基于物理核心素养的中美高中物理教材内容呈现方式的比较

焦振兰 吴宏伟 郎和

摘 要：基于培养学生的物理核心素养，分析中美高中物理教材对“加速度”的编写思路，从加速度概念的引入、建立和运用三个方面对中美高中物理教材“加速度”内容的呈现方式进行比较，分析了二者之间的特点及其差异，为一线教师分析“加速度”的教材内容和培养学生的物理核心素养提供参考。

关键词：物理核心素养；中美高中物理教材；比较；加速度

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）9-0024-4

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称：《课标》）明确提出“注重体现物理学科本质，培养学生物理核心素养”的课程理念。高中物理课程的培养目标是促进学生物理学科核心素养的养成和发展[1]。物理课堂教学是培养学生物理核心素养的根本所在。物理教材是《课标》要求的具体化，是师生完成教与学双边活动必不可少的媒介，是教师在教学中培养学生物理核心素养的主要载体。当前，一线教师面对“一标多本”的情况，如何选择教学内容有利于培养学生的物理核心素养是值得研究的话题，更是每位教师需要思考的问题。通过比较不同国家或不同版本的教材，有利于教师选择适当的教学内容来培养学生的物理核心素养。因此，笔者以中美高中物理“加速度”教材內容的呈现方式进行比较，力求为一线老师培养学生的物理核心素养提供新思路。

1 教材介绍

人教版普通高中课程标准实验教科书《物理必修1》（以下简称“《必修1》”）是当前我国高中教学中使用较为普遍的物理教材。《物理：原理与问题（上册）》（以下简称“《原理与问题》”）由浙江教育出版社编译的美国高中主流理科教材：科学发现者——《Physics： Principles and Problems》，也是美国高中物理教学中使用最广泛的教材。

2 中美高中物理教材“加速度”内容呈现方式的比较

物理概念是观察、实验和科学思维相结合的结果。加速度是物理学中的重要概念之一，“加速度”的学习是学生进一步学习物理的基础，起着承上启下的作用，对学生物理核心素养的培养具有重要的作用，尤其是对学生“运动与相互作用”观念的培养具有重要的意义。通过对《原理与问题》和《必修1》中“加速度”内容编写的分析发现，两个版本教材的编写都是按照物理概念的引入、建立和运用三个方面依次呈现“加速度”的教材内容，但教材内容的选择存在较大差异。

2.1 引入加速度呈现方式的比较

物理概念具有很强的抽象性和概括性。建构主义学习理论强调学习情境的创设有利于学生对知识的理解。因此，在物理概念的教学中，教师必须创设一个适应教学要求，借以引导启发学生发现问题、提出问题、思考问题、探索事物本质的学习情境。《原理与问题》和《必修1》在引入加速度概念时，两个版本的教材都注重学习情境的创设，但存在较大差异，对其进行比较（如表1）。

《原理与问题》在创设学习加速度的情境时设置了“起步实验”和“迷你实验”。“起步实验”的内容是对匀速运动与加速运动图像的比较，“迷你实验”的内容是钢球赛跑：在斜面上不同位置同时释放两个钢球，让学生观察它们滚下去时会逐渐靠近还是越来越分开[2]。《必修1》在该部分设置了“思考与讨论”栏目，让学生判断小汽车和火车谁的速度“增加”的比较快？它们的速度平均1 s各增加多少？并举例说明“速度大”“速度变化大”和“速度变化得快”描述的是三种不同的情况[3]。

《原理与问题》中的两个实验都是探究性实验，并且都有完整的科学探究过程。《必修1》中设置了小汽车和火车速度变化的情境。虽然这两种创设情境的方式都能够让学生体会到物体速度的变化，但是物理学是以实验为基础的一门科学，实验在物理学的发展中起着举足轻重的作用，同样在物理教学中，离开了物理实验，物理教学将是无源之水，无本之木。因为运用实验来展示有关的物理现象和过程，不但较之学生在生活中所感受的要深刻和典型，而且创设的情境新颖生动，就越能引起学生的兴趣和积极主动的思考。《原理与问题》给我们提供了很好的例子，在纯概念教学中，可以设计很好的探究性实验创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力，来培养学生的物理核心素养，也能够倡导《课标》中提出的“引导学生自主学习，提倡教学方式多样化”的课程理念。

本文中的实物图片是指从生活中拍摄的图片，模拟图片是指画出现实生活中的物体或者事件。《原理与问题》有两幅实物图片，分别是关于赛车起步图片、打点计时器实验装置图；两幅模拟图片，分别是跑步者在不同情境中的运动图、用质点模型描述跑步者的运动图。《必修1》有一幅实物图片：飞机起飞时，在相同时间间隔内位移变化的图片和一幅模拟图片：小汽车和火车运动的图片。

由此发现，中美教材在该部分都设置了实物图片和模拟图片。实物图片能够使学生体会到物体速度的变化，有利于学生将物理知识与生活中的实际现象联系起来。《原理与问题》中的模拟图片，学生可以通过运动图判断跑步者的运动状态并对运动图都配以质点模型，为加速度概念的建立奠定基础，而《必修1》中的模拟图片只描绘出小汽车和火车的运动，对教学的帮助较小。《原理与问题》中模拟图片的应用有助于学生将实际问题转化为物理问题，有利于培养学生建立物理模型的能力，促进学生科学思维能力的发展。

2.2 建立加速度呈现方式的比较

物理概念是对物理现象和物理过程等感性材料进行科学抽象的产物。在物理概念教学中，若只向学生提供形成物理概念的感性材料，而不同时让学生参与思维加工的过程，尽管教师将物理概念的文字或数学表达讲得很清楚，但对学生来说，表面联系和内在联系、感性认识和理性认识、生活经验和科学概念仍处于分离的状态。因此，要使学生学习科学的物理概念，就必须让学生在获得足够多感性材料的基础上，按照物理学中建立概念的方法，引导学生运用比较、分析、综合等思维方法，对感性材料进行思维加工，进而抽象概括出事物的本质属性，从而使学生形成科学的物理概念。《原理与问题》和《必修1》在建立加速度概念时，两个版本的教材都注重引导学生运用科学思维方法建立物理概念，但二者之间存在较大的差异，对其进行比较（如表2）。

由表2可以发现，《原理与问题》在该部分内容明显多于《必修1》，但两个版本的教材都围绕加速度的概念、分类和物理图像这条主线呈现加速度概念的建立过程，学生需要理解的知识点也基本相同。《原理与问题》是将建立加速度的内容进行细分，使知识点之间的联系更加紧密，这种紧凑的编排方式会减小学生在学习过程中的困难，使学生更容易理解加速度。《必修1》将某些难懂的知识点隐藏在较大的知识点之中（例如，在描述加速度的概念时就涉及到平均加速度和瞬时加速度，在描述加速度方向和速度-时间图像时就涉及到加速度的正负），这样有利于丰富知识点之间的内在联系，但对学生的思维能力、逻辑抽象能力和认知迁移能力提出了较高的要求。

《原理与问题》和《必修1》都侧重对“比值法”和“图像法”的应用，对加速度定义时都应用了“比值法”，但《必修1》中只在速度-时间图像中应用“图像法”，《原理与问题》中不仅在速度-时间图像中应用“图像法”，在“运动图上表现加速度”也应用了“图像法”，同时注重将原始问题转化为物理问题。

插图的应用方面，《原理与问题》较《必修1》更加注重插图的应用，尤其是将原始问题转化为物理模型，在转化的过程中充分应用了物理图像和科学方法，同时也注重培养学生如何根据物理实验数据描绘物理图像，并分析得出结论，有利于对学生抽象、逻辑思维能力的培养和应用科学方法解决实际问题能力的培养。

栏目的设置方面，《必修1》设置了“说一说”和“思考与讨论”两个栏目，“说一说”将加速度的概念与生活实际相联系，有利于学生将加速度的概念与生活实际相联系，培养学生运用加速度的知识解释物理现象和解决实际问题的能力，“思考与讨论”是根据速度-时间图像判断物体运动的加速度；《原理与问题》虽然在该部分没有设置栏目，但是设置了根据速度-时间图像判断物体运动加速度有关的练习。因此，两个版本的教材在该部分内容的呈现差异较小。

综上所述，《原理与问题》在该部分内容的呈现方式符合学生的认知规律发展，而《必修1》注重知识之间的内在逻辑结构。《原理与问题》较《必修1》在加速度概念的建立过程中更加有利于培养学生的物理核心素养，尤其是对学生科学探究、科学思维能力的培养。

2.3 运用加速度呈现方式的比较

根据艾宾浩斯遗忘曲线“先快后慢”的特点，知识的初步巩固应当在头脑里建立新的知识之后的较短时间内进行。因此，在建立物理概念之后运用物理概念解释物理现象和解决实际问题就显得十分重要，可以起到事半功倍的效果。

当学生初步形成物理概念后，必须及时给学生提供运用物理概念的机会，让学生将抽象的概念“返回”到具体的物理情境中去，使学生在运用概念解释物理现象或解决实际问题的过程中，巩固、深化和活化对物理概念的理解。同时，要注重培养学生运用物理概念分析、解决实际问题的思路和方法。引导学生在运用已有的概念去面对新的物理现象或实际问题时，勇于提出问题，勤于思考，扩大认识范围，逐步提高学生分析、解决物理问题的能力，促进学生物理核心素养的发展。所以，选择具体问题运用物理概念是学生把学到的知识转化为能力的关键过程。《原理与问题》和《必修1》在运用物理概念时，两个版本的教材都注重选择实际问题运用“加速度”的知识，但二者之间存在较大的差异，对其进行比较（如表3）。

例题和习题的设置是教材呈现内容的重要组成部分，它对学生理解基础知识，形成基本技能，完善认知结构，培养学生的思维能力等具有重要的作用。由表3可以发现，《原理与问题》在该部分内容设置了2道例题、11道練一练题目和6道复习题，且多数题目都与物理图像相联系，而《必修1》没有设置例题，只有4道习题，且只有1道题目与物理图像有关。《原理与问题》中的每一道例题都是学生学完某一个重要的知识点之后设置的，并且能够与物理图像充分结合，并有规范的解题思路和过程；每一道复习题都是针对某一具体的知识点，这种习题设置的模式或许可能从某种程度上解决我国中学目前流行的“题海战术”现象，对每个重要的知识点精算一道练习题，让学生做到举一反三的效果，减轻学生学习负担的同时提高学习的效率[4]。《原理与问题》中的例题和习题不仅侧重于学生利用物理公式解决计算类问题能力的培养，同时也重视学生实验能力和科学探究能力的培养；《必修1》中的习题侧重于学生利用公式解决计算类问题能力的培养。因此，在例题与习题的设置方面，《原理与问题》较《必修1》具有更加明确的设置目的，有利于学生掌握知识、规范解题过程、理清解题思路，不仅有利于培养学生的科学思维能力，而且使学生从小养成实事求是、严谨认真的科学精神和态度，促进学生物理核心素养的发展。

栏目的设置方面，《必修1》设置了“科学漫步”栏目，将水果的成熟过程、树木的成长和河流水位的变化等生活实际与“变化率”相联系，使学生对“描述变化快慢的量就是变化率”和对加速度有着更加深刻的理解，《原理与问题》没有设置栏目。《必修1》在栏目的设置上较《原理与问题》有利于拓展学生的知识范围，培养学生应用物理知识解释生活中的物理现象和解决实际问题的能力，从而促进学生物理核心素养的发展。

3 结论与启示

在教材内容的呈现方面，《原理与问题》具有综合性强、结构严密的特点，同时其内容的呈现方式充分体现了科学探究的基本过程，能够有效地引导学生主动运用科学探究的方法获取知识，有利于培养学生的物理核心素养，尤其是对学生科学探究和科学思维能力的培养具有重要的作用。《必修1》将某些重要的知识点隐藏在某些物理过程中，对学生的数学能力和思维能力提出了更高的要求，给学生的学习带来了较大的困难。在实际教学过程中，有必要借鉴《原理与问题》中“加速度”知识点的呈现方式，这样更加有利于学生对加速度的理解和教学过程中对学生物理核心素养的培养。

在教材插图的选择方面，《原理与问题》和《必修1》都注重插图的应用，但前者更侧重于培养学生将实际问题转化为物理问题的能力和应用物理图像解决实际问题的能力，尤其是对学生物理建模、科学探究和科学思维等能力的培养具有重要的意义。在教学过程时，教师尽量选择现实生活中的图片，这样以来，能够给予学生真实感和亲切感，从而激发学生的兴趣和求知欲，同时注重充分挖掘插图背后所隐藏的物理知识，培养学生将原始问题转化为物理问题的能力。

在例题和习题设置方面，《原理与问题》在例题设置时，充分考虑学生学习的困难、规范的解题过程和清晰的解题思路，培养学生科学思维能力的同时也利于培养学生严谨认真、实事求是的科学态度和科学精神；习题设置时有着明确的设置目的，对每一重要的知识点都设置了对应的习题，例题和多数习题都与物理图像充分结合，不仅有利于学生对知识点的理解，而且能够培养学生应用物理图像解决实际问题的能力，对学生物理核心素养的培养具有重要的作用。在实际教学过程中，教师在布置习题时，不仅要注重学生利用所学知识解决实际问题能力的培养，还要注重通过习题培养学生的物理实验能力。

在栏目的设置方面，《必修1》设置了“说一说” “思考与讨论”和“科学漫步”栏目，对学生学习“加速度”有一定的作用，但这些栏目设置的功能比较单一，没有较多地顾及学生能力的培养和学生主体性的发挥，而是侧重于知识的给予，没有充分激发学生学习物理的兴趣，引导学生进行自主学习。栏目的设置既要引导学生的“学”，又要利于教师的“教”。不仅要注重学生学习方法和策略的培养，而且要注重引导学生进行自主学习，加深对所学知识的理解和应用，又能够为教师的教提供有效的帮助，起到画龙点睛的效果。

在实验设置方面，《原理与问题》设置了两个实验，实验器材和操作过程都比较简单，并有完整的科学探究过程，尤其是“迷你实验”的设置能够激发学生学习物理的兴趣，培养学生的科学探究能力。《必修1》没有设置实验，在实际教学中，有必要借鉴《原理与问题》中实验的设置。教师应明确实验不只是在实验室里完成的，纯物理概念的学习不是不能进行實验探究。教师应扩展自己的知识技能，给学生提供能够利用生活资源进行实验探究的方案，有利于培养学生的实验能力，同时促进学生物理核心素养的发展。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2-3.

[2][美]保罗·齐泽维茨，等.钱振华，等，译.物理：原理与问题（上册）[M].杭州：浙江教育出版社，2018：57-61.

[3]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2013：15-19.

[4]刘健智，卢宇梦，颜熠乔.中美高中物理教材内容呈现方式的比较——以“加速度”的编写为例[J].物理教师，2014，35（5）：59-62.

[5]李亚儒.中美高中物理教材的比较研究——以“加速度”一节为例[J].物理教师，2011，32（10）：52-54.

[6]李蕾，杨卫平，徐晓梅.中美高中物理教材例题呈现方式的比较研究[J].物理教师，2016，37（5）：66-69.