中美初中物理教材编写逻辑的比较——以“浮力”内容为例

董博清 彭前程

(1. 人民教育出版社课程教材研究所,北京 100081; 2. 河北师范大学教育学院,河北 石家庄 050024)

从本质上来讲,教育原本就有培养学生思维能力的重要任务．[1]教育的发展、课程的发展都与教材的选择和编写携手并进．[2]教材作为课程的核心组成部分,是师生开展教学活动的主要依据,它在学生思维的培养和发展中发挥重要作用．不同的教材编写蕴含着不同的内容设计和组织线索,从而体现不同的认知逻辑和思维脉络．本研究就以初中物理教材的“浮力”内容为例,选择中国和美国有代表性的初中物理教材,分析各国教材的编写逻辑,旨在探索不同国家教材在编写知识从产生、发展到形成过程中所体现的逻辑线索,为教材更好地促进学生思维的培养和发展提供参考．

1 研究设计

1.1 教材选择

中国教材:选择人民教育出版社于2012年出版的《义务教育课程标准实验教科书·物理》．这套教材是全国中小学教材审定委员会审查通过的、使用范围最广的初中物理教材．

美国教材:选择浙江教育出版社于2013年出版的美国初中综合科学教材《科学探索者》(Science Explore)．这套教材是美国中学普遍选用的综合理科教材,是依据《美国国家科学教育标准》编写的一套研究性学习教材．

1.2 研究内容

本研究选取两个国家初中物理教材中浮力内容进行分析．这部分内容主要包含对浮力的认识及其应用．各个国家有关浮力内容的领域划分不完全一致,编排顺序也不完全相同．通过比较发现,中国和美国教材都包含浮力概念、浮力大小、物体沉浮等内容．因此,我们按照中国物理课程标准对浮力领域的知识划分,按照浮力、阿基米德原理、物体的沉浮条件及其应用等内容,将美国教材内容归并后,主要从有关浮力概念和规律得出过程中所蕴含的思维逻辑来分析各国教材的编写逻辑．

1.3 研究思路

物理学研究物质的基本结构、物质产生的最普遍的现象以及物质运动的最一般规律,常常需要通过多种思维活动认识事物的共同属性和本质特征,需要通过数理推导、逻辑推理来描述、论证各物理量之间的关系,发现规律、确立理论,也需要对问题进行反思和质疑,提出新颖的想法并付诸实践,创新理论．总之,物理学理论体系的建立渗透着诸多思维活动,体现了多种思维逻辑．

因此,本研究采用文本分析把握各个国家教材中浮力的相关内容,重点分析各个国家教材编写浮力知识形成过程中所体现的逻辑关系．首先,整体分析各个国家教材中浮力内容的逻辑关系和编写思路．然后,具体分析浮力每部分内容的具体编写逻辑,结合学生的思维发展特点,着重考虑教材编写逻辑的合理性．最后,比较、借鉴,提出我国教材更好地促进学生思维发展的编写建议．

2 研究过程

根据研究设计,我们分别分析了两个国家教材中知识形成过程所体现的逻辑线索,综合分析并比较各个国家教材浮力内容的编写逻辑．考虑到教材知识形成的复杂性、分析教材编写逻辑的主观性,我们采用四人组合研究小组,由两名教师和两名研究生组成．一位教师与研究生分别独立完成教材编写逻辑的分析,再进行讨论和修改,最终形成各个教材的编写逻辑分析文本．另外一位教师资历深厚,具有非常丰富的教材编写经验,作为教材编写逻辑分析的评价者,从科学性、系统性、完整性等方面对教材编写逻辑的分析和比较提出问题和建议,以丰富和完善研究的过程和结果．

3 研究结果

3.1 中国教材编写逻辑的分析

3.1.1 教材整体编写逻辑

教材关于浮力内容的学习是围绕认识浮力、探究浮力的规律和浮力规律的应用来展开的,见图1．首先,教材通过让学生回顾生活中与浮力有关的现象及做实验活动,使学生从感性上认识浮力;然后,教材通过和前面学过的液体内部压强相联系,引导学生分析浮力产生的原因,从本质上认识浮力现象,使得学生对浮力的认识从感性上升到理性;紧接着,教材通过设置实验活动,引导学生探究浮力大小跟哪些因素有关,使学生对决定浮力大小的因素形成定性认识;随之,教材又引导学生探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系,使学生对浮力大小形成定量认识;最后,教材引导学生分析物体的沉浮条件,并运用物体的沉浮条件解释生产和生活中的相关现象．

图1 中国教材“浮力”内容的整体编写逻辑

3.1.2 教材具体编写逻辑

(1) 浮力.

浮力部分内容包括:浮力概念、浮力产生原因、决定浮力大小的因素．首先,教材通过物体浮在水面的现象分析,概括得出物体除了受到重力的作用,还受到一个向上的浮力．通常学生对漂浮在水面的物体受到浮力是理解并认可的,但是对沉入水中的物体是否受到浮力并不确定,为了将学生的思维引向深入,教材进一步提出问题:浸没(物体完全处在液面下方)在水中的物体也受到浮力吗?随后,教材设计演示实验对比物体在空气和浸没在水中对测力计的拉力,让学生体验浮力现象的存在,增强学生对浮力现象的感性认识,同时为学生提供一种测量浮力大小的方法,为后续浮力大小的测量提供方法的准备．总体来看,教材让学生通过对各种浮力现象的分析,概括得出:浸在液体中的物体也受到浮力的作用．

为了从本质上认识浮力产生的根源,教材引导学生进一步提出问题:为什么浸在液体中的物体会受到浮力?在前边液体压强的学习中,学生已经知道液体内部深度越大、压强越大．教材在学生已有压强知识基础上,分析浸没在液体中长方体相对侧面和上下表面的受力情况,得出浮力产生的原因．这就使得学生对浮力的认识得到进一步提升,体现了理性思维的培养．

在学生对浮力概念和产生原因有了较为充分的认识之后,教材引导学生继续思考浮力的大小跟哪些因素有关的问题．教材这部分内容的编写充分考虑了对学生的思维培养．首先,通过和学生一起分析,使学生明确:浮力的大小受到多个因素(变量)的影响,在研究某一个变量与浮力的关系时,需要保持其他量不变,也就是控制变量的研究方法．其次,在研究深度对浮力影响时,有时深度变化,体积也同时变化,二者或许有关联,而当物体浸没在液体中时,深度变化,体积不再变化,但此时浮力也不再变化,看来深度并不是影响浮力的本质因素．紧接着,教材又研究了浸入液体里物体的体积以及液体密度对浮力的影响．

教材之所以这样设计这个探究实验,是为了后面阿基米德定律的得出打好基础．因为在阿基米德定律学习中,学生一旦想到浸入液体里物体的体积等于物体排开液体的体积,就会想到物体排开液体的体积越大、液体密度越大,物体受到的浮力就越大,液体的体积大、密度大,说明排开液体的质量大,也就是说排开液体的质量大,看来浮力的大小应该与物体排开液体的质量有关．教材就是这样充分考虑学生的认知,一环扣一环地为学生展开浮力的学习．

(2) 阿基米德原理.

阿基米德原理是初中物理的一个重要规律,为了帮助学生学习阿基米德原理,教材充分考虑了学生的认知．首先,教材通过讲述阿基米德的故事,得到启示:物体浸在液体中的体积与物体排开液体的体积相同,并引导学生将浸在液体中物体的体积用物体排开液体的体积代替,并推理得出结论:物体排开液体的体积越大、液体密度越大,所受浮力就越大．为了帮助学生理解这个结论,教材设计定性实验,让学生感受随着物体排开液体体积的逐渐增大,物体所受浮力越大．在实验操作基础上,教材引导学生进行推理:浸在液体中物体的体积等于物体排开液体的体积,排开液体的体积与液体的密度乘积等于排开液体的质量,而液体的重力跟液体的质量成正比,所以,浮力的大小跟排开液体重力的大小有关．

紧接着,教材引导学生探究浮力大小跟排开液体所受重力的定量关系．首先,教材通过实验方案的设计,让学生通过前边学习的测量方法测量物体的浮力,然后思考并测量物体排开液体的重力,进而让学生明确实验的思路和需要记录的量,为学生操作实验做准备．教材设计的实验方案和思路,符合大多数学生的认识过程．然后,教材引导学生进行实验,分析数据、归纳概括出阿基米德原理．为了让学生对阿基米德原理有更全面而深入的认识,教材还指出,此原理不仅适用于液体,也适用于气体．

(3) 物体的沉浮条件及其应用.

在浮力学习基础上,教材进一步引导学生思考物体上浮和下沉的原因．教材通过浸没在液体中物体所受浮力与重力的关系比较,总结物体沉浮的3种情况．接着,教材引导学生进行推理:浮力与重力的大小不同是导致物体的沉浮状态发生改变的条件;浸没的物体排开液体体积跟物体体积相等,可以用物体密度跟液体密度大小来描述物体沉浮条件．

然后,教材引导学生运用物体的沉浮条件,解释生活和生产中的现象．比如,教材让学生进行橡皮泥造船比赛,引导学生进行类比和想象,将橡皮泥造船的方法和思路迁移至轮船,解释论证轮船的沉浮原因．教材中橡皮泥造船的实验操作,不但为学生理解轮船工作原理做了铺垫,而且让学生在不同情境中进行迁移,探索问题解决的新途径,锻炼学生的问题解决能力及创新思维．

3.2 美国教材编写逻辑的分析

3.2.1 教材整体编写逻辑

教材关于浮力内容的学习是围绕“怎样预测一个物体在水中是漂浮还是下沉”的问题解决展开的,见图2．首先,教材通过活动操作、现象分析和生活感受,让学生从感性上认识物体的沉浮现象、感知浮力的存在;然后,教材结合流体压强的内容,分析浮力产生的原因,让学生形成对浮力现象的理性认识;接着,教材通过重力与浮力的大小关系,说明物体在液体中出现的沉浮状态;随之,教材运用阿基米德原理解释船舶浮在水面上的原因,加深学生对物体重力与浮力之间关系的认识;然后,教材引导学生通过改变物体的密度来改变物体的沉浮状态,并运用其解释潜水艇的工作原理;最后,教材通过技能实验室,让学生探索物体受到的浮力与物体排开水的重力之间的关系．

图2 美国教材“漂浮与下沉”内容的整体编写逻辑

3.2.2 教材具体编写逻辑

(1) 浮力与重力.

浮力与重力部分内容包括:浮力概念、浮力产生原因、物体沉浮状态．首先,教材通过探索活动和浮力现象的分析,提出物体受到一个向上的力,称为浮力;随之,教材结合流体压强解释浮力产生的原因,通过比较物体上下表面所受压力大小,指出总的效果就会出现一个作用于物体向上的力,叫做浮力．然后,教材提醒学生,浸没水中物体所受重力是一个向下的力,容易让学生想到,一个向上的浮力和一个向下的重力,如果两个力的大小关系不同,物体是否会有不同的状态．教材引导学生进一步分析,重力和浮力大小的不同引起物体的下沉、漂浮和悬浮3种状态．总体来看,教材浮力概念和浮力产生原因的分析是为了后面对物体沉浮状态的认识做好铺垫．教材内容紧紧围绕“认识物体的沉浮现象”展开．

(2) 阿基米德定律.

从浮力与重力的关系认识物体的沉浮现象之后,教材引导学生学习阿基米德定律．理解定律的一个难点是物体排开液体的体积与物体体积的关系．排开液体体积与物体体积的关系分两种情况:物体浸没液体、物体部分浸入液体．教材首先让学生明确所有的物体都占有空间;浸没液体中的物体排开或占据液体的体积与其自身体积相同;部分浸入液体的物体所排开液体体积等于其浸入液体中的那部分体积．如果学生知道了物体排开液体的体积与其浸入液体的体积相等,或许就容易联想或推理得出物体所受浮力与排开液体重力之间的关系,但对学生来讲,还是有一定的难度．美国教材或许考虑到这一点,并没有分析或推理各量之间的关系,而是直接给出阿基米德定律的内容,然后通过实例让学生理解定律．

接下来,教材引导学生运用阿基米德定律解释为什么船舶漂浮在水面上．由于浮力等于被排开液体的重力,物体排开液体越多,所受浮力就越大．在同等质量情况下,体积大的物体比体积小的物体排开的液体多,所受浮力就大．因此,船舶形状决定了它所排开液体体积要比同等质量实心钢板大得多,只要船舶所受浮力大于自身重力,就能上浮．同时,教材通过阿基米德定律的应用,让学生知道了通过改变物体体积可以改变浮力与重力的关系,从而改变物体的沉浮状态．

(3) 改变物体的密度.

在学生知道改变物体体积可以决定物体的沉浮后,教材进一步启发学生思考导致一些物体漂浮而另一些物体下沉的原因．教材引导学生将物体的质量和体积联系起来,通过物质密度属性的不同来判断或改变物体的沉浮状态,并通过物体密度的改变来解释潜水艇的工作原理．

通过比较物体实际密度判断物体的沉浮状态,蕴含着逻辑推理关系:物体的密度与所在液体的密度相比,如果物体的密度大,那么对于相同体积的物体和排开相同体积的液体来讲,相同体积的物体的重力大于所排开液体的重力,也就是重力大于浮力,物体下沉．同理,物体密度小于液体密度,物体漂浮在液面;物体密度等于液体密度,物体会既不上浮也不下沉．

通过改变物体实际密度来改变物体沉浮状态,体现着逻辑推理关系:将水冷冻成冰,水在结冰时发生膨胀,冰块占据空间比水大,冰的密度比水小．部分体积的冰排开水的重力与全体冰的重力相等,也就是部分体积的冰浸没在水中可以保持冰块的漂浮状态．由于冰的密度比水稍微小一点,那么大部分的冰块都在水面以下,漂浮的冰块只有很小一部分,也就是常看到的冰山一角．

4 研究启示

通过以上分析可知,中美教材浮力编写逻辑各不相同,但各具特点．综合分析和比较两国教材,我们得出教材编写的几点启示．

4.1 多样化选择教材内容,丰富学生的思维材料

物理概念是对物理事物的抽象,是观察、实验和物理思维的产物．[3]物理概念的形成过程是以感觉、知觉和表象为基础,通过多种思维活动,从具体到抽象、从现象到本质的认识过程．[4]那么,多样化的感知活动和感性材料是形成物理概念的基础,也是培养学生思维能力的前提．因此,教材内容选择需要多样化,为学生概念建立和思维发展做好基础．

在浮力概念建立过程中,美国教材通过探索活动、船舶沉浮现象的描述、水中捡东西变轻的感觉等,解释现象、分析得出浮力概念．中国教材通过学生常见物体浮在水面、浸没水中的现象、演示实验测量物体浸没水中的浮力等,分析概括得出浮力概念．值得提出的是,中国教材引导学生分析物体浮在水面和浸没水中的不同浮力现象,帮助学生克服理解上的困难,因为有些学生会认为物体浮在水面受浮力,浸没水中不会受浮力．

两个国家教材内容选择各有特点．比如,为了增强学生对浮力的感性认识,中国教材设置演示实验,美国教材设置探索活动．为了加深对浮力的认识,中国教材分析不同浮力现象,让学生从多侧面认识浮力现象的本质．总之,增强教材内容选择的多样性,需要充分考虑学生的认知,为学生提供有关事物本质属性的多侧面、多类型、多感官的内容,从而丰富学生的思维材料,帮助学生建立概念,让学生在概念学习过程中锻炼思维．

4.2 突显教材中物理量关系的形成过程,培养学生的推理能力

我们知道,物理规律反映了物质运动中各个因素之间的本质联系,揭示了一定条件下相关物理量之间的必然联系．物理规律是观察实验、物理思维和数理推理相结合的产物．[5]物理规律就是用语言逻辑和数理逻辑表达各个物理量之间的关系．因此,教材编写需要为学生展现物理量及其逻辑关系的产生过程,方能让学生在规律获得过程中发展推理能力．

在阿基米德规律建立过程中,中国教材的编写体现了思维的递进．首先,教材引导学生探究决定浮力大小的因素,让学生对浮力大小形成定性认识,为阿基米德关于浮力大小的定量学习做好基础;然后,教材介绍了阿基米德的故事,让学生从理论上推理浮力大小与物体重力的关系;最后,教材引导学生探究浮力大小与重力的定量关系．美国教材则是直接给学生呈现了阿基米德定律的结论内容,通过实例分析加深学生对规律的认识,并用规律解释船舶沉浮．

两个国家教材编写呈现了不同的规律形成过程,体现了不同的思维逻辑．中国教材让学生从观察的数据结果,归纳概括、推理总结阿基米德规律,注重学生多种思维过程和方法的体验．美国教材侧重学生运用规律解释问题和现象,注重学生的解释和论证能力．总之,物理规律的形成过程渗透着诸多思维活动和方法,物理教材的编写需要让学生体验各物理量间关系的产生过程,锻炼学生的逻辑思维能力．