中外高中物理教材中“功與能”的比較與啟示

(南京師范大學教師教育學院，江蘇 南京 210023)

隨著《普通高中物理課程標準(2017年版)》的頒布，最新高中物理課標教材正式出版，物理課程改革進入新時期。不斷拓寬視野，借鑒優(yōu)質資源，方能使教學改革穩(wěn)步深入、教學質量穩(wěn)步提高。國際文憑大學預科項目IBDP(International Baccalaureate Diploma Programme)是獲得了世界范圍認可的一套課程體系，“功與能”是力學知識的綜合與總結，一直是高中物理教學的重點內容。本文選取人民教育出版社2019年版《物理必修第二冊》(以下簡稱人教版教材)第八章《機械能守恒定律》、劍橋大學出版社《Physics for the IB diploma》(以下簡稱IBDP教材)2.7章《Work, energy and power》為樣本，進行比較分析，并提出一些教學建議供參考。

1 章節(jié)編排、章首頁比較

筆者對人教版教材與IBDP教材的章節(jié)編排進行了對比，結果如表1所示。

表1

人教版教材章首頁概述了生活中的能量，簡單介紹不同種能量之間存在的轉化關系。在進入正式講解前，引用了德國物理學家勞厄的一段話：“物理學的任務是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律。因為這樣的規(guī)律的最簡單形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向?！边@段話點出了守恒量的探尋在物理學發(fā)展史上的重要地位，契合本章主線，有很好的引導作用，物理名人名言的引用還為教材增添了人文氣息。IBDP教材的章首頁為一段簡短的章內容介紹，提出了較為詳細的本章學習目標，闡述經(jīng)過本章的學習后學生對各知識點應掌握到什么程度?？梢?，人教版教材側重背景的創(chuàng)設與導入，人文氣息強；IBDP教材在章首直截了當?shù)馗嬷獙W生本章將要學哪些知識，目標性強。

兩版教材均設有章末習題，IBDP教材本章共43題，多為計算分析題，難度梯度小；人教版教材設有13道習題，分為A、B兩組，其中A組6題，習題難度小，引導性強；而B組的7道題難度較A組有明顯提高。

2 物理內容呈現(xiàn)結構的比較

人教版教材中章標題為《機械能守恒定律》，IBDP教材中章標題為《功，能量和功率》，對比兩版本教材各節(jié)內容的安排，結果如表2所示。

人教版教材本章含有5節(jié)，其中1節(jié)為實驗；IBDP教材則有8節(jié)，全部為理論講解。人教版教材整合了本章內容，使得教材編排更為緊湊，每節(jié)包含更多欄目。兩版本教材的節(jié)編排順序也存在差異，這與教材講解知識點的思路有關，其他對比所得數(shù)據(jù)如表3所示。

表2

① IBDP教材中“摩擦力”一節(jié)是從功能關系的視角，解釋“當摩擦力等外力存在時，系統(tǒng)的機械能不守恒”的原因，也引出了“當機械能不守恒時，外力(諸如摩擦力)所做的功就是系統(tǒng)機械能損失量”的觀點。

表3

表3顯示，IBDP教材在更短的篇幅內呈現(xiàn)了更多的知識點，變力做功的計算、效率、動能與動量關系等超出了人教版教材涉及的知識范圍。IBDP教材排版密集，文字量大，插圖少。進一步分析各節(jié)包含的欄目，人教版教材各節(jié)都以問題作為引入，常使用插圖使概念、規(guī)律形象化，并適時使用實驗、拓展的形式加強與其他知識點的聯(lián)系。IBDP教材在知識點上關注普遍的物理情境，如介紹功時涉及了變力做功、物體做曲線運動時的做功，教材中的配圖均為示意圖。人教版教材例題數(shù)量較少，且較為基礎，給出了詳盡的解答步驟；IBDP教材例題形式豐富，需要更深入的思考，總體難度較大。

綜上所述，人教版教材在編排上過渡自然，利于學生順利地把握整個知識體系；IBDP教材則更加凸顯學術性，直接介紹知識點，形式上更接近我國大學物理教材。

3 教學思路比較

物理觀念是物理學科核心素養(yǎng)的重要方面，指從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華。在高中物理教學中，物理觀念一直是教師關注的重點，也是教材編寫者期望在教材中呈現(xiàn)的核心內容之一，本章是高中階段能量觀念的集中體現(xiàn)。

新版人教版教材將原“追尋守恒量”一節(jié)的內容整合到了“機械能守恒定律”一節(jié)中，在學生學習了功、功率、重力勢能、動能等基本概念后，圍繞追尋“什么量守恒”而建構“能量”觀念。這樣的設計巧妙地指引學生在學到本節(jié)時思考這些概念間的聯(lián)系，不僅體現(xiàn)了清晰的知識目標、方法目標，還體現(xiàn)了重要的觀念養(yǎng)成目標。在教材的注釋中提到：能量概念擁有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力，能讓學生體會到物理概念在物理學研究中的重要地位。在介紹機械能守恒定律后，設計了驗證實驗，使得知識呈現(xiàn)更為完整和嚴密。

IBDP教材中首次出現(xiàn)功能關系是在“重力勢能”一節(jié)，提到“做功的能力稱為能量”。緊接著推廣到一般力做功，探究了功與動能的關系。教材舉例分析了幾個運動過程中的能量轉化情況，先用只有重力做功的情形引出“守恒”觀念，后又安排“摩擦力”一節(jié)介紹了有其他外力的情況。在思想上，此部分處處滲透著能量的轉化和守恒觀念，但在呈現(xiàn)上并不凸顯，而是將這些觀念隱含在其中，用較多的推導和例題讓讀者自己體會。筆者比較了兩版本教材重力勢能、機械能守恒知識點的講解思路，結果如表4。

可見兩版本教材介紹的思路有顯著差別，人教版教材注重表達式與結論的得出過程，完整呈現(xiàn)探究思路，先進行定性探究，再過渡到定量表達，凸顯了研究過程的科學性和嚴謹性；IBDP教材以講解為主，一般先給出結論再逐步解釋，注重定量推導。人教版教材的思路更易于學生理解掌握，還能讓學生從探尋守恒量過程，體會科學家的探索精神；而IBDP教材的思路偏向邏輯推理，對學生的思維能力提出了更高的要求。

表4

4 結論與啟示

(1) 在章編排上，兩版本教材各有特色，且優(yōu)勢互補。人教版教材人文性強，物理學家名言的引用是其亮點，但條理性上較IBDP教材而言不夠凸顯，若能類似IBDP教材設置一個呈現(xiàn)本章學習目標的欄目，就能更好地作為本章知識的前瞻，有助于學生的預習。

(2) 在教材內容編排方面，人教版教材側重介紹理想化的物理情境，而IBDP教材往往涉及非理想的一般情境。物理學與生活聯(lián)系緊密，教師若能在課堂上初步介紹更一般的情境，將有利于學生把課堂與實際生活建立聯(lián)系，加深學生對概念的理解。

(3) 在教學思路方面，人教版教材重視科學推理思路和嚴謹性，順著主線逐步構建能量觀念，在介紹機械能守恒定律時引發(fā)學生對前幾節(jié)內容的思考，對能量觀念的培養(yǎng)顯得更加突出，教材提供的教學思路符合培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的要求。教師更應充分發(fā)揮教材的這一特色，在教學中關注學生能量觀念的構建。

物理教學不僅是傳授學生物理知識，更應注重提升學生的思維能力。物理教學的目標也不僅僅是讓學生學會解題，而是培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)?？陀^辯證地比較國內外不同版本教材，借鑒他人的成功經(jīng)驗，對推進我國物理課程改革、提高物理教學水平有很大的幫助。