中美教材滲透物理觀念的比較分析 ①
——以“靜電場”為例

張綺夢 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。[1]物理觀念包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等，是物理核心素養的重要方面。

教材作為教師教和學生學的重要資源，是物理觀念教學的重要載體。本文選取的研究樣本為我國的新粵教版、新人教版高中物理教材和美國教材《Physics: Principles and problems》，對“靜電場”部分的內容進行比較，分析各種教材中物理觀念的呈現情況。

2 中美教材“靜電場”部分物理觀念的比較分析

“靜電場”開啟了高中階段電學內容的學習，起到承接力學、開啟電磁學的重要作用，對于學生物理觀念的培養具有重要意義。為比較分析三種教材呈現物理觀念的策略，筆者在查閱“物理觀念”的相關文獻后，[2-4]制定靜電場部分的教材分析表(表1)，基于操作性定義對相關教材內容進行比較分析。

表1

2.1 物質觀念

物質觀念是重要的物理觀念，從形成不連續物質觀念到逐漸發展為連續物質觀念，再到更高層次的統一，反映了人類物質觀念的不斷完善。[5]高二學生已經初步具備從宏觀和微觀視角去分析事物的能力，但對于看不見、摸不著的場還需要進一步提升認識水平，且大部分學生對這部分知識存在畏懼心理。

三種教材均在正文部分突出靜電場的“物質性”和“客觀存在”的性質，但引入方式略有不同。新粵教版教材先回顧相隔一定距離的兩電荷間存在相互作用力，進一步指明這種相互作用力與接觸力的作用不同，引發學生思考電荷間發生作用的機制，在此基礎上引出靜電場的概念，指明場具有物質性。新人教版教材針對起電機使人的頭發豎直散開的現象設問，結合“法拉第提出電荷周圍存在電場”的物理史料，交待電場看不見、摸不著的特性，接著運用圖示法分析電荷之間通過電場發生相互作用(圖1)。美國教材在“LAUNCH Lab”欄目中提出問題：“兩個帶電物體如何發生相互作用？”將兩只氣球在衣服上摩擦使之帶電，用細線把氣球懸掛在墻上，讓學生觀察現象，接著在正文開頭部分引導學生回顧前面學習的萬有引力，將靜電力與萬有引力進行類比，并啟發學生思考：“一個力是如何在看起來空虛的空間產生作用的？”并詳細地介紹了法拉第關于場的思考，即力具有物質性，電荷在電場中受到力的作用，那么電場也具有物質性，這是邏輯推理的結果。[3]

圖1

美國教材利用演示實驗引發學生對場的思考，對法拉第提出場的物理史實的敘述更完整，引導性更強，并且在該章開頭部分就將電場與引力場相類比，突出類比方法。新粵教版和新人教版教材在正文對電場概念的引導略顯蒼白，但新粵教版教材能從學生熟悉的生活情境出發，激發認知沖突，通過問題暴露部分學生中存在的超距作用迷思概念；新人教版教材則利用插圖化抽象為具體，說明場的作用機制及其客觀存在的特性。

2.2 相互作用觀念

物體之間的相互作用力包括強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。電荷間的相互作用是學生在高中階段首次接觸到的電磁相互作用，通過庫侖定律分析點電荷間的相互作用，會進一步豐富學生對物體間相互作用的認識。

三種教材編寫“庫侖定律”的邏輯思路和側重點各不相同。新粵教版教材從建立點電荷的理想模型入手，重視實驗，從定性到定量，探究點電荷間相互作用的規律，讓學生經歷科學探究過程。新人教版教材在“問題”欄目中設計了演示實驗，引發學生思考影響電荷之間作用力的因素，融入物理學史，先介紹庫侖定律，并在正文部分詳細介紹庫侖實驗，引導學生在思維上經歷探究過程。美國教材利用帶電橡膠棒，設計對比實驗，定性探究靜電力與電荷量及其距離之間的關系，接著詳細介紹庫侖實驗的原理，最后聯系生產實踐，介紹靜電除塵的應用。

新粵教版教材在此部分中注重滲透模型思想，重視培養學生的科學探究能力，促進學生物理觀念的形成。新人教版和美國教材在“庫侖定律”教學框架上較為相近，融合物理學史，促進學生相互作用觀念的形成。此外，新人教版教材還以批注的形式顯化類比方法，強調類比方法在庫侖定律發現中的重要作用。

2.3 運動觀念

通過機械運動的學習，學生已經初步掌握了描述物體運動的方法，為學習帶電粒子在電場中的運動奠定了基礎。然而學生在面對力學和電學的綜合運動情境時，常常會出現思維障礙。

新粵教版和新人教版教材都將“帶電粒子在電場中的運動”設立為一節，注重聯系科技發展與生產生活應用，從帶電粒子在電場中的加速再到偏轉，搭建合理的難度臺階。新粵教版教材通過對加速器和示波器等的介紹，引導學生認識帶電粒子在電場中運動的實際應用。在“觀察與思考”欄目，采用陰極射線實驗，直觀呈現帶電粒子的偏轉軌跡。在“資料活頁”介紹密立根油滴實驗，體會密立根的實驗方法的精妙之處，加深學生對帶電油滴在勻強電場中運動的認識。新人教版教材從學習方法層面提出解決帶電粒子相關問題的思考切入點，正文部分側重于例題的解析，使學生在解決問題中形成運動觀念。美國教材沒有將“帶電粒子在電場中的運動”單設為一節，而是在“電場的應用”中介紹了密立根油滴實驗，融入物理學史，引導學生分析帶電油滴在勻強電場中的運動情況，掌握油滴所帶電荷量的測量方法。

從比較可知，新粵教版和新人教版教材能從學生認知規律出發，設置合理的知識難度梯度，從培養學生運動觀念出發，選取教材素材。新粵教版教材還利用直觀的實驗現象化抽象為具體，提供充足的素材幫助學生形成運動觀念，而美國教材在這一部分中滲透運動觀念的文本素材較為薄弱。

2.4 能量觀念

能量觀念包含五個基本觀點：能量本質觀、能量形式觀、能量轉化觀、能量耗散觀和能量守恒觀。[6]建構相關物理概念和規律是學生形成能量觀念的基礎，電勢能呈現了能量形式觀；電荷在靜電力作用下運動中的能量轉化呈現了能量轉化觀和守恒觀，電容的充放電過程涵蓋了能量轉化觀，通過靜電場章節的學習將加深學生對能量觀念的理解。下面以“電勢能”為例進行分析。

“電勢能”對于初學的學生較為抽象，三種教材都運用類比法幫助學生突破思維上的認知障礙。新粵教版教材引出電勢能的概念后，還說明了引力場與重力場的區別。新人教版教材則以批注顯化研究能量的方法，即通過電場力做功來研究電勢能。美國教材充分利用插圖提供直觀形象的素材，如圖2所示，教材強調物體所受的引力指向地球，選取正、負電荷作為研究對象，構成相互吸引的系統，將負電荷產生的靜電場與地球產生的引力場相類比。物體克服重力做功，重力勢能增加，正電荷克服靜電力做功也將使其電勢能增加，進一步類比重力勢能引出電勢能。

圖2

類比是一種重要的推理方法，類比的結論具有或然性。新粵教版教材運用類比方法時能關注兩個類比對象的區別，使學生更好地形成正確的能量觀念。美國教材關注兩個類比對象的屬性及其類比方法的內在機理，借助圖像模型進一步豐富學生對能量觀念的認知。

3 教材使用建議

3.1 注重知識架構，搭建物理觀念形成的腳手架

教師在使用教材重組知識時，要重視知識的邏輯性，以實驗探究推進，融入物理學史，在知識的學習過程中滲透物理觀念。物理知識是核心素養的基礎，如果拋開知識，空談物理觀念，那么觀念將成為空中樓閣。“皮”(物理知識)之不存，“毛”(物理觀念)將焉附。[7]從學生的認知特點和知識水平出發，設計演示實驗或探究實驗，顯化物理學史中蘊含的科學思想，提供實驗證據是物理觀念形成的基礎。

3.2 重視思維方法教育，提供物理觀念發展的實踐指導

教師要挖掘教材知識背后的思維方法和物理觀念，運用話語策略將知識與物理觀念進行有效連結。知識的獲取與物理觀念的形成離不開思維方法，沒有思維方法的參與，學生將無法將學科知識結構內化為自己的認知結構。[8]教科書通常以批注呈現方法，而正文部分的思維方法則較為隱性。在教學中，教師可以采取話語策略“顯化”思維方法，引導學生經歷比較、抽象、分析、概括等思維加工過程，形成物理觀念。

3.3 關注學生形成物理觀念的認知特點，強化物理觀念轉化的意識

教師要關注學生物理觀念形成的影響因素，篩選教材中引入部分與實例應用部分的素材，進行教學內容重組。若不及時糾正錯誤的前概念，將造成知識與應用的脫節，更無法形成正確的物理觀念。從整合教材的角度出發，選擇與生活實際聯系緊密或是能引發學生認知沖突的事例，轉變學生的原有錯誤觀念，并在應用中強化物理觀念。

4 結語

新粵教版、新人教版和美國高中物理教材在“靜電場”部分，關于物理觀念的滲透策略各有優勢。教師要有整合教材的意識，關注學生的認知特點，注重知識架構，重視思維方法教育，促進學生形成物理觀念。