科學探究視角下的中美高中主流物理教材比較研究
——以“萬有引力與航天”單元教學為例

卞望來

(江蘇省南菁高級中學,江蘇 江陰 214437)

在新時代背景下,探討新時代教育內涵,叩問教育的本質,尊重教育的規律,彰顯教育的立德樹人價值．學生發展核心素養是立德樹人的基本要求,是構建物理學科核心的主要依據．物理學科核心素養主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”4個方面的要素構成,而科學探究是物理核心素養的重要指標之一．

1 問題的提出

1.1 科學探究

科學探究是人類探索和了解自然、獲得科學知識的主要方法,也是學生學習科學的主要方式之一．科學探究是提出科學問題,形成猜想和假設,獲取和處理信息,基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．以證據為基礎,運用各種信息和邏輯推理得出結論,公開結果和接受質疑,這是科學探究的主要特點．據此,我們教師要讓學生真正理解科學探究,讓學生具有科學探究意識,要讓學生保持合理懷疑的精神,因為這是科學進步的動力．

1.2 中美高中主流物理教材

2003年《普通高中物理課程標準》頒布后,我國高中物理教材實現了一綱多本．目前,我國有人教版、滬科版、司南版、教科版和粵教版等5種高中物理教材．其中2004年由人民教育出版社、課程教材研究所和物理課程教材研究開發中心共同編著的《普通高中課程標準實驗教科書物理》(以下簡稱《物理》)使用范圍最廣,可稱我國高中主流物理教材．

美國高中物理教材以市場為導向,各個學校可以自由選擇,種類繁多．如《Physics:Principles and Problems》,即《物理原理與問題》,作者是美國密歇根-迪爾伯恩大學的物理教授保羅·齊策維茨;《PSSC物理學》,由美國物理科學研究委員會(PSSC)編定．其中《Physics:Principles and Problems》(以下簡稱《PPP》),在美國有超過50%的選用率,可稱美國高中主流物理教材．

1.3 科學探究視角下的中美高中主流物理教材比較研究

這里的比較研究,就是從中美高中主流物理教材中選取某一單元,分析教材的知識點,對兩套教材內容安排、欄目設置、實驗編排和插圖設計等方面進行比較,運用科學探究的方法,比較分析兩國教材在這些方面有什么不同,明確我國現有教材的優勢與不足,吸取美國教材的亮點,從而更好地培養學生的物理核心素養．

2 教材比較研究

筆者以人教版《物理》(必修2)中的“萬有引力與航天”這一章的教學,及與此對應的《PPP》中的“萬有引力”一章進行比較．

2.1 《物理》(必修2)教材中“萬有引力與航天”

在《物理》(必修2)教材首頁中的內容比較豐富,該頁的右上角有一段法國數學家、天文學家拉普拉斯說的一段話;中間有一幅插圖:我國末來的空間實驗室; 頁末主要講牛頓的偉大發現萬有引力定律及取得的輝煌成就和學習本章的意義．

“萬有引力與航天”是《物理》(必修2)教材中的第6章內容,共6節．① 行星的運動,主要內容是開普勒三定律,并提出在中學階段可將行星的軌道近似為圓軌道,該節后面安排“科學足跡”:人類對行星運動規律的認識．② 太陽與行星間的引力,主要內容有太陽對行星的引力,行星對太陽的引力,最后為太陽與行星的引力,其后還有“說一說”:如果要驗證太陽與行星之間引力的規律是否適用于行星與它的衛星,我們還需要觀測衛星運動的哪些數據．③ 萬有引力定律,主要內容有月—地檢驗,萬有引力定律,引力常量．④ 萬有引力理論的成就,主要內容有“科學真是迷人”,計算天體的質量,發現未知天體．⑤ 宇宙航行,主要內容有宇宙速度,夢想成真,后面有“科學漫步”:黑洞;“STS”:航天事業改變人類的生活．⑥ 經典力學的局限性,主要內容有從低速到高速,從宏觀到微觀,弱引力到強引力,后面還有“科學漫步”:時間和空間是什么;“科學足跡”:牛頓的科學生涯．每節都有幾張插圖,書的右側還有小字輔助說明,每節后面的問題與練習一般有3-4題,但本章沒有一道例題分析．

2.2 《PPP》教材中的“萬有引力”

在《PPP》教材中該章首頁的內容也很豐富,有內容提要,學習本章的意義,一幅插圖,還有想一想(描述哈勒——波普慧星的軌道),物理在線等．

“萬有引力”是《PPP》教材中的第7章內容,共2節．① 行星運動與萬有引力,該節主要知識點為:開普勒定律,牛頓萬有引力定律,萬有引力和開普勒第三定律,測量萬有引力常量．② 萬有引力定律的應用,該節主要知識點為:行星和衛星的軌道,重力加速度,引力場,兩類質量,愛因斯坦的引力理論．在教材中先講解知識點的內容,再配以幾張圖片,然后舉一道例題,后面跟幾道相應的習題練一練,知識的內容環環相扣．在本章后面還安排了一個“物理學前沿”:黑洞．緊接著本章的復習指南:列出了二節中要掌握的重要概念．第七單元測評:有繪制概念圖,理解概念,應用概念,問題解決,復習提高,理性思維,科技寫作和日積月累等8個方面,共有82道題．最后為標準化測試:5道選擇題和1道計算題．

在《PPP》教材中第7章還安排了3個實驗(每章都安排3個實驗)．第1個實驗為起步實驗:作圖描述水星的運動軌跡,即根據書中水星軌道的數據按一定比例作出水星的運動軌跡．第2個實驗為迷你實驗:失重的水,分預測、檢驗、描述和解釋．第3個實驗為物理實驗(相當于我國的學生實驗):建立行星和衛星的軌道模型,具體有目標,安全警示,實驗器材,實驗步驟,分析,結論與應用,進一步探索,生活中的物理學．

2.3 教材編排對比

教材是學科的科學思想、科學知識、科學方法和科學品德的重要載體,是幫助教師和學生認識世界、獲得發展的一種媒介．在科學探究視角下,《物理》(必修2)與《PPP》教材在“萬有引力與航天”這一章就以下各方面進行比較．

(1) 章節內容比較．《物理》(必修2)與《PPP》均采用“章—節”方式的編排結構,兩套教材章節的設置從知識、能力和方法上,都遵循循序漸進的原則,讓學生逐步掌握知識、提高能力．

《物理》(必修2)在“萬有引力與航天”這一章中知識點覆蓋面較廣,知識體系完整,為學生提供了豐富的學習內容,使得學生在學習中更有系統化．人教版的教材注重科學探究,因此,我們在實際教學中,要整合與優化教材的內容,降低教學難度,引導學生科學學習和正確思維．

《PPP》在“萬有引力”這一章中內容安排,知識點比人教版少,但也較為完整,增加了“建立行星和衛星的軌道模型”的實驗．《PPP》體現了自然學科學習的一般途徑:對某一方面的基本概念、基本規律作系統的了解和認識,使學生達到一定知識積累,在此基礎上再進一步學習和領悟知識間的內在聯系,逐步將知識內化為能力．

(2) 欄目設置比較．《物理》(必修2)與《PPP》都設置了豐富多彩的欄目．從欄目設置的功能上兩者有明顯的區別,體現了不同的設計理念．① 從“活動性欄目”設置來說,《物理》(必修2)的欄目基本圍繞活動展開(有實驗、做一做、說一說、思考與討論),《PPP》的欄目以起步實驗開始,中間設有挑戰性問題,以物理實驗結束．② 從“方法性欄目”設置來說,《物理》(必修2)沒有設置顯性的方法性欄目,只是在教材中以隱性的、潛移默化的方式培養學生的學習方法;《PPP》每節有明確的學習目標、關鍵術語,有問題解決策略欄目,給學生以物理方法的指導．③ 從“閱讀性欄目”設置來說,兩套教材都非常注重物理與科技、生產、生活實際的聯系．《物理》(必修2)有科學漫步、科學足跡和STS 3個欄目．《PPP》有技術與社會、未來技術、工作原理和物理學前沿4個欄目．就欄目設置來說《PPP》要多一個．但就這一章來說,人教版有5項閱讀,而《PPP》只有一項,可見《物理》(必修2)在拓展學生的課外知識明顯多于《PPP》．

(3) 實驗編排比較．對比兩套教材在同一實驗的設置,我們發現《物理》(必修2)的實驗設計對實驗過程、實驗數據處理及誤差分析都有嚴格而又專業的要求,這樣的設計有利于培養學生科學探究能力,培養學生嚴謹的科學態度．《PPP》的學生實驗往往給學生提供的是生活化的實驗器材,對于實驗方法和結論是開放性的．完成實驗后,學生還可通過“進一步探索”和“生活中的物理學”對實驗做更深入的思考與討論．《PPP》的設計始終圍繞動手與動腦．以“萬有引力與航天”這一章教學來說,《物理》(必修2)只安排了一個做一做小實驗,而《PPP》則安排了3個實驗:起步實驗、迷你實驗和物理實驗,明顯多于《物理》(必修2)．

(4) 插圖設計比較．《物理》(必修2)與《PPP》的插圖均圖文并茂,類型多樣,每一幅圖片都與實物有效對應,這體現了自然現象、科技進展、生產生活等方面的內容．《物理》(必修2)更偏重于人物、實物等方面的插圖,讓學生有更感性的認識．《PPP》則更注重實驗器材的插圖,讓學生從理性的角度去思考物理問題．而且《PPP》教材在培養學生學科素養方面較為重視學科建模能力和學科間知識的融合．

(5) 章末設置比較．《物理》(必修2)將物理實驗和拓展性閱讀材料穿插在正文中,在章末沒有設置專門的欄目．《PPP》在章末安排了物理實驗、物理學前沿、復習指南、測評和標準化測試．《PPP》的章末設置給我們帶來的啟發是:這樣的設置有利于發揮提綱挈領的作用,能更好地鞏固學生的基礎知識,加深對物理概念的理解和應用．

3 研究的意義

通過對中美高中主流物理教材比較研究,采用科學探究方法,反思我國現有物理教材編排的優勢和存在的不足,借鑒美國物理教材編排的好的方面,探索貼近現實教學需求,切實轉變目前教學的不足之處,以利于培養學生的物理核心素養．通過比較研究,我們認為在今后的教材編排與教學中要處理好以下3個關系．

3.1 知識與智慧

目前,我們的教材和教學重視的是知識傳授,而較少考慮學生學習方法,如何讓學生從知識層面上升到智慧層面．教材不僅是傳授知識的載體,而且是培養學生科學探究能力、提高學生的思維能力、增強學生持續學習能力和創新能力的載體．因此,我們在教學中要充分挖掘現有教材優勢,吸取美國教材的好的方面,為教學服務．

3.2 實驗與實踐

物理是一門以實驗為基礎的學科,加強實驗教學只是物理教學的一部分,培養學生的實驗能力其實也不是教材編排的最終目的,而是要讓學生在今后學習和工作中要有實踐能力、探究能力．美國課程的中小學在科學領域的核心素養為“科學與工程的實踐”,這里的實踐既包括物質性的動手,也蘊含科學理性思維和創造性思維在內的動腦．教學的聚焦點要從實驗上升為實踐,其意義在于:避免學科知識過多地作為累積的既定事實,而應強調建構物理模型,增強物理學科討論與評價的實踐能力．

3.3 融合與綜合

我們目前的教材比較注重學科融合．融合是指將兩種或多種不同的事物合成一體．學科融合是指學科間的融合及科學與科技的融合,還是科學知識與科學態度、科學方法、學生的情感和價值觀等方面的融合．綜合是指將已有的關于研究對象各個部分和層次的認識聯結起來,形成對研究對象的整體認識．從培養學生物理核心素養來說,對學生進行學科融合教學,提升到綜合教學,最終要促成學生綜合思維的發展,以此提高學生的核心素養,培養學生成為全面發展的高素質人才．