中美教材渗透物理观念的比较分析 ①——以“静电场”为例

张绮梦 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006)

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出：物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。[1]物理观念包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等，是物理核心素养的重要方面。

教材作为教师教和学生学的重要资源，是物理观念教学的重要载体。本文选取的研究样本为我国的新粤教版、新人教版高中物理教材和美国教材《Physics: Principles and problems》，对“静电场”部分的内容进行比较，分析各种教材中物理观念的呈现情况。

2 中美教材“静电场”部分物理观念的比较分析

“静电场”开启了高中阶段电学内容的学习，起到承接力学、开启电磁学的重要作用，对于学生物理观念的培养具有重要意义。为比较分析三种教材呈现物理观念的策略，笔者在查阅“物理观念”的相关文献后，[2-4]制定静电场部分的教材分析表(表1)，基于操作性定义对相关教材内容进行比较分析。

表1

2.1 物质观念

物质观念是重要的物理观念，从形成不连续物质观念到逐渐发展为连续物质观念，再到更高层次的统一，反映了人类物质观念的不断完善。[5]高二学生已经初步具备从宏观和微观视角去分析事物的能力，但对于看不见、摸不着的场还需要进一步提升认识水平，且大部分学生对这部分知识存在畏惧心理。

三种教材均在正文部分突出静电场的“物质性”和“客观存在”的性质，但引入方式略有不同。新粤教版教材先回顾相隔一定距离的两电荷间存在相互作用力，进一步指明这种相互作用力与接触力的作用不同，引发学生思考电荷间发生作用的机制，在此基础上引出静电场的概念，指明场具有物质性。新人教版教材针对起电机使人的头发竖直散开的现象设问，结合“法拉第提出电荷周围存在电场”的物理史料，交待电场看不见、摸不着的特性，接着运用图示法分析电荷之间通过电场发生相互作用(图1)。美国教材在“LAUNCH Lab”栏目中提出问题：“两个带电物体如何发生相互作用？”将两只气球在衣服上摩擦使之带电，用细线把气球悬挂在墙上，让学生观察现象，接着在正文开头部分引导学生回顾前面学习的万有引力，将静电力与万有引力进行类比，并启发学生思考：“一个力是如何在看起来空虚的空间产生作用的？”并详细地介绍了法拉第关于场的思考，即力具有物质性，电荷在电场中受到力的作用，那么电场也具有物质性，这是逻辑推理的结果。[3]

图1

美国教材利用演示实验引发学生对场的思考，对法拉第提出场的物理史实的叙述更完整，引导性更强，并且在该章开头部分就将电场与引力场相类比，突出类比方法。新粤教版和新人教版教材在正文对电场概念的引导略显苍白，但新粤教版教材能从学生熟悉的生活情境出发，激发认知冲突，通过问题暴露部分学生中存在的超距作用迷思概念；新人教版教材则利用插图化抽象为具体，说明场的作用机制及其客观存在的特性。

2.2 相互作用观念

物体之间的相互作用力包括强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。电荷间的相互作用是学生在高中阶段首次接触到的电磁相互作用，通过库仑定律分析点电荷间的相互作用，会进一步丰富学生对物体间相互作用的认识。

三种教材编写“库仑定律”的逻辑思路和侧重点各不相同。新粤教版教材从建立点电荷的理想模型入手，重视实验，从定性到定量，探究点电荷间相互作用的规律，让学生经历科学探究过程。新人教版教材在“问题”栏目中设计了演示实验，引发学生思考影响电荷之间作用力的因素，融入物理学史，先介绍库仑定律，并在正文部分详细介绍库仑实验，引导学生在思维上经历探究过程。美国教材利用带电橡胶棒，设计对比实验，定性探究静电力与电荷量及其距离之间的关系，接着详细介绍库仑实验的原理，最后联系生产实践，介绍静电除尘的应用。

新粤教版教材在此部分中注重渗透模型思想，重视培养学生的科学探究能力，促进学生物理观念的形成。新人教版和美国教材在“库仑定律”教学框架上较为相近，融合物理学史，促进学生相互作用观念的形成。此外，新人教版教材还以批注的形式显化类比方法，强调类比方法在库仑定律发现中的重要作用。

2.3 运动观念

通过机械运动的学习，学生已经初步掌握了描述物体运动的方法，为学习带电粒子在电场中的运动奠定了基础。然而学生在面对力学和电学的综合运动情境时，常常会出现思维障碍。

新粤教版和新人教版教材都将“带电粒子在电场中的运动”设立为一节，注重联系科技发展与生产生活应用，从带电粒子在电场中的加速再到偏转，搭建合理的难度台阶。新粤教版教材通过对加速器和示波器等的介绍，引导学生认识带电粒子在电场中运动的实际应用。在“观察与思考”栏目，采用阴极射线实验，直观呈现带电粒子的偏转轨迹。在“资料活页”介绍密立根油滴实验，体会密立根的实验方法的精妙之处，加深学生对带电油滴在匀强电场中运动的认识。新人教版教材从学习方法层面提出解决带电粒子相关问题的思考切入点，正文部分侧重于例题的解析，使学生在解决问题中形成运动观念。美国教材没有将“带电粒子在电场中的运动”单设为一节，而是在“电场的应用”中介绍了密立根油滴实验，融入物理学史，引导学生分析带电油滴在匀强电场中的运动情况，掌握油滴所带电荷量的测量方法。

从比较可知，新粤教版和新人教版教材能从学生认知规律出发，设置合理的知识难度梯度，从培养学生运动观念出发，选取教材素材。新粤教版教材还利用直观的实验现象化抽象为具体，提供充足的素材帮助学生形成运动观念，而美国教材在这一部分中渗透运动观念的文本素材较为薄弱。

2.4 能量观念

能量观念包含五个基本观点：能量本质观、能量形式观、能量转化观、能量耗散观和能量守恒观。[6]建构相关物理概念和规律是学生形成能量观念的基础，电势能呈现了能量形式观；电荷在静电力作用下运动中的能量转化呈现了能量转化观和守恒观，电容的充放电过程涵盖了能量转化观，通过静电场章节的学习将加深学生对能量观念的理解。下面以“电势能”为例进行分析。

“电势能”对于初学的学生较为抽象，三种教材都运用类比法帮助学生突破思维上的认知障碍。新粤教版教材引出电势能的概念后，还说明了引力场与重力场的区别。新人教版教材则以批注显化研究能量的方法，即通过电场力做功来研究电势能。美国教材充分利用插图提供直观形象的素材，如图2所示，教材强调物体所受的引力指向地球，选取正、负电荷作为研究对象，构成相互吸引的系统，将负电荷产生的静电场与地球产生的引力场相类比。物体克服重力做功，重力势能增加，正电荷克服静电力做功也将使其电势能增加，进一步类比重力势能引出电势能。

图2

类比是一种重要的推理方法，类比的结论具有或然性。新粤教版教材运用类比方法时能关注两个类比对象的区别，使学生更好地形成正确的能量观念。美国教材关注两个类比对象的属性及其类比方法的内在机理，借助图像模型进一步丰富学生对能量观念的认知。

3 教材使用建议

3.1 注重知识架构，搭建物理观念形成的脚手架

教师在使用教材重组知识时，要重视知识的逻辑性，以实验探究推进，融入物理学史，在知识的学习过程中渗透物理观念。物理知识是核心素养的基础，如果抛开知识，空谈物理观念，那么观念将成为空中楼阁。“皮”(物理知识)之不存，“毛”(物理观念)将焉附。[7]从学生的认知特点和知识水平出发，设计演示实验或探究实验，显化物理学史中蕴含的科学思想，提供实验证据是物理观念形成的基础。

3.2 重视思维方法教育，提供物理观念发展的实践指导

教师要挖掘教材知识背后的思维方法和物理观念，运用话语策略将知识与物理观念进行有效连结。知识的获取与物理观念的形成离不开思维方法，没有思维方法的参与，学生将无法将学科知识结构内化为自己的认知结构。[8]教科书通常以批注呈现方法，而正文部分的思维方法则较为隐性。在教学中，教师可以采取话语策略“显化”思维方法，引导学生经历比较、抽象、分析、概括等思维加工过程，形成物理观念。

3.3 关注学生形成物理观念的认知特点，强化物理观念转化的意识

教师要关注学生物理观念形成的影响因素，筛选教材中引入部分与实例应用部分的素材，进行教学内容重组。若不及时纠正错误的前概念，将造成知识与应用的脱节，更无法形成正确的物理观念。从整合教材的角度出发，选择与生活实际联系紧密或是能引发学生认知冲突的事例，转变学生的原有错误观念，并在应用中强化物理观念。

4 结语

新粤教版、新人教版和美国高中物理教材在“静电场”部分，关于物理观念的渗透策略各有优势。教师要有整合教材的意识，关注学生的认知特点，注重知识架构，重视思维方法教育，促进学生形成物理观念。