科学探究视角下高中物理新教材的比较

胡惠琪 刘健智

摘  要：对新人教版和新粤教版高中物理必修二《抛体运动》一章中科学探究相关内容的选取与编排进行了统计，比较分析后发现两版新教材各具特色，但对科学探究水平的要求均偏低，且探究过程不够完整。新教材编写应增强实验的开放性，并完善科学探究的一般过程。教师在使用教材时应结合学生学情灵活处理教材，并结合各版教材的优势精选教学内容。

关键词：科学探究;高中物理新教材;教材比较;抛体运动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）8-0023-5

为了促进学生核心素養的有效提升，增强学科的育人功能，教育部于2017年印发了高中各学科的新课程标准。各学科的新课程标准都提出了“学科核心素养”的新概念及内容。其中，物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”四个方面[1]。科学探究是有效提升学生物理学科核心素养的途径，是各国课程改革的核心。

1    问题的提出

1.1    科学探究的水平层次

科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、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，主要包括问题、证据、解释、交流等要素[1]。在《普通高中物理课程标准（2017年版）》[1]（以下简称新课标）的附录1中，科学探究能力被分为5种水平。新课标详细地说明了各水平的表现，并以此作为教学评价的标准。其中，“水平1”要求具备问题意识;“水平2”要求能根据已有方案进行实验探究，并形成结论;“水平3”要求能在协助下制订方案，并形成结论;“水平4”要求能独立制订方案，并形成合理结论;“水平5”要求能面对真实情境，制订有新意的探究方案，并形成合理结论。

1.2    研究的问题

为了在教学中落实“提高学生科学探究能力”的新课标要求，各新版高中物理教材于2019年出版。为了发现各新版教材在培养学生科学探究能力方面的特色和不足，继而给出教材编写和使用的建议，笔者以高中物理必修二《抛体运动》一章为例，从科学探究的视角对比了新人教版[2]和新粤教版[3]教材的内容选取与编排情况。

2    教材的比较

相比于《普通高中物理课程标准（实验）》[4]（以下简称旧课标），新课标对《抛体运动》一章的内容要求有较大的变化，明确提出要“通过实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件”“通过实验，探究并认识平抛运动的规律（必做）”[1]，旧课标中没有相关的科学探究要求。因而，在科学探究方面，各版本新、旧教材之间有较大的变动，且各版本新教材有不同的内容选取与编排特点。以新人教版和新粤教版教材为例，两版高中物理必修二《抛体运动》一章中科学探究相关内容的选取与编排如表1所示。

通过分析教材内容，整理出《抛体运动》的每一节中与科学探究相关的内容，并以新课标中科学探究能力的5种水平划分为依据，确定表1中的每一个科学探究内容的水平层次。

2.1    数据统计与分析

统计出表1中两版教材《抛体运动》一章中科学探究内容的总数及其水平的平均值、标准差、众数，统计结果如表2所示。

由表2可知，新人教版教材中科学探究相关内容的总数比新粤教版教材要多一些。分析科学探究内容对应水平的众数可得，两版新教材中处于“水平2”的科学探究内容居多，且新人教版教材中处于“水平1”的科学探究内容也很多。再者，利用双总体独立小样本t检验公式，对两版新教材中科学探究相关内容对应水平的平均值进行差异性检验，得出二者的平均值无显著差异，即两版新教材对科学探究水平的要求相当，皆处于水平2附近，且在水平1至水平3之间浮动。

结合表1内容与上述统计结果可知，两版新教材《抛体运动》一章中的每一小节都含有不同水平的科学探究的相关内容，但两版教材对科学探究的水平要求普遍较低。此外，第一小节中，关于曲线运动速度方向及运动条件的探究，两版教材提供了相似的方案。除此之外，在余下几节内容中，两版教材科学探究相关内容的选取与编排有各自的特点。

2.2    新人教版教材的特点

经过对比分析发现，新人教版教材中科学探究相关内容的特点体现在“问题”栏目和“探究平抛运动的特点”。

（1）“问题”栏目

新人教版教材中，每节开始都有“问题”栏目，用以针对该节内容提出一个有待解决的与真实生产生活实际相关的问题。例如：“抛体运动的规律”一节内容中，创设一个排球比赛的情境，问学生如何估算排球的落地点和落地速度。该栏目是新人教版教材的突出特点，落实了“提升问题意识”“培养解决实际问题的能力”的新课标要求。此外，“问题”栏目还可以用以引入新课，指导教师采用生活化的、以问题为中心的教学理念开展教学，并让学生以该问题为中心学习新课。

（2）探究平抛运动的特点

新人教版教材中，“探究平抛运动的特点”是一节探究性实验课，但其教材内容有别于传统实验课，并没有提供详细的方案，仅提示了学生完成该次实验探究的步骤，这就是对第3水平科学探究的要求，让学生创设实验方案，并能归纳结论，最后对探究全过程做交流展示，而教师仅做引导和帮助。而在新粤教版教材中，则是先从理论层面分析了平抛运动的特点，再给出具体实验方案，让学生做实验进行验证。这种实验编排的探究性较弱，对学生科学探究水平的要求较低，适合能力较弱的学生做参考“学材”。

2.3    新粤教版教材的特点

经过对比分析发现，新粤教版教材中科学探究相关内容的特点主要体现在“运动的合成与分解”“生活和生产中的抛体运动”两部分内容。

（1）运动的合成与分解

新粤教版教材中，研究曲线运动的一般方法以及运动的合成与分解方法，都是引导学生做探究性实验得到的。首先，类比力的合成与分解，使学生提出运动也可以进行合成与分解的猜想，再通过教材提供的实验方案（图1），证明曲线运动的分运动是相互独立的，即证明了运动可以进行合成与分解。然后，顺势提出“运动的合成与分解方法是什么”这一问题，再让学生通过教材提供的实验方案（图2），探索出运动的合成与分解遵守平行四边形法则。以上两个探究性实验的思维逻辑性强，能为培养学生第2水平的科学探究能力提供有效参考。

新人教版教材则是通过蜡块演示实验（图3），引出如何在直角坐标系中研究二维运动，以及运动的合成与分解的定义，并直接告知学生此即为研究曲线运动的一般方法。对比之下，新人教版教材缺乏探究性，且演示实验中蜡块的合运动是直线运动，用其作为《抛体运动》一章中的例子缺乏代表性，不利于学生构建抛体运动的模型;同时，作为“抛体运动”的内容，显得“文不对题”，犯了文本的逻辑性错误。

（2）生活和生产中的抛体运动

新粤教版教材中，专门用了一节的篇幅分析生活和生产中的抛体运动，包括喷泉、传送带输送、跳远中的抛体运动分析。关于柱形喷泉，教材要求学生设计方案估算喷泉的水从喷出到落地的时间，这是对科学探究第3水平的要求。关于跳远中抛体运动的分析，教材给出了具体的实验方案，让学生进行实地跳远实验，探究影响跳远距离的因素，在解决实际问题的同时，使学生养成第2水平的科学探究能力。而新人教版教材中，关于抛体运动的实例分析较少，多出现在例题中。对比之下，新粤教版教材更重视让学生在真实的情境中通过探究解决实际问题。

3    科学探究视角下的教材编写与使用建议

经过对比分析发现，新人教版和新粤教版教材都基本落实了新课标中“培养学生科学探究能力”的要求，且两版教材各具特色。新人教版教材重视培养学生的问题意识和设计实验方案的能力;新粤教版教材重视培养学生的思维方法和解决实际问题的能力。在编写或使用教材时，可以互相参考，取长补短。

3.1    教材编写建议

综合分析两版新教材，发现均存在两个问题：①科学探究水平较低;②科学探究的过程不够完整。

基于这两个问题，提出两点教材编写建议。

（1）增强实验的开放性

根据上文对表2的分析可知，两版教材“科学探究”内容的水平偏低，皆处于1～3水平，且处于水平2的居多，其原因在于实验的开放性不足。《抛体运动》一章中，除了新人教版教材中关于“平抛运动特点”的科学探究以及新粤教版教材中“估算柱形喷泉的水从喷出到落地的时间”之外，其余的实验探究都有具体的实验方案，学生只需要在理解实验目的和原理后，动手实验、处理信息并归纳结论即可。这种学生实验虽然有助于学生掌握实验方法，但却不利于学生创造力的提高。虽然教材中可以列举多种实验方案，使学生意识到创新、创造在科学探究中的重要意义，但是学生创造力的提高是需要实操练习的，只有多设置开放性的科学探究问题，增强实验的开放性，让学生在真实情境中发现不同的物理问题，并给出科学假设，进行创新性的实验方案设计，才能切实训练学生的创造力，使得科学探究的层次上升到更高水平。例如：美国教材《物理：原理与问题》里的学生实验多采用生活化的器材，实验方法，甚至实验结论都是开放性的[5]。如让学生制订方案，探究垒球运动中，中场手如何扔球给本垒处的捕手才能使球在跑垒者之前到达[6]。

（2）完善科学探究的一般过程

科学探究的一般过程至少要有提出问题与假设、制订方案、处理信息、归纳结论、解释交流等环节。但两版教材科学探究的过程不够完整。以上环节应该都是由学生在教材的指导下完成，教材只起到为学生搭建脚手架的作用。若教材代替学生提出问题，那么学生的提问能力就无从培养;若教材代替学生归纳结论，那么学生的归纳总结能力也难以提高。因此，教材中科学探究内容的编写，应注重其语言的引导性，多用引导性的话语驱动学生的思维，而不是取代学生进行探究，造成学生学习过程中科学探究环节的缺失，影响其对科学探究本质的感悟。此外，教材中的科学探究过程普遍缺乏“解释交流”这一环节。即使是新人教版教材中，探究过程较为完整的关于“平抛运动特点”的探究，其探究环节到“数据分析”就戛然而止了，缺失了“形成结论”和“解释交流”这两个重要环节。高水平的科学探究要求学生能对探究的过程和结果进行交流，如利用文字、图表、公式等形式，针对问题提出、方案设计、信息处理、结论形成、问题反思等环节进行交流讨论[7]。因此，在教材中应注重完善科学探究的过程，才能全方位提升学生的科学探究水平。

3.2    教材使用建议

教材是教学的重要媒介，为教学提供内容和方法上的重要参考，但教师在教学时要学会灵活地使用教材，而不能刻板地“教教材”。为了更好地发挥出新教材中科学探究相关内容的教育功效，下面给出两点教材使用建议。

（1）结合学生学情，灵活处理教材

学生具有个体差异性，不同学生科学探究水平不同，因此，在教学中教师要在充分了解学生的水平后，基于其最近发展区，改变教学内容和方法。例如：探究“平抛运动的特点”时，如果学生科学探究水平较高，就可以完全按照新人教版教材中该节的内容安排，让学生合作制订方案，并让各学生小组展示其探究过程和结果。如果学生能力水平较低，在教师的提示下仍不能完成探究方案的设计，则可以采用师生合作的方式，由教师提供实验方案，学生理解实验原理后再动手探究。此外，如果学生水平较高，对于教材中已经提供了实验方案的科学探究，教师也可以让学生对教材中的方案进行改进，甚至提供创新性的实验方案。综上，教师在教学中可以根据学生学情设计教学环节，灵活地增添或删减教材中没有或已有的内容。

（2）结合各版教材优势，精选教学内容

不同的教材特点各异，教师应当对我国主流的几版教材做充分的了解，除了选用其中一版作为主教材之外，其余版本的教材则可以作为教学的补充参考。例如：某地使用新人教版物理教材进行教学，如果学生不理解为何运动可以分解，或者不知道运动该如何分解，教师可以参考新粤教版教材中该节的两个探究性实验，以探究的方式解决的学生疑惑。

此外，若教学需要，教师甚至可以自编教学内容材料，并鼓励学生主动利用网络资源或课外书籍答疑解惑，拓宽知识面。如学习“超重与失重”时，可以让学生观看陈冬、景海鹏在天宫二号中的生活视频，以及电影《神话》中完全失重的片断[8]。

参考文献：

[1]中華人民共和国教育部. 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]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 普通高中教科书物理必修第二册[M]. 北京：人民教育出版社，2019：1-21.

[3]熊建文. 普通高中教科书物理必修第二册[M]. 广州：广东教育出版社，2019：1-24.

[4]中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（实验）[S]. 北京：人民教育出版社，2003.

[5]卞望来.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[J]. 物理教师，2019， 40（07）： 66-68.

[6]陆雪娇. 中美高中物理教材中实验的比较研究——以“抛体运动”为例[J]. 物理通报，2018（05）： 99-102.

[7]吕虎.发展学生物理科学探究素养的实践[J].物理教学，2018，40（11）：41-44.

[8]蔡继新.利用信息技术培养学生物理核心素养的研究[J].中学物理，2017，35（13）： 43-45.

（栏目编辑    刘   荣）