刍议新人教版教科书的优化使用

张雪晴 许新胜

摘   要：以新人教版高中物理教科书“单摆”相关知识为研究对象，绘制了该部分知识内容的流程图，从核心素养的视角详细分析了教科书的内容呈现方式，并从结合演示实验与理论推导、强调对简谐运动的活学活用、注重解决实际问题、丰富物理学史相关知识四个方面探讨了教科书的优化使用。

关键词：单摆;核心素养;教材优化;课程标准

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）4-0030-4

根据时代的要求和新课改的理念，2018年教育部印发《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课程标准”），明确将物理学科核心素养的培育作为指引高中物理课程与教学活动的基本目标[1]。2019年人民教育出版社依据新课程标准编写了《普通高中教科书 物理》系列教科书（以下简称“新人教版教科书”）。教科书是落实国家课程标准的最重要的举措和手段，是新课程标准连接教师和教学的桥梁[2]。在核心素养视域下，以教科书相关知识为切入点，对其进行核心素养要素分析，可以将核心素养的培养分解到具体的知识教学中，有利于教师对物理学科核心素养的整体把握，有利于更好地落实物理学科的育人目标。

单摆是物理学中一个重要的结构模型，是运用简谐运动知识解决实际问题的一个典例，是学生深入理解简谐运动的重要载体之一。本文以“单摆”相关内容为例，分析新人教版教科书中学科核心素养的呈现方式，提出优化使用教科书的若干策略，以供广大同仁参考。

1    “单摆”内容呈现流程图

新课程标准的要求是教科书的编排依据，教科书是实现培养目标最直接和最基本的手段，教科书对“单摆”相关知识的呈现逻辑和过程，可以反映出教科书与新课程标准的吻合程度。新课程标准对“单摆”的内容要求为“通过实验，探究单摆的周期与摆长的定量关系。知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系。会用单摆测量重力加速度的大小。”[3]新人教版教科书选择性必修第一册将“单摆”内容分为两节呈现，图1是教科书中“单摆”内容呈现的流程图。

2    “单摆”内容核心素养要素分析

物理学科核心素养集中体现了物理学科的育人价值，是三维目标的整合、提炼与发展，其中既有继承又有创新[4]。依据新课程标准，对新人教版教科书知识进行梳理，确定“单摆”教学内容主要有：单摆模型的引入与建立、单摆回复力的推导及简谐运动的证明、单摆振动图像实验的设计与观察、影响单摆周期因素的实验探究、单摆周期公式的推导、单摆测重力加速度的实验与创新。这些内容与物理学科核心素养要素有如下对应关系，如图2 所示。

2.1    物理观念要素分析

物理观念与物理事实、物理概念、物理规律同属于物理知识，是聚合和抽象程度更高的物理知识，是居于物理学科中心、具有超越课堂教学的持久价值和迁移价值的关键性概念或原理[5]。单摆的运动特征，是在学生通过必修部分的学习初步形成的运动与相互作用观念和能量观念基础上的进一步拓展。新人教版教科书中的安排是：对摆球进行受力分析，求出单摆的回复力为重力的切向分力，然后通过两步近似处理，将回復力表示为F=-kx的标准形式，以此证明单摆在小角度下的运动是简谐运动。这种处理方式，由现象到本质，符合学生的认知规律，有利于学生运动与相互作用观念、能量观念的进一步深化。

2.2    科学思维要素分析

物理学不仅以其概念、规律解释了自然界基本运动的诸多真理，它还在建立这种知识体系的过程中发展了科学思维和研究方法，推动了科学的进步[6]。

科学思维作为物理学科核心素养的重要组成部分，与科学探究一起构成了学生学习物理知识后形成的关键能力与品格。单摆是一个理想化结构模型，是科学思维中模型建构的体现;单摆回复力的推导以及影响单摆周期因素的实验探究，均体现了科学推理相关内容;单摆周期公式的理论推导是科学论证的部分，证明单摆运动的位移-时间图像是正弦曲线，也体现了科学论证的应用;用单摆测量重力加速度的实验器材的改进，是培养学生质疑创新能力的良好平台。单摆相关内容的学习，是学生对简谐运动周期表达式、概念和规律的应用，体现了从抽象到具体的演绎思维方式，并在问题解决的过程中实现知识的结构化。

2.3    科学探究要素分析

科学探究是物理学科核心素养之一，也是学生学习知识、发展科学思维、形成科学态度与责任的手段和途径。探究单摆周期的影响因素是典型的实验探究，新人教版教科书编排时，从单摆的构成要素分析可能影响单摆周期的因素，引导学生利用控制变量法设计实验并探究，定性得到与单摆周期有关的物理量，然后通过作图定量探究单摆周期与摆长的关系。整个实验过程激发了学生的学习兴趣，让学生经历了提出问题、形成猜想与假设、设计实验和制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，在完成实验过程中学生的动手能力、创新能力、科学思维能力等均得到了提升，这与物理学科核心素养体系中“科学探究”的四个要素——问题、证据、解释、交流是高度一致的。

2.4    科学态度与责任要素分析

“单摆”相关内容从多个方面凸显了科学态度与责任的要素。首先，建构单摆模型，是具体到抽象的概括，有利于学生深入理解科学本质;其次，单摆在物理学发展过程中有着不可或缺的作用，如利用它的“等时性”特征制作出钟表，发现准确的计时方法，通过它测量不同地区重力加速度g的值，可以确定地球的形状为扁球形等[7]。另外，单摆的应用和发展也不是一蹴而就的，包含许多科学家的努力探索，相关知识的学习可以对学生形成潜移默化的影响，渗透对学生的科学态度与社会责任的培育。

然而，新人教版教科书仅用“为了找出单摆周期与摆长之间定量的关系，荷兰物理学家惠更斯进行了详尽的研究”及“单摆周期公式的发现，为人类利用简谐运动定量计时提供了可能，并以此为基础发明了真正可持续运转的时钟”两句话简要描述了单摆的研究及应用，在科学态度与责任这一方面渗透较少。

通过上述分析，可以看出新人教版教科书与新课程标准的内容要求是基本保持一致的，因为篇幅等限制，新人教版教科书中未能呈现所有的内容。为了更好地落实核心素养的培育，在实际教学时，教师们可以结合实际，对教科书进行适当优化和补充。

3    优化使用教科书的建议

“单摆”教学内容蕴含着丰富的核心素养要素，结合对教科书知识内容的分析，提出以下几点教科书优化使用建议。

3.1    结合演示实验与理论推导，证明单摆在摆角很小的情况下做简谐运动

学生的认知规律一般遵循由具体到抽象、由感性到理性、由现象到本质的特点，当建构单摆模型之后，直接讨论单摆的运动是否为简谐运动显得有些突兀。实际教学时，我们可以安排学生先观察单摆运动图像，再进行理论推导。这是因为学生已经学习过简谐运动的图像为正（余）弦曲线，根据采集得到的单摆的振动图像近似为正（余）弦曲线，先合理猜想单摆的运动可以近似为简谐运动，然后再推导证明单摆在摆角很小的情况下做简谐运动，更易让学生接受。

3.2    强调对简谐运动的活学活用，引导学生深入理解单摆的科学本质

单摆作为简谐运动的一个特例，其周期公式可以通过简谐运动的周期通式结合单摆的回复力公式推出，许多研究者提出了符合学生认知的周期推导过程[8-12]。教师可以引导学生用不同的方法推导周期公式。此外，新人教版教科书并没有具体解释“摆角很小”，学生并不能理解这个具体的角度范围，而且在后续的实验操作过程中，很可能由于控制不好角度而影响实验结果。新教科版教科书的处理方式为：在“课外阅览”栏目中，通过实际数据对不同摆角下单摆实际周期T与理论计算周期T0进行了比较，从而明确当摆角小于5°时，单摆运动与简谐运动的规律符合得较好。因此，在实际教学时，教师应该在教学中说明此摆角的范围。

3.3    以问题为导向，培养学生的发散思维，注重解决实际问题

教科书有提纲挈领的作用，教师应当突破教科书的框架，创造性地使用教科书。例如，在探究影响单摆周期因素的实验中，我国现行的多版教科书中均未探讨重力加速度对周期带来的影响，然而单摆周期公式中却含有重力加速度g。教师可以引导学生设计实验，探究重力加速度对单摆周期的影响，培养学生的发散思维[13]。还可以提出具体案例，如估算计时准确的摆钟的摆针在月球表面从“1”走到“2”过程中相应的地球时间，引导学生增强创新意识，达到学以致用、解决具体问题的目的。

3.4    丰富物理学史相关知识，培养学生的科学态度与责任

单摆的历史发展凝聚着许多科学家的努力，从伽利略提出单摆运动的四个特征，到马林·梅森通过实验第一次明确提出单摆周期与摆长的平方根成正比，再到最后惠更斯推导出单摆周期公式从而测出巴黎的重力加速度[14]，这些都是培养学生科学态度与精神的良好素材。但新人教版教科书只是在单摆周期公式处提及到了惠更斯的研究，容易让学生误以为单摆的相关研究发现只和惠更斯有关，导致学生对基本的物理学史存在误解。因此，教师在教学时可以进行适当补充，将相关物理学史真实地呈现给学生，从而落实对学生科学态度与责任素养的培养。

4    结  论

综上，以新课程标准为依据，分析教科书，创造性地使用教科书，可以更好地落实物理核心素养，实现育人目标。

参考文献：

[1]于海波.试论物理学科核心素养的内在逻辑[J].物理教学探讨，2021，39（3）：1-3，8.

[2]石鸥，张文.学生核心素养培养呼唤基于核心素养的教科书[J].课程·教材·教法，2016，36（9）：14-19.

[3]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，2018：25.

[4]郭玉英.從三维课程目标到物理核心素养[J].物理教学，2017，39（11）：2-4，8.

[5]王长江，盛洋.高中物理观念教学闲思[J].物理教师，2020，41（9）：2-7.

[6]彭前程.物理学科核心素养的理解与践行——以人教版高中物理教材为例[J].物理教学，2020，42（2）：6-12.

[7]迈克尔·马修斯.科学教学——科学史和科学哲学的贡献（20周年增扩版）[M].刘恩山，郭元林，黄晓，译.北京：外语教学与研究出版社，2017.

[8]刘树权，高东方，王晓元.关于《单摆周期公式》的教学“设计”[J].物理教学探讨，2013，31（6）：63.

[9]顾爱芬，许忠艳，陈晓斌.基于高中数学的单摆周期公式的两种证明[J].中学物理，2014，32（2）：39-40.

[10]张晓丽.用简谐运动的周期公式求单摆小角度摆动的周期[J].物理教师，2017，38（9）：94-95.

[11]明善文，谢泽坤.单摆教学新探[J].物理通报，2020（3）：34-36.

[12]桑健.高中物理“单摆”教学中的三个问题[J].物理教学探讨，2021，39（2）：61-64.

[13]郑满琴，钱长炎，葛林林.核心素养视域下“单摆”一节内容分析及教学设计[J].物理教学探讨，2019，37（2）：28-31.

[14]黄晓.“历史—探究—反思”——谈“单摆”的科学本质教学[J].中学物理教学参考，2014，43（Z1）：40-45.

（栏目编辑    刘   荣）