中美課標(biāo)中能量部分的比較研究

張煥笛 蘇玉成

(中央民族大學(xué)理學(xué)院,北京 100089)

課程標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)定某一學(xué)科的課程性質(zhì)、課程目標(biāo)、內(nèi)容目標(biāo)、實施建議的教學(xué)指導(dǎo)性文件．2013年,美國頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(The Next Generation Science Standards,NGSS,以下簡稱《新課標(biāo)》)[1]重視教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程的的整合性,同時強調(diào)課程設(shè)置的連貫性、學(xué)科課程與實踐的關(guān)聯(lián)性以及教育目的的人本性,具有一定的科學(xué)性和先進性．郭玉英,姚建欣,彭征對美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》探究分析得到其整合理念對我國理科課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂和教育研究具有重要啟示．[2]劉興然對美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的編制框架與特點進行分析,探究了整合科學(xué)與數(shù)學(xué)、人文之間的關(guān)系,并以新的學(xué)習(xí)理論作為修訂標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)思想,這些經(jīng)驗均是值得我們學(xué)習(xí)的．[3]通過對中美物理課程標(biāo)準(zhǔn)進行比較研究,將從多角度更好地了解我國課程標(biāo)準(zhǔn)所具有的特點,同時根據(jù)我國現(xiàn)階段教育特點有選擇借鑒他國課程標(biāo)準(zhǔn)以助于我國科學(xué)教育理念與實踐的發(fā)展．

能量的守恒定律是自然界的最基本、最普遍規(guī)律之一．高中階段學(xué)習(xí)的有關(guān)能量的內(nèi)容與各學(xué)科、社會生產(chǎn)以及日常生活之間都息息相關(guān)．同時,能量部分內(nèi)容對于學(xué)生形成可持續(xù)發(fā)展觀以及進一步學(xué)習(xí)其他科學(xué)技術(shù)至關(guān)重要．本文以高中階段的能量內(nèi)容為例,將《新課標(biāo)》與我國2017年新出版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱我國《課標(biāo)》)[4]進行比較研究．

1 概況簡介

《新課標(biāo)》中將科學(xué)教育分為3個維度,分別為實踐工程實踐(Science and Engineering Practices)、跨學(xué)科概念(Crosscutting Concepts)和學(xué)科核心概念(Disciplinary Core Ideas),并將這3個維度結(jié)合在每一條課程標(biāo)準(zhǔn)中,又在所有課程標(biāo)準(zhǔn)之間設(shè)置了連接,期望通過3個維度的整合發(fā)展學(xué)生的知識與能力．《新課標(biāo)》旨在提高美國基礎(chǔ)教育階段中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),并通過提高未來勞動力的實踐能力來滿足美國未來的經(jīng)濟、社會發(fā)展需求．

我國2017年由教育部出臺的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)是對其2003年出臺的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗稿)進行修訂,以貫徹“立德樹人”根本任務(wù)為指針．該《課標(biāo)》從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個方面培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，并為學(xué)生終身發(fā)展考慮,使其具有應(yīng)對現(xiàn)代社會和未來發(fā)展挑戰(zhàn)的能力．

2 高中階段能量內(nèi)容的比較研究

美國《新課標(biāo)》高中階段的能量內(nèi)容主要分為以下4個板塊: (1) 能量的定義; (2) 能量的守恒和轉(zhuǎn)移; (3) 能量和力之間的關(guān)系; (4) 日常生活中的能量．我國《課標(biāo)》中高中階段的能量內(nèi)容主要涉及: (1) 機械能及其守恒定律; (2) 靜電場; (3) 電磁場; (4) 能源與可持續(xù)發(fā)展; (5) 動量與動量守恒定律; (6) 熱力學(xué)定律; (7) 物理學(xué)與新能源等7個板塊．下面將以美國《新課標(biāo)》的4個板塊劃分維度為依據(jù)與我國《課標(biāo)》中相關(guān)要求進行比較研究．

2.1 中美課標(biāo)關(guān)于能量的定義的比較

能量的定義是高中物理中的基本概念,其貫穿于高中物理知識的各個部分．對于能量定義的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生從能量角度分析并解釋現(xiàn)階段問題,促進學(xué)生能量觀念的形成．能量的概念是一較為抽象的概念,中美課標(biāo)中對于能量的定義這部分內(nèi)容都進行了相關(guān)要求,其具體比較分析見表1．

表1 中美課標(biāo)關(guān)于能量的定義比較

由表1分析比較可知,美國《新課標(biāo)》中給出能量的定義為“能量是一個系統(tǒng)的定量屬性,它依賴于物體的運動和物體的相互作用”．我國《課標(biāo)》是從“功”的角度來引入能量的概念,時學(xué)生通過對能量的量度功以及功率的學(xué)習(xí)來理解能量．美國《新課標(biāo)》中指出學(xué)生宏觀的角度上了解能量存在形式,并要求在此基礎(chǔ)上舉例幾種能量存在的具體形式．中國《課標(biāo)》在這一基礎(chǔ)概念上并未對其進行具體要求．美國《新課標(biāo)》中提出構(gòu)建并使用模型來理解機械能是物體動能與勢能的結(jié)合并說明構(gòu)建模型可以包括圖標(biāo)、描繪以及模擬等形式．通過這些可以看出,美國《新課標(biāo)》中對于能量的定義這部分學(xué)習(xí)要求重點在于對相關(guān)概念的理解以及相關(guān)模型的建立,并未對能量部分相關(guān)計算有較高要求．中國《課標(biāo)》中則重點要求理解功、功率的大小與意義、動能與動能定理以及重力勢能與重力做功的關(guān)系,其重點在于對能量量度功的理解與功率的計算,要求學(xué)生理解并應(yīng)用動能定理和重力勢能與重力做功的關(guān)系,并通過舉例要求學(xué)生利用牛頓第二定理對動能定理進行推導(dǎo)驗證．中國《課標(biāo)》中側(cè)重點在于定理概念的理解與推導(dǎo)并未強調(diào)通過建立模型理解能量的定義．

2.2 中美課標(biāo)關(guān)于能量的守恒與轉(zhuǎn)移的比較

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是物理學(xué)中重要的基本規(guī)律之一，它揭示了電、熱、光、機械、化學(xué)等各種運動形式之間相互聯(lián)系以及相互轉(zhuǎn)化的統(tǒng)一性.它不僅是自然科學(xué)的一條基本規(guī)律，更是檢驗一個科學(xué)理論是否正確的基本準(zhǔn)繩之一.中美課標(biāo)對于該部分內(nèi)容提出了相關(guān)要求，見表2.

表2 中美課標(biāo)關(guān)于能量守恒與轉(zhuǎn)移比較

由表2分析比較可知，美國《新課標(biāo)》與中國《課標(biāo)》在能量守恒定律都進行了具體說明.美國《新課標(biāo)》要求學(xué)生設(shè)計創(chuàng)建一個模型來計算在已知部分能量流動情況下，系統(tǒng)內(nèi)能量變化的情況，并限制模型建立涉及兩到三個系統(tǒng)、基本的代數(shù)運算以及研究范圍.相比中國《課標(biāo)》要求通過實驗驗證能量守恒定律并要求利用能量守恒定律解釋生活、生產(chǎn)中常見的問題.美國《新課標(biāo)》要求重點傾向于模型設(shè)計與物理原理的理解，中國《課標(biāo)》要求重點傾向于利用所學(xué)原理與實際生活的聯(lián)系與應(yīng)用.對于熱力學(xué)第二定律，美國《新課標(biāo)》要求設(shè)計一個實驗攤就分析熱力學(xué)第二定律，并要求課程的重點在于分析學(xué)生實驗得到的數(shù)據(jù)以及培養(yǎng)學(xué)生定量研究的數(shù)學(xué)思維和利用概念性語句描述實驗原理的能力.對于實驗對象也做了相應(yīng)的限制，要求學(xué)生利用容易獲得的物體或材料進行探究.其課標(biāo)要求的重點在于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)以及科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)，使學(xué)生可以利用定量研究的方法獨立設(shè)計實驗驗證相關(guān)定理.中國《課標(biāo)》要求通過從宏觀角度理解能量轉(zhuǎn)化的方向性來理解熱力學(xué)第二定律的原理.其課標(biāo)的要求重點傾向于物理原理在實際生活中的應(yīng)用，注重科學(xué)知識與的實踐性以及建立物理學(xué)中的守恒觀念.

2.3 中美課標(biāo)關(guān)于能量和力之間的關(guān)系的比較

能量貫穿于各物體間相互作用.在電場和磁場中，能量相關(guān)定律是分析問題、解決問題重要原理之一.中美課標(biāo)中對于電場、磁場中力與能量間關(guān)系進行了相關(guān)要求，見表3.

表3 中美課標(biāo)關(guān)于能量和力關(guān)系比較

由表3分析比較可知，對于能量與力關(guān)系部分，美國《新課標(biāo)》主要對電場和磁場中能量進行了課程要求.美國《新課標(biāo)》要求學(xué)生需要通過構(gòu)建兩個物體模型，探究在電場和磁場中兩個物體間受到相互作用的力與能量之間的變化關(guān)系.其課標(biāo)中對于模型建立進行了具體限制，要求模型種類可以包括繪畫、圖標(biāo)以及文本3種形式，并舉例說明可以繪制兩個異種電荷在相互靠近時能量變化關(guān)系.對于實驗調(diào)查也進行了具體要求，其規(guī)定學(xué)生設(shè)計實施的實驗需要學(xué)生協(xié)同作業(yè)或者獨立完成并得到可靠數(shù)據(jù)作為驗證理論支撐基礎(chǔ).對于實驗數(shù)據(jù)的類型、數(shù)量和準(zhǔn)確性也有相應(yīng)的要求.中國《課標(biāo)》，其關(guān)于電場和磁場中有關(guān)能量部分要求學(xué)生學(xué)習(xí)了解楞次定律以及法拉第電磁感應(yīng)定律，通過定律的角度認(rèn)識電場與電磁場中物體能量變化關(guān)系并通過要求學(xué)生對電功、電功率以及焦耳定律的理解掌握電路中能量守恒與轉(zhuǎn)換.相比美國《新課標(biāo)》并未對該部分進行相關(guān)要求.中國《課標(biāo)》要求重點在于培養(yǎng)學(xué)生利用原理解釋現(xiàn)象的能力，加深對科學(xué)原理的理解與應(yīng)用.

2.4 中美課標(biāo)關(guān)于日常生活中的能量的比較

美國《新課標(biāo)》中注重跨學(xué)科概念，在能量部分中對能量在其他學(xué)科與實踐方面應(yīng)用提出了相關(guān)要求.相比于我國《課標(biāo)》，在能量相關(guān)知識的應(yīng)用上也進行了相應(yīng)的要求，具體比較分析見表4.

表4 中美課標(biāo)關(guān)于日常生活中的能量比較

由表4分析比較可知，美國《新課標(biāo)》中要求學(xué)生設(shè)計、構(gòu)建或者改進一個能量裝置模型，要求該模型可以將一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式，并對模型的類型提出了具體說明.中國《課標(biāo)》在此部分的要求了解利用水能、風(fēng)能、太陽能和核能的方式并初步了解核裂變與核聚變.同時要求了解可再生能源和不可再生能源的分類，認(rèn)識能源的過度開發(fā)和利用對環(huán)境的影響.美國《新課標(biāo)》對于日常生活中能量部分的學(xué)習(xí)重視學(xué)生對實驗的設(shè)計、構(gòu)建以及對原有實驗的改進，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生建立一套完整的科學(xué)思維.鼓勵學(xué)生以日常生活中可接觸到的實例進行分析探究，從而進一步提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力.中國《課標(biāo)》側(cè)重于要求學(xué)生了解目前物理能源各種具體來源方式，與現(xiàn)階段我國物理能源科技發(fā)展相結(jié)合.同時側(cè)重于要求學(xué)生對日常生活中可再生能源和不可再生能源的區(qū)分，強調(diào)能源的開發(fā)與利用對環(huán)境的影響，符合現(xiàn)階段我國發(fā)展基本國情.

3 總結(jié)與建議

根據(jù)高中物理能量部分的比較研究，筆者提出以下建議：

(1) 能量概念是整個物理學(xué)的基礎(chǔ)，對于高中物理能量部分相關(guān)概念與定理的認(rèn)識，也是學(xué)生是否可以從能量角度分析問題、解決問題的關(guān)鍵.同時，能量觀念是物理觀念重要組成部分，而物理觀念是物理核心素養(yǎng)的重要維度之一.建立扎實的能量觀念將有助于提高學(xué)生分析問題、解決問題能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng).

(2) 物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗?zāi)Ｐ偷慕⒂兄谙嚓P(guān)物理知識、定律的理解與學(xué)習(xí).在能量部分課標(biāo)要求中，對于相關(guān)理論模型建立的評估標(biāo)準(zhǔn)、適用條件應(yīng)提出具體要求.

(3) 在力與能量間關(guān)系相關(guān)要求中，不僅僅從楞次定律與法拉第電磁感應(yīng)定律角度探究電場與磁場中能量守恒與轉(zhuǎn)移，同時應(yīng)增加相關(guān)模型的建立，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神.