中美高中物理教材物理学史习题的分析与比较

2017-12-01侯新杰赵欢欢

物理教师 2017年11期

关键词：美版物理学人教版

侯新杰赵欢欢

(河南师范大学物理与材料科学学院,河南新乡 453007)

·国外教育·

中美高中物理教材物理学史习题的分析与比较

侯新杰赵欢欢

(河南师范大学物理与材料科学学院,河南新乡 453007)

本文对中美高中物理教材物理学史习题进行分析与比较.分析统计中美高中物理教材习题总数量、物理学史习题数量、物理学史习题类型、计算物理学史习题所占比例等;比较中美物理学史习题在数量、题型分布比重、题型分布结构和习题编制特点等方面的异同,为我国高中物理教材物理学史习题的编制提出改进建议.

高中物理教材;物理学史;文本分析;中美比较

将物理学史与物理教学相结合是改革传统物理教学的有益手段.《普通高中物理课程标准》(实验)从课程性质、内容标准、活动建议等多方面对物理学史内容提出了明确要求,[1]物理教科书的编写开始融入物理学史内容.

本研究以物理教材物理学史习题为研究对象,将人教版高中物理必修1、必修2、选修3系列[2](下文中简称人教版教材)与美版高中物理教材[3](下文中简称美版教材)课后物理学史习题进行对比,分析两版物理教材在物理学史习题方面的异同,希望从中有所启迪,为我国高中物理教材物理学史习题编制提供一些切实可行的建议.

1 研究方法及指标体系

“物理学史”:物理学史是人类研究客观自然界中各种物理现象的发展史.它研究物理学发生和发展的基本规律,研究物理学概念、物理学思想发展和变革的过程,研究物理学怎样不断开拓新领域,怎样产生新的飞跃,研究物理学各个分支怎样相互渗透,怎样综合或怎样分化.[4]

“物理学史习题”:将直接考察相关物理学史本身的习题或以物理学史为背景考察相关物理知识的习题.

本研究中“将直接考察相关物理学史本身的习题”称为“A”类习题;将“以物理学史为背景考察相关物理知识的习题”称为“B”类习题.

(1) 研究方法.

本文用文本分析法对中美高中物理教材物理学史习题进行定性与定量的比较研究.以物理学史习题类型为分析单位,每一类型物理学史习题记为一处.因为两版教材编排方式不同,在本研究统计的物理学史习题中,统计人教版教材每一小节的“课后习题”一个板块习题数量,统计美版教材的“本节复习题”、“测评”和“标准化测试”3个板块习题数量.本文对比分析中美高中物理教材物理学史习题在数量、题型分布比重、题型分布结构和习题编制特点等方面的异同.

(2) 指标体系建立.

文献[5]作者对中美高中物理教材科学史内容进行了定量统计与对比,其研究结论指出:人教版和美版高中物理教材科学史习题类型有: ① 用史料提供运用新知识解决问题的情境; ② 用与科学过程相关的史料,引导学生对科学研究、发现过程的思考; ③ 用史料引导学生对科学过程以及科学知识合理性的思考.文献[6]作者根据对化学史概念的界定,将化学史习题分为:直接考察化学史的习题(S1),以化学史为背景或铺垫,考察化学概念和技能(S2,1),以化学史为背景或铺垫,考察化学研究方法(S2,2),以化学史为背景或铺垫,考察化学情感和化学观念(S2,3).统计对比了中美高中化学教材化学史习题总数、化学史习题类型、每种类型相应的章节分布,计算了化学史习题占相应模块教材总习题数的百分比.在此基础上对比分析中美化学教材化学史习题数量和分布的异同,指出了人教版教材化学史习题存在的不足,并对人教版教材的化学史习题编写和研究提出了建议.

笔者借鉴文献[5]对物理学史习题分类的研究结论,结合文献[6]对化学史习题的分析框架,形成了本研究的框架和研究工具:根据物理学史习题功能将“A”类和“B”类物理学史习题细化(表1).

表1 物理学史习题分析类目表

注: 在本研究中A1、A2、A3、A4分别是对A类型习题的细化;B1、B2、B3、B4分别是对B类型习题的细化.

本研究主要对比统计中美高中物理教材课后习题的总数量、物理学史习题数量、物理学史习题类型、计算物理学史习题所占比例等.

根据相关核心概念界定和已建立的相应指标体系,研究者列出了人教版教材和美版教材A类型和B类型物理学史习题分布格局,统计了各个模块习题的数量并计算出相应比例(表2和表3).本研究中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分别为人教版教材必修1、必修2、选修3-1、3-2、3-3、3-4、3-5;Y1、Y2、Y3分别为美版教材上册、中册和下册.

表2 人教版教材物理学史习题统计

续表

注: 3A3的含义为3道A3类型的习题

表3 美版教材物理学史习题统计

2 研究结果

通过对中美物理教材习题总数量、物理学史习题数量、物理学史习题类型、物理学史习题所占比例等方面的分析与比较,得到了以下结论.

中美两版教材物理学史习题的相同点:

(1) 人教版教材和美版教材物理学史习题数量都比较匮乏;物理学史习题占总习题的比例均很低.

人教版教材的物理学史习题共为21道,美版教材的物理学史习题共为47道.人教版教材物理学史习题占总习题的比例为4.04%;美版教材为1.8%.两种版本教材物理学史习题的数量和比例均有待增加.图1、图2为两版教材各模块物理学史习题数量占总习题数量的比重.

图1 人教版教材各模块物理学史习题数量比重

图2 美版教材各模块物理学史习题数量比重

(2) 人教版教材和美版教材在题型分布比重上都缺乏合理性,习题类型分布不均衡.

比如:人教版教材对A3题型考察最多,为33.33%,对A1和B1的考察最少,为0%;美版教材对A2题型的考察最多,为34.78%,对B2题型的考察最少,为2.17%.图3、图4为两版教材物理学史题型分布比例.

图3 人教版教材物理学史习题题型分布比重

图4 美版教材物理学史习题题型分布比重

以上两点是两版教材在物理学史习题方面存在的共同问题,但两版教材存在的更多是差异性,主要有物理学史习题数量、分布结构、习题编制特点等.

中美两版教材物理学史习题的不同点.

(1) 美版教材的物理学史习题总数较多.从题型分布结构来看,美版教材更加注重多角度考察物理学史.

美版教材的物理学史习题总数为47道,显著高于人教版教材物理学史习题总数(21道),但由于美版教材课后习题总数很多,因此美版教材总物理学史习题占总习题的比例低于人教版.

人教版教材物理学史习题只涉及A2、A3、A4、B2、B3、B4 6种题型,并且在X1、X3中都没有设置物理学史习题;美版教材在Y1、Y2、Y3 3本教材中都设置有物理学史习题,涉及8种题型.

(2) 从模块分布结构来看,美版教材更加注重均衡合理.

美版教材中“科技写作”类型对物理学史的考察是教材的一大特色.有利于培养学生的哲学思想、语言表达能力和元认知能力.问题呈现侧重通过对物理学家工作的考察,使学生掌握物理原理.人教版教材只有一道写作性题目,美版教材17道.下面仅以两个特例来说明美版教材科技写作板块的考察特点.

例:Y1,第1章“物理学工具箱”:“研究和描述物理学史中的一个课题.解释关于此课题的观念是如何随着时间不断演变的.注意论述中要包括各个科学家的贡献,并从科学思想以及外界环境等方面评估这些贡献所产生的影响.”[3]题目紧扣“史学”,考察物理观念的发展、变革和飞越,从而理解物理学原理.让学生体会物理学发展中蕴含的哲学思想,认识真理的绝对性和相对性,以发展的眼光看待事物;以重要科学家的贡献,思想,实验过程和方法为考察重点,多角度的考察方式,既有广度,又有深度.体现了美国对物理学习的理念:学习物理学体系、学习物理学史体系、学习科学哲学体系.

(3) 从物理学史习题编制特点来看,两版教材存在很大的差异.

人教版教材物理学史习题考察目的比较单向化,问题设置具有宽泛性、发散性.美版教材物理学史习题考察目的比较多向化,问题设置具有引导性和层次性,题目之间具有较好的连通度.主要表现在以下两个方面:

① 人教版教材对物理学史的考察侧重以物理学史为背景,考察相关物理知识;美版教材侧重直接考察学生对科学家、对物理学历史上研究方法、研究过程的掌握情况.

比如，人教版教材,对爱因斯坦光电效应实验的考察只提到“光电效应实验”,考点仅聚焦到光电效应的实验结论,旨在检测学生对知识的掌握,考察目的比较单向化.美版教材,同样考察“光电效应”.但考察方式很有借鉴意义:让学生用自己的语言叙述爱因斯坦是怎样解释的.不仅锻炼了学生的语言表达能力,而且使学生经历了科学家思维发生、发展的过程,让学生的思维有了发生的起点,更达到了掌握知识的目的,使学生的全面发展有载体可寻.美版教材物理学史习题编排符合美版教材题目初衷——物理原理与问题:强调对物理原理的掌握,培养学生的问题解决能力,考察目的比较多向化.

② 人教版教材物理学史问题设置宽泛,有利于培养学生的自主学习能力;美版教材物理学史习题设置具有导向性,有利于引领学生的思维发展方向.

比如，人教版教材,X6,第12章“机械波”:在有搜索功能的网站键入“多普列”一词,查找多普列效应的应用,并写出一篇介绍文章,与全班同学交流.[2]对多普列效应的考察,没有给出具体的问题导向,问题设置宽泛,具有发散性,有利于培养学生的自主学习能力.

美版教材,对多普列效应的考察中,首先考察多普列效应在天文学上的应用,给出范围界定,具有引导性.然后提出3个小问题:在宇宙大爆炸中的作用、怎样探测行星、怎样研究银河系的运动.层次分明,步步设问,各个分问题之间具有较好的连通度,符合学生的认知发展规律,促进学生思维螺旋式发展.

3 研究建议

物理学史教育能够促进学生的学习兴趣,帮助学生理解物理原理,提高物理学核心素养.基于本研究结果,笔者给出以下建议,希望对我国高中物理教材物理学史习题编写有所帮助.

3.1 适当增加物理学史习题数量,合理分配物理学史习题题型比重

题目设置不仅要以物理学史为背景考察物理知识,也要适当增加对物理学史本身的考察,多角度考察物理学史,使考察目的多向化.在教材中增设类似“科技写作”类的物理学史板块,开拓学生的视野,促进显性化物理学史教育.[7]

比如我们可以增设这样一个习题:“研究并阐述伽利略对物理学的贡献”.学生要回答这个问题,通过查阅资料,会涉及伽利略的斜面实验,涉及伽利略为什么要研究自由落体?他是怎样思考的?伽利略到底有没有在比萨斜塔做过自由落体实验?对问题的深入研究不仅能强化学生头脑中对惯性定律的认识和理解,也能促进学生面对历史求真、求实的科学态度.

3.2 适当增加具有引导性、层次性和连通性的物理学史习题

习题设置起点要低,引导学生思考;多层设问要深化习题,加强学生对知识的理解;各个分问题之间要能够联系起来,促进学生形成物理学史框架体系,培养学生的物理学核心素养.比如美版教材对物理学史习题的设置:“迈克尔孙采用将一束光射到一面镜子上的办法来测量光束.这面镜子安放在35 km远处的山上.”

(A) 光抵达山上的镜面然后返回需多长时间?

(B) 假定迈克尔孙采用一个八面体旋镜,并假定从其中一个镜面上反射的光将射到另一座山上,然后被固定在这座山上的一面镜子反射回八面体旋镜处.如果调整旋镜的转速,使返回的光恰好被转过的下一个镜面反射.旋镜的转速应为多大?

这道题目的第1个分问题利用简单的运动学就能求出答案,考察直线运动的情况,起点比较低.第2个分问过渡到高中的重点内容——曲线运动,结合直线运动,考察曲线运动中的转速.第3个分问题直接考察曲线运动中的向心力,3个题目之间难度具有较好的层次性,对知识点的考察具有较好的联系性.

根据以上分析,现将X7第18章“氢原子光谱”中的一道习题进行改编:

原题:经典物理学在解释原子光谱时遇到了什么困难?[2]

改编后:1897年,汤姆逊在研究阴极射线时发现了电子的存在,促进了科学家对微观世界的研究.玻尔借鉴巴尔末对光谱的研究,引入“量子”的概念,修正了卢瑟福的“行星系统”模型,进而提出量子化原子模型,解决了原子结构稳定性问题,完美的解释了氢原子光谱的实验规律.

(A) 什么是线状谱?什么是连续谱?

(B) 经典电磁理论的预言对卢瑟福的“行星系统”模型提出了怎样的质疑?

(D) 玻尔的量子化思想虽然取得了很大的成功,但是为什么后来的历史学家们在评论玻尔的理论时,总是会用到“半经典半量子”之类的词语?表现在哪里?

改编后的习题更能结合学生的认知基础,起点低,能够引导学生的思考方向,进而达到解决问题的目的.