體現內容要求變化 落實物理核心素養(yǎng)
——粵教版《普通高中教科書 物理》的教材特色

文∣陳信余

為適應新時代發(fā)展要求，促進教育觀念更新，滿足提高全民素質和人才培養(yǎng)質量的需要，《普通高中物理課程標準(2017年版)》(下稱為“新課標”)的內容要求(標準)在2003年版(下稱為“舊課標”)的基礎上進行了修訂。本次修訂著重基于物理學科本質凝練物理學科的核心素養(yǎng)，明確學生學習物理學科課程后應達到的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。提出要促進人才培養(yǎng)模式的轉變，著力發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。中國學生發(fā)展學生核心素養(yǎng)是黨的教育方針的具體化和細化。

粵教版《普通高中教科書物理》依據新課程標準進行編寫，通過“體現內容要求變化”“突出物理實驗的地位”“滲透科學思想和方法”“注重物理知識在生產生活實踐中的應用”四大特色來落實物理核心素養(yǎng)。

一、體現內容要求變化

基礎教育課程承載著黨的教育方針和教育思想，規(guī)定了教育目標和教育內容，是國家意志在教育領域的直接體現，在立德樹人中發(fā)揮著關鍵作用。課程標準是編寫教科書和教師進行教學的直接依據，也是衡量各科教學質量的重要標準。教科書是根據學科課程標準系統(tǒng)闡述學科內容的教學用書，是知識授受活動的主要信息媒介，是課程標準的進一步展開和具體化?；浗贪妗镀胀ǜ咧薪炭茣锢怼芬罁抡n程標準進行編寫，充分體現內容要求的變化。

例如，“勻變速直線運動”是新舊課標必修1模塊“機械運動與物理模型(運動的描述)”主題下的內容，其要求如下：

新課標:1.1.3 理解位移、速度和加速度。通過實驗,探究勻變速直線運動的特點,能用公式、圖像等方法描述勻變速直線運動。理解勻變速直線運動的規(guī)律,能運用其解決實際問題,體會科學思維中的抽象方法和物理問題研究中的極限方法。舊課標:(3)經歷勻變速直線運動的實驗研究過程,理解位移、速度和加速度,了解勻變速直線運動的規(guī)律,體會實驗在發(fā)現自然規(guī)律中的作用。

新課標明確提出從探究勻變速直線運動的特點開始，逐步認識勻變速直線運動，目標更準確，任務更具體，操作性更強。新粵教版《普通高中教科書 物理 必修第一冊》(下稱“新粵教版物理必修1”)根據這個變化，設置了如圖1所示的“實驗與探究”欄目，利用光電門研究勻變速直線運動的速度特點——在相等時間內，速度變化相等，加速度恒定。在如圖2所示的“討論與交流”欄目，利用頻閃照相研究勻變速直線運動的位移特點——在連續(xù)相等的時間內，位移的增量相等。得到這兩個特點，為研究勻變速直線運動的規(guī)律打下了基礎。利用位移特點，可以很簡單地判斷自由落體運動的性質，為遷移勻變速直線運動的知識來處理自由落體運動問題奠定了理論基礎。

圖1 探究小球沿傾斜直槽運動的速度變化特點

圖2 探究小球沿傾斜直槽運動的位移變化特點

又如，“自由落體運動”新舊課標的要求如下：

新課標:1.1.4 通過實驗,認識自由落體運動規(guī)律。結合物理學史的相關內容,認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用。例6 查閱資料,了解亞里士多德關于力與運動的主要觀點和研究方法。例7 查閱資料,了解伽利略研究自由落體運動的實驗和推理方法。舊課標:(3)經歷勻變速直線運動的實驗研究過程,理解位移、速度和加速度,了解勻變速直線運動的規(guī)律,體會實驗在發(fā)現自然規(guī)律中的作用。例4 用打點計時器、頻閃照相或其他實驗方法研究勻變速直線運動。例5 通過史實,了解伽利略研究自由落體運動所用的實驗和推理方法。

與舊課標相比，新課標對自由落體運動提出了更明確的要求：①要通過實驗，即要經歷實驗過程；②是認識而不是了解，即要經歷人腦反映自由落體運動的特性與聯(lián)系的思維活動；③認識規(guī)律，即經歷實驗和思維活動，發(fā)現并掌握自由落體運動的規(guī)律。

新粵教版物理必修1根據新課標這個變化設計了三個不同認知層次的活動，如表1與表2所示。①要從常見的落體運動中抽象出自由落體運動；②利用以前所學過的知識，發(fā)現自由落體運動的規(guī)律；③會使用發(fā)現的規(guī)律解決實際問題。讓學生在經歷和完成這三個認知層次的活動后，從不同角度落實物理核心素養(yǎng)的不同方面。

表1 輕重物體下落快慢的比較

表2 牛頓管實驗

新粵教版物理必修1通過定性實驗，從落體運動抽象出自由落體運動模型；通過定量實驗，引導學生認識自由落體運動的性質和特點并發(fā)現相應的規(guī)律；通過規(guī)律的應用，注重理論聯(lián)系實際，注意物理知識在日常生活、生產勞動實踐等方面的廣泛應用，實現從掌握“解題”方法到掌握“解決問題”方法的轉變。教科書的編寫，體現了“通過實驗，認識自由落體運動規(guī)律”的內容要求變化，在這個教學過程中落實了不同方面和對應要素的物理核心素養(yǎng)。

二、突出物理實驗的地位

物理實驗既是物理教學的一種形式，同時也是物理教學的重要內容。通過實驗教學，幫助學生理解、掌握物理知識，學習物理研究問題的方法，學會實驗技能，以及儀器的使用和操作方法。新課標中提出：在高中物理課程中，應注重科學探究，尤其應注重物理實驗，這在培養(yǎng)學生的探究能力和科學態(tài)度方面具有重要的地位?？梢钥闯?，新課標傾向突出物理實驗的地位。如新粵教版物理必修1，設置了兩個教學主題，有六處提出要通過實驗來完成教學。

(1)通過實驗，探究勻變速直線運動的特點。

(2)通過實驗，認識自由落體運動規(guī)律。

(3)通過實驗，了解胡克定律。

(4)通過實驗，了解力的合成與分解。

(5)通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質量之間的關系。

(6)通過實驗，認識超重和失重現象。

新粵教版物理必修1遵照新課標要求，對以上六個內容全部編排了對應的物理實驗，而且豐富了實驗內容，增加了實驗形式，提高了實驗效果。如使用自制的“力的關系探究裝置”(如圖3所示)，可以很精準地探究合力與分力之間的關系——遵循力的平行四邊形定則。另外，還可以利用這套裝置，探究共點力的平衡條件。

圖3 力的關系探究裝置

新粵教版物理必修1還結合現行中學和學生思維水平的實際，增加了“摩擦力”“共點力的平衡條件”“牛頓第三定律”三個內容的實驗研究。

增加“摩擦力”的實驗教學主要基于以下兩點思考：①實驗器材簡單，現象明顯，效果好，學生有實驗基礎，具備獨立完成實驗的能力；②用比值法得到動摩擦因數——滲透物理方法。

共點力作用下物體的平衡條件有廣泛的實際應用，是牛頓第二定律應用的一個特例(加速度為零)。增加“共點力的平衡條件”實驗進行探究，有利于學生加深對“共點力平衡”的理解和熟練掌握“共點力平衡條件的應用”。

增加“牛頓第三定律”內容的實驗研究主要基于以下兩點思考：①滲透物理思想和方法；②引入最新的研究成果。如關于作用力與反作用力方向的問題，采用如圖4所示的方式，將一枚小磁針固定，讓另一枚小磁針圍繞固定磁針轉動。該實驗現象很好地展現了“作用力與反作用力方向總是相反且作用在同一條直線上”的規(guī)律。又如圖5與圖6所示，用力傳感器能展示物體靜止時作用力與反作用力的規(guī)律同樣適用運動物體。

圖4 兩磁針之間的相互作用力的方向探究

圖5 用力傳感器顯示作用力與反作用力

圖6 計算機顯示兩傳感器鉤子的受力情況

三、滲透科學思想和方法

科學思想是指在各種科學認識和研究方法的基礎上提煉出來的、能夠發(fā)現和解釋其他同類或更多事物的合理觀念和推斷法則，它對進一步的、更廣泛的科學研究和社會實踐具有導向作用?？茖W方法是指人們在學習、工作和生活時的一種能動的、嚴密的、合理的、有目的的、有條理的思維和活動過程。

新粵教版物理必修1非常重視科學思想和科學方法的滲透。如圖7所示，用牛頓管內物體下落實驗來研究自由落體運動時，通過比較三個不同重量的物體分別在有空氣、空氣稀少、近似無空氣的管中的下落快慢，最后得出如果沒有空氣影響，三個不同重量的物體下落的快慢是一樣的結論。牛頓管要完全真空是不可能的，通過逐漸減少管中空氣，觀察三個物體運動快慢的趨勢，得出結論。以管中空氣質量m為橫軸，以三個物體的下落速度v為縱軸，可以作出v-m圖像，如圖8所示。三條圖線的延長線與v軸交于一點，該點反映的是管中空氣質量為零時三個物體下落速度的大小，這里滲透的科學思想就是“外推法”——根據觀測值，計算觀測范圍以外同一對象近似值的方法。其屬于猜想方法之一，也是類比推理的一種特殊應用。這種外推法在以后的教學里還會用到，如探究牛頓第一定律時，就是從斜面坡度越小，小球沿斜面滾動的距離越長，外推到斜面坡度為零(即平面)時小球將運動下去而不停下來，最后得到物體的運動不需要外力維持的結論。又如，在學習氣體狀態(tài)方程時，為了研究方便，將氣體溫度外推到-273 ℃，這樣可以保證氣體做等壓或等容變化時，氣體的壓強或體積與熱力學溫度成正比。

又如，新粵教版物理必修1在編寫“牛頓第三定律”時，沒有停留在給出牛頓第三定律的幾條結論的層面上，而是充分發(fā)揮了該內容的育人價值，重視“分類、實驗、歸納、比較等物理方法和轉換的物理思想”。

圖7 牛頓管內物體的下落運動

圖8 牛頓管內空氣質量與物體下落速度的關系

分類方法是在比較的基礎上，根據對象特征的共同點和相異點，將對象區(qū)分為不同種類，形成有一定從屬關系的等級系統(tǒng)的邏輯方法。為研究作用力與反作用力的關系，教科書分成“接觸與非接觸”“靜止與運動(又細分成勻速運動與變速度運動)”進行實驗探究。

實驗方法是研究物理的根本方法。假設是否正確，理論是否需要修正，最終都要根據實驗結果來得出結論。相互作用的物體，不論它們在一起是靜止、做勻速運動、做加速運動還是它們之間有相對運動，它們之間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，即本定律與物體所處狀態(tài)無關。結論是否正確呢？教材通過力傳感器，結合計算機顯示的方法，進行了實驗探究。實驗結果表明“牛頓第三定律與物體所處狀態(tài)無關”的結論是正確的。

歸納推理的思維特征是從特殊到一般，是以個別的、特殊的知識為前提，推出以普遍性知識為結論的推理過程。牛頓第三定律是依據一些特殊的實驗事實，通過歸納得到一般性的規(guī)律。在力的概念、功的概念、機械能守恒定律、電場、平行板電容器、電磁感應現象等教學內容中，都采用了歸納推理的方法。

比較研究法就是對物與物之間的相似性或相異程度進行研究與判斷的方法?？梢岳斫鉃楦鶕欢ǖ臉藴?，對兩個或兩個以上有聯(lián)系的事物進行考察，尋找其異同，探求普遍規(guī)律與特殊規(guī)律的方法。物理學中，對容易混淆的物理概念(或規(guī)律)的內涵和外延進行比較，有利于進一步明確物理概念(或規(guī)律)。牛頓第三定律所討論的一對作用力與反作用力的相互關系，跟討論物體平衡時一對平衡力的相互關系極易混淆。區(qū)別的關鍵是確定研究對象，即受力對象，明確研究對象是物理思維正確起步的基礎，也是學生學習物理的弱點。新粵教版物理必修1通過“討論與交流”欄目，對靜止在水平桌面上的書本進行受力情況分析。在這個基礎上，先找出一對平衡力和一對作用力與反作用力，再說明它們的聯(lián)系與區(qū)別，這使比較研究的實驗方法得到很好的落實。

轉換研究對象和測量方法，是物理學研究中的重要思想和科學方法，尤其有助于認知那些不能直接感知的事物。新粵教版物理必修1在牛頓第三定律的編寫過程中，以分析書本對水平桌面的壓力為例(如圖9所示)，滲透了轉換研究對象的物理思想。這個轉換思想拓寬了牛頓第三定律的應用范圍，也為以后應用轉換思想研究物理問題打下了扎實的思想基礎。例如，在以后的物理教學中，以下內容都應用了轉換思想來幫助學生進行認識：通過觀察小磁針的轉動來推測通電直導線周圍存在磁場，通過觀察花粉微粒的無規(guī)則運動來推測液體分子的無規(guī)則運動，通過觀察α粒子散射現象來推測原子核的結構，通過分析氫原子光譜來了解原子的能級結構。

書的受力情況

書對桌面的壓力與桌面對書的支持力

四、注重物理知識在生產生活實踐中的應用

新課標提出，通過問題解決促進物理學科核心素養(yǎng)的達成。強調應把物理課程中形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決生產生活中的問題，在解決問題中進一步提高探究能力、增強實踐意識、養(yǎng)成科學態(tài)度，促進物理學科核心素養(yǎng)的形成。新粵教版物理必修1在編寫過程中非常注重物理知識在生產生活實踐中的應用，從正文到章節(jié)練習都給予了高度重視。例如，重力部分介紹了重力方向豎直向下的具體應用，其中包括利用重垂線檢查所砌墻是否豎直，以及在農業(yè)生產中拋秧栽禾的應用。彈力的應用更是廣泛，如工農業(yè)生產、日常生活和體育活動中的彈力應用；還有彈簧彈性的應用，如緩沖裝置、自動復位、安全閥裝置等。摩擦力的應用與防止也有所涉及。在現實生活中，力的分解有著廣泛的應用，教材舉了幾個實例。牛頓第一定律也涉及廣泛的應用和防止，教材不僅提出在哪些地方應用慣性和要防止慣性，還重點描述了如何應用和防止慣性。習題部分也滲透了大量與日常生活、生產實際相結合的習題。

粵教版《普通高中教科書物理》體現了新課程標準的內容要求變化，著力從發(fā)展學生物理核心素養(yǎng)的角度編寫，希望教師和學生重視教材，明白編寫者的意圖，圍繞教材的內容幫助學生對文字、圖像、表格等內容進行解讀。通過最基本的物理事實、著名科學家的故事、經典物理實驗的作用與地位，以及物理學史上的重大發(fā)現，滲透最基本的物理思想和研究問題的方法。在教學實踐中，根據具體的教學實際充分挖掘教材內容，創(chuàng)造性地開發(fā)出適合自己學生學習的內容。