从美国主流教科书插图看物理核心素养的渗透——以“动量”为例

惠宇洁 陈 娴

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

教科书是落实国家课程标准的最重要的举措和手段,学生核心素养的发展,呼唤基于核心素养的教科书.[1]插图是指教科书中具有直观、形象特点的图片、照片、图像、图表等储存和传递教育信息的系统,能够表达那些用文字难以言状的空间和具体的细节.美国物理教科书市场竞争充分,教科书内容不断与时俱进,其中的插图也需反复斟酌和挑选,插图的质量普遍较高.本文分析美国主流教科书插图的特点及核心素养的渗透,希望提供一些启示和建议.

1 教科书基本情况

1.1 主流高中教科书

美国高中物理课程是一门选修性质的课程,根据学生的学习水平和未来发展分为常规课程、概念课程、荣誉课程、先修课程、第一课程等几种课程类型,学校根据不同的课程可自由选择合适的物理教科书.

美国物理协会(AIP)统计研究中心对1987—2013年中高中物理教科书的使用情况所做的调查显示(表1):[2]虽然《概念物理》(Conceptual Physics)、《物理原理与问题》(Physics:Principles and Problems)是美国20多年来的传统物理教科书,即使近年来被《豪尔特物理》(Holt Physics)逐渐赶超,但总体而言目前这3本是美国高中使用率最高的物理教科书.

《概念物理》多用于概念课程或第一课程,课程针对今后不打算从事理科工作的学生,对数学运算的要求低,主要强调理解和运用与生活环境相关的物理概念,旨在提升学生学习的兴趣和对物理探究的热情.《物理原理与问题》和《豪尔特物理》则多用于难度较大的荣誉课程和先修课程,注重物理问题的解决和实验的定量分析,面向有较强的理科功底并喜欢物理的学生.表1为1987—2013年美国这3本教科书使用情况比较.

表1 美国高中物理教科书使用情况的调查(1987—2013)

*表示少于10%;—表示没有单独涉及

1.2 “动量”插图统计

笔者选择“动量”这一章,从插图的数量、类型、内容对《物理原理与问题》、[3]《豪尔特物理》、[4]《概念物理》[5]3个版本教科书的插图进行编码和统计分析(通过若干个过程来表达一个物理思想的组图计为一个图像单位,不存在重复计数).

1.2.1 插图数量

表2 不同版本教材插图数量统计

不同版本教材插图数量统计如表2所示.由于3种教科书的定位有所不同,因此在插图的使用量上差别明显.《概念物理》的编写意图是突出对物理概念的本能或直觉的、充分的理解,[6]插图较于文字更加形象生动,是概念建构的绝佳素材,因此《概念物理》的插图密度远远大于另外两个版本,平均每页有2幅之多,而《物理原理与问题》和《豪尔特物理》则略显逊色.

1.2.2 插图类型

不同的类型插图具有不同的教学功能.现按类型将插图分为摄影图、漫画图、示意图、图表.摄影图是指用电子设备在某一时刻、某一地点拍摄的真实照片;漫画图是指用简单而夸张的手法绘制而成的图画;示意图是指大体描绘物体形状、大小、运动状态的图片,相比前两者形象程度和生动性更低;图表则是指可直观统计和挖掘信息属性的图形结构.

图1 插图类型统计

在插图类型统计图(图1)中,我们可以发现3种教科书的摄影图的比例均非常高,摄影照片还原了真实的生活场景,更容易带给学生亲切和共鸣感.在章首位置,3个版本均以摄影照片作为导入,甚至在《物理原理与问题》和《豪尔特物理》中,章导图的面积大到占据了整个版面.除了摄影照片,《概念物理》还大量使用了漫画插图.漫画诙谐幽默、生动形象,对于视觉化地呈现物理过程、表达物理规律起到四两拨千斤的作用.示意图和图表为学生从复杂的情境中抽象出物理模型以及分析数据、使用数据而服务,因此对学生提出了更高的要求,从图中数据来看它们的使用情况符合教科书的受众定位.

1.2.3 插图内容

根据“动量”这一章的特点,插图内容可分为人物、体育运动、生活现象、科学技术、实验、信息统计.其中信息统计与类型统计中的图表相对应.

图2 插图内容统计

如图2所示，在插图内容上,体育运动、生活现象、科学技术的使用尤为明显.大多数教科书的动量内容主要涉及交通碰撞、球体的碰撞等常见的生活现象,但美国教科书中更多地引入了体育运动,体育运动的插图不仅数量多且类型多样,涵盖了拳击、台球、保龄球、橄榄球、曲棍球、乒乓球、足球、击剑、滑冰、滑板、轮滑、自行车、击剑、跳水14个项目.在物理教学中也渗透了美国崇尚体育的社会文化.科学技术的内容虽然不及体育项目丰富,但在3个版本的教科书中都不尽相同,从早期的水轮车到当代的安全气囊、火箭升空等,切实地体现了时代的特色.“动量”这一章节的实验并不算多,但教科书中每一张关于实验的图片都不是简单的实验仪器的呈现,而是学生或教师的实验活动场景,因此实验图片中体现出的人物参与度是美国教科书的一大特色.

2 核心素养与插图

核心素养是学生通过物理学习而内化的带有学科特性的品质,主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面.[7]插图作为教科书的重要组成部分,不仅仅是要发挥表征的功能,更应当渗透核心素养的理念,深入地为物理课程服务.

2.1 物理观念:创设真实的物理情境

物理观念是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.在物理概念的教学中,关键是要创设体现概念本质特征的情境.而学生在学习物理概念之前,基于生活经验形成了大量的经验性常识,因此需要教科书在此基础上完成经验性常识向物理概念的转变.美国高中物理教科书中的插图大多为实际拍摄的摄影照片,真实生动且细节到位,内容上以美国人民喜闻乐见的体育运动为主要素材,为学生创设了真实可感、贴近生活的物理情境,从而推动学生思考问题、理解事物的本质,最终形成物理观念.

例如，《物理原理与问题》在引入动量概念时首先展示了一幅曲棍球运动的照片(图3),曲棍球是美国中学生受欢迎程度较高的体育运动之一,图片中佩戴头盔的保护措施告诉学生被曲棍球击打到的严重性,这样的生活经验能够自然而然地启发学生思考为什么轻小的曲棍球如此危险,进而让学生进入到动量定义的理性学习范畴.在角动量守恒中,图4的花样滑冰运动员双臂分为张开和收拢,根据图片中的脸部细节和生活常识可以判断出运动员运动状态的变化.通过分析图片学生会在真实情境与转动惯量、角速度的变化关系之间建立起物理联系.这样物理知识不再是脱离实际的纯学术问题,而是有血有肉、易于理解的身边之事.

图3 曲棍球运动

图4 花样滑冰运动

2.2 科学思维:建立形象到抽象的桥梁

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式.教科书内容应启发学生对物理问题进行科学推理、找出规律、形成结论,在不断的训练和强化中发展科学思维.漫画图的大量使用是美国物理教科书的一大特色,在《概念物理》中体现得尤为明显.漫画图生动活泼,不仅符合学生的心理特点,有助于激发学生的学习兴趣,而且其精妙的设计和夸张、有趣的表现形式往往具有形象化地呈现物理过程、表达规律的效果.学生在处理漫画中的信息时,需要运用科学思维,经历“形象—比较—概括—抽象”的过程.

冲量定理中力的作用时间不容易有显性的体验,因此对学生来说,感性认识和理性认识、生活经验和科学概念仍处在分离状态.图5是拳击运动员分别以不同的方式来应对击打的情景,当拳击手向后倾时他仅仅是略微感受到被击打得疼痛,而当他迎面而上时他的脸部产生了十分夸张的形变,两者对比,直观的视觉冲击让学生强烈地体会到力的作用时间不同而产生的巨大差异.在漫画的下方,设计者以公式中不同大小的“F”“t”来对应漫画中的场景,非常巧妙地体现出了漫画的物理思想.因此可以看出,漫画为学生提供了更容易感知的感性材料,使学生有效地运用比较、分析、综合的思维方法,对形象的事例进行思维加工,概括出抽象的物理规律.

图5 动量定理示意图

2.3 科学探究:强化人物的合作与参与

科学探究是指提出科学问题,形成猜想和假设,设计实验与制订方案,获取和处理信息,基于证据得出结论并做出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.在“动量”这一章节,主要的定量实验是利用导轨和打点计时器探究物体碰撞前后动量变化关系,这一部分与国内教科书不同,实验插图不是在已有实验流程的基础上向学生展示所用的实验器材,而是仅仅呈现人物的实验活动,附以器材的使用方法,让学生自主设计实验方案及流程,利用测量工具收集、并分析数据,考察学生的实验探究能力.

除此之外,所有实验插图都会出现人物形象.国际上已经发现,学习者越来越多地被描述在教科书中,且图像表现人物积极从事与科学有关的任务,有助于邀请观察者参与科学活动.[8]图6展现的是2位学生进行的实验的场景,从动作上可以看出他们互有分工,从神情上可以看出他们在实验过程中的热情与愉悦,此时的读者不是简单的实验观察者,而会产生一种自我代入的心理图像,能够感同身受,体验到合作与参与实验的乐趣,从而萌生参与意识.图7是气垫导轨的发明者,

图6 动量定理示意图

图7 气垫导轨

通过提供一个科学家的工作形象,使得物理探究活动的重要性更加深入人心,也进一步提升了学生的参与意识.

2.4 科学态度与责任:树立服务社会的理念

科学态度与责任是指在认识科学本质,理解科学·技术·社会·环境之间的关系基础上,逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及提升社会责任感.在“动量”这一章节,美国教科书中设置了许多科学技术的插图,例如水轮车的发明,大大提高了当时社会的生产效率,节省了人力成本,安全气囊的发明为人们的生命安全提供了保障,火箭的升空带给了人类探索宇宙的无限可能.这些插图不仅让学生了解动量知识的应用,更是向学生展示了科学给社会发展、人类进步带来的巨大成果,有助于学生理解科学、技术、社会之间的联系.

图8

图8是具有强烈的时代特色的插图,科学与技术的结合之下,人们的活动空间得以进一步拓宽,学生可以思考:这样的喷气式装置除了作为我们的娱乐工具,是否有望成为日后的交通工具?还可以在哪些领域发挥作用?通过大胆的想象与思考,学生会深刻地认识到学习物理大有用处,而且潜移默化地培养起运用所学知识解决实际问题的意识,主动承担将科学服务于人类社会的责任.

3 结束语

《概念物理》、《物理原理与问题》、《豪尔特物

理》3本教科书虽然定位不同,插图的类型与内容有所差异,但都从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面渗透了核心素养的素养,并且别具特色.中美物理教科书的物理内容不尽相同,但插图都应该在物理课程的学习和学生素质的培养上体现其应有的价值.美国主流物理教科书的插图注重创设真实的物理情境、建立形象到抽象的桥梁、强化人物的合作与参与、树立服务社会的理念,希望能够对我国的教科书编制提供一些参考和借鉴.