人教版高中物理新舊教材邏輯對(duì)比分析
——以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例

□居 津 侯 芳

（1.江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇蘇州 215011；2.蘇州科技大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009）

“自由落體運(yùn)動(dòng)”經(jīng)常被作為優(yōu)質(zhì)課的比賽或教研活動(dòng)探討的課題.在人教版普通高中教科書《物理》（以下簡(jiǎn)稱“新教材”）和普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》（以下簡(jiǎn)稱“舊教材”）中，這一節(jié)相比于其他章節(jié)，改動(dòng)較大.本文主要從教材邏輯方面進(jìn)行對(duì)比分析.

一、新舊教材對(duì)比分析

課程標(biāo)準(zhǔn)是教材編寫的重要依據(jù)，教材的編寫在遵循課程標(biāo)準(zhǔn)精神的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行有邏輯性、創(chuàng)造性的內(nèi)容選擇與重組.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中明確了“自由落體運(yùn)動(dòng)”的學(xué)習(xí)內(nèi)容[1]（如表1）.從內(nèi)容要求表述中可以發(fā)現(xiàn)，自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的習(xí)得離不開物理學(xué)史的研究.以下將對(duì)新舊教材落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)做詳細(xì)對(duì)比分析.

表1 “自由落體運(yùn)動(dòng)”內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)

（一）體例結(jié)構(gòu)對(duì)比

新舊教材編寫體例大致相同，均包括：主要內(nèi)容、演示、實(shí)驗(yàn)、做一做、STSE和問(wèn)題與練習(xí).但新教材在節(jié)首設(shè)置了“問(wèn)題”，通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的主動(dòng)思考，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)及提出問(wèn)題的能力.同時(shí)，新教材在這一節(jié)還設(shè)置了“科學(xué)漫步”，用以介紹伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，介紹關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的重要史實(shí)，以開闊學(xué)生的視野.

（二）學(xué)科邏輯對(duì)比

知識(shí)的構(gòu)成要素包括符號(hào)表征和邏輯形式.符號(hào)表征是人類對(duì)于世界的認(rèn)識(shí)成果，任何知識(shí)都是以特定的符號(hào)作為表征的，屬于外顯的知識(shí)體系；邏輯形式則是人認(rèn)知世界的方式，是知識(shí)建構(gòu)的邏輯過(guò)程和人認(rèn)識(shí)知識(shí)的邏輯思維過(guò)程，屬于內(nèi)隱的知識(shí)體系.不同的學(xué)科有各自的知識(shí)特色，知識(shí)體系的建構(gòu)過(guò)程也有各自不同的規(guī)律.不僅如此，即使是同一學(xué)科，對(duì)于不同的知識(shí)，構(gòu)建的過(guò)程也不盡相同，這就是教材的知識(shí)體系邏輯，也就是學(xué)科邏輯.

舊教材將“自由落體運(yùn)動(dòng)”知識(shí)設(shè)置為兩節(jié).前一節(jié)為“自由落體運(yùn)動(dòng)”，教學(xué)內(nèi)容如圖1 所示.后一節(jié)為“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”，教學(xué)內(nèi)容如圖2所示.

圖2 “伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)內(nèi)容

新教材將舊教材的兩節(jié)內(nèi)容歸并為一節(jié)，將物理學(xué)史作為選學(xué)內(nèi)容放置于“科學(xué)漫步”之中，其教學(xué)內(nèi)容如圖3所示.

圖3 新教材“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)內(nèi)容

舊教材的學(xué)科邏輯是將自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律與物理學(xué)史分為兩節(jié)進(jìn)行教學(xué)，人為地割裂了對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，造成在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中學(xué)生不能真正體會(huì)到勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究方法，對(duì)伽利略的科學(xué)思想方法也只是浮于表面的了解.這不利于學(xué)生物理觀念的形成和科學(xué)探究能力的培養(yǎng).新教材調(diào)整了教材的編排，將生活真實(shí)情境與物理學(xué)史的發(fā)展歷程和科學(xué)家的研究過(guò)程相結(jié)合，并融入教學(xué)過(guò)程.這相對(duì)于舊教材更符合該內(nèi)容知識(shí)體系的構(gòu)建過(guò)程，有利于學(xué)生在前概念的基礎(chǔ)上更好地接受新知識(shí)、找尋新規(guī)律.

（三）認(rèn)知邏輯對(duì)比

認(rèn)知邏輯建立在學(xué)生習(xí)得新知識(shí)的心理適應(yīng)性基礎(chǔ)上.按人類認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的基本順序，一般規(guī)律的認(rèn)知應(yīng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從熟悉到陌生，從具體到抽象.學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程主要包括兩個(gè)方面即思考和體驗(yàn).任何知識(shí)或規(guī)律的認(rèn)知要經(jīng)歷從理解到應(yīng)用的過(guò)程，這就是認(rèn)知的邏輯.教材的編寫只有更符合學(xué)生的認(rèn)知，才能使學(xué)生在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行新知識(shí)的建構(gòu)、理解和應(yīng)用.

首先，從自由落體運(yùn)動(dòng)的主要知識(shí)內(nèi)容看.舊教材先提出一個(gè)“不同物體，下落快慢是否相同呢？”的問(wèn)題，接著給出了牛頓管的演示實(shí)驗(yàn)，然后定義了自由落體運(yùn)動(dòng)，并用一句話“許許多多事實(shí)表明，自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0 的勻加速直線運(yùn)動(dòng)”的物理規(guī)律.整個(gè)認(rèn)知過(guò)程并未建立在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上.對(duì)于落體運(yùn)動(dòng)中“阻力影響因素”的得到顯得非常突兀，屬于知識(shí)的告知，而非學(xué)生的感悟與習(xí)得.新教材先提出了“結(jié)合實(shí)驗(yàn)及生活中的經(jīng)驗(yàn)，討論：什么因素影響物體下落的快慢？”的問(wèn)題，讓學(xué)生有所思考，并給出了歷史上關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)的爭(zhēng)論，進(jìn)而提出阻力的影響，再給出牛頓管實(shí)驗(yàn)，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，即在知識(shí)習(xí)得的過(guò)程中，鋪設(shè)層層臺(tái)階，從學(xué)生已知和熟悉的現(xiàn)象說(shuō)起，形成有意義的學(xué)習(xí).

其次，從教材的文字表述看.舊教材的文字說(shuō)明較少，且陳述較多，設(shè)置的思考問(wèn)題較少.新教材文字說(shuō)明較多，且在每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)均設(shè)置了相關(guān)問(wèn)題要求學(xué)生思考，更體現(xiàn)出了學(xué)生的主體性.

再次，從插圖的使用看.舊教材的牛頓管實(shí)驗(yàn)只是使用簡(jiǎn)短的文字表述，并未闡明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論，學(xué)生要從這些簡(jiǎn)短的文字表述中尋找規(guī)律有一定的難度.新教材將牛頓管內(nèi)有空氣和真空兩種情況下的羽毛和鐵片下落情況做成對(duì)比圖（如圖4），更具有可視性和真實(shí)性，讓學(xué)生有了更可靠的視覺(jué)體驗(yàn)，更容易找到物體下落的影響因素，同時(shí)也給沒(méi)有條件做實(shí)驗(yàn)的學(xué)校提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[2].

圖4 牛頓管實(shí)驗(yàn)照片

最后，從實(shí)驗(yàn)安排看.物理學(xué)科的學(xué)習(xí)離不開實(shí)驗(yàn).兩版本教材都安排了牛頓管演示實(shí)驗(yàn)和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器學(xué)生實(shí)驗(yàn).新教材添加了選做實(shí)驗(yàn)：用手機(jī)測(cè)自由落體加速度.當(dāng)代社會(huì)，手機(jī)已成為必不可少的通信工具，但現(xiàn)代化的手機(jī)在功能上并非僅限于通信.如今，手機(jī)還可以幫助學(xué)生去進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí).教材在這里設(shè)置用手機(jī)測(cè)定重力加速度的實(shí)驗(yàn)更顯得生活化，對(duì)學(xué)生而言具有一定的趣味性和探索性.學(xué)生在學(xué)習(xí)完這節(jié)內(nèi)容后可以立即按照教材內(nèi)容用手機(jī)進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)，這在讓學(xué)生體驗(yàn)用手機(jī)測(cè)定重力加速度的同時(shí)，還可以大大激發(fā)學(xué)生探究規(guī)律的興趣，同時(shí)潛移默化地提高學(xué)生動(dòng)手操作的能力和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力.

（四）教學(xué)邏輯對(duì)比

教學(xué)邏輯一般包含“教的邏輯”和“學(xué)的邏輯”，此部分主要討論“教的邏輯”，主要對(duì)比分析教材的可教性.從教材欄目的設(shè)置，我們可以看出“教的邏輯”.新教材最大的改動(dòng)就在于課前設(shè)置情境問(wèn)題導(dǎo)入，從學(xué)生熟悉的真實(shí)情境展開主要內(nèi)容.新教材更注重知識(shí)的體系化，以“自由落體運(yùn)動(dòng)”這節(jié)內(nèi)容為例，正文與各個(gè)欄目配合合理，圖文匹配度高，給教師預(yù)留的空間較舊教材更多，教師的教學(xué)更具主動(dòng)性和創(chuàng)造性.

二、“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)邏輯的實(shí)踐

物理是一門邏輯性很強(qiáng)的學(xué)科，這樣的學(xué)科更要講究教學(xué)邏輯.一個(gè)好的教學(xué)邏輯可以通過(guò)情境設(shè)置將知識(shí)的學(xué)科邏輯和學(xué)生的認(rèn)知邏輯有機(jī)地結(jié)合在一起[2]（如圖5）.這種情境設(shè)置可以是概念的由來(lái)、規(guī)律的建立過(guò)程、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案改進(jìn)等等.

圖5 三大邏輯之間的關(guān)系

無(wú)論是概念課、規(guī)律課、實(shí)驗(yàn)課或者復(fù)習(xí)課，都要把握好這個(gè)教學(xué)邏輯.一個(gè)好的教學(xué)邏輯，必須要有一個(gè)好的邏輯起點(diǎn).不同的物理課型，邏輯起點(diǎn)也各不相同.以“自由落體運(yùn)動(dòng)”這節(jié)規(guī)律課為例，筆者定位的邏輯起點(diǎn)為“為什么要研究落體運(yùn)動(dòng)”.整節(jié)課的教學(xué)邏輯線索如圖6所示.

圖6 “自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)邏輯線索

具體教學(xué)流程大致如下：

（一）新課引入（闡釋為什么要研究落體運(yùn)動(dòng)）

1.教師打翻桌上的杯子.

2.舉例生活中的常見(jiàn)落體運(yùn)動(dòng).

（學(xué)生觀察，回憶生活中的相關(guān)細(xì)節(jié).）

3.教師講述伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的評(píng)價(jià).

（1）它是“自然界實(shí)際發(fā)生的具有加速度的”現(xiàn)象.

（2）“以對(duì)任何人都常見(jiàn)的、明顯的方式發(fā)生的”現(xiàn)象.

（3）沒(méi)有比總是以同一方式重復(fù)它更簡(jiǎn)單了.

教師總結(jié)：從物理學(xué)史角度來(lái)說(shuō)，人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)的最早研究就是對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究.

【設(shè)計(jì)意圖】體現(xiàn)出落體運(yùn)動(dòng)在生活中的常見(jiàn)性，凸顯落體運(yùn)動(dòng)在加速運(yùn)動(dòng)中的常見(jiàn)性、典型性、可重復(fù)性，從而體現(xiàn)物理研究的方法與思想.

（二）教學(xué)過(guò)程

第一部分：以亞里士多德對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，引出空氣阻力對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的影響

教師介紹亞里士多德在《物理學(xué)》中的觀點(diǎn)——重物下落比輕物要快，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該觀點(diǎn)進(jìn)行討論.課堂實(shí)驗(yàn)展示紙團(tuán)和紙片下落過(guò)程.

（學(xué)生活動(dòng)：1.觀察實(shí)驗(yàn)；2.上臺(tái)操作，將紙片揉成紙團(tuán)后與鐵球同時(shí)下落.）

提問(wèn)：在不改變物體質(zhì)量的情況下，有什么方法可以改變物體下落的快慢？

提問(wèn)：亞里士多德的觀點(diǎn)準(zhǔn)確嗎？他忽略了什么因素的影響？

（學(xué)生答：亞里士多德觀點(diǎn)的錯(cuò)誤，他忽略了空氣阻力的影響）

【設(shè)計(jì)意圖】從學(xué)生的前概念入手，培養(yǎng)學(xué)生將生活經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)中的能力.

第二部分：探究在沒(méi)有空氣阻力的情況下，落體運(yùn)動(dòng)的快慢和質(zhì)量的關(guān)系

引發(fā)思考：如果沒(méi)有空氣阻力的影響，落體運(yùn)動(dòng)的快慢與質(zhì)量有關(guān)嗎？

演示牛頓管實(shí)驗(yàn).

第一次：未抽氣，管內(nèi)空氣與大氣相通.鐵片和羽毛下落有明顯快慢差異.

第二次：抽氣20 秒，管內(nèi)氣體很稀薄.鐵片和羽毛下落快慢幾乎沒(méi)有差異.

播放事先制作的慢放視頻，以便更清楚地觀察.

提問(wèn)：沒(méi)有空氣阻力時(shí)，輕物、重物哪個(gè)下落地更快？

（學(xué)生回答：一樣快.）

【設(shè)計(jì)意圖】培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律的能力.通過(guò)逐步抽氣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和推理能力.

第三部分：建立自由落體理想運(yùn)動(dòng)模型，即定義自由落體運(yùn)動(dòng)（利用物理學(xué)史，分三部分闡釋怎樣研究自由落體運(yùn)動(dòng)并建立理想模型）

回顧歷史故事《斜塔上的實(shí)驗(yàn)》，提問(wèn)：伽利略的實(shí)驗(yàn)中是否沒(méi)有空氣阻力？

（學(xué)生答：有空氣阻力，空氣阻力遠(yuǎn)小于重力時(shí)可以忽略不計(jì).）

提問(wèn)：為什么實(shí)驗(yàn)結(jié)果和沒(méi)有空氣阻力時(shí)一樣呢？

引導(dǎo)：在現(xiàn)實(shí)空間中，絕對(duì)的真空不存在，但是為了得到科學(xué)的結(jié)論、規(guī)律，我們要進(jìn)行必要的理想化、簡(jiǎn)化.落體運(yùn)動(dòng)的理想狀態(tài)——沒(méi)有空氣阻力（只受重力），由靜止釋放.這個(gè)理想運(yùn)動(dòng)模型我們叫作自由落體運(yùn)動(dòng).

（學(xué)生傾聽、思考理想模型在物理中的地位.）

總結(jié)：自由落體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：1.初速度為零；2.只受重力.

【設(shè)計(jì)意圖】體現(xiàn)物理探究應(yīng)抓住主要因素、忽略次要因素的思想，凸顯物理模型在科學(xué)探究中的重要性.

第四部分：探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

讓學(xué)生猜想自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.

提問(wèn)：勻加速直線運(yùn)動(dòng)具有怎樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？

（學(xué)生羅列勻加速直線運(yùn)動(dòng)的公式.）

提問(wèn)：我們?cè)谘芯孔杂陕潴w運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，哪些物理量比較方便、可以直接測(cè)量？

（學(xué)生回答：位移、時(shí)間關(guān)系.）

引導(dǎo)學(xué)生選擇：①1∶3∶5∶7∶9；②位移和時(shí)間成正比.

提問(wèn)：測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中有哪些困難？

（學(xué)生答：下落太快，時(shí)間難以測(cè)量.）

展示1593年時(shí)人們研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)的油畫——斜面實(shí)驗(yàn)，指出自由落體相當(dāng)于物體在90°“斜面”上的運(yùn)動(dòng).教師與學(xué)生共同完成斜面實(shí)驗(yàn).

（找5位學(xué)生參與斜面實(shí)驗(yàn).）

【設(shè)計(jì)意圖】再現(xiàn)伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.讓學(xué)生體驗(yàn)伽利略理想實(shí)驗(yàn)，體會(huì)如何進(jìn)行合理外推，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力.

第五部分：重力加速度

引導(dǎo)：使用不同物體進(jìn)行的反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，在同一地點(diǎn)，一切物體自由下落的加速度都相同，這個(gè)加速度叫作自由落體加速度，也叫作重力加速度，通常用g 表示.重力加速度方向豎直向下.展示各地重力加速度，讓學(xué)生總結(jié)g維度表格規(guī)律.

總結(jié)：重力加速度g=9.8m/s2或10m/s2；高精度的重力加速度屬于國(guó)家機(jī)密.

【設(shè)計(jì)意圖】培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力，并通過(guò)認(rèn)識(shí)重力加速度的重要性培養(yǎng)學(xué)生維護(hù)國(guó)家安全的意識(shí)，提升學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感.

第六部分：歸納應(yīng)用自由落體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律（整個(gè)教學(xué)帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷從生活到探究再到實(shí)踐的認(rèn)知過(guò)程，更符合學(xué)科邏輯、認(rèn)知邏輯和教學(xué)邏輯）

得出自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律：

提醒學(xué)生公式適用于從靜止開始，不適用于自由落體中間片段.

安排課后活動(dòng)：根據(jù)本節(jié)課所學(xué)制作反應(yīng)尺（學(xué)生課后完成制作）.

【設(shè)計(jì)意圖】培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力，運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

新教材的編寫廣泛采用了與生產(chǎn)、生活和科技相關(guān)問(wèn)題相聯(lián)系的方法，將知識(shí)點(diǎn)融入真實(shí)情境中，因此整體把握新教材的邏輯編寫體例，設(shè)計(jì)符合學(xué)科邏輯、認(rèn)知邏輯和教學(xué)邏輯的教學(xué)十分必要.教學(xué)是一門藝術(shù).所謂教無(wú)定法，貴在得法，相信符合邏輯的教學(xué)必然會(huì)更符合物理學(xué)科的特點(diǎn)，更容易被學(xué)生接受，也更能將知識(shí)與能力有機(jī)地融為一體 .