美國教材《物理：原理與問題》對我國物理教學的啟示

(江蘇省高郵中學,江蘇 揚州 225600)

《美國國家新一代科學標準》于2013年頒布，其課程內容包含三個維度：學科核心概念、科學與工程實踐和交叉概念。其中物理學科包含于物質科學中，所涉及的核心概念有：物質和相互作用、運動和平衡、能量、波動及其在信息傳播技術中的應用。此外該標準還提出如下的課程目標：無論學生對科學的興趣、動機如何，都應該使自己具有高水平的科學素養。由此看出，從標準的維度到核心概念的提出再到課程目標，都與我國的高中物理圍繞提升學生核心素養為目的的教學有很強的契合性，因此我們不妨研讀美國的高中物理教材，以期對我們的教學有所助益。根據美國物理協會統計研究中心的調查，《物理：原理與問題》(以下簡稱《物理》)在全美有將近一半以上的學校選用，該教材曾多次進行修訂，結合我們的教學，《物理》有如下特點，給我們諸多啟示。

1 科學方法教學的顯化

《物理》對什么是科學方法及其種類、物理模型的意義、科學定律與科學理論的區別、測量理論中的精確度與準確度等都有詳細的說明，將物理方法的教學顯性化。美國哈佛物理教材變革計劃的領銜人霍爾頓指出：“物理學任何一部分基本內容都包含以下三個因素：實驗事實、物理方法論、數學表達。可見，物理知識作為一個客觀體系，其中隱藏的物理思想，通過對其加工、提取、組織、簡化、記憶，便可轉化為學生的認知結構的一部分，從而形成能力”。目前的教學活動不少從學習知識的角度來設計，這樣做，學生也能學習到一些科學方法。但由于從屬于知識學習、是隱藏在知識中，是碎片化、不連續的滲透式學習，因而，學生對科學方法的掌握是淺層次的、不夠系統的。而《物理》教材則提醒我們：在教學活動中應當把科學方法的教學明朗化、顯性化，即以科學方法本身的思路去組織教學活動，把科學方法作為教學目標。目前我們高中物理所涉及的頻次較高的科學方法有：演繹推理、實驗歸納、理想化模型、假說法、比值定義法、等效替換法、控制變量法等。

2 充分挖掘物理學史的立德樹人價值

物理學史主要探尋物理學概念產生、演化的過程和發展規律，考察物理學家的生平、思維方式，歸納研究方法，比較并總結歷史上不同觀點的紛爭與融合。因此加強物理學史的教育有利于學生形成正確的物理觀念，激發其學習物理的好奇心、求知欲，培養其科學態度和責任感。《物理》對物理學史的介紹更加突出了物理概念、規律認識發展過程的系統性。例如對天體運動規律的研究，教材從哥白尼、第谷、開普勒、牛頓、卡文迪許的研究直到愛因斯坦的引力理論，并介紹了慣性質量與引力質量；在電場概念的呈現上，從法拉第提出場的概念，利用范德格拉夫起電機產生電荷，歷史上將草籽放入礦物油中模擬電場線的方法，到密立根對電子電荷量的測定。這樣完整、系統地介紹物理學史，不但可以培養學生的科學思維能力，而且對經典物理觀念與現代物理觀念的融合起到促進作用，更能引導學生認識科學本質，在學習成長過程中自覺遵循普遍接受的道德規范，增強學習的責任感，養成既尊重他人又不迷信權威的科學態度。

3 實驗設計取材生活化

對學生身邊的生活資源篩選，可以轉化為實驗資源。《物理》中利用家用攝影機測量玩具電動車速度、探究拋體運動的規律，用膠布演示同種、異種電荷的相互作用，用摩擦過的氣球演示帶電體間的相互作用。這些資源廣泛而豐富，給探究實驗教學提供了充分的支持，也給每個學生自主探究活動提供了公平參與的機會。雖然學生對來自身邊生活的材料、器械、工具比較熟悉，但對它們的物理屬性或原理未必仔細研究過。所以從認識生活物品和材料的物理原理開始，可開發眾多學生感興趣的科學探究活動，而問題的復雜程度和探究的環節多少可根據教學內容、學生現階段認知水平和教學時間等進行設計，先關注重點環節的探究活動，逐漸深入，最終促進學生參與科學探究的全過程。例如：一只乒乓球鉆孔后插入一根透明膠管，膠管內有紅墨水，可演示物體的微小形變；用攝像機可記錄探究自由落體的規律；把細鋼絲穿過豎直放置的塑料管，在兩端掛上鉤碼，旋轉一端的鉤碼，同時保持另一端鉤碼靜止，可探究向心力與加速度、半徑的關系。

4 概念圖建構知識網絡體系

20世紀60年代美國康奈爾大學諾瓦克教授根據認知同化理論提出概念圖理論。該理論認為：當學生把教學內容與自己認知結構建立起聯系時意義學習就發生了。學生的認知結構中各部分內容是有層次的，包攝性最廣的概念在頂層，下面概念的包攝性依次降低。學生將新學的概念與自己的認知結構聯系起來，并把新知識儲存在各概念的相互關系中。《物理》在每一章的測評欄目里都會幫助學生畫出本章的概念圖，磁場部分的內容的概念圖如圖1所示。有研究表明：通過畫概念圖，可以加強新舊知識的整合，促進學生進行有意義學習。可按如下步驟進行：首先，對某一概念的實例做出列舉,并能辨析出與該概念的相似的、易混淆的概念；其次，找出該概念與其他概念間的邏輯關聯；最后，分析處理與該概念相關的實際問題。在課堂教學、課后活動中，為形成完整的認識結構，往往需要教師引導學生緊扣知識的內在聯系與要領，把握整體知識結構，對所學的知識進行比較并綜合，以形成良好的認知結構。

圖1

5 解題策略的示范

解題策略是指一般的解題方法，它反映解題活動具有的一般特征或基本的方法要素，有時表現為具體操作程序。《物理》對解題程序的示范、解法的尋找常常會做出全面的示范，以一道運動學題目為例，解題分為三步：分析問題，求解未知量，驗證答案。分析問題包含：情景概述，選擇坐標，規定正方向，畫出運動圖，標記物理量；求解未知量時列出已知量、未知量，既有從已知量出發正向求解的路徑，又有從未知量出發逆向探索相關條件的思路；在驗證答案環節，要求檢查單位是否正確？符號是否有意義？數值是否合理？在問題解決的過程中，每前進一步，經常會面臨多個可能的分支路徑，需要對分支路徑做出選擇。教材例題為我們提供了很好借鑒，即：通過正向分析、逆向分析、化歸分析的方法來對選出最優的解題路徑。在我們平時的教學中，我們對學生解題思維過程缺乏細致的解剖，對具體解題方法的介紹、討論多，但對解題過程中存在的策略選擇卻很少與學生討論。因此，我們很有必要就問題解決活動中的各種要素、屬性、特征和規律性聯系對學生多做介紹。

《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出：物理學科核心素養指的是學生在物理學科活動過程中形成的符合個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過學習內化而成的帶有物理學科特點的心理品質，是學生物理學科核心素養的關鍵成分。什么樣的物理教學才能有效提升學生的核心素養？《物理》教材的一些思路與做法值得我們借鑒，從科學方法顯化教學,充分發揮物理學史的教育功能，利用生活資源設計實驗，運用概念圖使知識結構化，全面示范解題策略這五個方面培養學生的物理核心素養，讓物理課堂成為培養學生核心素養的陣地，賦予學生對他們終身發展最有價值的東西。