科學思維導向下三個版本物理教材的對比研究

陳敬業(yè) 張軍朋 許桂清

摘 ? 要：萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程蘊含著豐富的物理思維方法，文章以物理核心素養(yǎng)中的“科學思維”為導向，對人教版、粵教版、滬教版教材《萬有引力定律》一章前半部分內(nèi)容進行全面、細致的比較，為如何在《萬有引力定律》一章有效培養(yǎng)學生的科學思維提供參考，也為后續(xù)針對該章節(jié)進行培養(yǎng)學生科學思維的教學設計打下理論基礎。

關鍵詞：科學思維;萬有引力定律;教材對比

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0019-4

1 ? ?背景分析

2017年12月，《普通高中物理課程標準》頒布，物理學科核心素養(yǎng)正式提出[1]。基于當前全國高中物理教材已經(jīng)出現(xiàn)“一標多本”的局面，廣大物理教師如能夠?qū)Σ煌姹窘滩倪M行認真的分析、比較，汲取精華，提升學生核心素養(yǎng)的教學活動將更加有效。《萬有引力與航天》（人教版和滬教版）或《萬有引力定律及其應用》（粵教版）一章是“曲線運動與萬有引力定律”這一主題的一部分，是高考命題的熱點內(nèi)容。在這一章節(jié)中的托勒密模型、哥白尼模型和開普勒行星運動定律中，無不蘊含著豐富的物理建模思想。牛頓在前人的基礎上質(zhì)疑、創(chuàng)新，通過著名的“月-地檢驗”證實了他的假設的正確性，這又體現(xiàn)了科學思維中的科學推理和科學論證思想。由此可見，學習《萬有引力定律》這一章，對培養(yǎng)學生的科學思維具有重要價值。本文以物理核心素養(yǎng)中的“科學思維”為導向，對人教版[2]、粵教版[3]、滬教版[4]教材中《萬有引力定律》這一章前半部分內(nèi)容進行研讀和比較（“萬有引力定律的應用”部分不在本次研究范圍內(nèi)）。

2 ? ?三個版本教材的對比研究

2.1 ? ?教材內(nèi)容的對比研究

2.1.1 ? ?萬有引力定律的建立過程

筆者首先從萬有引力定律的建立過程入手，以便從整體上把握不同教材的編寫思路和意圖。經(jīng)過收集、整理、分析，匯總?cè)齻€版本教材中萬有引力定律的建立過程及所在章節(jié)，如表1所示。 結(jié)合表1不難看出，三版教材在萬有引力定律的建立過程中都十分注重物理模型的建構(gòu)，三版教材都從“地心說”入手，介紹前輩們構(gòu)建的宇宙模型。值得注意的是，人教版花費整整一節(jié)的篇幅去推導太陽與行星之間力的關系式;粵教版的篇幅最短，但也用“設問-回答”的方式得到“蘋果所受力與月球所受力可能是同一性質(zhì)的力”的猜想;滬教版將粵教版的“設問-回答”過程設置成了第二節(jié)的一個討論問題。雖然它們的呈現(xiàn)方式不同，但三版教材都注重以教材為基礎引導學生去體驗太陽與行星之間的力和月球與地球之間的力以及使蘋果落地的力是同一種力的推理與論證過程。教師要敏銳地發(fā)掘教材在這一塊所蘊含的推理與論證的思想，采用歸納與演繹的方法，引導學生去發(fā)現(xiàn)不同現(xiàn)象下相同的物理規(guī)律，有效促進學生科學推理與論證思維的發(fā)展。

2.1.2 ? ?對物理學史的引用

人教版本章第一節(jié)開門見山，簡單敘述后直接引出開普勒行星運動定律，但在本節(jié)末的“科學足跡”一欄，給出了詳實的與該章有關的物理學史的介紹;粵教版按照人們對天體運動的認識歷史發(fā)展順序，十分簡潔地介紹整個萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程，沒有詳細的物理學史知識背景介紹;滬教版則完全按照物理學史發(fā)展的時間線詳細地組織教材內(nèi)容，將知識穿插在物理學史的介紹中。滬教版將知識融匯在物理學史中，不僅讓學生在物理學壯麗的史詩中深深體會物理學家們堅持不懈的探究精神，也有利于培養(yǎng)學生不畏強權(quán)的質(zhì)疑、創(chuàng)新精神。

2.1.3 ? ?對牛頓“月-地檢驗”內(nèi)容的處理

“月-地檢驗”過程蘊含著豐富的科學思維方法，“月-地檢驗”從建立勻速圓周運動模型，到科學的推理與論證，是訓練學生科學思維的好素材[5]，也體現(xiàn)了牛頓敢于在前人基礎上質(zhì)疑、創(chuàng)新的科學精神。三個版本教材對牛頓“月-地檢驗”的處理方式如表2所示。

由表2可知，人教版將其設置成了一個練習題，粵教版讓學生自己上網(wǎng)查閱相關資料，滬教版在本節(jié)末直接給出了整個計算過程。三版教材對“月-地檢驗”的呈現(xiàn)方式能否引起教師和學生的足夠重視值得懷疑。如果教材或者物理教師能夠把它單獨作為一個探究的主題，去花時間引導學生探究這個過程，而不是較為隱晦地把它作為一道題目，或者直接給出推理過程，又或是在網(wǎng)上自行查閱，當能更好地促進學生科學思維中科學推理與科學論證能力的發(fā)展。

2.2 ? ?教材兩個重要欄目的對比分析

由于三版教材在建立萬有引力定律的相關章節(jié)沒有設置例題，本文從“思考與討論”和“問題與練習”兩個方面對教材欄目進行對比分析。

2.2.1 ? ?“思考與討論”欄目

“思考與討論”欄目（不同版本教材，該欄目名稱略有差別）的內(nèi)容通常要求學生通過師生討論和生生討論，對指定的物理現(xiàn)象或者物理問題進行思考和分析。目前，教師對此欄目的理解與實施只停留在對學生知識與技能的培養(yǎng)上，忽視了其對學生思維能力的培養(yǎng)，導致了此欄目在教學中的實施效果大打折扣。通過收集、整理，三個版本教材在萬有引力定律建立過程中設置的“思考與討論”問題信息如表3所示。

人教版在該章節(jié)沒有設置“思考與討論”問題。粵教版的“討論與交流”欄目中第二個問題的回答需要學生作出正確的科學推理，得出沒有引力的世界將是什么樣子。同時，學生在討論甚至是辯論的過程中，質(zhì)疑、創(chuàng)新的能力也可以得到發(fā)展。滬教版在這部分設置了幾個問題，第二類問題是讓學生將地球的情境遷移到火星上，作出科學的推理，目的在于提升學生的物理觀念水平和科學推理能力。對于使用人教版教材的地區(qū)，我們的教師在對這一章進行教學時應該有針對性地增添一些“思考與討論”問題，以促進學生科學推理能力的發(fā)展。

2.2.2 ? ?“問題與練習”欄目

三個版本教材在萬有引力定律章節(jié)的練習題，題目設計都具有很強的情境性，都在一個相對具體的天體運動情境中展開問題。三個版本教材課后練習題目類型及數(shù)量如表4所示。

由表4可知，三個版本教材都設置了較大比例的定量計算題目，人教版和滬教版還有各自特有的定性分析題和開放型問題。三個版本教材在課后練習上均注重與萬有引力定律有關的定量計算，需要學生把龐大的天體看成質(zhì)點模型來解答問題，這有利于學生物理建模能力的發(fā)展。但粵教版和滬教版教材在課后練習上沒有設置專門的推理與論證題目，人教版教材也只是在該章第三節(jié)設置了一道要求學生進行簡單科學論證的題目。

教師在給學生布置課后練習時應適當增加一些推理與論證的題目，以彌補教材在該欄目上題目類型設置的不足，促進學生推理與論證能力的發(fā)展。此外，還可以將封閉型問題和開放型問題結(jié)合使用，多元化的題型訓練能夠更好地促進學生物理能力特別是思維能力的發(fā)展。

3 ? ?思考與展望

基于以上分析，從整體上看三版教材在萬有引力定律的建立過程中都是十分注重對物理模型的建構(gòu)和學生推理與論證思想的發(fā)展。從細節(jié)上看，滬教版教材將知識融匯在物理學史中，激發(fā)學生的情感共鳴，注重培養(yǎng)學生不畏強權(quán)的質(zhì)疑、創(chuàng)新精神。在教材欄目的設置上，粵教版和滬教版教材設置了類型多樣化的“思考與討論”問題，注重訓練學生的科學推理能力。在課后練習部分，三版教材都注重要求學生構(gòu)建質(zhì)點模型解決天體問題。

但是我們也應該注意：人教版教材在該章節(jié)沒有設置“思考與討論”問題;三版教材在“問題與練習”欄目中缺少推理與論證類的題目，對牛頓“月-地檢驗”部分內(nèi)容的安排有待考究。希望我們的教師在《萬有引力定律》一章的教學中能夠根據(jù)自己所在地區(qū)的教材版本，揚長避短地使用教材，更好地促進學生科學思維乃至物理核心素養(yǎng)的提高。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[S].北京：人民教育出版社，2018： 3.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理必修2[M].北京：人民教育出版社，2010：31-41.

[3]廣東教育出版社，廣東基礎教育課程資源研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理必修2 [M].廣州：廣東基礎教育出版社，2005：46-50.

[4]上?？萍冀逃霭嫔?，上海世紀出版股份有限公司.普通高中課程標準實驗教科書物理2[M].上海：上海科技教育出版社，2007：78-89.

[5]王茹榮.牛頓“月地檢驗”的教育價值及教學建議[J].物理之友，2016，32（7）：19-20.

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）