中美初中物理教材編寫邏輯的比較
——以“浮力”內(nèi)容為例

董博清 彭前程

(1. 人民教育出版社課程教材研究所,北京 100081; 2. 河北師范大學教育學院,河北 石家莊 050024)

從本質(zhì)上來講,教育原本就有培養(yǎng)學生思維能力的重要任務．[1]教育的發(fā)展、課程的發(fā)展都與教材的選擇和編寫攜手并進．[2]教材作為課程的核心組成部分,是師生開展教學活動的主要依據(jù),它在學生思維的培養(yǎng)和發(fā)展中發(fā)揮重要作用．不同的教材編寫蘊含著不同的內(nèi)容設計和組織線索,從而體現(xiàn)不同的認知邏輯和思維脈絡．本研究就以初中物理教材的“浮力”內(nèi)容為例,選擇中國和美國有代表性的初中物理教材,分析各國教材的編寫邏輯,旨在探索不同國家教材在編寫知識從產(chǎn)生、發(fā)展到形成過程中所體現(xiàn)的邏輯線索,為教材更好地促進學生思維的培養(yǎng)和發(fā)展提供參考．

1 研究設計

1.1 教材選擇

中國教材:選擇人民教育出版社于2012年出版的《義務教育課程標準實驗教科書·物理》．這套教材是全國中小學教材審定委員會審查通過的、使用范圍最廣的初中物理教材．

美國教材:選擇浙江教育出版社于2013年出版的美國初中綜合科學教材《科學探索者》(Science Explore)．這套教材是美國中學普遍選用的綜合理科教材,是依據(jù)《美國國家科學教育標準》編寫的一套研究性學習教材．

1.2 研究內(nèi)容

本研究選取兩個國家初中物理教材中浮力內(nèi)容進行分析．這部分內(nèi)容主要包含對浮力的認識及其應用．各個國家有關浮力內(nèi)容的領域劃分不完全一致,編排順序也不完全相同．通過比較發(fā)現(xiàn),中國和美國教材都包含浮力概念、浮力大小、物體沉浮等內(nèi)容．因此,我們按照中國物理課程標準對浮力領域的知識劃分,按照浮力、阿基米德原理、物體的沉浮條件及其應用等內(nèi)容,將美國教材內(nèi)容歸并后,主要從有關浮力概念和規(guī)律得出過程中所蘊含的思維邏輯來分析各國教材的編寫邏輯．

1.3 研究思路

物理學研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、物質(zhì)產(chǎn)生的最普遍的現(xiàn)象以及物質(zhì)運動的最一般規(guī)律,常常需要通過多種思維活動認識事物的共同屬性和本質(zhì)特征,需要通過數(shù)理推導、邏輯推理來描述、論證各物理量之間的關系,發(fā)現(xiàn)規(guī)律、確立理論,也需要對問題進行反思和質(zhì)疑,提出新穎的想法并付諸實踐,創(chuàng)新理論．總之,物理學理論體系的建立滲透著諸多思維活動,體現(xiàn)了多種思維邏輯．

因此,本研究采用文本分析把握各個國家教材中浮力的相關內(nèi)容,重點分析各個國家教材編寫浮力知識形成過程中所體現(xiàn)的邏輯關系．首先,整體分析各個國家教材中浮力內(nèi)容的邏輯關系和編寫思路．然后,具體分析浮力每部分內(nèi)容的具體編寫邏輯,結(jié)合學生的思維發(fā)展特點,著重考慮教材編寫邏輯的合理性．最后,比較、借鑒,提出我國教材更好地促進學生思維發(fā)展的編寫建議．

2 研究過程

根據(jù)研究設計,我們分別分析了兩個國家教材中知識形成過程所體現(xiàn)的邏輯線索,綜合分析并比較各個國家教材浮力內(nèi)容的編寫邏輯．考慮到教材知識形成的復雜性、分析教材編寫邏輯的主觀性,我們采用四人組合研究小組,由兩名教師和兩名研究生組成．一位教師與研究生分別獨立完成教材編寫邏輯的分析,再進行討論和修改,最終形成各個教材的編寫邏輯分析文本．另外一位教師資歷深厚,具有非常豐富的教材編寫經(jīng)驗,作為教材編寫邏輯分析的評價者,從科學性、系統(tǒng)性、完整性等方面對教材編寫邏輯的分析和比較提出問題和建議,以豐富和完善研究的過程和結(jié)果．

3 研究結(jié)果

3.1 中國教材編寫邏輯的分析

3.1.1 教材整體編寫邏輯

教材關于浮力內(nèi)容的學習是圍繞認識浮力、探究浮力的規(guī)律和浮力規(guī)律的應用來展開的,見圖1．首先,教材通過讓學生回顧生活中與浮力有關的現(xiàn)象及做實驗活動,使學生從感性上認識浮力;然后,教材通過和前面學過的液體內(nèi)部壓強相聯(lián)系,引導學生分析浮力產(chǎn)生的原因,從本質(zhì)上認識浮力現(xiàn)象,使得學生對浮力的認識從感性上升到理性;緊接著,教材通過設置實驗活動,引導學生探究浮力大小跟哪些因素有關,使學生對決定浮力大小的因素形成定性認識;隨之,教材又引導學生探究浮力的大小跟排開液體所受重力的關系,使學生對浮力大小形成定量認識;最后,教材引導學生分析物體的沉浮條件,并運用物體的沉浮條件解釋生產(chǎn)和生活中的相關現(xiàn)象．

圖1 中國教材“浮力”內(nèi)容的整體編寫邏輯

3.1.2 教材具體編寫邏輯

(1) 浮力.

浮力部分內(nèi)容包括:浮力概念、浮力產(chǎn)生原因、決定浮力大小的因素．首先,教材通過物體浮在水面的現(xiàn)象分析,概括得出物體除了受到重力的作用,還受到一個向上的浮力．通常學生對漂浮在水面的物體受到浮力是理解并認可的,但是對沉入水中的物體是否受到浮力并不確定,為了將學生的思維引向深入,教材進一步提出問題:浸沒(物體完全處在液面下方)在水中的物體也受到浮力嗎?隨后,教材設計演示實驗對比物體在空氣和浸沒在水中對測力計的拉力,讓學生體驗浮力現(xiàn)象的存在,增強學生對浮力現(xiàn)象的感性認識,同時為學生提供一種測量浮力大小的方法,為后續(xù)浮力大小的測量提供方法的準備．總體來看,教材讓學生通過對各種浮力現(xiàn)象的分析,概括得出:浸在液體中的物體也受到浮力的作用．

為了從本質(zhì)上認識浮力產(chǎn)生的根源,教材引導學生進一步提出問題:為什么浸在液體中的物體會受到浮力?在前邊液體壓強的學習中,學生已經(jīng)知道液體內(nèi)部深度越大、壓強越大．教材在學生已有壓強知識基礎上,分析浸沒在液體中長方體相對側(cè)面和上下表面的受力情況,得出浮力產(chǎn)生的原因．這就使得學生對浮力的認識得到進一步提升,體現(xiàn)了理性思維的培養(yǎng)．

在學生對浮力概念和產(chǎn)生原因有了較為充分的認識之后,教材引導學生繼續(xù)思考浮力的大小跟哪些因素有關的問題．教材這部分內(nèi)容的編寫充分考慮了對學生的思維培養(yǎng)．首先,通過和學生一起分析,使學生明確:浮力的大小受到多個因素(變量)的影響,在研究某一個變量與浮力的關系時,需要保持其他量不變,也就是控制變量的研究方法．其次,在研究深度對浮力影響時,有時深度變化,體積也同時變化,二者或許有關聯(lián),而當物體浸沒在液體中時,深度變化,體積不再變化,但此時浮力也不再變化,看來深度并不是影響浮力的本質(zhì)因素．緊接著,教材又研究了浸入液體里物體的體積以及液體密度對浮力的影響．

教材之所以這樣設計這個探究實驗,是為了后面阿基米德定律的得出打好基礎．因為在阿基米德定律學習中,學生一旦想到浸入液體里物體的體積等于物體排開液體的體積,就會想到物體排開液體的體積越大、液體密度越大,物體受到的浮力就越大,液體的體積大、密度大,說明排開液體的質(zhì)量大,也就是說排開液體的質(zhì)量大,看來浮力的大小應該與物體排開液體的質(zhì)量有關．教材就是這樣充分考慮學生的認知,一環(huán)扣一環(huán)地為學生展開浮力的學習．

(2) 阿基米德原理.

阿基米德原理是初中物理的一個重要規(guī)律,為了幫助學生學習阿基米德原理,教材充分考慮了學生的認知．首先,教材通過講述阿基米德的故事,得到啟示:物體浸在液體中的體積與物體排開液體的體積相同,并引導學生將浸在液體中物體的體積用物體排開液體的體積代替,并推理得出結(jié)論:物體排開液體的體積越大、液體密度越大,所受浮力就越大．為了幫助學生理解這個結(jié)論,教材設計定性實驗,讓學生感受隨著物體排開液體體積的逐漸增大,物體所受浮力越大．在實驗操作基礎上,教材引導學生進行推理:浸在液體中物體的體積等于物體排開液體的體積,排開液體的體積與液體的密度乘積等于排開液體的質(zhì)量,而液體的重力跟液體的質(zhì)量成正比,所以,浮力的大小跟排開液體重力的大小有關．

緊接著,教材引導學生探究浮力大小跟排開液體所受重力的定量關系．首先,教材通過實驗方案的設計,讓學生通過前邊學習的測量方法測量物體的浮力,然后思考并測量物體排開液體的重力,進而讓學生明確實驗的思路和需要記錄的量,為學生操作實驗做準備．教材設計的實驗方案和思路,符合大多數(shù)學生的認識過程．然后,教材引導學生進行實驗,分析數(shù)據(jù)、歸納概括出阿基米德原理．為了讓學生對阿基米德原理有更全面而深入的認識,教材還指出,此原理不僅適用于液體,也適用于氣體．

(3) 物體的沉浮條件及其應用.

在浮力學習基礎上,教材進一步引導學生思考物體上浮和下沉的原因．教材通過浸沒在液體中物體所受浮力與重力的關系比較,總結(jié)物體沉浮的3種情況．接著,教材引導學生進行推理:浮力與重力的大小不同是導致物體的沉浮狀態(tài)發(fā)生改變的條件;浸沒的物體排開液體體積跟物體體積相等,可以用物體密度跟液體密度大小來描述物體沉浮條件．

然后,教材引導學生運用物體的沉浮條件,解釋生活和生產(chǎn)中的現(xiàn)象．比如,教材讓學生進行橡皮泥造船比賽,引導學生進行類比和想象,將橡皮泥造船的方法和思路遷移至輪船,解釋論證輪船的沉浮原因．教材中橡皮泥造船的實驗操作,不但為學生理解輪船工作原理做了鋪墊,而且讓學生在不同情境中進行遷移,探索問題解決的新途徑,鍛煉學生的問題解決能力及創(chuàng)新思維．

3.2 美國教材編寫邏輯的分析

3.2.1 教材整體編寫邏輯

教材關于浮力內(nèi)容的學習是圍繞“怎樣預測一個物體在水中是漂浮還是下沉”的問題解決展開的,見圖2．首先,教材通過活動操作、現(xiàn)象分析和生活感受,讓學生從感性上認識物體的沉浮現(xiàn)象、感知浮力的存在;然后,教材結(jié)合流體壓強的內(nèi)容,分析浮力產(chǎn)生的原因,讓學生形成對浮力現(xiàn)象的理性認識;接著,教材通過重力與浮力的大小關系,說明物體在液體中出現(xiàn)的沉浮狀態(tài);隨之,教材運用阿基米德原理解釋船舶浮在水面上的原因,加深學生對物體重力與浮力之間關系的認識;然后,教材引導學生通過改變物體的密度來改變物體的沉浮狀態(tài),并運用其解釋潛水艇的工作原理;最后,教材通過技能實驗室,讓學生探索物體受到的浮力與物體排開水的重力之間的關系．

圖2 美國教材“漂浮與下沉”內(nèi)容的整體編寫邏輯

3.2.2 教材具體編寫邏輯

(1) 浮力與重力.

浮力與重力部分內(nèi)容包括:浮力概念、浮力產(chǎn)生原因、物體沉浮狀態(tài)．首先,教材通過探索活動和浮力現(xiàn)象的分析,提出物體受到一個向上的力,稱為浮力;隨之,教材結(jié)合流體壓強解釋浮力產(chǎn)生的原因,通過比較物體上下表面所受壓力大小,指出總的效果就會出現(xiàn)一個作用于物體向上的力,叫做浮力．然后,教材提醒學生,浸沒水中物體所受重力是一個向下的力,容易讓學生想到,一個向上的浮力和一個向下的重力,如果兩個力的大小關系不同,物體是否會有不同的狀態(tài)．教材引導學生進一步分析,重力和浮力大小的不同引起物體的下沉、漂浮和懸浮3種狀態(tài)．總體來看,教材浮力概念和浮力產(chǎn)生原因的分析是為了后面對物體沉浮狀態(tài)的認識做好鋪墊．教材內(nèi)容緊緊圍繞“認識物體的沉浮現(xiàn)象”展開．

(2) 阿基米德定律.

從浮力與重力的關系認識物體的沉浮現(xiàn)象之后,教材引導學生學習阿基米德定律．理解定律的一個難點是物體排開液體的體積與物體體積的關系．排開液體體積與物體體積的關系分兩種情況:物體浸沒液體、物體部分浸入液體．教材首先讓學生明確所有的物體都占有空間;浸沒液體中的物體排開或占據(jù)液體的體積與其自身體積相同;部分浸入液體的物體所排開液體體積等于其浸入液體中的那部分體積．如果學生知道了物體排開液體的體積與其浸入液體的體積相等,或許就容易聯(lián)想或推理得出物體所受浮力與排開液體重力之間的關系,但對學生來講,還是有一定的難度．美國教材或許考慮到這一點,并沒有分析或推理各量之間的關系,而是直接給出阿基米德定律的內(nèi)容,然后通過實例讓學生理解定律．

接下來,教材引導學生運用阿基米德定律解釋為什么船舶漂浮在水面上．由于浮力等于被排開液體的重力,物體排開液體越多,所受浮力就越大．在同等質(zhì)量情況下,體積大的物體比體積小的物體排開的液體多,所受浮力就大．因此,船舶形狀決定了它所排開液體體積要比同等質(zhì)量實心鋼板大得多,只要船舶所受浮力大于自身重力,就能上浮．同時,教材通過阿基米德定律的應用,讓學生知道了通過改變物體體積可以改變浮力與重力的關系,從而改變物體的沉浮狀態(tài)．

(3) 改變物體的密度.

在學生知道改變物體體積可以決定物體的沉浮后,教材進一步啟發(fā)學生思考導致一些物體漂浮而另一些物體下沉的原因．教材引導學生將物體的質(zhì)量和體積聯(lián)系起來,通過物質(zhì)密度屬性的不同來判斷或改變物體的沉浮狀態(tài),并通過物體密度的改變來解釋潛水艇的工作原理．

通過比較物體實際密度判斷物體的沉浮狀態(tài),蘊含著邏輯推理關系:物體的密度與所在液體的密度相比,如果物體的密度大,那么對于相同體積的物體和排開相同體積的液體來講,相同體積的物體的重力大于所排開液體的重力,也就是重力大于浮力,物體下沉．同理,物體密度小于液體密度,物體漂浮在液面;物體密度等于液體密度,物體會既不上浮也不下沉．

通過改變物體實際密度來改變物體沉浮狀態(tài),體現(xiàn)著邏輯推理關系:將水冷凍成冰,水在結(jié)冰時發(fā)生膨脹,冰塊占據(jù)空間比水大,冰的密度比水?。糠煮w積的冰排開水的重力與全體冰的重力相等,也就是部分體積的冰浸沒在水中可以保持冰塊的漂浮狀態(tài)．由于冰的密度比水稍微小一點,那么大部分的冰塊都在水面以下,漂浮的冰塊只有很小一部分,也就是常看到的冰山一角．

4 研究啟示

通過以上分析可知,中美教材浮力編寫邏輯各不相同,但各具特點．綜合分析和比較兩國教材,我們得出教材編寫的幾點啟示．

4.1 多樣化選擇教材內(nèi)容,豐富學生的思維材料

物理概念是對物理事物的抽象,是觀察、實驗和物理思維的產(chǎn)物．[3]物理概念的形成過程是以感覺、知覺和表象為基礎,通過多種思維活動,從具體到抽象、從現(xiàn)象到本質(zhì)的認識過程．[4]那么,多樣化的感知活動和感性材料是形成物理概念的基礎,也是培養(yǎng)學生思維能力的前提．因此,教材內(nèi)容選擇需要多樣化,為學生概念建立和思維發(fā)展做好基礎．

在浮力概念建立過程中,美國教材通過探索活動、船舶沉浮現(xiàn)象的描述、水中撿東西變輕的感覺等,解釋現(xiàn)象、分析得出浮力概念．中國教材通過學生常見物體浮在水面、浸沒水中的現(xiàn)象、演示實驗測量物體浸沒水中的浮力等,分析概括得出浮力概念．值得提出的是,中國教材引導學生分析物體浮在水面和浸沒水中的不同浮力現(xiàn)象,幫助學生克服理解上的困難,因為有些學生會認為物體浮在水面受浮力,浸沒水中不會受浮力．

兩個國家教材內(nèi)容選擇各有特點．比如,為了增強學生對浮力的感性認識,中國教材設置演示實驗,美國教材設置探索活動．為了加深對浮力的認識,中國教材分析不同浮力現(xiàn)象,讓學生從多側(cè)面認識浮力現(xiàn)象的本質(zhì)．總之,增強教材內(nèi)容選擇的多樣性,需要充分考慮學生的認知,為學生提供有關事物本質(zhì)屬性的多側(cè)面、多類型、多感官的內(nèi)容,從而豐富學生的思維材料,幫助學生建立概念,讓學生在概念學習過程中鍛煉思維．

4.2 突顯教材中物理量關系的形成過程,培養(yǎng)學生的推理能力

我們知道,物理規(guī)律反映了物質(zhì)運動中各個因素之間的本質(zhì)聯(lián)系,揭示了一定條件下相關物理量之間的必然聯(lián)系．物理規(guī)律是觀察實驗、物理思維和數(shù)理推理相結(jié)合的產(chǎn)物．[5]物理規(guī)律就是用語言邏輯和數(shù)理邏輯表達各個物理量之間的關系．因此,教材編寫需要為學生展現(xiàn)物理量及其邏輯關系的產(chǎn)生過程,方能讓學生在規(guī)律獲得過程中發(fā)展推理能力．

在阿基米德規(guī)律建立過程中,中國教材的編寫體現(xiàn)了思維的遞進．首先,教材引導學生探究決定浮力大小的因素,讓學生對浮力大小形成定性認識,為阿基米德關于浮力大小的定量學習做好基礎;然后,教材介紹了阿基米德的故事,讓學生從理論上推理浮力大小與物體重力的關系;最后,教材引導學生探究浮力大小與重力的定量關系．美國教材則是直接給學生呈現(xiàn)了阿基米德定律的結(jié)論內(nèi)容,通過實例分析加深學生對規(guī)律的認識,并用規(guī)律解釋船舶沉?。?/p>

兩個國家教材編寫呈現(xiàn)了不同的規(guī)律形成過程,體現(xiàn)了不同的思維邏輯．中國教材讓學生從觀察的數(shù)據(jù)結(jié)果,歸納概括、推理總結(jié)阿基米德規(guī)律,注重學生多種思維過程和方法的體驗．美國教材側(cè)重學生運用規(guī)律解釋問題和現(xiàn)象,注重學生的解釋和論證能力．總之,物理規(guī)律的形成過程滲透著諸多思維活動和方法,物理教材的編寫需要讓學生體驗各物理量間關系的產(chǎn)生過程,鍛煉學生的邏輯思維能力．