人教版教材與美國《物理原理與問題》教材的比較研究
——以“自由落體運動”一節(jié)為例

李雪瑩 高 嵩

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山東 濟南 250014)

教材與書評

人教版教材與美國《物理原理與問題》教材的比較研究
——以“自由落體運動”一節(jié)為例

李雪瑩 高 嵩

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山東 濟南 250014)

教材是教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的有效依據(jù)，充分解讀比較不同版本教材，有助于提高教材編寫的質(zhì)量，從而優(yōu)化教與學(xué)．以中美物理教材(中：人教版必修1；美：物理：原理與問題上冊)中“自由落體”一節(jié)內(nèi)容為例，深入比較兩版教材的編排設(shè)置，為我國新課標物理教材的進一步完善提供建議．

人教版教材 美版教材 差異

各種版本教材在課程編排結(jié)構(gòu)，內(nèi)容選擇，組織方式和顯現(xiàn)形式等方面都存在著差異性，正確的理解和比較這些差異性，既有助于提升教師對知識的理解，強化自身能力，又能幫助教師更好的處理知識點以教授學(xué)生，增強學(xué)生對知識的理解學(xué)習(xí)能力[1]．所以，研究各種版本教材的差異性，有重要的現(xiàn)實意義．筆者以人教版、美版中學(xué)物理教材中“自由落體運動”一節(jié)的比較為例，來比較中、美不同版本高中物理教材的差異．對人教版教材與美國《物理原理與問題》教材中“自由落體運動”這節(jié)內(nèi)容的差異比較，可以從以下3個方面進行分析．

1 章節(jié)中課程編排的差異

人教版教材在第一章和第二章中學(xué)習(xí)了加速度及勻加速直線運動后，將自由落體運動作為勻變速直線運動的一個特例編排在最后，緊接著用了一節(jié)的內(nèi)容講解伽利略對自由落體運動的研究，敘述了其研究的來龍去脈，突出描述物理概念和研究方法的脈絡(luò)，揭示物理學(xué)觀念、方法和內(nèi)容發(fā)生、發(fā)展的原因和規(guī)律性，達到了能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，滲透給學(xué)生創(chuàng)新方法的效果．

保羅·朗之萬說：“在科學(xué)教學(xué)中加入歷史的觀點是有百利而無一弊的．”在物理教學(xué)中，物理學(xué)史理應(yīng)成為一種珍貴的教學(xué)資源．但近年來我國的教育由于受應(yīng)試教育觀念的影響及物理教材本身的因素，物理教師很難把物理學(xué)中豐富多彩的物理學(xué)史內(nèi)容傳達給學(xué)生，使得學(xué)生對物理基本概念、規(guī)律的由來知之甚少．在學(xué)生看來物理知識是深奧難懂的，因而學(xué)生對于學(xué)習(xí)物理越來越覺得乏味難學(xué)，甚至越來越缺乏學(xué)習(xí)的熱情．這與物理學(xué)在科技與社會發(fā)展中越來越重要的地位是不相適應(yīng)的．科學(xué)知識不是靜態(tài)知識點的集合，而是充滿探索的歷史畫卷．物理學(xué)史在教學(xué)中必將為物理教學(xué)注入新的活力，還“歷史”真相于學(xué)生，讓學(xué)生與科學(xué)家一同探索自然的歷史，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理、攀登科學(xué)高峰的熱情，使學(xué)生更好地領(lǐng)悟物理知識，體會到歷史發(fā)展和人類進步的關(guān)系，以及科學(xué)技術(shù)是如何推動了人類的發(fā)展．

美版教材同樣將自由落體運動作為勻變速直線運動的一個特例而編排在最后，但不同的是緊接著又以一個重力加速度實驗作為一節(jié)內(nèi)容來編排．可以看出美版教材對此實驗的重視程度．這種安排，不但鞏固了前面關(guān)于勻加速實驗的研究方法和處理實驗結(jié)果的方法，而且對于重力加速度和測量不同地理位置的重力加速度的問題進行更進一步的實驗探究．這樣既對剛學(xué)過的知識加以鞏固提高，又很好地將學(xué)到到的物理知識恰到好處的與生活實際相聯(lián)系．

實驗探究對物理研究而言至關(guān)重要．雖然人教版教材與美版教材都很重視實驗探究，但是，兩種版本的教材在實驗探究方面還是有明顯的不同的．我國教材中的實驗在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)欲望，使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程的同時，更注重通過實驗探究學(xué)習(xí)新的知識，而美國實驗在設(shè)計時更注重通過實驗引出相關(guān)的一系列問題以及通過實驗利用已學(xué)到的物理知識解決問題，認識生活的研究過程．《物理課程標準》明確指出，“高中物理課程應(yīng)促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考．通過多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神．”[2]對照《物理課程標準》，我國教材在達到課程標準的期望上，仍有很長的路要走．

美版教材對實驗的引入是值得借鑒的，我國教材在今后的改編中應(yīng)盡力避免直接說明一個物理實驗學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)哪些知識，而是提出應(yīng)該解決哪些問題，在解決問題的過程中讓學(xué)生潛移默化地了解與物理現(xiàn)象相關(guān)的知識，增強學(xué)生的主體性．所以，我們不僅要增加實驗的數(shù)量，實驗的質(zhì)量也是不容忽視的．

2 相同節(jié)內(nèi)容知識點講述方式的差異

2.1 引出“自由落體”概念的方式不同

在引出“自由落體”概念時，人教版教材通過同時釋放石塊和剪斷掛在線上的重物的實驗，來說明不同重量的物體自由下落的特性，進而演示牛頓管實驗引出“自由落體運動”的定義[3]．牛頓管演示實驗生動形象，且與自由落體運動不受空氣阻力的特點相吻合，還原了自由落體運動的真實發(fā)生情景．而且金屬片、小羽毛等這物體的選擇對比鮮明，有說服力，能夠更加準確闡釋即將要講出的自由落體的概念，使學(xué)生對于自由落體運動理解的更加透徹清晰，解決了大部分學(xué)生之前固有的前概念問題——同時釋放的幾個物體，重的物體總是下落得最快．

但把牛頓管實驗編排在教材里有一定的不足與缺陷：該實驗沒有考慮到實際情況，其可操作性不強．因為大多數(shù)學(xué)校沒有像牛頓管這樣的實驗儀器，即使有這個儀器教師也可能因為操作不便而放棄演示此實驗．所以這個實驗大多是演示不了的，教師只能通過播放視頻或者口頭敘述向?qū)W生解釋．那么，把它放在教科書里就會顯得突兀，設(shè)立該實驗僅僅豐富教科書，而不是真正為了學(xué)生能更好地理解知識．編者的出發(fā)點是好的，但現(xiàn)實的應(yīng)用效果不能盡如其意．這就為編寫教材提出了一個具有現(xiàn)實意義的建議，實驗應(yīng)在合理的基礎(chǔ)上，應(yīng)具有操作性，應(yīng)貼近學(xué)生生活．

美版教材則是由一系列可操作的小實驗來引入，實驗中把平鋪紙和用其揉成的紙團一起豎直下落，引出“重的物體是否下落的快”的疑問，層層遞進，引發(fā)學(xué)生思考，追問出本節(jié)關(guān)鍵問題：光滑的紙片與緊密的物體如鵝卵石相比，下落狀態(tài)是否相同？為什么？美版教材為了研究便利忽略了空氣阻力，研究最簡單的情況，從而引出“自由落體運動”的定義[4]．演示實驗突出了主要的研究問題，忽略次要問題，幫助學(xué)生理解自由落體運動，且便于操作，感興趣的學(xué)生可以自己操作，加深對于自由落體運動的理解．美版教材不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)的教科書，也是教師備課的參考書，一些名師上課進行新課引入時，會演示此實驗來增強學(xué)習(xí)本節(jié)的趣味性．

但是，此實驗還是有不盡完美的地方．空氣阻力是無法忽略的，演示該實驗只能人為地要求學(xué)生考慮最簡單的情況，讓學(xué)生想象沒有空氣阻力時物體的下落狀態(tài)即是自由落體運動狀態(tài)，不利于學(xué)生對知識點的透徹理解，會造成一部分學(xué)生的困惑，從而對后面進一步學(xué)習(xí)知識產(chǎn)生障礙．

人教版與美版教材兩種引入方式各有利弊．作為教師，不能僅研究一本固定教材，而應(yīng)該對各種版本的教材都有所了解和研究，這樣才能在講授知識時取長補短、吸收精華，力求以最好的設(shè)計呈現(xiàn)給學(xué)生，同時也能在不斷借鑒學(xué)習(xí)中提升自身能力，完善自我知識水平．

2.2 引出“重力加速度g”的方式不同

人教版教材進行了一個自由落體運動的小實驗，讓重物豎直下落，由打點計時器打出紙帶的點跡，從而求出自由落體運動的加速度，得出重力加速度的概念．在此之前，學(xué)生學(xué)習(xí)了加速度的概念，教材這樣設(shè)計便于學(xué)生理解g，知道它就是自由落體運動的加速度，并且方向豎直向下．隨后列出表格，進一步揭示各個地理位置g是不同的，隨地理位置的變化而變化．

美版教材則簡單介紹了伽利略的實驗及結(jié)論，總結(jié)出重力加速度的概念．從而進一步得出忽略空氣阻力，同一地點g是相同的．并從數(shù)學(xué)的角度對重力加速度的正負方向選取做了解釋說明：雖然g的方向豎直向下，但是在分析自由落體運動時要由參考系方向的選取來確定g的正負．此外，還深度擴展了對豎直上拋運動的理解，擴充了這一問題的廣度與深度，且在數(shù)學(xué)問題的處理上也更加細致，符合中學(xué)生的認知規(guī)律，與學(xué)生的學(xué)習(xí)接受能力更好地契合．

就這個部分而言，如果學(xué)生學(xué)習(xí)人教版教材，做練習(xí)題時仍會遇到豎直上拋的相關(guān)問題和重力加速度正負變化的問題，但教材里卻沒有歸納闡述，所以給教師的發(fā)揮空間很大．教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師能很好地靈活安排是否在做題前就加以講解，但是新手教師就不一定能很好地把握了．可見，教材簡化并不意味著教材和教學(xué)的簡單化．

2.3 對自由落體運動的進一步理解

人教版教材直接總結(jié)勻加速直線運動的公式對自由落體運動同樣適用，沒有加以舉例應(yīng)用，這樣不利于學(xué)生對知識點的深入理解，并且不能很好地知道學(xué)生對本節(jié)知識的掌握程度，得不到應(yīng)用知識點及公式的反饋．

美版教材則是通過生活中常見的自由下落游樂車的情境，給出具體數(shù)據(jù)，讓學(xué)生解決問題來加深勻加速運動公式對于自由落體運動同樣適用的理解，力圖為學(xué)生提供系統(tǒng)的幫助，以及大量解決問題的機會，并通過將教學(xué)內(nèi)容與實際問題相結(jié)合的策略促進學(xué)生學(xué)習(xí)．教材恰到好處地將概念的敘述與問題的解決緊密的聯(lián)系在一起．

落實到具體問題更能加深對公式適用的理解．所以，為了能更好地適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)認知，我們的教材還應(yīng)該不斷完善，保持已有的優(yōu)勢，吸收國外的可取之處，不斷完善教材編寫思想，調(diào)整編寫結(jié)構(gòu)，使教材更符合學(xué)生的學(xué)習(xí)要求．

3 課后練習(xí)及學(xué)習(xí)感受

人教版教材的課后練習(xí)中有關(guān)于空氣阻力問題的進一步闡釋和理解，設(shè)置情境豐富，題干長，對情境描述的文字多，同時練習(xí)題有對知識點的遷移，如聲的傳播等．題量小，體現(xiàn)了為學(xué)生減負的思想．但是在現(xiàn)實的授課中，教師會給學(xué)生大量訂購各種練習(xí)冊．所以學(xué)生真的減負了嗎？值得我們思考．

美版教材的課后練習(xí)情境簡單明了、敘述清晰，大多是對公式的加深理解與應(yīng)用，涉及公式的變形和豎直上拋運動的練習(xí)．題后強調(diào)建立坐標系的正負，以免解決實際問題時有疏漏，編寫細致入微．不僅重視物理知識的理解，同時也強調(diào)數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用．

就教材的習(xí)題量上而言，美版比人教版的題量大，但是從實際情況看，還是中國學(xué)生的習(xí)題任務(wù)更重一些．因為我們教材上的習(xí)題少，所以五花八門的對應(yīng)練習(xí)冊順勢而生．所以，我國教材上的習(xí)題設(shè)置應(yīng)該引起足夠的重視，真正達到為學(xué)生減負的目的，而不僅僅停留在表面上．

4 總結(jié)

比較之下我國教材注重物理知識的內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)，而美國教材則側(cè)重于學(xué)習(xí)者的認知規(guī)律．兩版教材都是在力圖適應(yīng)本國學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和認知習(xí)慣，以及編者對于學(xué)習(xí)者的期望下編著的，兩版教材各有千秋．當(dāng)今社會，教育家都在強調(diào)科學(xué)教育，“科學(xué)教育不應(yīng)該傳授給孩子支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實，而是應(yīng)當(dāng)慎重選擇一些重要的科學(xué)概念，用恰當(dāng)、生動的方法，幫助孩子們建立一個完整的對世界的理解．”[5]我國教材還有很大的進步空間，有待于繼續(xù)完善加強，以更加適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展和認知規(guī)律．

1 周長春.比較各種版本教材差異有效凸顯物理問題本質(zhì).課程教學(xué)研究， 2012(10)：75～79

2 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗).北京：人民教育出版社，2003

3 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究中心.人教版高中物理必修1.北京：人民教育出版社，2010.31～46

4 齊澤維茨.美國物理原理與問題.錢振華,譯.杭州：浙江教育出版社，2008.70～90

5 溫·哈倫.科學(xué)教育的原則和大概念.韋鈺，譯.北京：科學(xué)普及出版社，2011

馬璐(1993- )，女，在讀碩士研究生，研究方向為學(xué)科教學(xué)(物理).

指導(dǎo)教師：洪正平(1958- )，女，教授，主要研究方向為學(xué)科教學(xué)(物理).

2016-12-02)