中美課程標準中波動部分的比較研究

張文皓 蘇玉成

(中央民族大學理學院，北京 海淀 100081)

課程標準作為教材編寫、教學、評估和考試命題的依據,以及國家管理和評價課程的基礎,對課程的實施有著重要作用.[1]美國《新一代科學標準》[2](Next Generation Science Standards,以下簡稱美國《標準》),于2013年4月正式發(fā)布.美國《標準》由包括美國國家研究學會在內的來自26個州的41位教育者基于2011年出版的《K-12美國科學教育框架》[3](A framework for K-12 Science Education,以下簡稱《框架》)所編寫,涵蓋從幼兒園到高中全部科學課程.我國自開展教育改革以來,相繼頒布了《普通高中物理課程標準(實驗)》[4]與《義務教育物理課程標準(2011年版)》,[5]又于2018年1月公布了《普通高中課程方案和物理學科課程標準(2017年版)》[6](以下簡稱中國《標準》).我國教育部在2018年1月16日的新聞發(fā)布會上公布,該標準將于2017年底開始印發(fā),并將于2018年秋季開始執(zhí)行.

分析他國課程標準與我國的異同,根據我國實際情況和教育特點提出建議,或將有助于我國物理教育的發(fā)展.例如,有關美國《標準》的三維整合框架體系的研究成果有郭玉英等人提出的美國《標準》的三維整合框架體系對我國理科課程標準以及教育研究的啟示,[7]吳成軍等人從美國《標準》的三維整合框架體系中得到的對我國高中生物課程有益的價值等.[8]從美國《標準》中得到對我國素質教育改革的有關啟示的研究有楊文源等人分析課程標準對教育改革起到的作用,[9]王磊等人通過將美國新舊課程標準對比得出其對我國研制課程標準研制的啟示等.[10]

本文選取兩國《標準》中高中物理的部分作為比較研究的對象,并對其進行分析.本文將分為3部分,第一部分對兩國《標準》相關背景做簡要概括,第二部分對兩國課程標準中波的性質部分進行比較,第三部分對電磁波部分進行比較,第四部分對電磁波在通信中的應用部分進行比較,第五部分比較分析并提出具體建議.

1 概況簡介

美國《標準》中的科學課程分為4個科目:物理科學、生命科學、地球與空間科學以及工程設計.其中物理科學包括物質及其相互作用,運動和靜止:力及相互作用,能量以及波動及其在通信技術中的應用4個主題.波動作為物理學科的一個重要組成部分,在大學的物理課程以及社會生產應用中都占有很重要的地位.美國《標準》中有關波動的內容從小學到高中都有涉及,隨著年級的提升,對相關概念以及科學實踐能力的要求也逐漸升高.美國《標準》對波動內容的要求分為以下3個方面:波的性質，電磁波，電磁波在通信中的應用.

我國物理課程體系主要于高中階段對波動部分進行了介紹.中國《標準》中有關波動的內容從必修課程到選擇性必修課程均有涉及,主要包括:機械波，電磁振蕩與電磁波，光及其應用，波粒二象性.下面以美國《標準》劃分的3個方面為依據進行比較.

2 中美課標關于波的性質的比較

波是一種具有波動性和粒子性二重性質的物質,以振動狀態(tài)在空間中傳播并傳遞能量與動量.依據振動方向與傳播方向的關系、波前形狀等方式可以將波具體分為多種類別.兩國課標中有關波的性質內容的比較見表1.

由表1可以看出,中美兩國課程標準在波的性質方面都包括了波的頻率、波長、波速關系,波的疊加以及解釋與波有關的現象.美國《標準》中對于波的最基本特征,要求學生了解波速的數學表達式,以及兩列波是如何疊加的.在波的疊加原理中,要求學生知道波的相位對疊加后效果的影響,但未提及現象的具體名稱.美國《標準》對學生運用知識的能力提出了要求,即要求學生能用數學表達式來描述解釋現象. 其中美國《課標》側重于利用數學表達式表示不同介質中頻率、波長和波速的關系,并提出具體說明,要求學生掌握電磁波在真空、玻璃、空氣和水等介質中的傳播特點.

表1 中美課標關于波的性質的比較

中國《標準》側重于從圖像認識波的最基本特征.在知識點的要求上更具體,明確提及了原理、現象的名稱,比如波的干涉,多普勒效應.中國《標準》對波動的現象提出了具體要求:單獨一列波傳播時的特點有反射和折射、衍射以及多普勒效應;兩列波在傳播過程中相交時的特點有干涉現象等.中國《標準》中還涉及對學生的物理學科核心素養(yǎng)要求,比如要求學生能用圖像描述橫波,列舉多普勒效應的應用實例.

3 中美課標關于電磁波的比較

電磁波是波的一個重要類別,是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發(fā)射震蕩粒子波,并以波動的形式傳播.兩國課標中有關電磁波內容的比較見表2.

由表2可以看出,兩國課標在電磁波方面都對電磁波的描述、特點和性質提出了要求.相比較而言,美國《標準》的要求側重電磁波的特征性質,比如電磁波與物質相互作用時,長波具有熱效應,短波對生命有損害以及電磁波的光電效應.美國《標準》在科學工程實踐維度對“提出并定義問題”、[8]“參與基于事實的論證”、[8]“獲取評價并交流信息”[8]幾個方面提出了要求.

表2 中美課標電磁波的比較

中國《標準》更側重于電磁波的產生,原理與現象,并擴展到量子領域,尤其對電磁波中的一個頻段——光提出了具體要求.中國《標準》要求知道電磁場理論、電磁波的產生與發(fā)射,對電磁波的性質與現象主要通過光波來反映,比如光的反射,折射,干涉,衍射等．此外,中國《標準》還要求學生初步建立光與實物粒子的波粒二象性概念.在實驗操作方面,中國《標準》要求學生掌握一系列光學實驗的內容,比如測定材料的折射率,雙縫干涉實驗.

4 中美課標關于電磁波在通信中的應用的比較

電磁波可以攜帶信息在自由空間中傳播,是信息傳遞的重要的媒介,在通信領域有應用較廣.兩國課標中有關電磁波在通信中的應用的比較見表3.

表3 中美課標電磁波在通信中的應用比較

由表3可以看出,電磁波在通信中的應用這部分內容中,中美《課標》顯示出差異.兩國課程標準都要求學生了解電磁波在通信中的應用.相比之下,美國《標準》對學生查閱資料的要求較高.學生不僅被要求可以查閱資料來獲取知識,而且要對資料中的信息進行判斷和評價,并能夠在條件允許的情況下驗證該說法合理性.美國《標準》側重于了解裝置是如何利用波動理論和波與物質相互作用來傳輸和獲取信息和能量,并提出具體實例要求.同時對于學生學習期望進行了具體說明,要求學生能以多種形式交流技術信息或想法.

中國《標準》在電磁波在通信中的應用部分更注重科普性,要求學生通過實驗和實例了解電磁波和激光在通信中的應用,初步了解光纖通信的原理.中國《標準》要求學生能舉出實例說明電磁波在通信中的應用,但沒有對學生交流與討論提出要求.

5 結論與建議

通過對中美《標準》的對比,發(fā)現兩國課標在波動方面存在差異之處.首先,中國《標準》在對學生需要掌握的原理進行要求時,加入了豐富的物理現象知識,有助于學生掌握原理和概念.本文認為這一安排減輕了學生達到學習目標的壓力,但同時也省略了對學生學習能力、思考能力的培養(yǎng).美國《標準》在對原理方面的要求表述比較凝練,從美國《標準》中對物理原理的要求條數可以看出這一點.其次,美國《標準》在每個主題的表現期望中包含與其對應的科學工程實踐能力維度要求,這與我國《標準》對科學探究及物理實驗能力的要求單成一節(jié)形成比較.另外,從《標準》要求的知識內容來看,美國《標準》較中國《標準》多了波與物質相互作用及其應用、數字傳輸技術和信息存儲技術等內容.誠然美國《標準》在年級上更早對波動的知識進行了要求,以至于美國《標準》中關于波動的內容更多.本文認為,美國《標準》對這些現象及原理的要求體現了其與生活和實際應用的密切聯系,對學生科學思維的培養(yǎng)以及深造等未來發(fā)展有意義.

基于以上對比分析,對我國《標準》中波動部分提出以下幾點建議.

(1) 注重與初中課程的銜接,使學生能夠構建與科學研究過程相一致的知識構建過程.例如我國初中階段已經學過光與聲的有關內容,在中國《標準》中,建議波的性質這部分增加了解波的類別的要求.說明光波和聲波除了振動方向有區(qū)別,分別屬于橫波和縱波以外,光波屬于電磁波,而聲波屬于機械波.電磁波是交變的電場和磁場,可以在真空中傳播,機械波則是粒子的相互作用產生的,因此需要介質來傳播.另外在電磁波的產生是電磁振蕩這部分也可以與初中電與磁的知識相聯系.即從介紹知識的時候就滲透科學研究的基本思路,使學生能夠掌握自主學習的能力.

(2) 強調對學生科學探究思維的培養(yǎng).比如對實驗的要求可以以“設計實驗以達到什么樣的效果”這樣的方式來論述.在對知識點要求的敘述中加入能夠體現探究能力的語句.例如,“能夠用規(guī)范的語言描述實驗現象”,“能夠構建物理模型,用學過的定理來解釋現象”,“能夠獨立整理分析實驗數據,從中概括出有價值的結論”等.這樣細化要求,將對學生探究能力的培養(yǎng)體現在掌握每一個知識和方法的過程中.使課標更加以人為本,關注學生,強調對學生科學素質的培養(yǎng).

(3) 將一些“了解”“知道”的概念轉變?yōu)椤巴ㄟ^查閱資料文獻獲取有關信息”,并加入“對查閱到的信息進行評價和判斷”的要求.使學生增加對知識的思考,以望達到在實踐的過程中培養(yǎng)學習能力.固然我國《標準》對波動部分的內容是少于美國《標準》的,這和我國《標準》對知識在各年級階段的安排有關,但改變對知識和方法的要求方式,體現對學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng).細化探究能力部分的要求在每個知識點的體現,使要求更有效,更清晰,易被操作實施.

我國剛公布的《普通高中物理課程標準(2017版)》在課程結構上對波動部分進行了調整,顯示出更優(yōu)的科學性和更強的指導性,使其更好地服務于我國教育改革,推進素質教育的實施,體現了學科的核心素養(yǎng).綜上,美國《標準》中含有對我國課程標準的有益啟示,因此,研讀他國課程標準,對比二者的差別,找出其可學習借鑒的部分,對推進我國物理學科教學發(fā)展有重要意義.