美國《物理原理與問題》教材與人教版教材的比較研究
——以“曲線運(yùn)動”為例

段基華 郭長江

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

(收稿日期：2016-06-06)

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教材與書評

美國《物理原理與問題》教材與人教版教材的比較研究
——以“曲線運(yùn)動”為例

段基華 郭長江

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

(收稿日期：2016-06-06)

以曲線運(yùn)動為例，對比分析了美國《物理原理與問題》教材與人教版教材在內(nèi)容、教學(xué)過程體例安排及教學(xué)方式上的差異.希望能對一線教師的教學(xué)開闊一些思路，進(jìn)而為我國課程改革的進(jìn)一步拓展改進(jìn)提供一些幫助.

曲線運(yùn)動 教材分析 比較研究

中美兩國在政治制度、經(jīng)濟(jì)條件、傳統(tǒng)文化、人口壓力等方面均各有異同，由此產(chǎn)生的教育也不盡相同.美國高中教育多采用啟發(fā)式教育.

在教材方面，由齊澤維茨(Zitzewitz,P.W.)等著的美國主流教材《物理原理與問題》，內(nèi)容豐富、特色鮮明.

本文以高中階段的曲線運(yùn)動為例，對比和分析美國《物理原理與問題》教材與人教版高中物理教材在內(nèi)容及呈現(xiàn)方式方面的差異，旨在為高中一線教師提供課堂教學(xué)的思路，為教研工作者提供研究的方向，進(jìn)而為我國課程改革的進(jìn)一步拓展改進(jìn)提供一些幫助.

1 對比分析兩種教材內(nèi)容及教學(xué)呈現(xiàn)方式的異同

下面以“曲線運(yùn)動”為例說明兩種教材內(nèi)容及教學(xué)呈現(xiàn)方式的異同.“曲線運(yùn)動”在美國《物理原理與問題》教材的第6章“二維運(yùn)動”中呈現(xiàn)，分為3節(jié).教材在章末復(fù)習(xí)指南中列出了本章關(guān)鍵術(shù)語，筆者在此基礎(chǔ)上歸納整理了其框架體例和呈現(xiàn)方式如表1所示.

表1 美國《物理原理與問題》教材第6章“二維運(yùn)動”總結(jié)

續(xù)表

對比美國《物理原理與問題》教材的分析，筆者對人教版教材必修2第五章“曲線運(yùn)動”的內(nèi)容在框架體例和呈現(xiàn)方式方面進(jìn)行歸納整理如表2所示.

表2 人教版教材必修2第五章“曲線運(yùn)動”總結(jié)

續(xù)表

表1和表2分別分析了美國《物理原理與問題》教材與人教版教材關(guān)于曲線運(yùn)動的內(nèi)容與呈現(xiàn)方式.

(1)在知識點(diǎn)方面：人教版教材內(nèi)容較為豐富，共7節(jié),包括曲線運(yùn)動、平拋運(yùn)動、一般拋體運(yùn)動、圓周運(yùn)動、線速度、角速度、向心加速度、向心力等知識點(diǎn).美國教材知識點(diǎn)較少，拋體運(yùn)動講完后講述圓周運(yùn)動，并涉及相對速度.并在章末進(jìn)行總結(jié)時(shí)歸納出了“關(guān)鍵術(shù)語”，知識點(diǎn)清晰明了.

(2)在教材內(nèi)容的呈現(xiàn)方式上：美國教材注重學(xué)生本位，多以實(shí)驗(yàn)探究引出新知，亦以挑戰(zhàn)性問題或者以實(shí)際生活實(shí)例來引出課題.例如“空氣阻力”的問題，如圖1所示.

圖1 美國《物理原理與問題》教材對“空氣阻力”的描述

我們講述拋體運(yùn)動時(shí)都是忽略了空氣阻力的，可是學(xué)生在日常生活中觀察到的拋體運(yùn)動都是受到空氣阻力的，美國教材并沒有逃避實(shí)際問題，以學(xué)生為主體考慮他們所需.同時(shí)美國教材也較偏向生活，以與其他學(xué)科的結(jié)合或者以“未來技術(shù)”為拓展的形式鞏固知識點(diǎn)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，帶動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，如本章中由生物學(xué)科“鳥類遷徙飛行”來判斷相對速度，如圖2所示.人教版教材內(nèi)容具有較強(qiáng)的邏輯性：以從特殊到一般的邏輯體系從曲線運(yùn)動講述到平拋運(yùn)動、一般拋體運(yùn)動、圓周運(yùn)動，再由圓周運(yùn)動的描述提到線速度、角速度、向心加速度、向心力等，最后聯(lián)系實(shí)際、進(jìn)行升華；人教版教材的學(xué)科本位氣息較為濃厚，導(dǎo)入大多比較直接，如圖3所示.也有以生活實(shí)例導(dǎo)入的，但是大多數(shù)的生活實(shí)例集中在最后單獨(dú)的一節(jié)，主要目的是對所學(xué)的知識進(jìn)行應(yīng)用.

(3)物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué).在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，美國教材分為“起步實(shí)驗(yàn)”、“迷你實(shí)驗(yàn)”和“物理實(shí)驗(yàn)”等.先經(jīng)歷起步的試探實(shí)驗(yàn)，再在課堂上進(jìn)行迷你的小實(shí)驗(yàn)，最后在科學(xué)探究中進(jìn)行嚴(yán)密的物理實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)逐漸遞進(jìn)的過程.正如布魯納的“認(rèn)知發(fā)現(xiàn)說”：學(xué)習(xí)過程是一種積極的認(rèn)知過程，學(xué)習(xí)任何一門學(xué)科，都有一連串的新知識，每個(gè)知識的學(xué)習(xí)都要經(jīng)過獲得、轉(zhuǎn)化和評價(jià)這3個(gè)認(rèn)知學(xué)習(xí)過程.人教版雖沒有明確在教材中劃分實(shí)驗(yàn)類型，但日常教學(xué)中有“演示實(shí)驗(yàn)”、“課堂實(shí)驗(yàn)”和“學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)”等.但在實(shí)際實(shí)施過程中，這些實(shí)驗(yàn)多以教師為主.演示實(shí)驗(yàn)顧名思義是教師演示，但是課堂實(shí)驗(yàn)由于控制課堂節(jié)奏等因素大多也是教師做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)也并不是每個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行實(shí)際動手操作.以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教育理念并不能很好地體現(xiàn).

圖2 美國《物理原理與問題》教材與生物相結(jié)合

圖3 人教版高中《物理·必修2》“平拋運(yùn)動”第一段

2 對比分析兩種教材在呈現(xiàn)方式上的異同

上述內(nèi)容對比了“曲線運(yùn)動”在兩種教材中的體現(xiàn)，下面以“曲線運(yùn)動”的典型特例“圓周運(yùn)動”為例，進(jìn)行更具體的分析.

美國《物理原理與問題》教材對“圓周運(yùn)動”一節(jié)安排如圖4所示.

其中，平均速度計(jì)算公式及加速度方向的得出是由圖形給出的，如圖5,圖6所示.

圖4 美國《物理原理與問題》教材“圓周運(yùn)動”安排

圖5 做圓周運(yùn)動的物體的位移Δr除以發(fā)生這段位移的時(shí)間就是這段時(shí)間內(nèi)物體的平均速度

圖6 勻速圓周運(yùn)動中加速度指向圓心

相對美國教材，人教版教材對“圓周運(yùn)動” 內(nèi)容安排如圖7所示.

圖7 人教版教材“圓周運(yùn)動”安排

其中線速度和角速度的計(jì)算公式都是由圖形以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的，如圖8所示.

圖8 推導(dǎo)圓周運(yùn)動的線速度和角速度用圖

通過對比可知，美國教材有如下特點(diǎn)：

(1)美國《物理原理與問題》教材較為突出重難點(diǎn)：在正文左(右)側(cè)留白處有每節(jié)課的“學(xué)習(xí)目標(biāo)”、“關(guān)鍵術(shù)語”等，其中“學(xué)習(xí)目標(biāo)”中重點(diǎn)動詞加粗.學(xué)習(xí)策略之一的認(rèn)知策略分為復(fù)述策略、精細(xì)加工策略、組織策略.其中復(fù)述策略有一點(diǎn)是“畫線”，這里的加粗類同于畫線，使學(xué)生在復(fù)習(xí)的時(shí)候很容易把握住重點(diǎn).

(2)美國教材每段的第一句都是問句,“怎樣確定物體向心加速度的大小？”和“怎樣測量做圓周運(yùn)動物體的速率？”等等.奧蘇貝爾的成就動機(jī)理論之一的認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力是一種學(xué)生渴望了解和理解，要求掌握知識以及系統(tǒng)地闡述問題并解決問題的傾向.這種內(nèi)驅(qū)力，一般而言，多半來自于好奇心.在有意義學(xué)習(xí)中，認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力是最重要而穩(wěn)定的動機(jī).所以不斷對學(xué)生進(jìn)行設(shè)問或提問，使其產(chǎn)生好奇，可以起到一個(gè)引導(dǎo)和啟發(fā)的作用，并且豐富了課堂師生交流的形式.

(3)美國教材在講述完知識點(diǎn)后，專門有一個(gè)模塊是“不存在的力”.以汽車向左急轉(zhuǎn)彎為例，提出問題并解釋，再次證明無論是直線運(yùn)動還是圓周運(yùn)動，牛頓運(yùn)動定律都適用.在正文左側(cè)留白處還有一個(gè)物理學(xué)的應(yīng)用“宇宙電梯”以及鏈球的例子，將所學(xué)應(yīng)用于生活現(xiàn)象的解釋以及科技前沿.

人教版教材的特點(diǎn)如下：

(1)人教版教材更具體嚴(yán)瑾、思路清晰：由現(xiàn)象引出圓周運(yùn)動的概念，因需對其進(jìn)行描述，進(jìn)而提出線速度及角速度，過程中附帶介紹其單位以及周期、轉(zhuǎn)速的概念，最后討論兩種速度的關(guān)系.

(2)人教版教材在本節(jié)中也有兩次“思考與討論”的欄目，有助于豐富教學(xué)形式、提高學(xué)生合作學(xué)習(xí)的能力.

(3)人教版教材在引入課題的時(shí)候較多地列舉了生活中的例子，在章末專門設(shè)置了一節(jié)“生活中的圓周運(yùn)動”，能將理論與實(shí)際聯(lián)系，很好的體現(xiàn)了三維目標(biāo)中的情感態(tài)度與價(jià)值觀的目標(biāo).兩者相同之處在于都充分利用了圖形和數(shù)學(xué)推導(dǎo)來判斷線速度角速度的方向及其數(shù)學(xué)表達(dá)式.戴爾的經(jīng)驗(yàn)之塔理論認(rèn)為：圖形是僅次于文字抽象性程度的較抽象媒體.其抽象程度低于文字，高中階段正是一個(gè)人的思維從具體形象到概括抽象逐漸發(fā)展的過程，尤其是物理課程的學(xué)習(xí)，有必要借助圖形這一工具轉(zhuǎn)變抽象思維，降低難度，減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)以提高興趣.加德納認(rèn)為“intelligence”一詞不是“智力”而是“智能”.他認(rèn)為人的智能是多元的，其中一個(gè)智能是“邏輯-數(shù)學(xué)智能”，即對物體進(jìn)行比較分類、感知并理解圖像，對事物進(jìn)行系統(tǒng)的推理.只有經(jīng)過數(shù)學(xué)的嚴(yán)密推算，其結(jié)論才更有說服力，才能更好地被學(xué)生理解、接受.

3 結(jié)束語

《論語·述而》中有：“三人行，必有我?guī)熝伞?，中美教材都有值得互相借鑒的地方，應(yīng)做到“擇其善者而從之，其不善者而改之”.通過兩種高中物理教材的比較，找出它們的異同，在對比中更加深刻地理解我國物理教育的特點(diǎn)、不足并且認(rèn)識到需要改進(jìn)的地方，互相借鑒、共同進(jìn)步.美國教材更注重物理教學(xué)與實(shí)際生活的聯(lián)系，更注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體是學(xué)生而非教師，注重關(guān)鍵知識點(diǎn)的提煉，這些都值得我們借鑒.

1 齊澤維茨(Zitzewitz,P.W.)著.物理原理與問題(上冊).錢振華譯.杭州:浙江教育出版社，2008.162～185

2 物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理·必修2.北京:人民教育出版社，2013.1～30

3 李春密.德國Phywe物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與我國物理教材的對比分析.國外實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2011(27):62～64

4 劉震飛.香港、新加坡和美國的中學(xué)物理教材研究:[學(xué)位論文].上海：華東師范大學(xué)，2008

5 高婉瀅.中日初中物理教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比較研究:[學(xué)位論文].天津：天津師范大學(xué)，2014

段基華(1993- ),女，在讀研究生，研究方向?yàn)槲锢斫虒W(xué)與中外教材對比.

郭長江(1974- ),男，副教授，碩士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)、科學(xué)課程與教學(xué)、考試評價(jià).