美国教材《物理：原理与问题》对我国物理教学的启示

(江苏省高邮中学,江苏 扬州 225600)

《美国国家新一代科学标准》于2013年颁布，其课程内容包含三个维度：学科核心概念、科学与工程实践和交叉概念。其中物理学科包含于物质科学中，所涉及的核心概念有：物质和相互作用、运动和平衡、能量、波动及其在信息传播技术中的应用。此外该标准还提出如下的课程目标：无论学生对科学的兴趣、动机如何，都应该使自己具有高水平的科学素养。由此看出，从标准的维度到核心概念的提出再到课程目标，都与我国的高中物理围绕提升学生核心素养为目的的教学有很强的契合性，因此我们不妨研读美国的高中物理教材，以期对我们的教学有所助益。根据美国物理协会统计研究中心的调查，《物理：原理与问题》(以下简称《物理》)在全美有将近一半以上的学校选用，该教材曾多次进行修订，结合我们的教学，《物理》有如下特点，给我们诸多启示。

1 科学方法教学的显化

《物理》对什么是科学方法及其种类、物理模型的意义、科学定律与科学理论的区别、测量理论中的精确度与准确度等都有详细的说明，将物理方法的教学显性化。美国哈佛物理教材变革计划的领衔人霍尔顿指出：“物理学任何一部分基本内容都包含以下三个因素：实验事实、物理方法论、数学表达。可见，物理知识作为一个客观体系，其中隐藏的物理思想，通过对其加工、提取、组织、简化、记忆，便可转化为学生的认知结构的一部分，从而形成能力”。目前的教学活动不少从学习知识的角度来设计，这样做，学生也能学习到一些科学方法。但由于从属于知识学习、是隐藏在知识中，是碎片化、不连续的渗透式学习，因而，学生对科学方法的掌握是浅层次的、不够系统的。而《物理》教材则提醒我们：在教学活动中应当把科学方法的教学明朗化、显性化，即以科学方法本身的思路去组织教学活动，把科学方法作为教学目标。目前我们高中物理所涉及的频次较高的科学方法有：演绎推理、实验归纳、理想化模型、假说法、比值定义法、等效替换法、控制变量法等。

2 充分挖掘物理学史的立德树人价值

物理学史主要探寻物理学概念产生、演化的过程和发展规律，考察物理学家的生平、思维方式，归纳研究方法，比较并总结历史上不同观点的纷争与融合。因此加强物理学史的教育有利于学生形成正确的物理观念，激发其学习物理的好奇心、求知欲，培养其科学态度和责任感。《物理》对物理学史的介绍更加突出了物理概念、规律认识发展过程的系统性。例如对天体运动规律的研究，教材从哥白尼、第谷、开普勒、牛顿、卡文迪许的研究直到爱因斯坦的引力理论，并介绍了惯性质量与引力质量；在电场概念的呈现上，从法拉第提出场的概念，利用范德格拉夫起电机产生电荷，历史上将草籽放入矿物油中模拟电场线的方法，到密立根对电子电荷量的测定。这样完整、系统地介绍物理学史，不但可以培养学生的科学思维能力，而且对经典物理观念与现代物理观念的融合起到促进作用，更能引导学生认识科学本质，在学习成长过程中自觉遵循普遍接受的道德规范，增强学习的责任感，养成既尊重他人又不迷信权威的科学态度。

3 实验设计取材生活化

对学生身边的生活资源筛选，可以转化为实验资源。《物理》中利用家用摄影机测量玩具电动车速度、探究抛体运动的规律，用胶布演示同种、异种电荷的相互作用，用摩擦过的气球演示带电体间的相互作用。这些资源广泛而丰富，给探究实验教学提供了充分的支持，也给每个学生自主探究活动提供了公平参与的机会。虽然学生对来自身边生活的材料、器械、工具比较熟悉，但对它们的物理属性或原理未必仔细研究过。所以从认识生活物品和材料的物理原理开始，可开发众多学生感兴趣的科学探究活动，而问题的复杂程度和探究的环节多少可根据教学内容、学生现阶段认知水平和教学时间等进行设计，先关注重点环节的探究活动，逐渐深入，最终促进学生参与科学探究的全过程。例如：一只乒乓球钻孔后插入一根透明胶管，胶管内有红墨水，可演示物体的微小形变；用摄像机可记录探究自由落体的规律；把细钢丝穿过竖直放置的塑料管，在两端挂上钩码，旋转一端的钩码，同时保持另一端钩码静止，可探究向心力与加速度、半径的关系。

4 概念图建构知识网络体系

20世纪60年代美国康奈尔大学诺瓦克教授根据认知同化理论提出概念图理论。该理论认为：当学生把教学内容与自己认知结构建立起联系时意义学习就发生了。学生的认知结构中各部分内容是有层次的，包摄性最广的概念在顶层，下面概念的包摄性依次降低。学生将新学的概念与自己的认知结构联系起来，并把新知识储存在各概念的相互关系中。《物理》在每一章的测评栏目里都会帮助学生画出本章的概念图，磁场部分的内容的概念图如图1所示。有研究表明：通过画概念图，可以加强新旧知识的整合，促进学生进行有意义学习。可按如下步骤进行：首先，对某一概念的实例做出列举,并能辨析出与该概念的相似的、易混淆的概念；其次，找出该概念与其他概念间的逻辑关联；最后，分析处理与该概念相关的实际问题。在课堂教学、课后活动中，为形成完整的认识结构，往往需要教师引导学生紧扣知识的内在联系与要领，把握整体知识结构，对所学的知识进行比较并综合，以形成良好的认知结构。

图1

5 解题策略的示范

解题策略是指一般的解题方法，它反映解题活动具有的一般特征或基本的方法要素，有时表现为具体操作程序。《物理》对解题程序的示范、解法的寻找常常会做出全面的示范，以一道运动学题目为例，解题分为三步：分析问题，求解未知量，验证答案。分析问题包含：情景概述，选择坐标，规定正方向，画出运动图，标记物理量；求解未知量时列出已知量、未知量，既有从已知量出发正向求解的路径，又有从未知量出发逆向探索相关条件的思路；在验证答案环节，要求检查单位是否正确？符号是否有意义？数值是否合理？在问题解决的过程中，每前进一步，经常会面临多个可能的分支路径，需要对分支路径做出选择。教材例题为我们提供了很好借鉴，即：通过正向分析、逆向分析、化归分析的方法来对选出最优的解题路径。在我们平时的教学中，我们对学生解题思维过程缺乏细致的解剖，对具体解题方法的介绍、讨论多，但对解题过程中存在的策略选择却很少与学生讨论。因此，我们很有必要就问题解决活动中的各种要素、属性、特征和规律性联系对学生多做介绍。

《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出：物理学科核心素养指的是学生在物理学科活动过程中形成的符合个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过学习内化而成的带有物理学科特点的心理品质，是学生物理学科核心素养的关键成分。什么样的物理教学才能有效提升学生的核心素养？《物理》教材的一些思路与做法值得我们借鉴，从科学方法显化教学,充分发挥物理学史的教育功能，利用生活资源设计实验，运用概念图使知识结构化，全面示范解题策略这五个方面培养学生的物理核心素养，让物理课堂成为培养学生核心素养的阵地，赋予学生对他们终身发展最有价值的东西。