基于STEAM教育的“牛頓第二定律”中美教材的對(duì)比

邱 婕，張谷令，鄒 斌

中央民族大學(xué)理學(xué)院，北京 100081

“STEAM”是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）5門學(xué)科英文名稱首字母的縮寫。STEAM教育提倡使用多學(xué)科融合的思維和知識(shí)解決生活中的實(shí)際問題。

“牛頓第二定律”是物理學(xué)中動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)兩大部分的“紐帶”與“連接”，也是高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，具有重要意義。本節(jié)內(nèi)容很好地融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)各部分內(nèi)容，十分適合進(jìn)行STEAM教育的滲透。我們選擇人民教育出版社出版的2019年版高中物理必修一教材（以下簡(jiǎn)稱“人教版教材”）與美國高中物理教材《物理：原理與問題》（第二版）（以下簡(jiǎn)稱“美版教材”）進(jìn)行對(duì)比研究，旨在為本節(jié)課STEAM課程的展開提供參考。

1 課標(biāo)對(duì)比

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中要求，通過實(shí)驗(yàn)探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系。學(xué)生需要理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律，能用該定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)問題；通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)失重、超重等物理現(xiàn)象；能根據(jù)牛頓第二定律設(shè)計(jì)一種可以顯示加速度大小的裝置。課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生需要自主設(shè)計(jì)加速度測(cè)量裝置，體現(xiàn)了STEAM教育中技術(shù)與工程的融合。

美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standard）（以下簡(jiǎn)稱“NGSS”）中描述的學(xué)生需要達(dá)到的預(yù)期表現(xiàn)為：分析數(shù)據(jù)，支持觀點(diǎn)“牛頓第二定律描述了一個(gè)宏觀物體所受的凈力、物體質(zhì)量與加速度的數(shù)學(xué)關(guān)系”。NGSS中對(duì)科學(xué)與工程實(shí)踐方面的要求為：用工具、技術(shù)和模型（如計(jì)算模型、數(shù)學(xué)模型）分析數(shù)據(jù)，從而得出有效和可靠的科學(xué)觀點(diǎn)或一個(gè)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。不難發(fā)現(xiàn)，NGSS中要求學(xué)生不僅需要理解牛頓第二定律的數(shù)學(xué)關(guān)系，還需要自行利用工具和模型優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，這體現(xiàn)了STEAM教育理念的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等方面的融合，并且強(qiáng)調(diào)了科學(xué)與工程實(shí)踐方面的結(jié)合。

2 教材章節(jié)安排

人教版教材：本節(jié)內(nèi)容是必修一第四章的第三節(jié)，在牛頓第一定律之后。人教版教材將牛頓第二定律安排在必修一第四章，學(xué)生在前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)學(xué)和相互作用的相關(guān)知識(shí)，形成相關(guān)的物理觀念，具備建立物理模型的思維能力，為牛頓第二定律的學(xué)習(xí)作準(zhǔn)備。

美版教材：相關(guān)內(nèi)容位于第四章第一節(jié)“力和運(yùn)動(dòng)”。美版教材將牛頓第二定律安排在運(yùn)動(dòng)學(xué)之后，以分析加速度和力的探究實(shí)驗(yàn)展開。在這之前，教材解釋了力、合力、接觸力、凈力等相關(guān)概念，并且簡(jiǎn)單介紹了一維合力的合成方法。

從兩版教材的章節(jié)安排可以看出，牛頓第二定律均位于運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)之后，學(xué)生在具有一定的力學(xué)知識(shí)后，可以更好地理解力與加速度之間的關(guān)系。人教版教材將相互作用設(shè)置為第三章，與牛頓運(yùn)動(dòng)定律分割開來，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的連貫性有一定的影響。美版教材將力學(xué)與牛頓運(yùn)動(dòng)定律安排為一個(gè)章節(jié)，較有利于知識(shí)點(diǎn)的呈現(xiàn)，但難度相較于人教版教材有所降低。

3 教材對(duì)比

3.1 引入部分

美版教材：先介紹力與合力的概念，讓學(xué)生對(duì)矢量以及力的合成與分解有一定的認(rèn)識(shí)，再由實(shí)驗(yàn)引入。采用實(shí)驗(yàn)方法引入，首先用恒力拉動(dòng)小車，繪制v-t圖，再改變力的大小并重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同的v-t圖。通過分析圖像和數(shù)學(xué)思維得出加速度與力成正比關(guān)系。

對(duì)比分析：人教版教材由實(shí)驗(yàn)引入，邏輯嚴(yán)密，符合建構(gòu)主義中學(xué)生形成新知識(shí)的思維過程。美版教材由力學(xué)基本概念引入，為介紹牛頓第二定律的相關(guān)內(nèi)容作準(zhǔn)備。

3.2 知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)順序

兩版教材中“牛頓第二定律”知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)示意圖如圖1所示。

圖1 中美教材中“牛頓第二定律”知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)示意圖

對(duì)比分析：圖1左側(cè)為人教版教材的知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)順序，右側(cè)為美版教材的知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)順序。相同點(diǎn)為都從探究實(shí)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)STEAM教育中“科學(xué)—技術(shù)”結(jié)合方面有一定滲透，并且比例系數(shù)值的確定都由力的單位進(jìn)行推導(dǎo)。通過函數(shù)圖像，推導(dǎo)出牛頓第二定律的表達(dá)式，體現(xiàn)了數(shù)形結(jié)合的思想，融入了STEAM教育中“科學(xué)—數(shù)學(xué)”的結(jié)合。不同點(diǎn)為人教版教材中力學(xué)相關(guān)概念在本章并沒有涉及，但在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上更為嚴(yán)謹(jǐn)，增加了科學(xué)探究部分，在一定程度上體現(xiàn)了“科學(xué)—工程”的融合；美版教材加入了力學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，為牛頓第二定律的學(xué)習(xí)作鋪墊。

3.3 重點(diǎn)突破

教學(xué)重點(diǎn)：牛頓第二定律表達(dá)式F=ma的推導(dǎo)。

圖2 人教版教材對(duì)F=ma的推導(dǎo)思路

圖3 美版教材對(duì)F=ma的推導(dǎo)思路

對(duì)比分析：兩版教材都是通過擬合函數(shù)圖像的分析，得到物體加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系，在數(shù)形結(jié)合方面有所涉及，推導(dǎo)過程都符合學(xué)生的邏輯思維，體現(xiàn)了STEAM教育理念中“科學(xué)—數(shù)學(xué)”結(jié)合的思想。教材的編寫重視學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，重視數(shù)學(xué)與物理跨學(xué)科銜接，避免出現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)的盲點(diǎn)。但兩版教材推導(dǎo)方式略有不同。人教版教材推導(dǎo)過程由比例式得到函數(shù)表達(dá)式，再通過力學(xué)單位制確定比例系數(shù)，推導(dǎo)過程邏輯呈直線型。美版教材由兩次不同的實(shí)驗(yàn)得到兩個(gè)函數(shù)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行總結(jié)分析，解釋斜率，得到牛頓第二定律的表達(dá)式，推導(dǎo)過程邏輯呈并列型。

3.4 插圖對(duì)比

物理概念普遍比較抽象，學(xué)生理解上存在一定困難，一些趣味性的插圖可以起到很好的輔助教學(xué)的作用。

人教版教材：設(shè)置了9幅圖，其中實(shí)物照片2幅，物理模型6幅，函數(shù)圖像1幅。從物理模型圖可以分析出物體的受力情況。實(shí)物照片為賽車照片與太空測(cè)量質(zhì)量照片，讓學(xué)生對(duì)牛頓第二定律的應(yīng)用有直觀的感受。

美版教材：設(shè)置了10幅圖，其中實(shí)物照片2幅，物理模型5幅，函數(shù)圖像3幅。實(shí)物照片為實(shí)驗(yàn)過程照片，讓學(xué)生有關(guān)于實(shí)驗(yàn)的直觀感受，便于模仿實(shí)驗(yàn)。物理模型圖主要展示受力分析圖，幫助學(xué)生了解力的相關(guān)概念。

對(duì)比分析：人教版教材設(shè)置了較為詳細(xì)的物理模型圖，包括受力分析圖。美版教材多為卡通圖畫，具有趣味性，在教學(xué)過程中可以提供輔助作用。兩版教材在插圖設(shè)置上都豐富有趣，都涉及到生活中的實(shí)際情境，體現(xiàn)STEAM教育中“科學(xué)—技術(shù)”相融合的理念，也為學(xué)生在生活中解決實(shí)際問題設(shè)計(jì)方案提供了方法，這表現(xiàn)出“科學(xué)—工程”融合的思想。

3.5 例題、習(xí)題對(duì)比

（1）例題方面

人教版教材：教材中例題以汽車制動(dòng)和啟動(dòng)問題為例，計(jì)算汽車制動(dòng)時(shí)的阻力與以恒定牽引力啟動(dòng)時(shí)的加速度，涉及到牛頓第二定律的使用。第二道例題為小球在加速的列車中有一固定的偏角，已知偏角的角度為θ，通過對(duì)小球受力分析，運(yùn)用牛頓第二定律計(jì)算列車的加速度問題。例題設(shè)置針對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，與實(shí)際生活有一定關(guān)系。例題的解題過程對(duì)受力分析有一定涉及，幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用。

美版教材：例題為兩人從不同的方向用大小不同的力拉枕頭，計(jì)算枕頭的加速度問題。例題設(shè)置較為簡(jiǎn)單，運(yùn)用力的合成與牛頓第二定律進(jìn)行解題，與所學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合。

（2）習(xí)題方面

兩版教材習(xí)題比較如表1所示。

表1 中美教材習(xí)題的比較

人教版教材：課后習(xí)題設(shè)置了6道題，題量較小，基本都以生活情境為基礎(chǔ)，內(nèi)容涉及力的合成與分解、運(yùn)動(dòng)學(xué)，題目類型包括分析題和計(jì)算題。例如第1題為分析類習(xí)題，幫助學(xué)生理解牛頓第二定律的運(yùn)用過程需要求解合力。第2至第6題都為計(jì)算類習(xí)題，包括已知物體受力求解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與已知物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)求解物體受力兩類，能很好地幫助學(xué)生運(yùn)用牛頓第二定律解決實(shí)際問題，符合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。

美版教材：“練一練”設(shè)置了11道題，其中包括作受力分析圖、求凈力、牛頓第二定律的使用等方面。增加了較多的作圖題，可以培養(yǎng)學(xué)生建立物理模型的能力。牛頓第二定律的使用包含已知物體受力情況求解物體加速度和已知物體加速度求解物體受力情況兩類題目。題目結(jié)合生活情境，難度較小。

3.6 注釋部分對(duì)比

注釋指的是教材側(cè)邊空白處設(shè)置的小段文字，注釋通常是對(duì)正文部分解釋或者補(bǔ)充，可以很好地輔助教師的教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)。分析發(fā)現(xiàn)，人教版教材與美版教材均設(shè)置了注釋部分。

人教版教材：總共設(shè)置了三處注釋，前兩處位于第一小節(jié)“牛頓第二定律的表達(dá)式”部分，第三處位于第二小節(jié)“力的單位”部分。第一處注釋對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)偏差的處理進(jìn)行了解釋，體現(xiàn)了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度；第二處注釋強(qiáng)調(diào)物體所受力為合力，輔助學(xué)生理解牛頓第二定律；第三處注釋對(duì)力的單位進(jìn)行解釋，填補(bǔ)學(xué)生在初中時(shí)對(duì)力的單位概念的空缺。從教材分析中發(fā)現(xiàn)，我國教材大多重視的是對(duì)科學(xué)知識(shí)的呈現(xiàn)，正文部分用大量篇幅介紹知識(shí)內(nèi)容以及應(yīng)用方式，對(duì)于科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生和認(rèn)識(shí)過程、科學(xué)對(duì)社會(huì)的影響僅在非正文部分有所顯現(xiàn)。三處注釋都對(duì)教材中正文部分進(jìn)行補(bǔ)充說明，讓知識(shí)的呈現(xiàn)更加豐富。

美版教材：總共設(shè)置了一處注釋，說明了一些常見力的大小。注釋部分列出了日常生活中常見的力的大小，讓學(xué)生對(duì)力的單位與大小有了感性的認(rèn)識(shí)。力的概念在教材中是首次出現(xiàn)，注釋部分中的力的大小可以很好地將抽象的概念與日常生活的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，有助于學(xué)生的理解。

對(duì)比分析：人教版教材注釋的數(shù)量多于美版教材，注釋的文字更加通俗易懂。人教版教材在注釋中體現(xiàn)出物理學(xué)科嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，豐富了教材的內(nèi)容。美版教材中的注釋輔助學(xué)生將抽象的力的大小與實(shí)際生活中的感性認(rèn)識(shí)結(jié)合起來。兩版教材的注釋都能夠幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)，能夠輔助培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)際情境解決問題的能力，符合STEAM教育的理念。

4 對(duì)STEAM教育的體現(xiàn)

表2對(duì)中美教材在STEAM教育方面的體現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，兩版教材在各方面都存在不同程度的差異。在Science（科學(xué)）方面，美版教材增加了力的相關(guān)概念。在Technology（技術(shù)）的呈現(xiàn)上，兩版教材都涉及到實(shí)驗(yàn)儀器的組裝與使用，但人教版教材使用的是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，美版教材使用的是彈簧測(cè)力計(jì)。在Engineering（工程）方面的呈現(xiàn)上，人教版教材選擇失重狀態(tài)下測(cè)質(zhì)量的實(shí)例，設(shè)計(jì)利用動(dòng)力學(xué)的方法測(cè)量質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)，美版教材并沒有明顯的體現(xiàn)。在Arts（藝術(shù)）上兩版教材都插入了生動(dòng)美觀的插圖，人教版教材還體現(xiàn)了人文科技思想。在Mathematics（數(shù)學(xué)）方面，兩版教材都融入了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及表達(dá)式的推導(dǎo)，美版教材利用了線性函數(shù)中斜率的意義解釋加速度，體現(xiàn)了數(shù)形結(jié)合的思想。總的來說，兩版教材都將STEAM教育的思想融入在教材當(dāng)中，符合學(xué)科融合的教育理念。

表2 中美教材在STEAM教育中的體現(xiàn)

5 各自的特點(diǎn)

人教版教材：多從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，逐步加深。知識(shí)點(diǎn)的講解邏輯嚴(yán)密，對(duì)前面學(xué)過的知識(shí)也有所涉及，符合學(xué)生對(duì)新知識(shí)的建構(gòu)邏輯，利于教師的教學(xué)。語言邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，理性客觀，注重科學(xué)性，善于建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型表征復(fù)雜的物理概念、物理規(guī)律等，注重?cái)?shù)學(xué)知識(shí)在物理中的應(yīng)用。習(xí)題的設(shè)置較少，教師需要利用課外輔導(dǎo)資料進(jìn)行補(bǔ)充。在實(shí)驗(yàn)操作方面，人教版教材借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)算小車加速度，實(shí)驗(yàn)過程科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。教材中對(duì)知識(shí)點(diǎn)的呈現(xiàn)從實(shí)際情境出發(fā)，教學(xué)過程中可以提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、收集證據(jù)、處理信息的相關(guān)能力，利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

美版教材：從基礎(chǔ)知識(shí)概念出發(fā)，知識(shí)點(diǎn)的講解較為淺顯，知識(shí)點(diǎn)較為發(fā)散，覆蓋面廣。將力、受力分析、力與運(yùn)動(dòng)等知識(shí)點(diǎn)融合為一節(jié)，教師可以系統(tǒng)地進(jìn)行教學(xué)，利于學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，與函數(shù)結(jié)合，訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力，體現(xiàn)“科學(xué)—數(shù)學(xué)”的結(jié)合。美版教材在實(shí)驗(yàn)操作方面采用直接用手拉的方式，難以保證恒力大小不變，不便于測(cè)量小車的速度，可能帶來較大誤差。

6 總結(jié)

通過對(duì)比研究，中美兩版教材在STEAM教育方面都有一定體現(xiàn)，但都重點(diǎn)表現(xiàn)在“科學(xué)—數(shù)學(xué)”結(jié)合方面。中美兩版教材在編寫時(shí)都有涉及實(shí)際情境，利于培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)際情境解決問題的能力，符合STEAM教育理念。強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)社會(huì)與學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)系，并最大限度地把掌握的知識(shí)和研究方法與實(shí)際生活和生產(chǎn)相聯(lián)系，體現(xiàn)物理學(xué)在社會(huì)進(jìn)步中的重要作用。如何在教材中滲透“工程設(shè)計(jì)”等方面，提升學(xué)生的自主探究能力，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)，還需要我們對(duì)資源進(jìn)行多方面整合，進(jìn)一步努力探索。