美国教材《马祖尔物理学 实践篇》的特色分析与启示

摘"要：埃里克·马祖尔（Eric Mazur）是杰出的物理学家和物理教育学家，其编写的《Principles amp; Practice of Physics》受到物理教育界关注和好评。本文对该教材的“实践篇”进行了结构分析和案例研究，探讨了在中学教学中如何借鉴该教材以提高学生解决真实情境问题的能力，并落实物理学科的核心素养。

关键词：马祖尔物理学；高中物理教学；物理学科素养

1"《马祖尔物理学》概况

1.1"作者与教材出版信息

埃里克·马祖尔（Eric Mazur），荷兰皇家科学院院士，哈佛大学物理学与应用物理学教授，工程与应用科学学院的教学院长，国际纳米光电子学和飞秒激光应用领域的著名学者。他入职哈佛大学后，在原子和物理光学领域开展研究，并在3D超材料器件、非线性纳米光子学、飞秒激光微纳加工等领域取得了重大成果，累计发表论文百余篇，并创立了多家公司。

除了在物理学前沿的研究中取得成就外，埃里克·马祖尔在物理教育研究方面也颇有建树。他提出了“同伴教学法”（Peer Instruction，简称PI），这一教学策略极大地提高了学生在大学物理课堂中的学习积极性，提升了课堂教学的效率与效果，并对“翻转课堂”等后续教学理念有着重要引领作用。为表彰埃里克·马祖尔在物理教学研究方面的贡献，美国物理教师协会决定将密立根奖（Millikan Medal）颁发给埃里克·马祖尔。2014年，埃里克·马祖尔成为密涅瓦高等教育进步奖（Minerva Prize for Advancements in Higher Education）的获奖者。［1］

教材《Principles amp; Practice of Physics》第一版包括Principles和Practice两部分。Principles部分由埃里克·马祖尔著，Practice部分则由埃里克·马祖尔和达瑞·佩迪哥（Daryl Pedigo）共同著作。该书因其先进的教育理念、科学的层次结构、丰富的习题资源，被翻译为多种语言的版本，并在全世界多个国家的大学物理教学中受到好评。

这套教材的中文译本由机械工业出版社出版，中文书名《马祖尔物理学》，分为“原理篇”和“实践篇”两部分，每部分均由上、下两册组成。其中，“原理篇”于2018年出版，“实践篇”于2020年出版。在《马祖尔物理学》中，“原理篇”主要讲授物理知识，阐释物理概念；而“实践篇”主要涉及对知识的应用与解题方法的介绍。将“原理篇”和“实践篇”分开设置，是该书与其他物理学教材的一个显著区别。埃里克·马祖尔认为，独立的“原理篇”有助于提升学生对物理知识、概念本身的重视程度，而独立的“实践篇”专攻习题，能强化学生的解题能力。［2］

整套教材内容上涵盖力学、热学、电磁学、光学等模块。“原理篇”和“实践篇”均为34章。上册包含第1章至第21章，对应力学和热学等内容；下册包含第22章至第34章，对应电磁学和光学等内容。“实践篇”每章内容与“原理篇”一一对应。篇幅上，以中译版为例，“原理篇”的总页数稍多于“实践篇”，分别为1058页和812页，即“原理篇”与“实践篇”的篇幅比例约为1.3∶1。相较于我国各类物理教材，《马祖尔物理学》的“实践篇”里各种类型题目所占的比例是相当大的。

1.2"《马祖尔物理学》内容结构分析

如前所述，《马祖尔物理学》由“原理篇”和“实践篇”组成。二者结构不同，功能各异。“原理篇”的每一章分为“基本概念”和“定量研究”两部分。以第3章“加速度”为例，其整体结构如图1所示。

“基本概念”部分主要建构物理概念、描绘物理图像。“定量研究”部分借助数学工具讲解重要的物理公式与规律，对“基本概念”进行深化。每章一般有7到8小节，这些小节均匀分布在以上两部分中。每个小节不仅介绍主要内容，还会依照内容设置例题、练习和自测点。例题围绕小节重点内容而设计，并和“实践篇”一样提供标准化解题过程，这将在下文说明。练习题给出解答的同时也为学习者留有思考空间。自测点紧跟在教材正文的相关段落后，多为针对相关内容设计的概念或方法类思考题。在“基本概念”与“定量计算”部分之间设置“自测题”栏目，强调关键概念的习得与评价。

“原理篇”将概念学习与定量计算进行科学分割，注重问题的思考分析过程，能够有效帮助学习者筑牢基础，促进物理观念的建构和科学素养的形成。“实践篇”的每章分为“章节总结”“复习题”“估算题”“例题与引导性问题”“习题”等部分。以第3章“加速度”为例，其整体结构如图2所示。

其中，“章节总结”以物理概念为核心，沿袭“原理篇”的“基本概念”和“定量研究”分立设置的模式，将“原理篇”中的知识重组、耦合，帮助学生建构本章知识框架。“复习题”常常创设情境，通过定性问答来检测学生对物理概念的掌握程度，促进学生物理观念的形成。“估算题”给出一定的提示，鼓励学生综合运用知识对生产生活中常见物理量进行近似计算。这不仅贴近生活，还强调问题解决能力与科学思维模式的培养。“例题与引导性问题”部分，先总结典型题目的解题思路，再交替给出例题和引导性问题，起举一反三之效。每道例题后列出标准化的解题步骤，即“分析问题”“设计方案”“实施推导”“评价结果”。引导性问题则是以提问的形式在上述四个步骤中各给出少量提示。将科研步骤与方法渗透于习题中，更好地帮助学生领会科学思维方法。“习题”部分按照不同的小节分别给出对应的练习，并标注题目的难度层级；在各小节的习题内容结束后还提供综合性附加题，供有需要的学生挑战，实现学科能力提升和素养深化。

“实践篇”在强化物理概念基础的同时，侧重于提高学生运用物理知识解决实际问题的能力。题型设置由浅入深、层层递进，不同题型优势互补，全面促进学生物理学科核心素养的提升。

2"《马祖尔物理学"实践篇》的特色分析

2.1"习题丰富，结合真实情境

在《马祖尔物理学"实践篇》中，每章的章末习题约为80道，且绝大多数习题基于生活情境、实践情境展开。这些习题会创设完整的、与个人的学习研究或生活实践息息相关的情境，要求学生查找资料、合理假设、综合运用所学知识进行推演计算，最终解决工作项目中遇到的困难或完成小型课题的研究。

案例1"（第19章第103题）作为实验室工作人员，你要在接下来的三个星期里用到某种腐蚀性气体。气体被存储于6.45 L的球形容器内，容器壁的厚度为10.0 mm。气体的质量是4.00×10－3 kg，每个气体分子的质量是6.054×10－26 kg。存储温度为室温，一般不超过30 ℃，在上网查询以后，你了解到每三百万次碰撞器壁，就有可能引发一次腐蚀性反应。评估该试验装置的安全性。［3］

分析：这道题基于生活中常见的“实验室安全”情境，给出存储容器的尺寸参数和气体的相关信息，要求学生通过计算来评估该试验装置的安全性。题目的设置源于生活、高于生活，不仅能帮助学生巩固热学知识，还使他们在解题后意识到实验室安全问题的重要性。同时，这也鼓励学生利用所学知识发现并解决生活中的问题，体现了“从生活走向物理”“用物理知识解释现象、解决问题”的教学导向。

2.2"例题栏目，引领解题策略

《马祖尔物理学"实践篇》每章都设有“例题与引导性问题”栏目，包含3～5道例题，并配有3～5道引导性问题。例题给出完整的解题过程，帮助学生提炼出一类题型的思路和解法；引导性问题与例题联系紧密，通过一连串的小问题引导学生思考如何解题，是对相应题型的“小试牛刀”。

在《马祖尔物理学"实践篇》中，所有例题与引导性问题的解题过程均由如图3所示的四个步骤组成，即“分析问题”“设计方案”“实施推导”“评价结果”。四个步骤下又细分为具体的小目标，环环相扣，培养学生良好的解题表达能力。下面将以“实践篇”力学部分第5章“能量”中一道名为“澎湃的心跳”的例题为例进行说明。

案例2"（第5章例5.5）你决定构造一个心冲击描记器（ballistocardiogragh），这个装置按照以下原理工作：病人平躺在一块平板上，该平板浮在一块空气垫上以便它可以沿水平方向自由地移动。当心脏水平地沿某一方向供血时，平板和病人则会朝相反的方向运动。对于一名静止的病人，心脏优先向大脑供血。供血所产生的反冲速度可以被测量到，并且该反冲速度可能与你所寻求的医学信息有关，该医学信息即为心脏的供血能力。你预计病人体重最多为1.0×102 kg，已知一颗健康的心脏每次供血时会有2.0 mJ的化学能转化为动能并且输送大约50 g的血液。同时你也可以买一个灵敏度为1.0×10－5 m/s的速度传感器，该速度传感器用于探测平板的速率，你想要使待测的速率比该速度传感器的灵敏度大——比如说大10倍，如果有一名病人平躺在上面的平板上，其最大速率为1.0×10－4 m/s，那么该平板的惯性质量最多可取多大的实际值？假定平板在空气垫上滑动时所产生的任何摩擦都可忽略不计，并且把平板和病人当作一个整体运动。［4］

分析：在书中的解题过程中，第一个步骤“分析问题”引导学生将问题转化为他们熟悉的“爆破分离”问题，明确本题需要利用动量守恒定律；建立与题目情境相对应的物理模型，画出示意图并确定解题需要用到的物理量。这一步骤，需要学生从所给问题情境中归纳已知信息、明确所求对象，考验学生的模型建构、推理论证等科学思维和简化问题的能力。

第二个步骤“设计方案”，在列出动量守恒的关系式后，学生发现仍然存在未知量，联想到能量守恒定律，并分析解题可行性。这个步骤在“分析问题”和“实施推导”之间起到桥梁作用，是从已经建立的模型出发，对解题的进一步思考，引导学生形成问题解决方案。

第三个步骤“实施推导”，学生对第二个步骤中的关系式进行推导与计算，得到题目所求的平板惯性质量。这一步骤训练学生灵活运用数学知识解决物理问题的能力。

第四个步骤“评价结果”，学生将得到的平板惯性质量代回问题情境，分析其取值的合理性；重新审视问题情境，指出解题过程中所作的多个假设，有的合理、有的过度简化。这一步骤培养学生严谨认真的科学态度和质疑创新的科学思维。

本题基于医疗健康领域的真实情境，解题过程详略得当，尤其注重解答前的分析和解答后的检验。这既向学生呈现了正确答案，强调了解决问题的思维路径；又是一种示范，启发学生关注规范化表达。

2.3"估算问题，凸显学以致用

注重对近似计算能力的培养也是《马祖尔物理学"实践篇》的一大特点。研究表明，在科学知识的学习过程中，善于使用估算不仅能促进科学知识的迁移，还能提高快速、有效解决问题的科学能力，帮助学生掌握科学方法、培养独立思考、敢于质疑的科学精神等。［5］以下呈现的是光学部分“波动光学和粒子光学”一章中的一道估算题。

案例3"（第34章估算第9题）当浮在水面上的油看起来是红色的时，该油膜的最小厚度。

（提示：红光的波长是多少？油的折射率是多少？）［6］

分析：这道题要求学生运用所学的光学知识，根据油膜颜色估算油膜厚度，主要考查薄膜干涉现象，结合了光的频率、波长、波速、折射率等物理量之间的关系。题目情境新颖，贴近生活。无论是给出的提示线索，还是所要估算的物理量，都是源自日常生活的常见元素。学生在学习过相关知识后，借助本题的鲜活情境，就能把这些生活中的元素串联起来，体会到物理学在生活中的实用性和趣味性。

《马祖尔物理学"实践篇》中，这样的估算题均匀分布在各个章节，旨在让学生运用本章所学知识通过近似计算解决一些简单的实际生活问题，初步具备获取信息和应用知识的能力。这类建立在实际生活情境中的估算题，是教师践行“生活·物理·社会”理念的优质载体。它们不仅帮助学生巩固学科知识、提升实际问题的解决能力，还能让学生领略物理学科的实用性，增强学生学习物理的成就感和获得感。

2.4"综合问题，指向跨学科性

《马祖尔物理学》中，很多章节都包含跨学科背景习题。例如，在“电场”章节，有关“电偶极矩”的习题引导学生通过计算证明水分子中的氢原子与氧原子形成的是共价键而不是离子键；“电荷的储存”讲解原电池工作的物理、化学机理；“电场线”部分的习题需要学生设计一个能绘制带电体周围电场线的计算机程序。

案例4"（第22章第83题）地球上的所有生物都基于二聚合物系统中的一种，每一个系统都由一种蛋白质和核酸组成。在一个细胞中，这些聚合物大多数都处于电荷平衡状态，其中核酸带一个负电荷，蛋白质带等量的正电荷。现有8个由这种聚合物组成的结构，其中的8个蛋白质聚集在细胞的中心，核酸排列在一个以蛋白质为中心、半径为细胞直径1/4的圆周上。已知其中7个核酸的位置用弧度分别表示为π4，π2，3π4，π，3π2，7π4，2π。如果要让整个系统的电荷分布达到平衡，第8个核酸应该放在这个圆周的什么位置？（提示：可以先作一个草图。）［7］

分析：上面这道习题以生物学里的细胞结构为背景，考查了正负电荷的电势、静电平衡等相关静电学知识和对称性思想。将物理学知识的考查融入生物学背景，不仅让学生耳目一新，还能让学生体会到物理学的基础性、应用性，激发学生对物理学的学习热情。

大量含有跨学科情境的习题，提高学生解决生活中实际复杂问题能力，发展学习者的科学素养，培养更适合现代化社会发展的公民。

2.5"分层设计，适应不同需求

在《马祖尔物理学nbsp;实践篇》中，所有的习题都按照难易程度被划分为三个层级。

案例5"（第30章第40题）你从美国打到德国的电话是通过位于36000 km高度的地球同步轨道上的卫星进行的。从你说“你好”的那一刻到你的问候到达德国的那一刻之间的时间间隔有多长？忽略美国到德国之间的距离。［8］

分析：这道题主要考查学生对电磁波传播速度的记忆，以及一维运动中时间的计算，属于第一层级的习题。在全书中，第一层级的习题基本只涉及单个物理概念，是对本节学习的公式的简单应用，综合性较低。

案例6"（第27章第5题）给你三个条形金属，其中两个是磁铁，第三个是由磁性材料制成，但是没有被磁化。请说明你如何只利用这三个条形金属来判断哪个不是磁铁。［9］

分析：这道题考查了磁铁与磁铁之间、磁铁与未磁化的磁性材料之间的磁相互作用，并需要结合受力分析的知识，它属于第二层级的习题。在全书中，第二层级的习题大多为单个概念的隐性应用或多个概念的简单应用，具有一定的综合性。

案例7"（第24章第13题）引力现象和电现象有很多相似的地方：我们可以将有一定质量的“待测物体”放在引力场中与带有一定正电荷的试探电荷放在电场中进行类比。

（a）画出地—月系统的引力场线，并标出箭头以表明引力场的方向。

（b）考虑由两个带电物体组成的系统。为了使电场线与（a）小问中所画出的引力场线形式类似，每个物体应该携带哪种电荷（正电荷或负电荷）？

（c）你能说出引力现象与电现象之间的区别吗？［10］

分析：这道题考查了电荷相互作用、电场、电场线、引力相互作用、引力场、引力场线等物理概念。这些知识点分布在多个章节，需要学生在电场和引力场之间建立类比联系，并对学生的图样表达能力提出了要求，属于第三层级的习题。在全书中，第三层级的习题涉及对多个物理概念、公式的综合运用，知识点可能会跨章节，要求学生在建构学科知识框架的前提下灵活使用所学知识解决问题，具有较高的综合性。

“实践篇”中，第一、二、三层级习题的比例近似为3∶5∶2，与我国高考命题“易、中、难”的比例要求相符合。多种难度类型的题目，使得该教材的受众范围大大提高。学生可以根据自身学习的实际水平，选取相应难度的习题进行练习，以实现个性化的提高；同时，不同的难度设定也反过来为学生提供了检测学习成果的标准。

3"助力高中物理教学的深入探讨

3.1"重视习题情境创设，提升学生建模素养

首都师范大学邢红军教授曾提出“物理教育生态化”“原始物理问题解决”等主张。普通习题通常是将物理现象和事实经过一定程度的抽象后呈现给学生，学生只需利用物理定律和原理进行演算推导即可得到答案；而原始物理问题只呈现客观物理现象和事实，需要学生自己分析描述问题并进行抽象、建模、设置物理量。［11］原始物理问题与普通习题的一个显著区别就在于习题情境元素的有无以及情境的真实性。人民教育出版社的高中物理教材存在情境类习题目前占比不够高、所给情境与考查知识关联度较低、情境描述真实度较低、与科技前沿结合度较低等问题。［12］但在本文所介绍的《马祖尔物理学"实践篇》中，超过半数的习题基于各种真实情境展开，其中以生活情境和实践情境尤为突出。

中学教师在进行作业设计时，如果能重视习题选择或改编的情境创设，根据习题所考查的知识、能力与素养，选择合适的真实情境，那么学生在习题解答中不仅需要合理运用所学的物理定律和原理，而且需要经历完整的思维训练过程，从真实情境中提炼出核心问题，联系所学并建立相应的抽象模型。这样一来，学生的信息获取与加工、抽象思维和模型建构能力得到提升，习题的育人功能也得以凸显。

3.2"重视例题示范功能，提高学生解题能力

一线高中物理教师在例题讲解时，由于课时进度的压力，通常不会带领学生完整经历解题过程，而是将例题的解答环节交给学生自行完成，最后核对答案。《马祖尔物理学"实践篇》将每道例题的解题步骤都规范为“分析问题”“设计方案”“实施推导”“评价结果”四步，重视解答结果的同时更注重问题分析过程以及解的适切性检验。这启示我们，在进行习题教学时，应重视例题的示范功能。尤其对于初学者，教师应给学生留出足够的分析思考时间，引导学生关注解题的思维过程和解题后的检查环节，切实促进学生解题表达能力的提高。

3.3"重视高等教育资源，做好高中大学衔接

部分一线高中教师常面临以下困惑：他们虽然希望加强学生对情境类习题的训练，但却难以觅得与设问契合度高的情境；他们想要在教学中开展创意探究活动，却难有高质量的想法。高中物理的教学仍被紧紧限制在高考考查范围之中，教师通常不愿接触大学物理的领域。在大学物理的教学中，也总会出现断层——一部分大学教师认为高中应该涉及的内容，学生压根未曾听闻。

事实上，高中物理教学过程中遇到的很多瓶颈，都可以在大学物理中找到有效的解决方案。高中教师在完成日常工作之余，可以从高等教育资源中汲取教学的灵感与创意。虽然知识学习的深度与广度存在阶段性，但教学资源的开发应当是全盘整合的。本文所介绍的大学物理教材《马祖尔物理学》，就是可供高中物理教学借鉴的不可多得的宝贵资源。教师可以从“原理篇”中选取部分概念和规律的呈现方式，从“实践篇”中获得大量作业设计的新情境，将这些资源转化运用在自己的教学实践中。这将有助于实现高中物理与大学物理的教学衔接，做到“全程育人”。

参考文献

［1］Guo C，Li Y.Light People：Prof.Eric Mazur speaks about ultrafast optics and education［J］.Light：Science ＆ Applications，2024，13（3）：402"-406．

［2］［美］埃里克·马祖尔.马祖尔物理学.原理篇.上［M］.武荷岚，张睿，厉位阳，等译.北京：机械工业出版社，2018：IX．

［3］［4］［美］埃里克·马祖尔，达瑞·佩迪哥.马祖尔物理学.实践篇.上［M］.厉位阳，张睿，武荷岚等译.北京：机械工业出版社，2020：404，89．

［5］陈贝.利用物理量的估算培养学生的科学素养的研究［D］.南京：南京师范大学，2018：50．

［6］［7］［8］［9］［10］［美］埃里克·马祖尔，达瑞·佩迪哥.马祖尔物理学.实践篇.下［M］.张萍译.北京：机械工业出版社，2020：276，16，191，114，52．

［11］邢红军.物理教育的生态化及其对物理课程改革的启示［J］.教育科学研究，2010（1）：59－61，64．

［12］江佶泽，刘茂军.高中物理新教材习题情境化的分析与启示——以2019年人教版高中物理必修系列为例［J］.物理教师，2021，42（5）：75－79．