中美物理教材的比较研究与启示——由牛顿三定律审视中美教材的差异

袁 博 张 磊

(山东师范大学物理与电子科学学院 山东济南 250014)

1 教材介绍

美国教材种类繁多,为使研究更具代表性,笔者选用由Principles and Problems等人编写的《Physics:PrinciplesandProblems》[1](2005年版)作为研究范本.这部物理教材在美国占有接近50%的选用率①.我国教材笔者选用人教版《物理·必修1》(2006年版)作为研究范本.对这两种教材部分章节进行了认真比较(表1).

表1 中美教材第四章知识展开顺序比较

2 由中美教材三个不同点出发依据学生认知规律分析教材展开顺序的合理性

教材展开顺序的合理性取决于三方面因素的协调,即物理知识的逻辑结构、物理知识发展的历史顺序以及学生的认知规律.从物理知识的逻辑结构上考察,我国教材的知识结构更系统,同时我国教材也更符合物理知识发展的历史顺序;但从学生认知规律的切合程度上讲美国教材则更优越.下面笔者从两国教材结构编排的三个不同点出发,以心理学学习理论为依据分析两国教材展开顺序的合理性.

2.1 中美教材中牛顿三定律所在章节知识的包容关系不同

由上表可见,美国教材将牛顿三定律的内容纳入到一维空间中的力这一章,并将一些力学知识穿插到牛顿三定律的各节中;我国教材则将牛顿三定律的内容单独开设一章,并在其前一章系统的讲解了为牛顿三定律学习做铺垫的基础知识.

奥苏泊尔将学习分为下位学习②、上位学习③、并列结合学习④,在这三种学习方式中下位学习最简单[3].所以在编写教材时为了降低学生理解的难度,最好先为学生呈现一个概括性较高的概念,然后逐步丰富这个概念的内容,使每一步学习都是丰富总括概念的下位学习.尽量避免在呈现总括概念之前先为学生讲解一些细碎的概括性较低的概念和规律,同时也要注意避免单纯的为了使教材中某一章节知识自成体系而把本应是上下位学习关系的内容硬性拆开,使下位知识不能归属到上位知识中学习,阻断知识的迁移.

力是一个包容性比较强的概念,在这一概念下有三条支柱性的定律即牛顿三定律.美国教材将牛顿三定律下设到力这一章,使得力学的基础知识能够通过牛顿三定律的学习顺理成章的联系到一起.如图1所示,“力的合成”、“接触力与场力”是牛顿第二定律学习的准备知识.“阻力与最终速度”、“平衡条件”、“绳和弦上的力”、“支持力”这些概括性水平较低的下位知识都能归属到与之相对应的上位知识中学习.美国教材的结构增加了下位学习的机会符合了学生的认知规律,降低了学生理解教材的难度.

图1

例如美国教材在牛顿第一定律之后安排了力的平衡条件这一内容.美国教材是这样讲解力的平衡条件的,“根据牛顿第一定律(如果作用在物体上的净力为零,原来静止的物体将保持静止,原来运动的物体将继续保持匀速直线运动),净力(合外力)是引起一个物体速度发生改变的原因.如果作用在一个物体上的净力为零这个物体就处于平衡状态.一个处于平衡状态的物体静止或做匀速直线运动.注意静止仅是匀速运动状态的特例,这时v=0.牛顿第一定律揭示出净力是改变平衡状态的原因.因此,如果没有净力作用在物体上,这个物体将不会发生速度大小和方向的改变,并且处于平衡状态.”[1]从这部分内容可以看出美国教材很重视知识的迁移.力的平衡条件中包含了两层含义:一为物体静止时处于平衡状态;二为物体做匀速直线运动时处于平衡状态.高中生在学习这部分内容时通常对做匀速直线运动的物体处于平衡状态的情况存在理解上的困难.这里美国教材通过将平衡条件的知识安排在牛顿第一定律之后学习,利用学生头脑中对牛顿第一定律的理解使学习发生正向迁移,使学生能够将平衡条件的新知识顺利纳入到已经形成的牛顿第一定律的图式之中.

如图2所示,我国教材将力学的基础知识集中到教材的第三章,其中包含重力、弹力、摩擦力、力的合成、力的分解,而牛顿运动定律的知识则自成一章.很显然这种编写方式割裂了知识本身的联系,阻碍了知识迁移的产生,使重力、弹力这些下位概念不能够归属于概括性较高的规律中学习,使知识的学习复杂化、反复化,增加了学习中不必要的困难.

图2

2.2 中美教材难度梯度不同

美国教材把力的讲解分成一维空间中的力和二维空间中的力;先在一维空间中讲解牛顿三定律的内容,再在第五章承接第四章的内容讲解牛顿运动定律在二维空间中的应用.我国教材则是直接从二维空间上讲解牛顿三定律,并且为本章打基础的前一章也是从二维空间上讲解.

牛顿三定律是力学中比较重要也是比较难理解的知识.美国教材从一维空间入手,既保证了知识体系的完整性又降低了学习的难度.在学生理解了牛顿三定律的精髓思想知识后,美国教材在“二维空间中的力”这一章中继续围绕牛顿三定律展开,并通过引入力的合成与分解问题增加牛顿三定律的应用难度.美国教材通过渐近的方法使教材的难度螺旋上升,并利用教材的组织方式有效的降低知识理解的难度.相比之下,我国教材的难度较大,是直接从二维空间展开,并且在牛顿三定律的相关例题、习题中多涉及到二维空间中力的合成与分解问题,使本身比较难理解的规律难上加难.

2.3 中美教材中牛顿三定律的展开顺序不同

由表1可见,美国教材的展开顺序是牛顿第二定律、牛顿第一定律、牛顿第三定律,而我国教材则是按照牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律的顺序展开.

牛顿三定律知识发展的历史顺序是牛顿第一定律、第二定律、第三定律,并且从知识的逻辑顺序上牛顿第一定律的得出为第二定律奠定了思想基础.美国教材设计这部分内容的顺序时牺牲了知识本身的逻辑结构和知识发展的历史顺序,将牛顿第二定律放在牛顿第一定律之前,而这样做的目的无疑是为了符合学生的认知规律降低学生理解教材的难度.

从难易程度上讲,牛顿第二定律比第一定律更容易理解,因为牛顿第二定律所揭示的规律与生活中的现象相符,而牛顿第一定律揭示出的规律与生活中的现象相悖.学生学习第一定律时要克服头脑中科学前概念与科学知识之间的认知冲突;科学前概念在头脑中已经形成的图式会阻碍新图式的生成,使新知识的学习变得更为困难.美国教材将牛顿第二定律放在牛顿第一定律之前符合了由易到难的认知规律,同时牛顿第二定律的学习能够帮助学生理解牛顿第一定律.我国教材在编写上则是按照知识的逻辑结构和历史发展顺序展开,这种组织方式能够为学生提供完整的知识体系与物理学史线索,但增加了教材的难度.

3 总结与启示

学生的认知规律与物理知识的逻辑顺序、历史发展顺序在教材编写过程中有时是一对矛盾,教材编写者向哪一方面倾斜主要依赖于他本人的价值取向.由上文对中美教材的比较研究可以看出美国教材高度重视学生的认知规律,而我国教材则更侧重于物理知识的内在逻辑结构.正是由于这两种不同的价值取向导致了两国教材结构上存在较大差异,并最终导致在传递相同知识内容的前提下两国教材难度差异悬殊.

美国教材这一章知识展开顺序的学习理论依据可以总结成以下三点:

(1)教材的展开顺序是首先呈现概括性、包容性较强的概念,然后将包容在此概念中的下位知识按照其包容性和概括性的程度逐层分化,形成立体的层次结构,增多下位学习的机会,使知识能够发生正向迁移从而减少机械学习.

(2)用螺旋上升的方式逐步加深教材的深度,即先用简化的方式提取出规律的精髓思想,然后将这一规律逐步应用到复杂水平上.

(3)以学生的原有知识经验为新知识的生长点,避重就轻地编写教材.

毋庸置疑,美国教材成功的利用了以上三点学习理论使教材的展开顺序更符合学生的认知规律,从而降低了教材的难度.

人教版新教材在改版过程中为了降低教材难度,删除了旧教材中偏难的知识,并整合了科学方法、物理文化、现代科技以丰富教材内容,因此自改版以来受到广大中学师生的好评;但在教学实践过程中发现仍有一部分学生觉得教材的内容难于理解.以人为本是编写教材的基本准则,所以学生的呼声不能不考虑,但教材的改革不能以牺牲有价值的难点知识内容为代价来满足部分学困生的学习需要.如何既不删减教学内容又能有效降低教材难度是当下教材改革急于解决的问题.教材的难度主要取决于两方面因素的影响:一为教材中所涵盖的知识内容本身的难度;二为教材中知识组织方式的合理性,即教材展开顺序是否有利于学生理解教材.我国教材在以往的改革中主要以删减难点知识或是将必修内容变为选修内容的方式来降低教材难度,但这种方式都在不同种程度上减少了学生学习的知识内容,尤其不利于学有余力的学生发展.美国教材则是通过将学生的认知规律更多地考虑到教材编写中,通过优化教材的展开顺序来降低教材难度.这种方式不仅有效的降低了教材难度,同时也使美国教材中添加一些我国在大学阶段才涉及到的知识内容成为可能.我国教材同样可以借鉴这种方式实现在不删减难点知识的条件下,利用教材本身的结构优势降低教材难度,使之更符合学生的认知规律,从根本上解决降低教材难度的问题.

注:①美国的物理课程分为“常规一年级的物理课程”、“文科物理课程”、“荣誉生物理课程”、“高级物理课程 B”、“高级物理课程C”这五种类型的课程,其中“常规一年级的物理课程”、“文科物理课程”、“荣誉生物理课程”都有选择《Physics :Principles and Problems》这本书作为物理教材,但选用率不同.这里“接近50%的选用率”是指“常规一年级物理课程”的选用率.

②认知结构中原有的有关观念在包容和概括的水平上高于新学习的知识,新知识归属于旧知识得到理解.

③在原有概念的基础上学习包容程度更高的概念.

④新命题既不能与认知结构中特有的观念构成下位关系,又不能构成上位关系,而对它们的学习能够引起联合的意义.

1 Paul W.Zitzewitz. Physics : Principles and Problems.McGraw -Hill Companies, 2005:86 ～ 117

2 普通高级中学教科书物理第一册.北京:人民教育出版社,2006.67～85

3 张承芬.教育心理学.济南:山东教育出版社,2007.132～136

4 乔际平,邢红军.物理教育心理学.南宁:广西教育出版社,2002.55～91

5 郭玉英.物理比较教育.南宁:广西教育出版社,2006.75～136

6 张延凯.新课程设计的变革.北京:人民教育出版社,2003.222～278

7 丁朝蓬.新课程评价的理念与方法.北京:人民教育出版社,2003.92～117