科学探究视角下的中美高中主流物理教材比较研究——以“万有引力与航天”单元教学为例

卞望来

(江苏省南菁高级中学,江苏 江阴 214437)

在新时代背景下,探讨新时代教育内涵,叩问教育的本质,尊重教育的规律,彰显教育的立德树人价值．学生发展核心素养是立德树人的基本要求,是构建物理学科核心的主要依据．物理学科核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面的要素构成,而科学探究是物理核心素养的重要指标之一．

1 问题的提出

1.1 科学探究

科学探究是人类探索和了解自然、获得科学知识的主要方法,也是学生学习科学的主要方式之一．科学探究是提出科学问题,形成猜想和假设,获取和处理信息,基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．以证据为基础,运用各种信息和逻辑推理得出结论,公开结果和接受质疑,这是科学探究的主要特点．据此,我们教师要让学生真正理解科学探究,让学生具有科学探究意识,要让学生保持合理怀疑的精神,因为这是科学进步的动力．

1.2 中美高中主流物理教材

2003年《普通高中物理课程标准》颁布后,我国高中物理教材实现了一纲多本．目前,我国有人教版、沪科版、司南版、教科版和粤教版等5种高中物理教材．其中2004年由人民教育出版社、课程教材研究所和物理课程教材研究开发中心共同编著的《普通高中课程标准实验教科书物理》(以下简称《物理》)使用范围最广,可称我国高中主流物理教材．

美国高中物理教材以市场为导向,各个学校可以自由选择,种类繁多．如《Physics:Principles and Problems》,即《物理原理与问题》,作者是美国密歇根-迪尔伯恩大学的物理教授保罗·齐策维茨;《PSSC物理学》,由美国物理科学研究委员会(PSSC)编定．其中《Physics:Principles and Problems》(以下简称《PPP》),在美国有超过50%的选用率,可称美国高中主流物理教材．

1.3 科学探究视角下的中美高中主流物理教材比较研究

这里的比较研究,就是从中美高中主流物理教材中选取某一单元,分析教材的知识点,对两套教材内容安排、栏目设置、实验编排和插图设计等方面进行比较,运用科学探究的方法,比较分析两国教材在这些方面有什么不同,明确我国现有教材的优势与不足,吸取美国教材的亮点,从而更好地培养学生的物理核心素养．

2 教材比较研究

笔者以人教版《物理》(必修2)中的“万有引力与航天”这一章的教学,及与此对应的《PPP》中的“万有引力”一章进行比较．

2.1 《物理》(必修2)教材中“万有引力与航天”

在《物理》(必修2)教材首页中的内容比较丰富,该页的右上角有一段法国数学家、天文学家拉普拉斯说的一段话;中间有一幅插图:我国末来的空间实验室; 页末主要讲牛顿的伟大发现万有引力定律及取得的辉煌成就和学习本章的意义．

“万有引力与航天”是《物理》(必修2)教材中的第6章内容,共6节．① 行星的运动,主要内容是开普勒三定律,并提出在中学阶段可将行星的轨道近似为圆轨道,该节后面安排“科学足迹”:人类对行星运动规律的认识．② 太阳与行星间的引力,主要内容有太阳对行星的引力,行星对太阳的引力,最后为太阳与行星的引力,其后还有“说一说”:如果要验证太阳与行星之间引力的规律是否适用于行星与它的卫星,我们还需要观测卫星运动的哪些数据．③ 万有引力定律,主要内容有月—地检验,万有引力定律,引力常量．④ 万有引力理论的成就,主要内容有“科学真是迷人”,计算天体的质量,发现未知天体．⑤ 宇宙航行,主要内容有宇宙速度,梦想成真,后面有“科学漫步”:黑洞;“STS”:航天事业改变人类的生活．⑥ 经典力学的局限性,主要内容有从低速到高速,从宏观到微观,弱引力到强引力,后面还有“科学漫步”:时间和空间是什么;“科学足迹”:牛顿的科学生涯．每节都有几张插图,书的右侧还有小字辅助说明,每节后面的问题与练习一般有3-4题,但本章没有一道例题分析．

2.2 《PPP》教材中的“万有引力”

在《PPP》教材中该章首页的内容也很丰富,有内容提要,学习本章的意义,一幅插图,还有想一想(描述哈勒——波普慧星的轨道),物理在线等．

“万有引力”是《PPP》教材中的第7章内容,共2节．① 行星运动与万有引力,该节主要知识点为:开普勒定律,牛顿万有引力定律,万有引力和开普勒第三定律,测量万有引力常量．② 万有引力定律的应用,该节主要知识点为:行星和卫星的轨道,重力加速度,引力场,两类质量,爱因斯坦的引力理论．在教材中先讲解知识点的内容,再配以几张图片,然后举一道例题,后面跟几道相应的习题练一练,知识的内容环环相扣．在本章后面还安排了一个“物理学前沿”:黑洞．紧接着本章的复习指南:列出了二节中要掌握的重要概念．第七单元测评:有绘制概念图,理解概念,应用概念,问题解决,复习提高,理性思维,科技写作和日积月累等8个方面,共有82道题．最后为标准化测试:5道选择题和1道计算题．

在《PPP》教材中第7章还安排了3个实验(每章都安排3个实验)．第1个实验为起步实验:作图描述水星的运动轨迹,即根据书中水星轨道的数据按一定比例作出水星的运动轨迹．第2个实验为迷你实验:失重的水,分预测、检验、描述和解释．第3个实验为物理实验(相当于我国的学生实验):建立行星和卫星的轨道模型,具体有目标,安全警示,实验器材,实验步骤,分析,结论与应用,进一步探索,生活中的物理学．

2.3 教材编排对比

教材是学科的科学思想、科学知识、科学方法和科学品德的重要载体,是帮助教师和学生认识世界、获得发展的一种媒介．在科学探究视角下,《物理》(必修2)与《PPP》教材在“万有引力与航天”这一章就以下各方面进行比较．

(1) 章节内容比较．《物理》(必修2)与《PPP》均采用“章—节”方式的编排结构,两套教材章节的设置从知识、能力和方法上,都遵循循序渐进的原则,让学生逐步掌握知识、提高能力．

《物理》(必修2)在“万有引力与航天”这一章中知识点覆盖面较广,知识体系完整,为学生提供了丰富的学习内容,使得学生在学习中更有系统化．人教版的教材注重科学探究,因此,我们在实际教学中,要整合与优化教材的内容,降低教学难度,引导学生科学学习和正确思维．

《PPP》在“万有引力”这一章中内容安排,知识点比人教版少,但也较为完整,增加了“建立行星和卫星的轨道模型”的实验．《PPP》体现了自然学科学习的一般途径:对某一方面的基本概念、基本规律作系统的了解和认识,使学生达到一定知识积累,在此基础上再进一步学习和领悟知识间的内在联系,逐步将知识内化为能力．

(2) 栏目设置比较．《物理》(必修2)与《PPP》都设置了丰富多彩的栏目．从栏目设置的功能上两者有明显的区别,体现了不同的设计理念．① 从“活动性栏目”设置来说,《物理》(必修2)的栏目基本围绕活动展开(有实验、做一做、说一说、思考与讨论),《PPP》的栏目以起步实验开始,中间设有挑战性问题,以物理实验结束．② 从“方法性栏目”设置来说,《物理》(必修2)没有设置显性的方法性栏目,只是在教材中以隐性的、潜移默化的方式培养学生的学习方法;《PPP》每节有明确的学习目标、关键术语,有问题解决策略栏目,给学生以物理方法的指导．③ 从“阅读性栏目”设置来说,两套教材都非常注重物理与科技、生产、生活实际的联系．《物理》(必修2)有科学漫步、科学足迹和STS 3个栏目．《PPP》有技术与社会、未来技术、工作原理和物理学前沿4个栏目．就栏目设置来说《PPP》要多一个．但就这一章来说,人教版有5项阅读,而《PPP》只有一项,可见《物理》(必修2)在拓展学生的课外知识明显多于《PPP》．

(3) 实验编排比较．对比两套教材在同一实验的设置,我们发现《物理》(必修2)的实验设计对实验过程、实验数据处理及误差分析都有严格而又专业的要求,这样的设计有利于培养学生科学探究能力,培养学生严谨的科学态度．《PPP》的学生实验往往给学生提供的是生活化的实验器材,对于实验方法和结论是开放性的．完成实验后,学生还可通过“进一步探索”和“生活中的物理学”对实验做更深入的思考与讨论．《PPP》的设计始终围绕动手与动脑．以“万有引力与航天”这一章教学来说,《物理》(必修2)只安排了一个做一做小实验,而《PPP》则安排了3个实验:起步实验、迷你实验和物理实验,明显多于《物理》(必修2)．

(4) 插图设计比较．《物理》(必修2)与《PPP》的插图均图文并茂,类型多样,每一幅图片都与实物有效对应,这体现了自然现象、科技进展、生产生活等方面的内容．《物理》(必修2)更偏重于人物、实物等方面的插图,让学生有更感性的认识．《PPP》则更注重实验器材的插图,让学生从理性的角度去思考物理问题．而且《PPP》教材在培养学生学科素养方面较为重视学科建模能力和学科间知识的融合．

(5) 章末设置比较．《物理》(必修2)将物理实验和拓展性阅读材料穿插在正文中,在章末没有设置专门的栏目．《PPP》在章末安排了物理实验、物理学前沿、复习指南、测评和标准化测试．《PPP》的章末设置给我们带来的启发是:这样的设置有利于发挥提纲挈领的作用,能更好地巩固学生的基础知识,加深对物理概念的理解和应用．

3 研究的意义

通过对中美高中主流物理教材比较研究,采用科学探究方法,反思我国现有物理教材编排的优势和存在的不足,借鉴美国物理教材编排的好的方面,探索贴近现实教学需求,切实转变目前教学的不足之处,以利于培养学生的物理核心素养．通过比较研究,我们认为在今后的教材编排与教学中要处理好以下3个关系．

3.1 知识与智慧

目前,我们的教材和教学重视的是知识传授,而较少考虑学生学习方法,如何让学生从知识层面上升到智慧层面．教材不仅是传授知识的载体,而且是培养学生科学探究能力、提高学生的思维能力、增强学生持续学习能力和创新能力的载体．因此,我们在教学中要充分挖掘现有教材优势,吸取美国教材的好的方面,为教学服务．

3.2 实验与实践

物理是一门以实验为基础的学科,加强实验教学只是物理教学的一部分,培养学生的实验能力其实也不是教材编排的最终目的,而是要让学生在今后学习和工作中要有实践能力、探究能力．美国课程的中小学在科学领域的核心素养为“科学与工程的实践”,这里的实践既包括物质性的动手,也蕴含科学理性思维和创造性思维在内的动脑．教学的聚焦点要从实验上升为实践,其意义在于:避免学科知识过多地作为累积的既定事实,而应强调建构物理模型,增强物理学科讨论与评价的实践能力．

3.3 融合与综合

我们目前的教材比较注重学科融合．融合是指将两种或多种不同的事物合成一体．学科融合是指学科间的融合及科学与科技的融合,还是科学知识与科学态度、科学方法、学生的情感和价值观等方面的融合．综合是指将已有的关于研究对象各个部分和层次的认识联结起来,形成对研究对象的整体认识．从培养学生物理核心素养来说,对学生进行学科融合教学,提升到综合教学,最终要促成学生综合思维的发展,以此提高学生的核心素养,培养学生成为全面发展的高素质人才．