體現(xiàn)了清晰的知識(shí)目標(biāo)、方法目標(biāo)，還體現(xiàn)了重要的觀念養(yǎng)成目標(biāo)。在教材的注釋中提到：能量概念擁有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力，能讓學(xué)生體會(huì)到物理概念在物理學(xué)研究中的重要地位。在介紹機(jī)械能守恒定律后，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，使得知識(shí)呈現(xiàn)更為完整和嚴(yán)密。

IBDP教材中首次出現(xiàn)功能關(guān)系是在“重力勢(shì)能”一節(jié)，提到“做功的能力稱為能量”。緊接著推廣到一般力做功，探究了功與動(dòng)能的關(guān)系。教材舉例分析了幾個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化情況，先用只有重力做功的情形引出“守恒”觀念，后又安排“摩擦力”一節(jié)介紹了有其他外力的情況。在思想上，此部分處處滲透著能量的轉(zhuǎn)化和守恒觀念，但在呈現(xiàn)上并不凸顯，而是將這些觀念隱含在其中，用較多的推導(dǎo)和例題讓讀者自己體會(huì)。筆者比較了兩版本教材重力勢(shì)能、機(jī)械能守恒知識(shí)點(diǎn)的講解思路，結(jié)果如表4。

可見(jiàn)兩版本教材介紹的思路有顯著差別，人教版教材注重表達(dá)式與結(jié)論的得出過(guò)程，完整呈現(xiàn)探究思路，先進(jìn)行定性探究，再過(guò)渡到定量表達(dá)，凸顯了研究過(guò)程的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性；IBDP教材以講解為主，一般先給出結(jié)論再逐步解釋，注重定量推導(dǎo)。人教版教材的思路更易于學(xué)生理解掌握，還能讓學(xué)生從探尋守恒量過(guò)程，體會(huì)科學(xué)家的探索精神；而IBDP教材的思路偏向邏輯推理，對(duì)學(xué)生的思維能力提出了更高的要求。

表4

4 結(jié)論與啟示

(1) 在章編排上，兩版本教材各有特色，且優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。人教版教材人文性強(qiáng)，物理學(xué)家名言的引用是其亮點(diǎn)，但條理性上較IBDP教材而言不夠凸顯，若能類似IBDP教材設(shè)置一個(gè)呈現(xiàn)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)的欄目，就能更好地作為本章知識(shí)的前瞻，有助于學(xué)生的預(yù)習(xí)。

(2) 在教材內(nèi)容編排方面，人教版教材側(cè)重介紹理想化的物理情境，而IBDP教材往往涉及非理想的一般情境。物理學(xué)與生活聯(lián)系緊密，教師若能在課堂上初步介紹更一般的情境，將有利于學(xué)生把課堂與實(shí)際生活建立聯(lián)系，加深學(xué)生對(duì)概念的理解。

(3) 在教學(xué)思路方面，人教版教材重視科學(xué)推理思路和嚴(yán)謹(jǐn)性，順著主線逐步構(gòu)建能量觀念，在介紹機(jī)械能守恒定律時(shí)引發(fā)學(xué)生對(duì)前幾節(jié)內(nèi)容的思考，對(duì)能量觀念的培養(yǎng)顯得更加突出，教材提供的教學(xué)思路符合培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。教師更應(yīng)充分發(fā)揮教材的這一特色，在教學(xué)中關(guān)注學(xué)生能量觀念的構(gòu)建。

物理教學(xué)不僅是傳授學(xué)生物理知識(shí)，更應(yīng)注重提升學(xué)生的思維能力。物理教學(xué)的目標(biāo)也不僅僅是讓學(xué)生學(xué)會(huì)解題，而是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。客觀辯證地比較國(guó)內(nèi)外不同版本教材，借鑒他人的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)推進(jìn)我國(guó)物理課程改革、提高物理教學(xué)水平有很大的幫助。