中美初中物理教科書中情境設置的比較
——以“壓強”內容為例

董博清 彭前程

（1.河北師范大學教育學院，河北 石家莊 050024；2.人民教育出版社課程教材研究所，北京 100081）

近年來，許多國家及國際組織開展了核心素養的研究，我國2014年也開始了以培養學生核心素養為主要目標的課程改革.通過比較不同國家的課程設置，可見世界各國均將情境化設計理念作為課程落實核心素養的共同手段.教科書作為連接理想課程與現實課程的重要媒介，其情境設計的質量將直接關系到學生核心素養的培養.物理學是自然科學領域的一門基礎學科，物理核心素養的發展呼吁基于核心素養的教科書編寫，要求教科書要創設與現實關聯緊密的情境.本文旨在分析與比較我國與美國初中物理教科書中情境的設置情況，以期為落實核心素養的教科書編寫及課程改革提供參考.

1 物理教科書中情境的內涵與類型

1.1 物理教科書中情境的內涵

情境反映個體行為與現實環境之間的復雜關系.從認知的角度來講，情境可以被看作是一種來源于現實世界的信息載體，呈現了個體認知活動的信息來源.從學生角度來講，情境可以被視為學生進行學習活動、發生學習行為的背景或環境.情境理論認為，學習的實質是個體參與實踐活動，與他人、社會等相互作用的過程.［1］在物理教科書中，情境指呈現給學生任務或問題的相關信息.這些相關信息能夠使學生進行學習活動、產生學習行為，包括幫助學生理解學習任務或問題的文字說明、插圖材料、相關事件、所處環境等.簡言之，物理教科書中的情境指教科書中任務或問題所處的現實環境及背景信息.

1.2 物理教科書中情境的類型

物理學是一門與現實問題聯系緊密的學科，不論物理概念、規律或定理，都有其產生的現實背景.本文將重點關注物理教科書正文中設置任務或問題的現實背景及其對學生學習的作用與影響.為此，筆者從情境與學生生活聯系的遠近程度出發，參考PISA2012測試中對于數學情境和科學情境類型的劃分，［2］將物理教科書中的情境分為學生的日常生活情境、職業生活情境、社會生活情境和科學生活情境，具體類別和內容見表1.

表1 初中物理教科書中情境的類型

2 物理教科書中情境分析的設計

2.1 中國和美國教科書的選取

我國教科書選取2012年人民教育出版社出版的《義務教育課程標準實驗教科書·物理》，是經全國中小學教材審定委員會審查通過、使用最廣的初中物理教科書.美國教科書選取2013年浙江教育出版社出版的初中綜合科學教科書《科學探索者》，是美國中學普遍選用的綜合理科教科書，也是一套研究性的學習教科書.

2.2 教科書中情境分析的維度

本文主要從情境類型和情境作用兩個維度來分析物理教科書中的情境.情境的作用主要從情境的生活性、適切性、應用性等方面來分析（見表2）.首先，學生熟悉的情境能夠連接學生已有經驗，為學生提供思維場所，激發物理學習動機.其次，與學生認知相適宜的情境能夠激發大腦中與情境相關的概念，引發學生對于問題或知識的理解與建構.再次，與現實問題相關的情境，可以為學生提供應用物理知識和技能的機會，讓學生真切感受到物理之于現實世界的應用價值.

表2 初中物理教科書中情境作用分析維度

2.3 教科書中情境分析的具體思路

基于教科書文本，首先整體分析中美兩國初中物理教科書中壓強的內容結構.然后，具體分析兩個國家教科書壓強內容每一部分具體情境的內容及含義，結合學生認知，總結教科書中不同類型情境及其不同特性對物理學習的作用.最后，比較中美教科書中情境設置情況，提出教科書編寫建議.

3 我國初中物理教科書壓強內容中情境設置情況

我國教科書中壓強部分的知識結構鏈為：壓強→液體壓強→大氣壓強→流體壓強與流速的關系.本文分別分析了每一部分內容所設置的情境，結果如下.

3.1 壓強部分設置的情境

這部分主要通過日常生活和社會生活中的情境，讓學生理解壓強概念及其實際應用.第1個情境，重力差不多的兩個人在茫茫白雪中，一個深陷一個卻沒有.第2個情境，小小蚊子將皮膚刺破、重重駱駝卻不會陷入沙漠.第1個情境讓學生關注壓力相當時，受力面積對壓力作用效果的影響；第2個情境讓學生對比壓力和受力面積都不同時壓力的作用效果.通過情境設置，自然而然引發學生思考壓力作用效果與壓力、受力面積之間的關系.

關于壓力作用效果與受力面積是否相關，學生缺乏感性經驗.教科書設置常見的雪景、蚊子、沙漠情境，讓學生在熟悉現象中感知壓力作用效果.情境設置貼合學生認知，能夠幫助學生理解.之后，教科書設置探究實驗，讓學生運用控制變量法，探索壓力作用效果與壓力和受力面積之間的關系.為了比較壓力作用效果，教科書引入壓強概念.如此設計讓學生認識到壓強概念引入是出于對自然現象認識的需要，進而感受物理與現實世界的聯系.

緊接著，教科書設置社會生活中改變壓強大小的情境，包括不使拖拉機陷進土里，將圖釘按進墻里等.然后，教科書從生產、生活中常見的情境現象出發，讓學生運用壓強概念，解釋推土機鏟刃、篆刻刀刀口鋒利、破窗錘做成錐形、鐵軌下面放枕木等現象產生的原因.重點分析了貨車超載重量的限制，鍛煉學生應用壓強概念解決現實問題的意識和能力.

3.2 液體壓強部分設置的情境

液體內部存在壓強嗎？教科書設置家庭生活中與之相關的情境，讓學生通過觀察液體對物體產生的作用效果，感知液體壓強.洗菜池裝滿水，要提起橡皮塞比較費力.此情境展現了水對橡皮塞強大的壓強作用.情境的設計是在壓強概念學習基礎上，通過對液體壓力作用效果的分析與觀察，印證液體壓強的存在，能夠促進學生理解內容、建構知識.

液體內部不同方向均有壓強嗎？通過對社會生活中噴泉現象分析，讓學生認識水向上有壓強.之后，教科書陳述觀點：液體具有流動性，液體向各個方向都有壓強.接著，介紹測量液體內部壓強儀器的工作原理，并讓學生運用儀器測量液體內部壓強，歸納液體壓強大小的特點.進一步通過“平面”模型的建立與分析，推導液體壓強公式.但是，儀器和模型分析較為抽象，學生不容易想象和思考.

然后，教科書引導學生比較潛水員在大海不同深處工作時所受壓強；分析潛艇的工作特點；通過生活和科學中連通器的原理分析及運用，包括鍋爐、三峽船閘等，讓學生運用物理知識認識、理解并解釋現象.但是，科學情境船閘與學生生活較遠，增加了學習的陌生感.另外，潛艇和船閘的分析較為專業，這對于初學液體壓強的學生來講比較困難.

3.3 大氣壓強部分設置的情境

教科書設置日常生活中的情境實驗，讓學生分析大氣壓強在其中發揮的作用，感受大氣壓強的存在.例如，如果在廚房中掛廚具的塑料吸盤上戳個小孔，吸盤便不能貼在光滑的墻上.如果把懸空倒置的塑料管上端跟大氣相通，水就不能留在管中.這部分的情境緊緊圍繞學生日常體驗，趣味性強，且學生比較熟悉、容易操作，能夠激發探究與思考的欲望.

大氣壓到底有多大？教科書設置托里拆利實驗，讓學生認識測量大氣壓的原理.緊接著，讓學生自制氣壓計，感受大氣壓在不同高度的變化特點.之后，設置科學和職業情境，通過珠穆朗瑪峰大氣壓燃燒困難、研發高科技實現奧運火炬在海拔地區傳遞，戰士在青藏高原地區只能用壓力鍋做飯，活塞式抽水機工作原理的分析等，讓學生理解科學世界中大氣壓應用.但是，科學情境與日常生活較遠，學生不熟悉、不易理解.

3.4 流體壓強與流速關系部分設置的情境

流動氣體的壓強有什么特點？教科書通過日常生活中的操作，讓學生歸納流體壓強與流速的關系.學生口吹硬幣，使其跳躍前面的木塊；向自由下垂的兩張紙中間吹氣，兩張紙貼合.這些情境實驗操作簡單、現象直觀、生動有趣，能夠吸引學生注意力，激起學生操作意愿，啟發學生猜想原因并進行實踐驗證.

之后，設置飛機升力產生原因的分析、運用傳感器研究氣體流速與壓強關系的拓展性實驗，在于進一步讓學生認識物理知識對于現實世界的價值.但是，機翼模型的分析需要學生理解流體壓強與流速的關系，并能夠運用推理與論證思維進行解釋，對學生要求較高.傳感器分析比較專業，學生理解有難度.總體來看，壓強部分設置情境見表3.

表3 中國物理教科書中壓強內容的情境

4 美國初中物理教科書壓強內容中情境設置情況

美國教科書中壓強部分的知識結構鏈為：什么是壓強→流體壓強→流體壓強的變化→流體壓強的傳遞→運動流體壓強的變化特點.本文逐一分析了美國教科書中壓強各部分所設置的情境.

4.1 壓強概念部分設置的情境

美國教科書在“什么是壓強”部分主要設置了與日常生活密切聯系的情境，讓學生思考生活中的大氣壓問題.第1個情境，對比兩種情況下能否將空瓶子里的氣球吹起來.直接將嵌入空水瓶的氣球吹起來；在瓶口與氣球之間插入一根吸管后，再將氣球吹起來.通過兩種情況下學生感受的對比，讓學生體驗大氣壓的存在.

第2個情境，教科書讓學生對比人和麻雀為什么在厚厚積雪中留下的痕跡不同.為了和小鳥一樣站在雪地上而不下沉，可以怎么做？雖然不能擁有小鳥一樣的體重，但可以改變受力面積.情境的設計不僅僅停留于學生感知人和麻雀對雪地產生的作用不同，還引導學生繼續思考如何使得人和麻雀產生相同作用效果，逐步分析壓力、受力面積和壓強的關系.情境與問題融合，讓學生在熟悉、真實的場景中理解概念、解決問題.

4.2 流體壓強及其變化部分設置的情境

第1個情境，地球周圍環繞著厚厚的流體，叫作空氣，也就是組成地球大氣層的混合氣體，由于受到引力作用而產生重力，擠壓著地球上的一切物體，產生氣壓或大氣壓.第2個情境，作用在手掌的壓強如何被平衡？教科書設置與學生息息相關的情境，讓學生分析大氣壓強產生原因、大氣壓強對身體器官的影響.地球是學生生活的家園、器官是學生身體的一部分，分析其中的大氣壓問題，可以讓學生感受到物理與生活的緊密聯系，激發學習動機.

隨后，教科書引入不同情境，讓學生分析流體壓強變化的特點.為什么乘坐的電梯上升時耳邊會啪啪作響？為什么飛機會有密閉艙？潛水員潛入海洋10 m處工作所受水壓約為海平面大氣壓的10倍；潛水器和吞噬鰻在海平面下2500 m所受水壓是大氣壓的250倍.液體壓強不易被學生感知，教科書用文字描述了液體產生壓強的原因，并在以上情境分析的同時繪制圖畫，且每個圖畫旁都附有文字說明.情境和圖畫設計增強了教科書可讀性，縮小了物理知識與現實世界的距離，可以幫助學生理解流體壓強隨高度和深度改變而變化的特點.

4.3 流體壓強傳遞部分設置的情境

教科書設置相似情境，讓學生感受流動液體壓強的變化.讓學生分別用左右手擠壓裝滿水且密閉的瓶子，感受瓶子中液體壓強變化.分析與裝滿水的瓶子類似的科學情境.水族館海星的身體中有一個維管系統，管內充滿了水，水在管內流動便產生使海星移動的壓強.海星的維管系統和裝滿水的瓶子都是密閉的，改變密閉容器上任何一個位置的壓強，它就會在整個容器中傳遞，且流體各部分壓強將發生相同改變，這就是帕斯卡定律.

關于流動液體壓強的傳遞，學生沒有足夠的生活經驗.教科書設置易觀察的情境，連接學生日常體驗和物理規律學習，能夠幫助學生形成液體壓強傳遞特點的感性認知.之后，闡釋液壓機中液壓系統的工作原理，鞏固學生對帕斯卡定律的認識.接著，分析液壓千斤頂、裝卸車、反鏟裝載機等公共交通中的液壓系統及工作原理，讓學生認識帕斯卡定律在公共社會生活中的應用.但是，機械設備情境設置與學生個體生活較遠，學生理解較為困難.

4.4 運動流體壓強部分設置的情境

教科書設置日常生活中容易操作的情境活動，吸引學生注意力，激發學生動手欲望，進而讓學生思考與認識運動流體壓強隨流速變化的特點.首先，讓學生從自然下垂的紙的頂端向下吹氣，觀察紙的底端有哪些變化，思考紙張哪一端受到壓強較小.讓學生解釋飲料被吸入口的過程中壓強的變化；在兩個易拉罐中間快速吹氣，觀察易拉罐的運動.

之后，讓學生思考萊特兄弟制造世界上第一架飛機的飛行原理是什么？怎樣運用這些原理解釋大型噴氣客機的飛行？科學情境的設置讓學生認識飛機產生的歷史，可以激發學生學習的興趣.之后，教科書呈現伯努利定律.接著，設置社會生活情境，包括飛機升力產生、煙囪里煙霧總是上升等，讓學生認識現實生活中的伯努利定律.教科書以文字和示意圖相結合的方式，幫助學生感受物理知識對于認識世界的意義.總體來看，美國教科書壓強部分設置的情境見表4.

表4 美國物理教科書中壓強內容中的情境

續表

5 中美初中物理教科書中情境設置的比較分析與編寫啟示

總體來看，我國和美國教科書都設置了不同類型的生活情境，情境數量也相當.但是，壓強內容設置略有不同，情境內容和作用也有差異.綜合比較，得出教材編寫的幾點啟示.

5.1 加強情境與日常生活的關聯，幫助學生建立物理學習活動

從與學生生活的遠近程度來看，兩國教科書中日常生活情境數量最多，社會情境和科學情境次之，職業情境最少.具體來看，關于日常生活情境，中國教科書中有切菜、按圖釘、吹硬幣、吹紙張等；美國教科書中有空氣中的手掌、乘坐電梯、擠壓裝滿水的塑料瓶、吹紙張和易拉罐、喝飲料等.相比而言，美國教科書設置的日常情境是學生個體在平時生活中經常操作的活動，學生更易捕捉和體驗，不僅讓學生感知現象，還讓學生思考并解決情境中的問題，繼而呈現概念和規律內容.中國教科書則是通過日常生活情境的分析，連接學生日常經驗，讓學生感知物理現象，為概念和規律的探究做準備.

關于社會情境，兩國設置情境內容及作用完全不同.中國教科書中田間耕作拖拉機、推土機、貨車超載、刀口鋒利等，在于分析社會生活中改變壓強大小的方法，鞏固學生對壓強概念的理解和應用.美國教科書設置重型機械設備利用液壓系統工作、大卡車利用液壓系統剎車的情境現象，在于讓學生認識流體壓強傳遞在社會生活中的應用，但與日常生活較遠.關于科學情境，兩國設置的機器構成及工作原理，學生不熟悉，也沒有日常經驗做基礎.關于職業情境，兩國設置內容相似、數量都最少，沒有展現與物理學習相關的更多職業.

總之，情境的生活性越強，學生越熟悉，就越能激發學生的已有經驗，幫助學生建構有意義的物理學習活動.首先，中國教科書需要選取與學生個體生活密切關聯的情境，激發學生學習動機，關注學生對情境中物理現象的感知，也注重情境中問題的分析與解決，在問題解決中學習物理.再者，選取社會生活和科學生活中學生易接觸、易觀察的情境，縮小社會和科學生活與學生物理學習之間的距離，激發學生學習的興趣.最后，增加職業情境設置數量，幫助學生認識物理專業學習與將來的職業選擇，增強學生物理學習的積極性.

5.2 增強教科書情境的適切性，幫助學生理解并建構知識

從情境內容與學生認知的符合程度來看，兩國教科書設置的社會情境和科學情境存在較大差異.關于社會情境，美國教科書針對液體壓強傳遞設置，中國教科書主要圍繞大氣壓強設置，并沒有涉及液壓傳遞內容.液體壓強的傳遞規律也就是帕斯卡定律是學生理解液體內部有壓強、液體對容器有壓強、液體壓強向各個方向傳遞等內容的基礎.但是，關于液體流動性使得液體內部向各個方向都有壓強的特點，學生并無認知也缺少日常生活經驗.美國教科書通過社會公共生活情境的分析，讓學生認識流體壓強傳遞現象，進而呈現帕斯卡定律及在社會生活中的運用.比較而言，中國教科書可以充分考慮學生認知邏輯，增加流體壓強傳遞的相關內容，設置日常生活情境，幫助學生理解液體壓強的特點及其實際應用.

關于科學情境，美國教科書中設置地球周圍大氣壓的分析、飛機設立密閉艙的原因分析、萊特兄弟制造第一架飛機飛行原理思考等，幫助學生分析大氣壓存在原因，認識大氣壓和海拔高度的關系，理解伯努利定律.情境設置與學生所學物理規律相融合，幫助學生理解.中國教科書設置三峽船閘連通器原理、活塞式抽水機的工作原理、用傳感器研究氣體流速與壓強關系等，作為擴展閱讀或擴展實驗呈現，專業性和抽象性較強.對于壓強理解，很多學生感到困難，也缺乏相關生活體驗.為此，不宜設置較難的科學情境.為了增強情境的適切性，教科書需要考慮科學情境與所學內容之間的關聯，充分關注學生的已有認知，圍繞編寫主題設置適當難度的科學情境，幫助學生理解情境、建構物理知識.

5.3 加強教科書情境的應用性，增強學生學習物理的認同感

整體來看，美國教科書所設置的情境緊密圍繞編寫內容，情境中問題的分析和解決為內容編寫服務，可以幫助學生理解有關壓強的現象和問題.之后，教科書呈現壓強的概念和規律.中國教科書首先設置情境，讓學生感知情境中的物理現象，然后通過實驗或測量操作，讓學生通過探究，歸納概念、發現規律.接著，再設置情境，讓學生運用所學物理概念和規律，解釋情境現象、解決情境問題.相比而言，美國教科書情境的應用性體現于整個編寫過程.中國教科書情境的應用性在解決現實問題部分體現得較為明顯.

物理學與現實問題緊密相連.素養是個人在現實情境中，調動認知與非認知的心理資源，成功滿足復雜需要的能力.［3］核心素養是個體在面對復雜、不確定的現實問題時，能夠發現問題、解決問題的綜合品質.［4］物理核心素養伴隨著情境中物理問題的解決得以生成與實現.物理核心素養的培養需要增強教科書情境之于現實問題解決的應用性.同時，物理是一門應用性非常強的學科，應用物理知識、技能和思維解決自然世界和科學世界中的實際問題，是學習物理最樸實的目的.我國教科書需要挖掘問題情境之于科學世界的應用性，讓學生認識學習物理的價值，增強學生學習物理的認同感.