中美课标中能量部分的比较研究

张焕笛 苏玉成

(中央民族大学理学院,北京 100089)

课程标准是规定某一学科的课程性质、课程目标、内容目标、实施建议的教学指导性文件．2013年,美国颁布的《新一代科学教育标准》(The Next Generation Science Standards,NGSS,以下简称《新课标》)[1]重视教学内容、教学过程的的整合性,同时强调课程设置的连贯性、学科课程与实践的关联性以及教育目的的人本性,具有一定的科学性和先进性．郭玉英,姚建欣,彭征对美国《新一代科学教育标准》探究分析得到其整合理念对我国理科课程标准的修订和教育研究具有重要启示．[2]刘兴然对美国《新一代科学教育标准》的编制框架与特点进行分析,探究了整合科学与数学、人文之间的关系,并以新的学习理论作为修订标准的指导思想,这些经验均是值得我们学习的．[3]通过对中美物理课程标准进行比较研究,将从多角度更好地了解我国课程标准所具有的特点,同时根据我国现阶段教育特点有选择借鉴他国课程标准以助于我国科学教育理念与实践的发展．

能量的守恒定律是自然界的最基本、最普遍规律之一．高中阶段学习的有关能量的内容与各学科、社会生产以及日常生活之间都息息相关．同时,能量部分内容对于学生形成可持续发展观以及进一步学习其他科学技术至关重要．本文以高中阶段的能量内容为例,将《新课标》与我国2017年新出版《普通高中课程标准》(以下简称我国《课标》)[4]进行比较研究．

1 概况简介

《新课标》中将科学教育分为3个维度,分别为实践工程实践(Science and Engineering Practices)、跨学科概念(Crosscutting Concepts)和学科核心概念(Disciplinary Core Ideas),并将这3个维度结合在每一条课程标准中,又在所有课程标准之间设置了连接,期望通过3个维度的整合发展学生的知识与能力．《新课标》旨在提高美国基础教育阶段中学生的科学素养,并通过提高未来劳动力的实践能力来满足美国未来的经济、社会发展需求．

我国2017年由教育部出台的普通高中物理课程标准是对其2003年出台的普通高中物理课程标准(实验稿)进行修订,以贯彻“立德树人”根本任务为指针．该《课标》从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面培养学生物理学科核心素养，并为学生终身发展考虑,使其具有应对现代社会和未来发展挑战的能力．

2 高中阶段能量内容的比较研究

美国《新课标》高中阶段的能量内容主要分为以下4个板块: (1) 能量的定义; (2) 能量的守恒和转移; (3) 能量和力之间的关系; (4) 日常生活中的能量．我国《课标》中高中阶段的能量内容主要涉及: (1) 机械能及其守恒定律; (2) 静电场; (3) 电磁场; (4) 能源与可持续发展; (5) 动量与动量守恒定律; (6) 热力学定律; (7) 物理学与新能源等7个板块．下面将以美国《新课标》的4个板块划分维度为依据与我国《课标》中相关要求进行比较研究．

2.1 中美课标关于能量的定义的比较

能量的定义是高中物理中的基本概念,其贯穿于高中物理知识的各个部分．对于能量定义的学习有助于学生从能量角度分析并解释现阶段问题,促进学生能量观念的形成．能量的概念是一较为抽象的概念,中美课标中对于能量的定义这部分内容都进行了相关要求,其具体比较分析见表1．

表1 中美课标关于能量的定义比较

由表1分析比较可知,美国《新课标》中给出能量的定义为“能量是一个系统的定量属性,它依赖于物体的运动和物体的相互作用”．我国《课标》是从“功”的角度来引入能量的概念,时学生通过对能量的量度功以及功率的学习来理解能量．美国《新课标》中指出学生宏观的角度上了解能量存在形式,并要求在此基础上举例几种能量存在的具体形式．中国《课标》在这一基础概念上并未对其进行具体要求．美国《新课标》中提出构建并使用模型来理解机械能是物体动能与势能的结合并说明构建模型可以包括图标、描绘以及模拟等形式．通过这些可以看出,美国《新课标》中对于能量的定义这部分学习要求重点在于对相关概念的理解以及相关模型的建立,并未对能量部分相关计算有较高要求．中国《课标》中则重点要求理解功、功率的大小与意义、动能与动能定理以及重力势能与重力做功的关系,其重点在于对能量量度功的理解与功率的计算,要求学生理解并应用动能定理和重力势能与重力做功的关系,并通过举例要求学生利用牛顿第二定理对动能定理进行推导验证．中国《课标》中侧重点在于定理概念的理解与推导并未强调通过建立模型理解能量的定义．

2.2 中美课标关于能量的守恒与转移的比较

能量转化与守恒定律是物理学中重要的基本规律之一，它揭示了电、热、光、机械、化学等各种运动形式之间相互联系以及相互转化的统一性.它不仅是自然科学的一条基本规律，更是检验一个科学理论是否正确的基本准绳之一.中美课标对于该部分内容提出了相关要求，见表2.

表2 中美课标关于能量守恒与转移比较

由表2分析比较可知，美国《新课标》与中国《课标》在能量守恒定律都进行了具体说明.美国《新课标》要求学生设计创建一个模型来计算在已知部分能量流动情况下，系统内能量变化的情况，并限制模型建立涉及两到三个系统、基本的代数运算以及研究范围.相比中国《课标》要求通过实验验证能量守恒定律并要求利用能量守恒定律解释生活、生产中常见的问题.美国《新课标》要求重点倾向于模型设计与物理原理的理解，中国《课标》要求重点倾向于利用所学原理与实际生活的联系与应用.对于热力学第二定律，美国《新课标》要求设计一个实验摊就分析热力学第二定律，并要求课程的重点在于分析学生实验得到的数据以及培养学生定量研究的数学思维和利用概念性语句描述实验原理的能力.对于实验对象也做了相应的限制，要求学生利用容易获得的物体或材料进行探究.其课标要求的重点在于学生科学思维的培养以及科学研究方法的学习，使学生可以利用定量研究的方法独立设计实验验证相关定理.中国《课标》要求通过从宏观角度理解能量转化的方向性来理解热力学第二定律的原理.其课标的要求重点倾向于物理原理在实际生活中的应用，注重科学知识与的实践性以及建立物理学中的守恒观念.

2.3 中美课标关于能量和力之间的关系的比较

能量贯穿于各物体间相互作用.在电场和磁场中，能量相关定律是分析问题、解决问题重要原理之一.中美课标中对于电场、磁场中力与能量间关系进行了相关要求，见表3.

表3 中美课标关于能量和力关系比较

由表3分析比较可知，对于能量与力关系部分，美国《新课标》主要对电场和磁场中能量进行了课程要求.美国《新课标》要求学生需要通过构建两个物体模型，探究在电场和磁场中两个物体间受到相互作用的力与能量之间的变化关系.其课标中对于模型建立进行了具体限制，要求模型种类可以包括绘画、图标以及文本3种形式，并举例说明可以绘制两个异种电荷在相互靠近时能量变化关系.对于实验调查也进行了具体要求，其规定学生设计实施的实验需要学生协同作业或者独立完成并得到可靠数据作为验证理论支撑基础.对于实验数据的类型、数量和准确性也有相应的要求.中国《课标》，其关于电场和磁场中有关能量部分要求学生学习了解楞次定律以及法拉第电磁感应定律，通过定律的角度认识电场与电磁场中物体能量变化关系并通过要求学生对电功、电功率以及焦耳定律的理解掌握电路中能量守恒与转换.相比美国《新课标》并未对该部分进行相关要求.中国《课标》要求重点在于培养学生利用原理解释现象的能力，加深对科学原理的理解与应用.

2.4 中美课标关于日常生活中的能量的比较

美国《新课标》中注重跨学科概念，在能量部分中对能量在其他学科与实践方面应用提出了相关要求.相比于我国《课标》，在能量相关知识的应用上也进行了相应的要求，具体比较分析见表4.

表4 中美课标关于日常生活中的能量比较

由表4分析比较可知，美国《新课标》中要求学生设计、构建或者改进一个能量装置模型，要求该模型可以将一种形式的能量转化为另一种形式，并对模型的类型提出了具体说明.中国《课标》在此部分的要求了解利用水能、风能、太阳能和核能的方式并初步了解核裂变与核聚变.同时要求了解可再生能源和不可再生能源的分类，认识能源的过度开发和利用对环境的影响.美国《新课标》对于日常生活中能量部分的学习重视学生对实验的设计、构建以及对原有实验的改进，其目的在于培养学生建立一套完整的科学思维.鼓励学生以日常生活中可接触到的实例进行分析探究，从而进一步提高学生分析问题、解决问题的能力.中国《课标》侧重于要求学生了解目前物理能源各种具体来源方式，与现阶段我国物理能源科技发展相结合.同时侧重于要求学生对日常生活中可再生能源和不可再生能源的区分，强调能源的开发与利用对环境的影响，符合现阶段我国发展基本国情.

3 总结与建议

根据高中物理能量部分的比较研究，笔者提出以下建议：

(1) 能量概念是整个物理学的基础，对于高中物理能量部分相关概念与定理的认识，也是学生是否可以从能量角度分析问题、解决问题的关键.同时，能量观念是物理观念重要组成部分，而物理观念是物理核心素养的重要维度之一.建立扎实的能量观念将有助于提高学生分析问题、解决问题能力，培养学生科学核心素养.

(2) 物理是一门以实验为基础的学科，实验模型的建立有助于相关物理知识、定律的理解与学习.在能量部分课标要求中，对于相关理论模型建立的评估标准、适用条件应提出具体要求.

(3) 在力与能量间关系相关要求中，不仅仅从楞次定律与法拉第电磁感应定律角度探究电场与磁场中能量守恒与转移，同时应增加相关模型的建立，培养学生科学探究精神.