指向科學(xué)思維的高中物理教科書結(jié)構(gòu)研究

楊英愷　張曾棟

摘? ?要：教科書結(jié)構(gòu)對發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維具有重要作用。對人教版高中物理必修三“靜電場”主題的教科書結(jié)構(gòu)進行了深度剖析。研究發(fā)現(xiàn)：教科書中的內(nèi)容要素（物理知識、科學(xué)方法等）通過組織要素（節(jié)內(nèi)標題、插圖、欄目、例題等）來呈現(xiàn)，部分要素對在教學(xué)中發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維大有裨益。為了更好地運用教科書發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提出了教科書的使用建議：關(guān)注教科書中有關(guān)思維發(fā)展的要素，在教學(xué)中呈現(xiàn)思維訓(xùn)練環(huán)節(jié)；針對教科書不同章節(jié)的結(jié)構(gòu)，針對性調(diào)整科學(xué)思維教學(xué)思路；在教學(xué)中關(guān)注學(xué)生思維水平是否隨著知識水平的提高得到相應(yīng)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；高中物理；教科書結(jié)構(gòu)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）3-0018-5

《普通高中物理課程標準（2017年版）》頒布以后，新版高中物理教科書也隨之問世。在高中物理課程改革不斷推進的大背景下，如何高效運用新版教科書進行教學(xué)也成為一線教師關(guān)注的問題［1-2］。本文以人教版高中物理必修三“靜電場”主題為例，對教科書的結(jié)構(gòu)進行研究。在研究教科書結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，考慮如何高效運用新教科書于物理教學(xué)之中，從而更好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提出了教科書的使用建議，以期為一線教師教學(xué)提供借鑒與參考。

1? ? 教科書結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)科學(xué)中，結(jié)構(gòu)一詞通常指的是構(gòu)成系統(tǒng)的各要素間通過功能耦合而成的耦合網(wǎng)，亦可以理解為構(gòu)成系統(tǒng)的各要素及要素之間的關(guān)系［3］。從系統(tǒng)論的角度解讀，教科書可以看作是由要素構(gòu)成的整體，構(gòu)成教科書的各要素之間存在著一定的關(guān)系，而教科書的不同結(jié)構(gòu)決定了教科書的不同功能［4］。對物理教科書而言，不僅有章節(jié)標題、節(jié)內(nèi)標題、正文、欄目、插圖、例題、習題等組織要素，而且有物理知識、科學(xué)方法等內(nèi)容要素。其中，內(nèi)容要素是通過組織要素來呈現(xiàn)的，如圖1所示。因此，研究教科書的結(jié)構(gòu)，要先了解教科書中的組織要素及其之間的關(guān)系，然后透過組織要素的關(guān)系，明晰內(nèi)容要素是如何通過組織要素呈現(xiàn)的。在明確要素之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析教科書結(jié)構(gòu)背后蘊含的教學(xué)功能。

2? ? 人教版高中物理必修三“靜電場”主題結(jié)構(gòu)

“靜電場”主題是學(xué)生在高中電磁學(xué)學(xué)習中接觸到的第一個主題，其內(nèi)容多且難度大?？v觀整個主題，章與章、節(jié)與節(jié)間呈順承關(guān)系，凸顯該主題的教學(xué)邏輯。其中，每一節(jié)的節(jié)內(nèi)標題、插圖、欄目、例題的數(shù)量和排布情況均有不同，其組織要素統(tǒng)計如表1所示。在“靜電場”主題中，共有節(jié)內(nèi)標題26個，插圖52幅，欄目26個，例題6道，習題68道［5］。

在“靜電場”主題下的兩章內(nèi)，有一些節(jié)的教學(xué)內(nèi)容關(guān)系較為緊密，故可將一節(jié)或若干節(jié)規(guī)劃為一個小單元。單元作為章與節(jié)間的過渡，是連接宏觀層面教學(xué)設(shè)計與微觀層面教學(xué)設(shè)計的橋梁，在教科書結(jié)構(gòu)中具有重要作用。按照“主題—章—單元—節(jié)”的順序，整理“靜電場”主題結(jié)構(gòu)如圖2所示。分析其結(jié)構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)，從“靜電場及其應(yīng)用”到“靜電場中的能量”，對靜電場的研究從其力的性質(zhì)過渡到了能量的性質(zhì)。有部分單元橫跨了兩章，具有較為緊密的聯(lián)系。例如，“單元：描述電場力的性質(zhì)”“單元：描述電場能的性質(zhì)”和“單元：電場能的性質(zhì)與電場力的性質(zhì)的關(guān)系”。這三個小單元的知識聯(lián)系緊密、過渡連續(xù)，是對“靜電場”這一大概念認識不斷深入的過程。在知識發(fā)展的同時，亦伴隨著思維的進階。

3? ? 典型單元結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的科學(xué)思維

選取了“描述電場力的性質(zhì)”“描述電場能的性質(zhì)”和“電場能的性質(zhì)與電場力的性質(zhì)的關(guān)系”三個聯(lián)系緊密的小單元，對教科書結(jié)構(gòu)進行了深入剖析，提煉出對應(yīng)結(jié)構(gòu)下有助于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的要點，并以這三個小單元作為學(xué)生思維進階的“階點”，挖掘教科書結(jié)構(gòu)背后有助于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)功能。

3.1? ? “描述電場力的性質(zhì)”單元結(jié)構(gòu)

在“靜電場”主題中，學(xué)生學(xué)習庫侖定律之后，“電場 電場強度”一節(jié)首次闡明了電場的概念，并初步介紹了電場的有關(guān)性質(zhì)。雖然本單元只有“電場 電場強度”一節(jié)的內(nèi)容，但本節(jié)的核心概念“電場強度”可以描述電場力的性質(zhì)。因此，本節(jié)可單獨作為一個單元。

本單元包括5個節(jié)內(nèi)標題。其中，“電場”和“電場強度”兩個節(jié)內(nèi)標題包含本節(jié)的主要知識點，“電場”和“電場強度”這兩個概念也是本節(jié)的核心概念，是展開其他知識的基礎(chǔ)。從“電場”概念的認識運用了“分析方法”，到“電場強度”概念的建構(gòu)運用了“比值定義法”（方法顯性化），再到“電場線”運用了“類比方法”和“實驗方法”。不同欄目集中在此一節(jié)，不同科學(xué)方法在本單元的教學(xué)中接踵而至，也突出了本節(jié)對學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展具有的天然優(yōu)勢。此外，在“電場強度”概念的建構(gòu)過程中，出現(xiàn)了“試探電荷”“電場線”這兩個物理模型，可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習建模的方法，為培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的能力奠定基礎(chǔ)，圖3為本單元的結(jié)構(gòu)與對應(yīng)科學(xué)思維的關(guān)系。

3.2? ? “描述電場能的性質(zhì)”單元結(jié)構(gòu)

第十章“靜電場中的能量”第一節(jié)“電勢能和電勢”與第二節(jié)“電勢差”都是描述電場力做功、電勢能性質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容。因此，這兩節(jié)可以看作一個小單元，該單元的核心問題為“描述電場能的性質(zhì)”。

首先出現(xiàn)的“靜電力做功的特點”和“電勢能”這兩個節(jié)內(nèi)標題下的內(nèi)容，順應(yīng)必修二所學(xué)的重力做功的特點和重力勢能的有關(guān)內(nèi)容。而在此之后，在“電勢”這一節(jié)內(nèi)標題下給出的“電勢”這一概念，正是該單元描述電場能的性質(zhì)的核心物理量。電勢前承靜電力做功與電勢能的關(guān)系，后啟電勢差和等勢面的概念。在該單元中，“電勢”這一節(jié)內(nèi)標題也是連接這兩節(jié)內(nèi)容的關(guān)鍵。而在“電勢差”這一節(jié)，則完全延續(xù)了上一節(jié)中“電勢”這一概念的內(nèi)涵，對電場中兩點電勢之差的物理意義進行了分析，并介紹了電勢相等的點構(gòu)成的等勢面。從整體上看，本單元結(jié)構(gòu)呈順承關(guān)系，前后節(jié)內(nèi)標題的聯(lián)系可表示為單一的直線。

可以發(fā)現(xiàn)，本單元在概念的建構(gòu)過程中，用到了抽象與概括、類比的科學(xué)方法。其中，尤為注重類比方法。不管是電勢能、電勢、電勢差，還是等勢面，都可以類比前面學(xué)過的有關(guān)內(nèi)容，教科書也通過欄目和插圖給出了類比的參考案例。類比是進行科學(xué)推理的重要途徑，而本單元結(jié)構(gòu)所揭示的以類比為主線的教學(xué)脈絡(luò)對發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理能力具有至關(guān)重要的作用。單元結(jié)構(gòu)與對應(yīng)科學(xué)思維的關(guān)系如圖4所示。

3.3? ? “電場能的性質(zhì)與電場力的性質(zhì)的關(guān)系”單元結(jié)構(gòu)

在第十章的第三節(jié)“電勢差與電場強度的關(guān)系”中，明確將描述電場力的性質(zhì)的物理量（電場強度）和描述電場能的性質(zhì)的物理量（電勢）聯(lián)系在了一起。因此，該節(jié)也可以單獨為一個小單元，旨在闡述電場能的性質(zhì)與電場力的性質(zhì)的關(guān)系，亦是剛才兩個小單元內(nèi)容的進階。

“電勢差與電場強度的關(guān)系”是“靜電場”主題下唯一沒有節(jié)內(nèi)標題的節(jié)，該節(jié)只有直截了當?shù)恼牟糠趾腿齻€欄目、一道例題，更注重培養(yǎng)學(xué)生運用物理規(guī)律解決問題的能力。在例題前后的兩個“思考與討論”欄目中，通過巧妙的問題幫助學(xué)生完成對電場強度與電勢差關(guān)系的認識，體現(xiàn)了物理教學(xué)的“整體性”思想，亦是學(xué)生進行科學(xué)論證的絕好機會。而在特定情境下推導(dǎo)出E=u/d這一表達式，也體現(xiàn)了科學(xué)推理的過程，能夠借此機會培養(yǎng)學(xué)生的相關(guān)能力。雖然只有簡單的一節(jié)，但本單元卻是聯(lián)系前面兩個典型單元的重要紐帶，是學(xué)生思維進階的關(guān)鍵階點。本單元結(jié)構(gòu)與對應(yīng)科學(xué)思維的關(guān)系如圖5所示。

總的來說，這三個單元之間的知識呈明顯的遞進關(guān)系。與此同時，隨著知識的遞進，學(xué)生思維也存在與知識遞進對應(yīng)的進階階點，這三個單元對應(yīng)思維發(fā)展的關(guān)系如圖6所示。

4? ? 教科書的使用建議

教科書結(jié)構(gòu)明確了教科書中的不同要素對發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的不同功能，這些要素之間不是孤立的，而是相輔相成、共同發(fā)展的?？紤]到提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)目標與教科書結(jié)構(gòu)、教科書教學(xué)功能之間存在關(guān)聯(lián)，即教科書結(jié)構(gòu)決定教學(xué)功能，而發(fā)揮教科書的教學(xué)功能是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的重要途徑，具體關(guān)系如圖7所示。

在明晰了教科書結(jié)構(gòu)、教學(xué)功能與發(fā)展科學(xué)思維關(guān)系的基礎(chǔ)上，為更高效地運用教科書備課，高效使用教科書進行教學(xué)，提出以下教科書使用建議：

4.1? ? 凸顯教科書思維要素，設(shè)置思維進階教學(xué)環(huán)節(jié)

教師有必要研究教科書結(jié)構(gòu)，關(guān)注教科書中有關(guān)思維發(fā)展的要素及要素間的關(guān)系。在進行教學(xué)設(shè)計時，基于思維要素設(shè)置對應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，充分發(fā)掘教科書對發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的價值。相比知識的形成，思維的發(fā)展更注重學(xué)生學(xué)習過程的邏輯性。因此，建議以教科書思維要素間的關(guān)系為參考，將科學(xué)思維教學(xué)環(huán)節(jié)作為學(xué)生思維進階的階點，促使教學(xué)環(huán)節(jié)間的過渡更為流暢，為思維發(fā)展創(chuàng)造條件。

4.2? ? 基于教科書結(jié)構(gòu)特點，針對性發(fā)展學(xué)生思維

課程內(nèi)容中不同模塊的知識對科學(xué)思維的作用不盡相同，教科書在不同模塊的結(jié)構(gòu)亦有所差異。針對教科書呈現(xiàn)主題、章、單元的結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)針對性地調(diào)整科學(xué)思維教學(xué)思路。教師可以在深度鉆研教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以教科書結(jié)構(gòu)和知識特點為參考，在設(shè)計教學(xué)時針對性地調(diào)整發(fā)展科學(xué)思維的方法和策略，以促進學(xué)生在不同知識情境下思維水平的提升。

4.3? ? 確保知識學(xué)習與思維發(fā)展并駕齊驅(qū)，強化思維訓(xùn)練

隨著知識學(xué)習進程的逐漸深入，學(xué)生思考問題的深度和廣度都應(yīng)當?shù)玫郊訌?。換言之，學(xué)生的思維水平應(yīng)當與知識水平持平。如果思維水平跟不上，就會出現(xiàn)知識都理解了，但是不會解決問題的現(xiàn)象。教師應(yīng)當關(guān)注學(xué)生的思維水平是否隨著知識水平的提高而得到相應(yīng)的發(fā)展，如果發(fā)現(xiàn)有思維水平跟不上的學(xué)生，可以在教學(xué)中強化思維提升的專項訓(xùn)練，以確保知識學(xué)習和思維發(fā)展并駕齊驅(qū)。

參考文獻：

［1］張磊，周莉，尹悅．2019年與2004年版高中物理教科書科學(xué)探究活動設(shè)計比較研究［J］．教育理論與實踐，2022，42（14）：34-40．

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［4］侯前偉，張增田．基于功能—結(jié)構(gòu)分析的教科書通用評價框架建構(gòu)［J］．教育學(xué)報，2018，14（5）：37-46．

［5］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心．普通高中教科書物理必修第三冊［M］．北京：人民教育出版社，2020：2-48．

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2022-10-31

作者簡介：楊英愷（1996-），男，中學(xué)二級教師，研究方向為物理課程與教學(xué)論。