中美高中主流物理教材物理觀念滲透的比較研究
——以“機(jī)械能守恒定律”為例

劉璐璐 張 雄

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

楊振寧先生曾經(jīng)說過，物理學(xué)是一個多方面的學(xué)科，是現(xiàn)象的學(xué)科，是一個跟實驗非常接近的學(xué)科，而不是整天在公式內(nèi)打滾的學(xué)科.[1]現(xiàn)如今，我們的教學(xué)太過重視知識的輸送，而忽略了將學(xué)生所學(xué)進(jìn)行引導(dǎo)，使之成為他們的基本物理觀念.因此，要求學(xué)生從掌握物理知識發(fā)展到提升自我思想、素養(yǎng)層面就顯得尤為重要.

2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)新時代培養(yǎng)人才的要求，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括4個方面的內(nèi)容——“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”.[2]而物理觀念作為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的首要方面與重要指標(biāo)，具有極其重要的教育意義.

1 物理觀念

物理觀念是在物理學(xué)視角下形成的關(guān)于物質(zhì)、運動、相互作用與能量等的基本認(rèn)識.[2]是一種在學(xué)生頭腦中自然形成的從物理學(xué)視角看待問題的認(rèn)識起點，認(rèn)識起點一旦建立好了，建立正確了，學(xué)生對于物理概念與規(guī)律的理解就會非常到位.物理觀念作為一種形成于人腦中的觀念性的東西，可以說伴隨人的時間最久，也最為頑固.它同樣也是學(xué)生準(zhǔn)確解決自然現(xiàn)象、解決實際問題的基礎(chǔ).因此，教師要幫助學(xué)生建立起正確的物理觀念，為學(xué)生的核心素養(yǎng)萬丈高樓的建立，打下“堅實的地基”.

2 教材選用

不同版本的教材在內(nèi)容安排、欄目設(shè)置、應(yīng)用實例、插圖設(shè)計等方面都不盡相同，這也會對教學(xué)產(chǎn)生重要的影響.此番筆者選取了中美高中主流理科教材——人教版高中物理教材(2018年版)和《Physics:Principles and Problems》(第2版)即由美國密歇根-迪爾伯恩大學(xué)物理教授保羅·齊策維茨編寫的《物理原理與問題》(該書在美國有超過50%的選用率，從20世紀(jì)80年代開始就一直廣受好評).在這里筆者就中美兩國教材的“機(jī)械能守恒定律”中各模塊的闡述方式、編寫特色做一些比對分析，希望能給我國教材編寫提供一些“美式借鑒”，并使我們獲得培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的有價值的啟示.

3 中美教材內(nèi)容對比

3.1 中國教材的內(nèi)容呈現(xiàn)形式

“機(jī)械能守恒定律”出現(xiàn)在人教版高中物理教材(2018版)的必修2第8章第4節(jié)，內(nèi)容模塊上主要有“問題”、“追尋守恒量”、“動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化”、“思考與討論”、“機(jī)械能守恒定律”、“例題”、“練習(xí)與應(yīng)用”這六種形式.

“問題”導(dǎo)入從學(xué)生熟悉的伽利略斜面實驗出發(fā)，引出小球在兩個不同坡度的斜面上運動的實驗.進(jìn)而引發(fā)學(xué)生思考：在運動過程中，哪些物理量是變化的，哪些物理量是不變的.

“追尋守恒量”以開篇正文的形式出現(xiàn)，教材開篇先讓學(xué)生思考“能量”的概念.由于小球在沒有空氣阻力及摩擦力作用時，必將準(zhǔn)確地終止于它開始運動時的高度，不會更高一點，也不會更低一點.[3]故而據(jù)此，讓學(xué)生理解并猜測某種“東西”在小球運動過程中是不變的.這里在沒有引入能量概念之前，就讓學(xué)生猜測這種守恒的“東西”是能量，學(xué)生的思維沒有躍度，能夠直接給出教師所希望聽到的答案.伽利略和牛頓都沒能總結(jié)出這個概念，我們也不能令學(xué)生根據(jù)編者意圖，順勢得出答案.對于這個實驗，我們只能說存在某種“東西”保持不變，但是具體是什么，我們尚不清楚.物理教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)注意，能通過實驗現(xiàn)象得出的概念就通過實驗去引導(dǎo)學(xué)生猜想，復(fù)雜且難以解釋清楚的概念，該引則引，當(dāng)說直說.于邏輯上用結(jié)論推論結(jié)論，會顯得矛盾重重.

“動能與勢能相互轉(zhuǎn)化”一欄中，選用了沿光滑斜面下滑的物體、具有一定速度且由于慣性而沿光滑斜面上升的物體、豎直向上拋出的物體、被壓縮的彈簧以及跳板上彈起的運動員的運動過程來做定性的理論分析.教材得出動能與重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，彈性勢能與動能也可以相互轉(zhuǎn)化.并且機(jī)械能包含3種能量：重力勢能、彈性勢能和動能.我們的教材沒有將重力勢能與彈性勢能統(tǒng)一歸為一類.但從中我們可以看出人教版教材在舉例講各能量的相互轉(zhuǎn)化過程時描述得十分詳盡，所舉實例簡單也貼近生活.知識豐富、內(nèi)容詳盡是人教版教材的一大特色.

第一個“思考與討論”引用了兩個下落高度相同，但所處介質(zhì)不同的小球運動過程.探尋在兩種過程中它們二者的重力做功、重力勢能變化、動能變化的大小關(guān)系，以及它們在運動過程中的能量轉(zhuǎn)化.借此培養(yǎng)學(xué)生在多因素環(huán)境影響下，仍能排除干擾分析實際問題的能力.第二個“思考與討論”則提問學(xué)生在滑落的逆向過程中，推導(dǎo)的關(guān)于物體初、末狀態(tài)的動能與勢能之和是否依然相等.啟發(fā)學(xué)生舉一反三，辯證思考，培養(yǎng)他們的批判性思維.

“機(jī)械能守恒定律”一欄中，揭示動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化存在著某種定量關(guān)系.人教版教材利用了動能定理、重力做功與勢能變化的關(guān)系，推導(dǎo)出了在只有重力做功的系統(tǒng)中，動能與重力勢能互相轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能保持不變的結(jié)論.[3]體現(xiàn)出了人教版教材推理嚴(yán)密、理論性強(qiáng)的特點.正文末尾，教材總結(jié)了何謂機(jī)械能守恒定律，并依據(jù)滑雪者的客觀實例，向?qū)W生說明：在阻力可以忽略的情況下，動能與重力勢能可以互相轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能守恒.如果阻力做功不可以忽略，則機(jī)械能不守恒.[3]據(jù)此，我們又窺見到了人教版教材的嚴(yán)謹(jǐn)性.

“例題”引用了一個經(jīng)典單擺的機(jī)械能守恒實例，由此運用機(jī)械能守恒定律計算出小球在某一點的速度大小.最后于總結(jié)處聯(lián)系了一下生活經(jīng)驗(擺角越大，到達(dá)最低點的速度也越大).

3.2 美國教材的內(nèi)容呈現(xiàn)形式

美國高中物理教材《物理：原理與問題》中的“能量守恒”部分內(nèi)容主要包括“能量守恒定律”、“機(jī)械能”、“系統(tǒng)的機(jī)械能”、“機(jī)械能守恒”、“機(jī)械能和其他形式的能量守恒”、“本節(jié)主旨”、“核心問題”、“術(shù)語回顧”、“關(guān)鍵術(shù)語”、“迷你實驗”、“閱讀檢測”、“解題策略”、“例題”、“練一練”等12個小版塊.

“能量守恒定律”中有這樣一句話，“科學(xué)家們只要觀察到系統(tǒng)正在丟失能量，他們就會去尋找能量可能會轉(zhuǎn)化成的新的形式”，[4]這句話的言外之意：只要系統(tǒng)正在丟失能量，就一定會有新的形式的能量產(chǎn)生.同樣也就是說，只要系統(tǒng)同外界沒有交換能量，系統(tǒng)就是封閉孤立的，系統(tǒng)內(nèi)的總能量也一定是守恒的.美國教材定義機(jī)械能守恒定律：“在一個封閉的孤立系統(tǒng)里，能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅.也就是說，能量是守恒的.在這些條件下，能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但系統(tǒng)中能量的總量保持不變.[4]”與人教版9年級物理教材(2013年版)關(guān)于能量守恒的表述是大致相同的.而美國教材表述上則更加規(guī)范，它先定義了一個封閉的孤立系統(tǒng)，也就是美國教材旁批里涉及到的“本節(jié)主旨”中的內(nèi)容.然后在“術(shù)語回顧”里再去回顧“封閉系統(tǒng)”這一概念，并帶著“核心問題”開展本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容.系統(tǒng)的機(jī)械能為系統(tǒng)中物體的動能和勢能的總和.動能包括系統(tǒng)中物體的平動動能和轉(zhuǎn)動動能，勢能包括系統(tǒng)的重力勢能和彈性勢能.[4]由此分類，可直接得出“系統(tǒng)的機(jī)械能等于系統(tǒng)中物體的動能與勢能的總和”.[4]較人教版的定義顯得更加簡要、系統(tǒng).

“系統(tǒng)的機(jī)械能”中用了一個正在下落的保齡球的機(jī)械能守恒作了番說明，兼用圖表的形式描述下落各階段(球開始下落、球下落1m、球碰到地面)的動能、勢能及機(jī)械能變化情況，直觀明了且定量.圖文并茂是美國教材的又一個優(yōu)點.另外，美國教材圖中所用數(shù)值簡單，學(xué)生便于比較，易于接受.

“關(guān)鍵術(shù)語”中羅列了本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容涉及到的所有重點概念.美國教材課前就告訴學(xué)生，本節(jié)內(nèi)容哪些是重點概念，讓學(xué)生做到心中有數(shù)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更具方向性，也是美國教材值得我們學(xué)習(xí)的一點.

“機(jī)械能守恒”中以一個落向地面的小球，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的簡單實例，計算得出機(jī)械能守恒，并點明守恒所需條件：小球與地球組成的系統(tǒng)是封閉且孤立的.美國教材在這一點上突出了物理問題的條件性，并滲透在了教材表達(dá)的方方面面，給予了學(xué)生分析問題的前提條件，原則性很強(qiáng).

“迷你實驗”中美教材引用了一個與人教版教材相同的實例，即向上拋出的小球?qū)嵗?在人教版教材中向上拋出的小球的能量轉(zhuǎn)化，人教版教材是給予了詳細(xì)的說明與具體的分析的，而美國教材則是讓學(xué)生去做一個“迷你實驗”，并讓學(xué)生據(jù)此分析運動過程中的能量轉(zhuǎn)化.體現(xiàn)了在過程中重視思維，在思維中彰顯過程的物理觀念.美國教材還設(shè)置了帶星號的單擺實驗供學(xué)生自己做課后探索，突出了美國教材較強(qiáng)的探索性，肯放手讓學(xué)生擁有更多的獨立思考空間與自主性，這也是我們的教材所缺少的.

在“機(jī)械能和其他形式的能量守恒”中，美國教材談到當(dāng)單擺停下、彈跳小球最終停下、過山車滑坡高度越來越低等阻力不能忽略的情況出現(xiàn)時，系統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量后仍存在“廣義的能量守恒”.另外美國教材率先引入了“聲能”的新概念，開拓了學(xué)生的視野，豐富了學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)容.

“閱讀檢測”里列舉了3個生活實例(過山車、滑雪、單擺)，這是美國教材的又一大特色——緊密聯(lián)系生活實際，應(yīng)用物理原理揭秘生活原理.體現(xiàn)出物理源自生活，應(yīng)用于生活的教學(xué)理念，也值得我們借鑒學(xué)習(xí).在過山車、滑雪以及單擺運動的不同階段，不同高度，美國教材運用了變化的條形圖來彰顯規(guī)律，定性又不乏定量，學(xué)生看了很容易就能明白.“單擺”的實例中有句話，“如果一個外力把擺錘拉到某一高度，則這個力做了功，給了系統(tǒng)一個機(jī)械能”一句表達(dá)得科學(xué)，精準(zhǔn).[4]在問題的開始，從教材做起，就提醒學(xué)生運用物理思維觀念去分析問題，為他們養(yǎng)成成熟的物理觀念作了鋪墊.

美國教材還專設(shè)了“解題策略”一欄，從“仔細(xì)地定義系統(tǒng)”、“在該封閉系統(tǒng)內(nèi)，不存在物體的進(jìn)入或離開”到“確定系統(tǒng)中的能量形式”再到“確定系統(tǒng)最初和最終的狀態(tài)”，都可以看出美國教材提出的解題策略是層層遞進(jìn)，逐步引申的.“如果沒有外力對系統(tǒng)發(fā)生作用，則該系統(tǒng)是孤立的”點明如何確定一個系統(tǒng)是孤立的——沒有外力對系統(tǒng)發(fā)生作用的情況下.[4]那如果有外力作用系統(tǒng)呢？又該如何判定呢？有外力作用的情況下，系統(tǒng)最后的能量等于它初始的能量與對系統(tǒng)所做的功的總和(對系統(tǒng)做功可以為負(fù)，即Ef=Ei+W).[4]最后總結(jié)：如果系統(tǒng)是孤立的，且只有勢能和動能兩種能量類型，那么系統(tǒng)機(jī)械能一定是守恒的.美國教材逐步推進(jìn)學(xué)生的思維，由易到難，層層遞進(jìn)，體現(xiàn)了該教材的科學(xué)性和方法性.

“例題”選取與實際生活密切關(guān)聯(lián)的問題，開啟了習(xí)題的生活化、應(yīng)用化模式.教材解題規(guī)范，分3步走：分析概括問題、求解未知量、驗證答案.其中“分析概括問題”中有一個亮點：請學(xué)生畫出能量柱形圖.要求學(xué)生運用數(shù)形結(jié)合地思想去理解物理問題.美國教材的解題過程，條理清晰，思路明了且富有良好的邏輯性，不是單純地講究計算方法.這一點也值得我們借鑒取經(jīng).次要的代入過程可以不出現(xiàn)在主要解題步驟里而置于旁邊，數(shù)據(jù)的代入過程無需和盤托出，既干擾學(xué)生思維，又顯得本末倒置，繁冗綴余.美國教材的規(guī)范解答為學(xué)生提供了一個良好的答題模板，起到了很好的表率作用.

“練一練”中有個習(xí)題的題干包含這樣一句話：“選擇一個合適的系統(tǒng)，找出系統(tǒng)最初的動能”.[4]這句話也映射出美國教材注重學(xué)生在解題過程中的思維分析與概念理解，是國內(nèi)教材所忽視了的部分.美國教材“練一練”中還包含拔高思維題，供學(xué)生做拓展思維訓(xùn)練，但并不做過多要求，合理合情，能適應(yīng)各個層次學(xué)生的水平.

4 研究的意義

現(xiàn)如今我們的教材和教法仍然重視知識傳輸，而忽略了對學(xué)生的思維培養(yǎng)和思維鍛煉.學(xué)生從實際問題中抽象出物理問題的能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，反觀美國教材我們能夠窺見：我國教材知識層面做得過多了，而思維啟發(fā)上做得太少了.培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念當(dāng)從教材抓起.

另外相對來說，中國教材中生活實例的選擇較為單一，美國教材中的實例列舉(不論在正文還是在習(xí)題中)簡單又貼切物理模型.過山車、滑雪、單擺都是日常生活中學(xué)生常見的物理現(xiàn)象，用它們來分析機(jī)械能守恒，從某種程度上說，更能吸引學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣.這表明了美國教材注重培養(yǎng)學(xué)生解決生活化的物理問題的能力，對于培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念會有很大幫助.而人教版教材內(nèi)容表達(dá)上就顯得簡單直接，一上來就“開門見山”，學(xué)生可以直接按照教材上的內(nèi)容進(jìn)行“明知故問”的回答，因此缺少邏輯性與趣味性.

5 總結(jié)

教材是教師進(jìn)行教學(xué)活動的主要依據(jù)，也是學(xué)生進(jìn)行物理學(xué)習(xí)的重要工具.[1]通過比較我們發(fā)現(xiàn)，與美國教材相比，人教版教材有其自身的優(yōu)點，但在物理觀念培養(yǎng)方面卻還存在諸多不足.編者還需不斷優(yōu)化我國的物理教材，特別是內(nèi)在邏輯，解題規(guī)范性方面，以增加對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)力度.教材還應(yīng)當(dāng)多取材生活實例，充分展現(xiàn)生活實例帶給教學(xué)的趣味性、直觀性.夯實學(xué)生的“雙基”，提升教材的魅力，讓學(xué)生體會物理學(xué)的廣泛運用與科學(xué)本真.