從美國主流教科書插圖看物理核心素養(yǎng)的滲透
——以“動量”為例

惠宇潔 陳 嫻

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

教科書是落實國家課程標(biāo)準(zhǔn)的最重要的舉措和手段,學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展,呼喚基于核心素養(yǎng)的教科書.[1]插圖是指教科書中具有直觀、形象特點的圖片、照片、圖像、圖表等儲存和傳遞教育信息的系統(tǒng),能夠表達(dá)那些用文字難以言狀的空間和具體的細(xì)節(jié).美國物理教科書市場競爭充分,教科書內(nèi)容不斷與時俱進(jìn),其中的插圖也需反復(fù)斟酌和挑選,插圖的質(zhì)量普遍較高.本文分析美國主流教科書插圖的特點及核心素養(yǎng)的滲透,希望提供一些啟示和建議.

1 教科書基本情況

1.1 主流高中教科書

美國高中物理課程是一門選修性質(zhì)的課程,根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和未來發(fā)展分為常規(guī)課程、概念課程、榮譽課程、先修課程、第一課程等幾種課程類型,學(xué)校根據(jù)不同的課程可自由選擇合適的物理教科書.

美國物理協(xié)會(AIP)統(tǒng)計研究中心對1987—2013年中高中物理教科書的使用情況所做的調(diào)查顯示(表1):[2]雖然《概念物理》(Conceptual Physics)、《物理原理與問題》(Physics:Principles and Problems)是美國20多年來的傳統(tǒng)物理教科書,即使近年來被《豪爾特物理》(Holt Physics)逐漸趕超,但總體而言目前這3本是美國高中使用率最高的物理教科書.

《概念物理》多用于概念課程或第一課程,課程針對今后不打算從事理科工作的學(xué)生,對數(shù)學(xué)運算的要求低,主要強(qiáng)調(diào)理解和運用與生活環(huán)境相關(guān)的物理概念,旨在提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和對物理探究的熱情.《物理原理與問題》和《豪爾特物理》則多用于難度較大的榮譽課程和先修課程,注重物理問題的解決和實驗的定量分析,面向有較強(qiáng)的理科功底并喜歡物理的學(xué)生.表1為1987—2013年美國這3本教科書使用情況比較.

表1 美國高中物理教科書使用情況的調(diào)查(1987—2013)

*表示少于10%;—表示沒有單獨涉及

1.2 “動量”插圖統(tǒng)計

筆者選擇“動量”這一章,從插圖的數(shù)量、類型、內(nèi)容對《物理原理與問題》、[3]《豪爾特物理》、[4]《概念物理》[5]3個版本教科書的插圖進(jìn)行編碼和統(tǒng)計分析(通過若干個過程來表達(dá)一個物理思想的組圖計為一個圖像單位,不存在重復(fù)計數(shù)).

1.2.1 插圖數(shù)量

表2 不同版本教材插圖數(shù)量統(tǒng)計

不同版本教材插圖數(shù)量統(tǒng)計如表2所示.由于3種教科書的定位有所不同,因此在插圖的使用量上差別明顯.《概念物理》的編寫意圖是突出對物理概念的本能或直覺的、充分的理解,[6]插圖較于文字更加形象生動,是概念建構(gòu)的絕佳素材,因此《概念物理》的插圖密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩個版本,平均每頁有2幅之多,而《物理原理與問題》和《豪爾特物理》則略顯遜色.

1.2.2 插圖類型

不同的類型插圖具有不同的教學(xué)功能.現(xiàn)按類型將插圖分為攝影圖、漫畫圖、示意圖、圖表.攝影圖是指用電子設(shè)備在某一時刻、某一地點拍攝的真實照片;漫畫圖是指用簡單而夸張的手法繪制而成的圖畫;示意圖是指大體描繪物體形狀、大小、運動狀態(tài)的圖片,相比前兩者形象程度和生動性更低;圖表則是指可直觀統(tǒng)計和挖掘信息屬性的圖形結(jié)構(gòu).

圖1 插圖類型統(tǒng)計

在插圖類型統(tǒng)計圖(圖1)中,我們可以發(fā)現(xiàn)3種教科書的攝影圖的比例均非常高,攝影照片還原了真實的生活場景,更容易帶給學(xué)生親切和共鳴感.在章首位置,3個版本均以攝影照片作為導(dǎo)入,甚至在《物理原理與問題》和《豪爾特物理》中,章導(dǎo)圖的面積大到占據(jù)了整個版面.除了攝影照片,《概念物理》還大量使用了漫畫插圖.漫畫詼諧幽默、生動形象,對于視覺化地呈現(xiàn)物理過程、表達(dá)物理規(guī)律起到四兩撥千斤的作用.示意圖和圖表為學(xué)生從復(fù)雜的情境中抽象出物理模型以及分析數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)而服務(wù),因此對學(xué)生提出了更高的要求,從圖中數(shù)據(jù)來看它們的使用情況符合教科書的受眾定位.

1.2.3 插圖內(nèi)容

根據(jù)“動量”這一章的特點,插圖內(nèi)容可分為人物、體育運動、生活現(xiàn)象、科學(xué)技術(shù)、實驗、信息統(tǒng)計.其中信息統(tǒng)計與類型統(tǒng)計中的圖表相對應(yīng).

圖2 插圖內(nèi)容統(tǒng)計

如圖2所示，在插圖內(nèi)容上,體育運動、生活現(xiàn)象、科學(xué)技術(shù)的使用尤為明顯.大多數(shù)教科書的動量內(nèi)容主要涉及交通碰撞、球體的碰撞等常見的生活現(xiàn)象,但美國教科書中更多地引入了體育運動,體育運動的插圖不僅數(shù)量多且類型多樣,涵蓋了拳擊、臺球、保齡球、橄欖球、曲棍球、乒乓球、足球、擊劍、滑冰、滑板、輪滑、自行車、擊劍、跳水14個項目.在物理教學(xué)中也滲透了美國崇尚體育的社會文化.科學(xué)技術(shù)的內(nèi)容雖然不及體育項目豐富,但在3個版本的教科書中都不盡相同,從早期的水輪車到當(dāng)代的安全氣囊、火箭升空等,切實地體現(xiàn)了時代的特色.“動量”這一章節(jié)的實驗并不算多,但教科書中每一張關(guān)于實驗的圖片都不是簡單的實驗儀器的呈現(xiàn),而是學(xué)生或教師的實驗活動場景,因此實驗圖片中體現(xiàn)出的人物參與度是美國教科書的一大特色.

2 核心素養(yǎng)與插圖

核心素養(yǎng)是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)而內(nèi)化的帶有學(xué)科特性的品質(zhì),主要包括“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.[7]插圖作為教科書的重要組成部分,不僅僅是要發(fā)揮表征的功能,更應(yīng)當(dāng)滲透核心素養(yǎng)的理念,深入地為物理課程服務(wù).

2.1 物理觀念:創(chuàng)設(shè)真實的物理情境

物理觀念是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ).在物理概念的教學(xué)中,關(guān)鍵是要創(chuàng)設(shè)體現(xiàn)概念本質(zhì)特征的情境.而學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念之前,基于生活經(jīng)驗形成了大量的經(jīng)驗性常識,因此需要教科書在此基礎(chǔ)上完成經(jīng)驗性常識向物理概念的轉(zhuǎn)變.美國高中物理教科書中的插圖大多為實際拍攝的攝影照片,真實生動且細(xì)節(jié)到位,內(nèi)容上以美國人民喜聞樂見的體育運動為主要素材,為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了真實可感、貼近生活的物理情境,從而推動學(xué)生思考問題、理解事物的本質(zhì),最終形成物理觀念.

例如，《物理原理與問題》在引入動量概念時首先展示了一幅曲棍球運動的照片(圖3),曲棍球是美國中學(xué)生受歡迎程度較高的體育運動之一,圖片中佩戴頭盔的保護(hù)措施告訴學(xué)生被曲棍球擊打到的嚴(yán)重性,這樣的生活經(jīng)驗?zāi)軌蜃匀欢坏貑l(fā)學(xué)生思考為什么輕小的曲棍球如此危險,進(jìn)而讓學(xué)生進(jìn)入到動量定義的理性學(xué)習(xí)范疇.在角動量守恒中,圖4的花樣滑冰運動員雙臂分為張開和收攏,根據(jù)圖片中的臉部細(xì)節(jié)和生活常識可以判斷出運動員運動狀態(tài)的變化.通過分析圖片學(xué)生會在真實情境與轉(zhuǎn)動慣量、角速度的變化關(guān)系之間建立起物理聯(lián)系.這樣物理知識不再是脫離實際的純學(xué)術(shù)問題,而是有血有肉、易于理解的身邊之事.

圖3 曲棍球運動

圖4 花樣滑冰運動

2.2 科學(xué)思維:建立形象到抽象的橋梁

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式.教科書內(nèi)容應(yīng)啟發(fā)學(xué)生對物理問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論,在不斷的訓(xùn)練和強(qiáng)化中發(fā)展科學(xué)思維.漫畫圖的大量使用是美國物理教科書的一大特色,在《概念物理》中體現(xiàn)得尤為明顯.漫畫圖生動活潑,不僅符合學(xué)生的心理特點,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且其精妙的設(shè)計和夸張、有趣的表現(xiàn)形式往往具有形象化地呈現(xiàn)物理過程、表達(dá)規(guī)律的效果.學(xué)生在處理漫畫中的信息時,需要運用科學(xué)思維,經(jīng)歷“形象—比較—概括—抽象”的過程.

沖量定理中力的作用時間不容易有顯性的體驗,因此對學(xué)生來說,感性認(rèn)識和理性認(rèn)識、生活經(jīng)驗和科學(xué)概念仍處在分離狀態(tài).圖5是拳擊運動員分別以不同的方式來應(yīng)對擊打的情景,當(dāng)拳擊手向后傾時他僅僅是略微感受到被擊打得疼痛,而當(dāng)他迎面而上時他的臉部產(chǎn)生了十分夸張的形變,兩者對比,直觀的視覺沖擊讓學(xué)生強(qiáng)烈地體會到力的作用時間不同而產(chǎn)生的巨大差異.在漫畫的下方,設(shè)計者以公式中不同大小的“F”“t”來對應(yīng)漫畫中的場景,非常巧妙地體現(xiàn)出了漫畫的物理思想.因此可以看出,漫畫為學(xué)生提供了更容易感知的感性材料,使學(xué)生有效地運用比較、分析、綜合的思維方法,對形象的事例進(jìn)行思維加工,概括出抽象的物理規(guī)律.

圖5 動量定理示意圖

2.3 科學(xué)探究:強(qiáng)化人物的合作與參與

科學(xué)探究是指提出科學(xué)問題,形成猜想和假設(shè),設(shè)計實驗與制訂方案,獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋,以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力.在“動量”這一章節(jié),主要的定量實驗是利用導(dǎo)軌和打點計時器探究物體碰撞前后動量變化關(guān)系,這一部分與國內(nèi)教科書不同,實驗插圖不是在已有實驗流程的基礎(chǔ)上向?qū)W生展示所用的實驗器材,而是僅僅呈現(xiàn)人物的實驗活動,附以器材的使用方法,讓學(xué)生自主設(shè)計實驗方案及流程,利用測量工具收集、并分析數(shù)據(jù),考察學(xué)生的實驗探究能力.

除此之外,所有實驗插圖都會出現(xiàn)人物形象.國際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn),學(xué)習(xí)者越來越多地被描述在教科書中,且圖像表現(xiàn)人物積極從事與科學(xué)有關(guān)的任務(wù),有助于邀請觀察者參與科學(xué)活動.[8]圖6展現(xiàn)的是2位學(xué)生進(jìn)行的實驗的場景,從動作上可以看出他們互有分工,從神情上可以看出他們在實驗過程中的熱情與愉悅,此時的讀者不是簡單的實驗觀察者,而會產(chǎn)生一種自我代入的心理圖像,能夠感同身受,體驗到合作與參與實驗的樂趣,從而萌生參與意識.圖7是氣墊導(dǎo)軌的發(fā)明者,

圖6 動量定理示意圖

圖7 氣墊導(dǎo)軌

通過提供一個科學(xué)家的工作形象,使得物理探究活動的重要性更加深入人心,也進(jìn)一步提升了學(xué)生的參與意識.

2.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:樹立服務(wù)社會的理念

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì),理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境之間的關(guān)系基礎(chǔ)上,逐漸形成的對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及提升社會責(zé)任感.在“動量”這一章節(jié),美國教科書中設(shè)置了許多科學(xué)技術(shù)的插圖,例如水輪車的發(fā)明,大大提高了當(dāng)時社會的生產(chǎn)效率,節(jié)省了人力成本,安全氣囊的發(fā)明為人們的生命安全提供了保障,火箭的升空帶給了人類探索宇宙的無限可能.這些插圖不僅讓學(xué)生了解動量知識的應(yīng)用,更是向?qū)W生展示了科學(xué)給社會發(fā)展、人類進(jìn)步帶來的巨大成果,有助于學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)、社會之間的聯(lián)系.

圖8

圖8是具有強(qiáng)烈的時代特色的插圖,科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合之下,人們的活動空間得以進(jìn)一步拓寬,學(xué)生可以思考:這樣的噴氣式裝置除了作為我們的娛樂工具,是否有望成為日后的交通工具?還可以在哪些領(lǐng)域發(fā)揮作用?通過大膽的想象與思考,學(xué)生會深刻地認(rèn)識到學(xué)習(xí)物理大有用處,而且潛移默化地培養(yǎng)起運用所學(xué)知識解決實際問題的意識,主動承擔(dān)將科學(xué)服務(wù)于人類社會的責(zé)任.

3 結(jié)束語

《概念物理》、《物理原理與問題》、《豪爾特物

理》3本教科書雖然定位不同,插圖的類型與內(nèi)容有所差異,但都從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個方面滲透了核心素養(yǎng)的素養(yǎng),并且別具特色.中美物理教科書的物理內(nèi)容不盡相同,但插圖都應(yīng)該在物理課程的學(xué)習(xí)和學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)上體現(xiàn)其應(yīng)有的價值.美國主流物理教科書的插圖注重創(chuàng)設(shè)真實的物理情境、建立形象到抽象的橋梁、強(qiáng)化人物的合作與參與、樹立服務(wù)社會的理念,希望能夠?qū)ξ覈慕炭茣幹铺峁┮恍﹨⒖己徒梃b.