中美教材滲透物理觀念的比較分析 ①
——以“靜電場”為例

張綺夢 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)。[1]物理觀念包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等，是物理核心素養(yǎng)的重要方面。

教材作為教師教和學(xué)生學(xué)的重要資源，是物理觀念教學(xué)的重要載體。本文選取的研究樣本為我國的新粵教版、新人教版高中物理教材和美國教材《Physics: Principles and problems》，對“靜電場”部分的內(nèi)容進(jìn)行比較，分析各種教材中物理觀念的呈現(xiàn)情況。

2 中美教材“靜電場”部分物理觀念的比較分析

“靜電場”開啟了高中階段電學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，起到承接力學(xué)、開啟電磁學(xué)的重要作用，對于學(xué)生物理觀念的培養(yǎng)具有重要意義。為比較分析三種教材呈現(xiàn)物理觀念的策略，筆者在查閱“物理觀念”的相關(guān)文獻(xiàn)后，[2-4]制定靜電場部分的教材分析表(表1)，基于操作性定義對相關(guān)教材內(nèi)容進(jìn)行比較分析。

表1

2.1 物質(zhì)觀念

物質(zhì)觀念是重要的物理觀念，從形成不連續(xù)物質(zhì)觀念到逐漸發(fā)展為連續(xù)物質(zhì)觀念，再到更高層次的統(tǒng)一，反映了人類物質(zhì)觀念的不斷完善。[5]高二學(xué)生已經(jīng)初步具備從宏觀和微觀視角去分析事物的能力，但對于看不見、摸不著的場還需要進(jìn)一步提升認(rèn)識水平，且大部分學(xué)生對這部分知識存在畏懼心理。

三種教材均在正文部分突出靜電場的“物質(zhì)性”和“客觀存在”的性質(zhì)，但引入方式略有不同。新粵教版教材先回顧相隔一定距離的兩電荷間存在相互作用力，進(jìn)一步指明這種相互作用力與接觸力的作用不同，引發(fā)學(xué)生思考電荷間發(fā)生作用的機(jī)制，在此基礎(chǔ)上引出靜電場的概念，指明場具有物質(zhì)性。新人教版教材針對起電機(jī)使人的頭發(fā)豎直散開的現(xiàn)象設(shè)問，結(jié)合“法拉第提出電荷周圍存在電場”的物理史料，交待電場看不見、摸不著的特性，接著運用圖示法分析電荷之間通過電場發(fā)生相互作用(圖1)。美國教材在“LAUNCH Lab”欄目中提出問題：“兩個帶電物體如何發(fā)生相互作用？”將兩只氣球在衣服上摩擦使之帶電，用細(xì)線把氣球懸掛在墻上，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，接著在正文開頭部分引導(dǎo)學(xué)生回顧前面學(xué)習(xí)的萬有引力，將靜電力與萬有引力進(jìn)行類比，并啟發(fā)學(xué)生思考：“一個力是如何在看起來空虛的空間產(chǎn)生作用的？”并詳細(xì)地介紹了法拉第關(guān)于場的思考，即力具有物質(zhì)性，電荷在電場中受到力的作用，那么電場也具有物質(zhì)性，這是邏輯推理的結(jié)果。[3]

圖1

美國教材利用演示實驗引發(fā)學(xué)生對場的思考，對法拉第提出場的物理史實的敘述更完整，引導(dǎo)性更強(qiáng)，并且在該章開頭部分就將電場與引力場相類比，突出類比方法。新粵教版和新人教版教材在正文對電場概念的引導(dǎo)略顯蒼白，但新粵教版教材能從學(xué)生熟悉的生活情境出發(fā)，激發(fā)認(rèn)知沖突，通過問題暴露部分學(xué)生中存在的超距作用迷思概念；新人教版教材則利用插圖化抽象為具體，說明場的作用機(jī)制及其客觀存在的特性。

2.2 相互作用觀念

物體之間的相互作用力包括強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。電荷間的相互作用是學(xué)生在高中階段首次接觸到的電磁相互作用，通過庫侖定律分析點電荷間的相互作用，會進(jìn)一步豐富學(xué)生對物體間相互作用的認(rèn)識。

三種教材編寫“庫侖定律”的邏輯思路和側(cè)重點各不相同。新粵教版教材從建立點電荷的理想模型入手，重視實驗，從定性到定量，探究點電荷間相互作用的規(guī)律，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程。新人教版教材在“問題”欄目中設(shè)計了演示實驗，引發(fā)學(xué)生思考影響電荷之間作用力的因素，融入物理學(xué)史，先介紹庫侖定律，并在正文部分詳細(xì)介紹庫侖實驗，引導(dǎo)學(xué)生在思維上經(jīng)歷探究過程。美國教材利用帶電橡膠棒，設(shè)計對比實驗，定性探究靜電力與電荷量及其距離之間的關(guān)系，接著詳細(xì)介紹庫侖實驗的原理，最后聯(lián)系生產(chǎn)實踐，介紹靜電除塵的應(yīng)用。

新粵教版教材在此部分中注重滲透模型思想，重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成。新人教版和美國教材在“庫侖定律”教學(xué)框架上較為相近，融合物理學(xué)史，促進(jìn)學(xué)生相互作用觀念的形成。此外，新人教版教材還以批注的形式顯化類比方法，強(qiáng)調(diào)類比方法在庫侖定律發(fā)現(xiàn)中的重要作用。

2.3 運動觀念

通過機(jī)械運動的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步掌握了描述物體運動的方法，為學(xué)習(xí)帶電粒子在電場中的運動奠定了基礎(chǔ)。然而學(xué)生在面對力學(xué)和電學(xué)的綜合運動情境時，常常會出現(xiàn)思維障礙。

新粵教版和新人教版教材都將“帶電粒子在電場中的運動”設(shè)立為一節(jié)，注重聯(lián)系科技發(fā)展與生產(chǎn)生活應(yīng)用，從帶電粒子在電場中的加速再到偏轉(zhuǎn)，搭建合理的難度臺階。新粵教版教材通過對加速器和示波器等的介紹，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識帶電粒子在電場中運動的實際應(yīng)用。在“觀察與思考”欄目，采用陰極射線實驗，直觀呈現(xiàn)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)軌跡。在“資料活頁”介紹密立根油滴實驗，體會密立根的實驗方法的精妙之處，加深學(xué)生對帶電油滴在勻強(qiáng)電場中運動的認(rèn)識。新人教版教材從學(xué)習(xí)方法層面提出解決帶電粒子相關(guān)問題的思考切入點，正文部分側(cè)重于例題的解析，使學(xué)生在解決問題中形成運動觀念。美國教材沒有將“帶電粒子在電場中的運動”單設(shè)為一節(jié)，而是在“電場的應(yīng)用”中介紹了密立根油滴實驗，融入物理學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生分析帶電油滴在勻強(qiáng)電場中的運動情況，掌握油滴所帶電荷量的測量方法。

從比較可知，新粵教版和新人教版教材能從學(xué)生認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，設(shè)置合理的知識難度梯度，從培養(yǎng)學(xué)生運動觀念出發(fā)，選取教材素材。新粵教版教材還利用直觀的實驗現(xiàn)象化抽象為具體，提供充足的素材幫助學(xué)生形成運動觀念，而美國教材在這一部分中滲透運動觀念的文本素材較為薄弱。

2.4 能量觀念

能量觀念包含五個基本觀點：能量本質(zhì)觀、能量形式觀、能量轉(zhuǎn)化觀、能量耗散觀和能量守恒觀。[6]建構(gòu)相關(guān)物理概念和規(guī)律是學(xué)生形成能量觀念的基礎(chǔ)，電勢能呈現(xiàn)了能量形式觀；電荷在靜電力作用下運動中的能量轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)化觀和守恒觀，電容的充放電過程涵蓋了能量轉(zhuǎn)化觀，通過靜電場章節(jié)的學(xué)習(xí)將加深學(xué)生對能量觀念的理解。下面以“電勢能”為例進(jìn)行分析。

“電勢能”對于初學(xué)的學(xué)生較為抽象，三種教材都運用類比法幫助學(xué)生突破思維上的認(rèn)知障礙。新粵教版教材引出電勢能的概念后，還說明了引力場與重力場的區(qū)別。新人教版教材則以批注顯化研究能量的方法，即通過電場力做功來研究電勢能。美國教材充分利用插圖提供直觀形象的素材，如圖2所示，教材強(qiáng)調(diào)物體所受的引力指向地球，選取正、負(fù)電荷作為研究對象，構(gòu)成相互吸引的系統(tǒng)，將負(fù)電荷產(chǎn)生的靜電場與地球產(chǎn)生的引力場相類比。物體克服重力做功，重力勢能增加，正電荷克服靜電力做功也將使其電勢能增加，進(jìn)一步類比重力勢能引出電勢能。

圖2

類比是一種重要的推理方法，類比的結(jié)論具有或然性。新粵教版教材運用類比方法時能關(guān)注兩個類比對象的區(qū)別，使學(xué)生更好地形成正確的能量觀念。美國教材關(guān)注兩個類比對象的屬性及其類比方法的內(nèi)在機(jī)理，借助圖像模型進(jìn)一步豐富學(xué)生對能量觀念的認(rèn)知。

3 教材使用建議

3.1 注重知識架構(gòu)，搭建物理觀念形成的腳手架

教師在使用教材重組知識時，要重視知識的邏輯性，以實驗探究推進(jìn)，融入物理學(xué)史，在知識的學(xué)習(xí)過程中滲透物理觀念。物理知識是核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，如果拋開知識，空談物理觀念，那么觀念將成為空中樓閣?！捌ぁ?物理知識)之不存，“毛”(物理觀念)將焉附。[7]從學(xué)生的認(rèn)知特點和知識水平出發(fā)，設(shè)計演示實驗或探究實驗，顯化物理學(xué)史中蘊含的科學(xué)思想，提供實驗證據(jù)是物理觀念形成的基礎(chǔ)。

3.2 重視思維方法教育，提供物理觀念發(fā)展的實踐指導(dǎo)

教師要挖掘教材知識背后的思維方法和物理觀念，運用話語策略將知識與物理觀念進(jìn)行有效連結(jié)。知識的獲取與物理觀念的形成離不開思維方法，沒有思維方法的參與，學(xué)生將無法將學(xué)科知識結(jié)構(gòu)內(nèi)化為自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。[8]教科書通常以批注呈現(xiàn)方法，而正文部分的思維方法則較為隱性。在教學(xué)中，教師可以采取話語策略“顯化”思維方法，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷比較、抽象、分析、概括等思維加工過程，形成物理觀念。

3.3 關(guān)注學(xué)生形成物理觀念的認(rèn)知特點，強(qiáng)化物理觀念轉(zhuǎn)化的意識

教師要關(guān)注學(xué)生物理觀念形成的影響因素，篩選教材中引入部分與實例應(yīng)用部分的素材，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容重組。若不及時糾正錯誤的前概念，將造成知識與應(yīng)用的脫節(jié)，更無法形成正確的物理觀念。從整合教材的角度出發(fā)，選擇與生活實際聯(lián)系緊密或是能引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的事例，轉(zhuǎn)變學(xué)生的原有錯誤觀念，并在應(yīng)用中強(qiáng)化物理觀念。

4 結(jié)語

新粵教版、新人教版和美國高中物理教材在“靜電場”部分，關(guān)于物理觀念的滲透策略各有優(yōu)勢。教師要有整合教材的意識，關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知特點，注重知識架構(gòu)，重視思維方法教育，促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念。