核心素养视域下高中物理新旧教材分析

常金燕 陈志华 林秀敏 黄艳红

摘   要：以“超重和失重”為例，基于物理学科核心素养视角对新旧人教版高中物理教材进行对比分析。结果表明新教材在物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任上都进行了体现和深化。内容呈现更丰富、编写思路更清晰，更有利于培养学生物理学科核心素养的需求。

关键词：核心素养;新旧教材;超重和失重

为落实立德树人根本任务，《普通高中物理课程标准（2017年版）》（下称2017版课标）提炼出学科核心素养并进行水平划分，此后各版本高中物理教材均以此为指导文件进行了重新修订。本文通过对比人教版新旧两版教材中“超重和失重”的内容，浅析新教材如何更好体现培养物理学科核心素养——“物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任”的需求，帮助教师理解新教材的编写意图，从而在教学中更好地运用教材。

1  新旧教材内容对比

对比新旧教材差异之处，能帮助教师体会其改进意图，用好教材，把握教学侧重点。本文选用人教版2019年和2010年出版的高中物理教材作为对比版本。“超重和失重”作为力学部分的重要内容，均安排在两版教材的必修一中。但在新教材中，其所处章节及知识点的编排都做了相应调整，如表1所示。

1.1  .栏目设置

栏目的形式和内容是教科书课程目标与教育理念的重要载体[ 1 ]。旧教材中，“超重和失重”仅以第四章第七节中的一个知识点呈现，围绕一道例题展开论述，未设置相关的其它栏目。而新教材将其重新规划，扩展为第四章中完整的一节，设置了以下栏目：问题、思考与讨论、做一做、例题、练习与应用。与旧教材相比，新教材的栏目设置更注重情境创设及情境的丰富性，更利于培养学生的物理学科核心素养;问题搭建更加符合学生由简到难的思维进阶过程，思路更加清晰，分析更加透彻，更能拓宽解决问题的思维方式;而选择贴近生活且借助严谨有效的器材进行探究的物理实验，更能帮助学生科学态度的形成。

1.2  教材内容呈现

旧教材中，“超重和失重”所占篇幅较小，其定义由一道牛顿运动定律的应用例题引出。该例题讨论了电梯加速上升、加速下降或减速上升时人对电梯地板的压力，然后将该压力与人的重力进行大小比较，给出了超重与失重、完全失重的定义。在教材右侧的高亮部分给出了生活中学生容易观察到的超重或失重现象：人站在体重计上下蹲或起立过程中，体重计示数会发生变化。同时强调了地球对物体的实际作用在超重或失重现象中都是保持不变的。

新教材中，“超重和失重”所占页面明显增多，内容更加丰富。“问题”栏目选用体重计示数变化来引入新课。正式教学以介绍两种重力测量方法展开，接着分析问题：人在体重计上运动，体重计示数为何会变化？应用牛顿第二定律和第三定律求解视重，比较视重与重力的大小，自然引出超重与失重的定义。在“思考与讨论”栏目中，给出了人下蹲或站起时力传感器示数随时间的变化曲线，让学生根据曲线分析超重与失重。在“做一做”栏目中，让学生在电梯中测体重，观察体重计示数。随后给出例题，同旧教材一样计算电梯匀加速上升时人对电梯的压力，不过新教材给出人的具体质量和电梯加速度的大小，与“做一做”栏目紧扣，更直观地分析了其中的超重与失重现象。最后描述完全失重状态并拓展学生视野，并介绍其它领域的超重与失重现象。

2  核心素养的具体体现

2.1  呈现方式，凸显物理观念

从章节名称来看，旧教材必修一的第四章为《牛顿运动定律》，介绍了牛顿运动三定律，注重知识模块的完整性;新教材第四章为“运动和力的关系”，只介绍牛顿第一定律和第二定律，其实更加关注物理观念间的联系。牛顿第三定律虽然也涉及力，却与运动无关，与本章主题不合;分析超重、失重现象就是在运动中分析力，与本章主题完全契合。因此，整合章节时，新教材删去“牛顿第三定律”，单列一节“超重和失重”。显然，新教材更突出体现了“运动与相互作用”之间的关系，意在提升学生应用运动观念和相互作用观念描述和解释自然现象的能力。

从情境呈现来看，新旧教材在引入超重和失重现象时，都结合了生活情境：体重计与电梯。但是旧教材以例题展开，直接将生活情境抽象简化为具体物理习题，学生的思考完全按照习题意图进行：应用牛顿第二定律解决物理问题，缺少自我升华的过程。新教材则给予学生更多理解思考的空间，描述现象、提出问题、搭建支架、逐步分析、归纳总结、类比应用。让学生直观地感受到体重计的示数变化是由于人的运动状态发生了变化，从而进一步地思考运动和力之间到底是什么关系，培养运动与相互作用观念。除了体重计，还创设了电梯、力传感器等情境。当然，分析这些情境时必然需要运用牛顿运动定律，但新教材的这种安排更强调运动和由相互作用而产生的力之间的关系。

2.2  内容编排，利于培养科学思维

“科学思维”包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新[ 2 ]。

对比旧教材，新教材中超重和失重作为完整的一节内容，其编排上有了较大改变，内容呈现顺序更符合学生接受新知识的思维过程，能够更大限度地培养学生科学思维。新教材为了自然引入超重与失重现象，增加了“重力的测量”这部分内容，这属于模型建构过程。

“重力的测量”介绍了两种测量重力的方法：一种是利用牛顿第二定律;另一种是利用力的平衡条件。根据力的平衡条件可知，当被测物体静止时，其所受重力等于测力计示数;当物体不处于静止状态时，测力计示数与物体实际重力就不再相等。若测力计示数（即视重）大于重力，定义为超重现象;若示数小于重力，则定义为为失重现象。根据该依据去判断、得出结论的过程，就是科学推理的过程。

此外，笔者通过阅读与此章节相关的文献和教辅参考书，多次看到这样的结论：当物体具有向上的加速度时，其处于超重状态;反之，当物体具有向下的加速度时，其处于失重状态[ 3 ]。这时，为了培养学生的质疑能力，提出问题：上述结论（以下称二次结论）是否具有普适性？教学中可以创设这样一个情境：第四代战斗机的加速度已经达到7 g（g为重力加速度）以上，当飞机以7 g的加速度向下加速时，判断此时被固定在座椅上的飞行员处于超重还是失重状态[ 4 ]。根据超、失重的定义，飞行员应属于超重状态;而根据二次结论，飞行员处于失重状态，显然在此情境中二次结论不适用。进一步分析论证可知此二次结论成立的条件为：物体所受支持力（拉力）与重力方向相反。因为需要比较的是物体所受重力及支持力（拉力）的大小，而加速度方向只能表示物体所受合力方向。当重力与支持力方向相反时，合力方向确实能表示二力的大小关系;但若二力方向一致，仍利用加速度方向来判断二力大小，则为谬论。由此得出结论，物体处于超重或失重现象的判断依据，需从物体所受重力及支持力（拉力）的大小进行分析，不能仅根据加速度方向来判断。飞行器这个情境的提出，不仅能促进学生质疑创新能力，更能培养学生科学论证的能力。

新教材教学内容的最后，還有这样一句话：“超重和失重现象在实际中还有许多，请你通过读书、上网、请教专业人员等多种途径进一步学习和了解”[ 5 ]。这有意识地给学生打开一个窗口，不将超重与失重现象局限于教学过程中所涉及的情境。教师可以充分挖掘这句话的含义，从多角度激发和培养学生的质疑创新能力，启发学生思考斜面上运动的物体、水平方向上运动的物体，是否存在超重、失重现象。同时，这种不对学生提出具体硬性要求、学生可根据自身情况自主学习课堂之外内容的做法，更利于学生的个性发展。

2.3  倡导实验，促进科学探究能力

众所周知，物理是一门实验科学。2017版课程标准对此节内容的要求也体现了实验的重要性：通过实验，认识超重和失重现象[ 2 ]。旧教材也涉及探究能力的培养，提出人在体重计上运动时有超重、失重现象，但寥寥几句未做更多的解释。新教材中增设了思考与讨论、做一做两个栏目，给学生循序渐进地理解超重和失重搭建了很好的支架。

随着科学的发展，更准确更先进的测量仪器、测量方法不断呈现，新教材将其吸纳，让学生了解新事物。新教材的思考与讨论栏目中，用力传感器代替体重计，实时采集下蹲和站起过程中人对传感器的作用力，并通过计算机描绘出力随时间的变化曲线，如图1所示，然后请学生分析其中的超重和失重情况。该问题能够很好地培养学生的科学探究能力。由图1学生根据牛顿第二定律和力的平衡条件可以判断人的运动状态和视重与重力大小关系间的对应关系，最后再根据定义判断失重或超重状态，如表2所示。在整个探究过程中，可以采用分组讨论的方式，对视重变化原因给出合理充分的解释。本栏目可呈现出科学探究维度中问题、证据、解释、交流四大要素[ 6 ]。

而做一做栏目让学生自行实验：在电梯地板上放一台体重计。站在体重计上，观察电梯启动、制动和运行过程中体重计示数的变化[ 5 ]。教师可通过让学生提交实验报告的方式，检查学生自行实验的结果，促进学生提出问题、收集证据、处理数据、理论解释、合作交流、实验反思等能力。

2.4  结合前沿科技，培养科学态度与责任

“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素[ 2 ]。

旧教材只分析了直线运动中的超重与失重现象，易给学生留下这两种现象只在直线运动中存在的错误认知。而新教材在本节末尾列举了其它领域的超重、失重现象，如火箭发射、航天器绕天体飞行等。既包含火箭的直线运动，也含有航天器的曲线运动，使学生清楚地知道超重与失重并不只局限于直线运动中，更进一步认识超重与失重的科学本质。新教材列举的这些内容与后续必修第二册中的第六章第四节“生活中的圆周运动，航天器中的失重现象”形成合理的衔接。此外，新教材中“超重和失重”的内容安排从与日常生活息息相关的现象开始，到航天前沿科技结束，可以让学生更深刻地体会物理与自然及人类社会之间的密切关系、物理对国家进步和国家安全的重大作用，培养学生树立正确的科学态度，激发其为实现中国梦而努力学习的担当和社会责任感。

3  结果和讨论

“重力的测量”内容看似简单，但其实是必不可少的基础教学内容，不仅能帮助学生正确理解超重和失重现象，更能使学生深刻认识运动和力之间的关系。因此，新版人教版教材对于“超重与失重”此节内容在页面篇幅、内容编排、栏目设置等方面的改动较大。新版教材的呈现方式更利于教师正确把握“超重、失重现象的判断依据”这个教学重难点，帮助学生建立正确的运动观和相互作用观;内容编排上更符合学生接受新知识的思维过程，更利于培养学生的科学思维;新教材倡导学生自行实验，有助于培养学生的科学探究能力;此外，新教材注重结合科技前沿，利于培养学生树立正确的科学态度与责任。总之，通过对人教版新旧两版教材的分析可知，新教材更有利于培养学生的物理学科核心素养。

参考文献：

[1] 印晓明，戴加成.人教版高中物理教材编排变化及教学启示[J].物理教师，2020，41（10）：7-9，13.

[2] 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.

[3] 夏有超，聂义友，周新雅.“超重与失重”的生活化教学设计[J].中学物理教学参考，2020，49（8）：60-61.

[4] 周蓉娟.超重和失重的产生条件及其本质[J].物理教师，2005，26（6）：40.

[5] 彭前程.普通高中教科书物理·必修（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[6] 张新华.教学设计视角：关注学生的物理核心素养[J].物理教学，2016，38（5）：7-10，15.