中外物理教材中概念描述对比研究

仲国虎

(北京市十一学校,北京 100039)

1 引言

物理概念是对物理现象和物理过程的本质属性和内在联系的抽象和概括。物理概念的学习既有利于培养学生的类比迁移能力,也有利于学生深度理解物理现象的本质及其联系,进而形成物理观念,提高科学思维能力。形成、理解、掌握、辨析概念是教学的重要内容和核心任务之一,也是学生学习物理规律的重要基础。

物理概念是真实情境中物理现象解释的出发点,是深度学习开展的基础。IB和A Level等国际物理课程非常重视学生对概念的理解,既要求学生熟知重要概念的表述,更好地理解物理规律,又能够利用概念解释真实情境中的物理现象。

在教学中,学生发现中外教材对同一概念的描述不尽相同,几个留学生和国内学生对此讨论比较热烈。笔者引导学生深入分析、对比中外物理教材中“失重”和“电容器功能”两个概念,让学生在对比中思考概念描述的异同,增强其分析问题的能力,提升其对概念的掌握水平和科学思维能力。

2 失重现象描述的对比与思考

2.1 不同教材对失重描述的异同

国内教材(如人教版普通高中教科书物理必修第一册)普遍将体重计的示数称为视重，反映了人对体重计的压力。物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象,即视重小于物体所受重力,叫作失重(weightlessness)现象；物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象,即体重计所反映的视重大于物体所受重力,叫作超重(overweight)现象；物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)为零的现象叫作完全失重现象。

与国内教材类似,国外教材也普遍把体重计的示数叫作视重(apparent weight)，但是对失重现象的描述则不同,把人对电梯的压力为零的现象叫作失重现象(weightlessness),也就是国内教材中的完全失重现象。

2.2 关于超重和失重描述异同的思考

留学生对超重的理解更偏重医学领域,特指人的体重超过标准体重的情况,而国内的学生更容易接受超重的描述,这是学生们讨论的焦点。如何让留学生更好地接受超重的描述呢?可运用牛顿第二定律分析电梯中体重计示数的变化,让他们更深入地了解：体重计示数有等于、大于和小于物体所受重力的三种情况,超重和失重、完全失重的描述是视重描述的进一步细化,这种描述与理论分析和实验结果是一致的，只是overweight的英文注释影响了留学生的理解。学生在学习过程中通过对超重、失重概念描述的思考,对其综合看待问题的能力提出了更大挑战,是提升辩证看待物理概念和原理能力的有效途径,凸显了概念学习对学生能力发展的重要作用。

3 电容器功能描述的对比与思考

3.1 不同教材对电容器功能的描述

国内教材普遍将电容描述为电容器储存电荷特性的物理量,比如人教版高中物理必修第三册指出:电容表征了电容器储存电荷的特性,电容器所带的电荷量Q与电容器两极板之间的电势差U之比，叫作电容器的电容(capacitance)。

国外不同的教材对电容器功能描述也不尽相同,比如《Physics Principles with Applications》先说明电容器可以储存电荷,之后又说明电容器能储存电能；再比如《University Physics with Modern Physics》写道：电容器通过对电荷做功来储存能量,且特别说明电容器两极板的电荷等量异号,总电荷量为零，并没有出现关于储存电荷的描述，与《Cambridge International AS and A Level Physics》的描述基本相同。在剑桥全球统一考试中有电容器功能描述的题目:为什么电容器储存能量而非电荷?标准答案里严格明确两点：一是根据电荷守恒定律,两个极板上所带电荷的大小相等、符号相反,因而总电荷量为零,故并没有储存电荷；另一个则是正、负电荷被分开到两个极板上,因而对电荷做功,从而储存能量。

3.2 对中外教材电容器功能表述的思考

学生普遍认为：“电容器是储存电能的电学元件”的描述更为合理,而非“储存电荷的电路元件”。因为电容器是个整体,在没有特别说明的情况下,两个极板是一个不可分割的系统,如果说储存电荷是指一个极板上电荷的数量,比如《Cambridge International AS and A Level Physics》在描述了电容器储存能量的功能后,特别强调：“当涉及电容器‘储存电荷’时,所谓的‘储存电荷’是指电容器一个极板所带电荷量。”

在教学中,教师可引导学生站在更高的高度看待物理概念的描述,既然电容的定义为电容器所带的电荷量与电容器两极板之间的电势差之比,那这里所谓的储存电荷是指一个极板所带的电荷量。

教材对概念的描述应严谨,否则就会给学生带来困惑。笔者认为剑桥物理教材的描述更为合理和清晰，既能帮助学生建立准确的电容器的概念,又能清楚地指出“储存电荷”的物理意义。

4 结语

通过优化概念教学可以提高教学效率,发展学生的科学思维能力,是促进学生形成物理观念的重要途径。在国际课程与国家课程融合教学中,学生会阅读国内和国外教材,会学到不同版本对同一概念的不同描述,有时会对学生的学习造成一定的困扰。但是,这也是深化概念教学的契机,引导学生分析概念描述的异同,使其在分析过程中加深对概念内涵和外延的理解,有助于提升学生的核心素养。