基于核心素養(yǎng)的中英主流高中物理教材對(duì)比研究
——以“動(dòng)量及其守恒定律”為例

許鈺彬 肖子鑫 朱廣天

（華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院，上海 200062）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出，高中物理課程以“立德樹人”為根本任務(wù)，強(qiáng)調(diào)高中物理課程要從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面提煉學(xué)科的育人價(jià)值，體現(xiàn)物理學(xué)科對(duì)提升學(xué)生核心素養(yǎng)的作用，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ).［1］教材作為學(xué)科的主要知識(shí)載體，在課程中占有重要地位，通過(guò)對(duì)中外教材進(jìn)行對(duì)比與反思，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以有效地促進(jìn)我國(guó)學(xué)科和課程的發(fā)展.本研究以《動(dòng)量及其守恒定律》一章為例，對(duì)中、英兩國(guó)主流高中物理教材進(jìn)行對(duì)比研究.通過(guò)分析兩版教材知識(shí)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、實(shí)驗(yàn)的編排以及習(xí)題的對(duì)比，從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角進(jìn)行差異化研究，找到兩國(guó)教材在動(dòng)量章節(jié)的優(yōu)勢(shì)和不足，為一線教師對(duì)教材的解讀及授課提供參考思路，以促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展.

1 兩套教材簡(jiǎn)介

本文采用的中英兩套主流教材分別是：我國(guó)人民教育出版社編寫的《普通高中教科書：物理》和英國(guó)的《Cambridge International AS and A Level Physics Coursebook》，教材信息見表1.后文中簡(jiǎn)稱“中國(guó)教材”與“英國(guó)教材”.

表1 兩套高中物理教材信息

兩套教材分別是兩國(guó)目前使用范圍較廣的最新版本教材，動(dòng)量部分的知識(shí)在兩本教材中都以一章多節(jié)的形式體現(xiàn).從目錄來(lái)看，兩本教材中的知識(shí)呈現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)編排存在一定差異，下文中將展開對(duì)比.

2 基于核心素養(yǎng)的中英教材編排比較

2.1 知識(shí)呈現(xiàn)方式比較

我國(guó)教材在講解“動(dòng)量及其守恒定律”這一章節(jié)時(shí)，先給出兩球碰撞的示例，提出尋找碰撞過(guò)程中的不變量，從而引入動(dòng)量的概念.接著研究了碰撞過(guò)程中單個(gè)物體的受力與動(dòng)量變化的關(guān)系，與學(xué)生之前學(xué)過(guò)的牛頓第二定律相結(jié)合，講解了動(dòng)量定理并提出沖量概念.最后研究碰撞過(guò)程中兩個(gè)物體在相互作用過(guò)程中動(dòng)量的改變，分別對(duì)兩個(gè)物體列動(dòng)量定理，從而推導(dǎo)出動(dòng)量守恒定律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該定律.學(xué)生接受了動(dòng)量守恒定律之后，最后講解動(dòng)量守恒定律的運(yùn)用：碰撞模型（包括彈性碰撞、非彈性碰撞、完全非彈性碰撞）、爆炸反沖模型等.具體呈現(xiàn)方式如圖1所示.

圖1 中國(guó)教材動(dòng)量部分知識(shí)呈現(xiàn)圖

在英國(guó)教材中，“動(dòng)量及其守恒定律”一章由“碰撞”引入并貫穿始終.章節(jié)初始由“如何提升汽車在碰撞過(guò)程中的安全系數(shù)”這一非常實(shí)用性的問(wèn)題作為導(dǎo)入，引發(fā)學(xué)生思考.緊接著書中給了各種各樣的碰撞示例，有微觀世界的粒子間的碰撞、有宏觀世界物體的碰撞、也有宇宙界天體的碰撞等.將碰撞分成兩大類：一類是碰撞之后二者分開的“彈性碰撞（SpringyCollisions）”；另外一類是碰撞之后二者合二為一的“粘性碰撞（StickyCollisions）”.在這里，英國(guó)教材直接了當(dāng)?shù)亟o出了動(dòng)量的概念，不同于我國(guó)教材中所謂的“碰撞過(guò)程中的不變量”，英國(guó)教材中指出“速度、質(zhì)量是兩個(gè)在碰撞過(guò)程中的重要的物理量，二者組合起來(lái)即為動(dòng)量”.并指出，在孤立系統(tǒng)中，動(dòng)量是守恒的，即提出動(dòng)量守恒定律.接著繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生深入地理解碰撞模型，將之前比較容易理解的口語(yǔ)化的“有彈性的碰撞”和“有粘性的碰撞”更正為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)術(shù)語(yǔ)，即“彈性碰撞（Aperfectlyelasticcollision）”和“非彈性碰撞（Aninelasticcollision）”，并說(shuō)明兩類碰撞模型的動(dòng)量和能量的特點(diǎn)，隨后解決一些生活中的碰撞問(wèn)題（應(yīng)用）.學(xué)生完全理解碰撞模型之后，英國(guó)教材又講解了動(dòng)量守恒在其他模型中的運(yùn)用，以“爆炸模型”和“重物-地球系統(tǒng)”為例，說(shuō)明無(wú)論是爆炸過(guò)程，還是重物在地球表面下落的過(guò)程，系統(tǒng)的動(dòng)量都是守恒的，即動(dòng)量守恒定律成立的范圍是非常廣泛的.英國(guó)教材還補(bǔ)充了二維碰撞過(guò)程，回顧了矢量的運(yùn)算法則.最后一部分內(nèi)容是討論動(dòng)量與牛頓運(yùn)動(dòng)定律的聯(lián)系，通過(guò)學(xué)生已有的關(guān)于牛頓運(yùn)動(dòng)定律的理解，進(jìn)一步理解動(dòng)量的意義.具體呈現(xiàn)方式如圖2所示.

圖2 英國(guó)教材動(dòng)量部分知識(shí)呈現(xiàn)圖

從知識(shí)呈現(xiàn)的方式來(lái)看，我國(guó)教材對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)推理能力要求更高，邏輯性更強(qiáng)，章節(jié)之間的聯(lián)系也更加緊密.強(qiáng)調(diào)用建模的方法，將復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為清晰的物理模型，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.而英國(guó)教材則更注重物理知識(shí)與生活的聯(lián)系，舉例更加生活化，符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀點(diǎn).根據(jù)學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)，設(shè)立腳手架，幫助學(xué)生意義構(gòu)建新知識(shí).由學(xué)生熟悉且感興趣的情景入手，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，體會(huì)知識(shí)誕生過(guò)程，更加注重學(xué)科知識(shí)的生活意義.［2］

兩國(guó)教材對(duì)知識(shí)的呈現(xiàn)方式不同，各有優(yōu)劣，在確?？茖W(xué)性的前提情況下，可以有不同的授課思路，這符合隨機(jī)通達(dá)教學(xué)的原理.教師在具體授課的過(guò)程中，保持嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性的同時(shí)，還是應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，創(chuàng)建有意義的情景，積極引導(dǎo)學(xué)生形成正確的物理觀念，并鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)已有的物理知識(shí)來(lái)解釋生活現(xiàn)象.比如：在英國(guó)教材中，將“汽車安全系數(shù)”作為問(wèn)題導(dǎo)入動(dòng)量課程，而學(xué)習(xí)完碰撞模型后，又解釋了“汽車的碰撞緩沖區(qū)”來(lái)回答開始時(shí)的問(wèn)題，構(gòu)成閉環(huán).增強(qiáng)物理與生活的聯(lián)系，不僅增加學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，也有利于促進(jìn)發(fā)展學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感.

2.2 實(shí)驗(yàn)編排比較

在我國(guó)教材中，有專門的一小節(jié)為實(shí)驗(yàn)課程：驗(yàn)證“動(dòng)量守恒定律”.該小節(jié)給出兩種實(shí)驗(yàn)參考方案，一種是研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒；另外一種是研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒（如圖3、4所示）.兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案都需要學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模崂韺?shí)驗(yàn)思路，進(jìn)行物理量的測(cè)量，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果.整個(gè)過(guò)程都對(duì)學(xué)生有嚴(yán)謹(jǐn)而專業(yè)的要求.這樣專門的實(shí)驗(yàn)章節(jié)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于引導(dǎo)學(xué)生做中學(xué)，體會(huì)科學(xué)探究的內(nèi)涵，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).［3］

圖3 研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒

圖4 研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒

英國(guó)教材沒有專門的實(shí)驗(yàn)章節(jié)，而是在講解碰撞模型時(shí)，給出彈性碰撞和非彈性碰撞的兩個(gè)示例，由學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行計(jì)算，探究彈性碰撞和非彈性碰撞中動(dòng)量、動(dòng)能滿足的特點(diǎn).英國(guó)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)如圖5所示：給出兩個(gè)質(zhì)量相等的小車和碰撞前后兩車的速度，由學(xué)生自己計(jì)算兩車碰撞前后系統(tǒng)的總動(dòng)量，發(fā)現(xiàn)碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量守恒.這樣的基于真實(shí)情景的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生更容易接受和理解，但是忽視了學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng).

圖5 英國(guó)教材中驗(yàn)證動(dòng)量守恒的實(shí)驗(yàn)

2.3 習(xí)題比較

習(xí)題作為教材的重要組成部分，在考察知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，更重要的是把物理學(xué)科屬性體現(xiàn)出來(lái)，突出教育的個(gè)體屬性和社會(huì)屬性.［4］通過(guò)研究中、英兩國(guó)主流教材的習(xí)題數(shù)量、類型、情景設(shè)置等因素的差異，分析習(xí)題設(shè)置對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)提升的促進(jìn)作用.具體統(tǒng)計(jì)情況如表2所示，題量包括正文中的例題及課后習(xí)題，若一道題目中涉及多個(gè)小問(wèn)題，則統(tǒng)計(jì)為多題；多個(gè)小問(wèn)題中若有的為計(jì)算題，有的為簡(jiǎn)答題，則分別歸于計(jì)算類型、簡(jiǎn)答類型的統(tǒng)計(jì)之中.

表2 中英教材題量及題型對(duì)比

由表2中的數(shù)據(jù)可知，中、英兩國(guó)教材的習(xí)題總量基本沒有差異，計(jì)算題、圖像分析題數(shù)量也基本一致.中國(guó)教材較英國(guó)教材獨(dú)有的實(shí)驗(yàn)探究題是出現(xiàn)在“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”的實(shí)驗(yàn)專題章節(jié)的.這樣的設(shè)置是為了更好地培養(yǎng)和檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的形成.一線教師在授課的過(guò)程中一定要重視實(shí)驗(yàn)，重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.簡(jiǎn)答題大多是運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)，解釋生活中的現(xiàn)象和規(guī)律，我國(guó)教材就物理與實(shí)際生活的關(guān)聯(lián)類習(xí)題也設(shè)置的較為充實(shí).一線教師在授課過(guò)程中，也應(yīng)當(dāng)關(guān)注學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解釋自然現(xiàn)象的能力培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生形成正確而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢碛^念.表3為中國(guó)教材中具有明顯實(shí)驗(yàn)特征習(xí)題的舉例.

表3 中國(guó)教材中“實(shí)驗(yàn)特征”習(xí)題舉例

創(chuàng)設(shè)情景有利于促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度.［5］所謂的創(chuàng)設(shè)情景題是指以真實(shí)存在的事物、現(xiàn)象為背景，歸納物理模型，用物理方法解釋生活現(xiàn)象的題型.無(wú)論是我國(guó)教材還是英國(guó)教材，創(chuàng)設(shè)情景題的占比都很高，如表4所示：英國(guó)教材創(chuàng)設(shè)情景題較習(xí)題總量占比為60.6%；中國(guó)教材為50.7%.在教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)情景能讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究和思維加工，保證物理概念和規(guī)律的內(nèi)化，形成學(xué)科的思想.［6］對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我國(guó)教材設(shè)計(jì)的情景更加生動(dòng)，很多情景配有插圖，為學(xué)生帶來(lái)更直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn).表5中為中英兩國(guó)教材情景類習(xí)題對(duì)比.

表4 中英教材創(chuàng)設(shè)情景題占比分析

表5 中英教材創(chuàng)設(shè)情景題目對(duì)比

3 結(jié)論與啟示

分析兩國(guó)教材《動(dòng)量及其守恒定律》的知識(shí)呈現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)編排以及習(xí)題設(shè)置.我們發(fā)現(xiàn)：在知識(shí)呈現(xiàn)上，我國(guó)教材更具邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，而英國(guó)教材更注重物理與生活的聯(lián)系，使學(xué)生更容易接受新知識(shí)，從生活情境中建立物理觀念.在實(shí)驗(yàn)編排上，我國(guó)教材設(shè)置的專門的實(shí)驗(yàn)章節(jié)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.在習(xí)題設(shè)置上，兩國(guó)教材都非常重視情景創(chuàng)設(shè)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)情景促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度.

通過(guò)中、英兩國(guó)教材的比較研究，反思兩國(guó)教材的優(yōu)勢(shì)與不足，繼承發(fā)展我國(guó)教材嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性的同時(shí)，也要積極借鑒英國(guó)教材“生活中的物理”教學(xué).將教科書作為引導(dǎo)，充分發(fā)揮教師的個(gè)人智慧，創(chuàng)設(shè)適合學(xué)生的生活情境，讓課程清晰且活潑，以更好地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展.