美國(guó)AP物理教材特色及啟示
——以量子理論部分為例

李文婷 王較過(guò)

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119)

AP課程*AP是Advanced Placement的縮寫，中文一般翻譯為美國(guó)大學(xué)先修課程、美國(guó)大學(xué)預(yù)修課程.指由美國(guó)大學(xué)理事會(huì)(The College Board)提供的在高中授課的大學(xué)課程.美國(guó)高中生可以選修這些課程，在完成課業(yè)后參加AP考試，得到的成績(jī)?cè)谶M(jìn)入大學(xué)后可以轉(zhuǎn)換為相應(yīng)課程的學(xué)分.的設(shè)置不但加強(qiáng)了高中與大學(xué)的合作，而且使學(xué)生有了合理過(guò)渡的課程[1].然而，我國(guó)AP物理課程存在教材匱乏的問(wèn)題.那么，如何才能建設(shè)出我國(guó)本土的高質(zhì)量的AP物理教材呢？筆者認(rèn)為，美國(guó)比較成熟的AP物理教材[2]對(duì)我國(guó)AP物理教材建設(shè)是有積極參考價(jià)值的.本文以《Physics: Principles with Applications》*《Physics: Principles with Applications》是由Douglas C. Giancoli教授編著的.在美國(guó)物理學(xué)會(huì)從1987年開(kāi)始的每6年一次調(diào)查的近兩次中，這本書在AP物理課程B教學(xué)中使用的廣泛率是居于首位的，教師對(duì)這本書的評(píng)價(jià)也最高.這本書從1980年出版以來(lái)，已經(jīng)再版了6次.[3](以下簡(jiǎn)稱《原理與應(yīng)用》)中的量子理論部分為例，分析其主要特色，以期對(duì)我國(guó)的AP物理教材建設(shè)提供參考.

1 量子理論部分的內(nèi)容及其特點(diǎn)

1.1 注重從物理學(xué)史的視角引入課題

表1所示為量子理論部分的章節(jié)安排.該章從電子的發(fā)現(xiàn)講起，這是因?yàn)樽髡哒J(rèn)為電子的發(fā)現(xiàn)是現(xiàn)代物理的標(biāo)志，也是量子理論的先驅(qū).由表1可見(jiàn)，《原理與應(yīng)用》的編寫側(cè)重于從物理學(xué)史的角度重演科學(xué)前進(jìn)的道路，讓學(xué)生像物理學(xué)家一樣經(jīng)歷認(rèn)知的過(guò)程.

表1 量子理論部分的章節(jié)安排

1.2 注重科學(xué)哲學(xué)教育

由于物理學(xué)是一切自然科學(xué)中的基礎(chǔ)學(xué)科，一方面,物理學(xué)的重大成就總會(huì)直接推動(dòng)哲學(xué)的發(fā)展,另一方面,哲學(xué)也給物理學(xué)家提供了思維的工具和準(zhǔn)則，物理學(xué)上的重大突破往往來(lái)自思想上的突破[4].由于物理學(xué)與哲學(xué)的特殊關(guān)系，科學(xué)哲學(xué)在物理教學(xué)中具有重要的地位.通過(guò)對(duì)《原理與應(yīng)用》的分析，發(fā)現(xiàn)其十分注重科學(xué)哲學(xué)的教育.下面通過(guò)實(shí)例，進(jìn)一步探討《原理與應(yīng)用》如何體現(xiàn)科學(xué)哲學(xué)教育.

在“電子的發(fā)現(xiàn)及其特性”一節(jié)介紹電子的發(fā)現(xiàn)時(shí)提出“科學(xué)中的發(fā)現(xiàn)”這一主題，探討科學(xué)中的“發(fā)現(xiàn)”和一般意義上“發(fā)現(xiàn)”的區(qū)別.作者通過(guò)提問(wèn)：“第一個(gè)看見(jiàn)玻璃管放電的人應(yīng)該被認(rèn)為是發(fā)現(xiàn)電子的人嗎？或者是那個(gè)把玻璃管放電稱之為陰極射線的人？”并總結(jié)到這兩者都不是.由此提出：科學(xué)發(fā)現(xiàn)并不是一個(gè)清晰的物質(zhì)的事實(shí).雖然湯姆孫被認(rèn)為是電子的發(fā)現(xiàn)者，但事實(shí)上他并沒(méi)有真正看見(jiàn)電子.并在這一節(jié)的末尾談到：羅素③*③ 伯特蘭·羅素(Bertrand Russell，1872—1970)是20世紀(jì)英國(guó)哲學(xué)家、數(shù)理邏輯學(xué)家、歷史學(xué)家，代表作品有《幸福之路》《西方哲學(xué)史》《數(shù)學(xué)原理》《物的分析》等.認(rèn)為電子是一個(gè)“邏輯建設(shè)”，它是由一些我們可以測(cè)量的特性組成的整體.我們所畫的由一個(gè)小球體和一個(gè)負(fù)電荷的電子圖是沒(méi)有說(shuō)服力的(現(xiàn)在看來(lái)是不正確的).同樣在“光的波粒二象性；互補(bǔ)性原理”中談到：波粒二象性是人類大腦的抽象.當(dāng)我們想要試圖證明光到底是什么時(shí)，我們?nèi)匀皇浅钟锌梢?jiàn)的圖式.沒(méi)有理由認(rèn)為來(lái)自微觀世界的光子應(yīng)該與某種模型(或可見(jiàn)圖式)一致.我們最好承認(rèn)我們用來(lái)理解這些間接實(shí)驗(yàn)的日常語(yǔ)言和圖像是有局限性的.作者借此告訴學(xué)生物理學(xué)是通過(guò)抽象的邏輯進(jìn)行構(gòu)建的，引導(dǎo)學(xué)生思考科學(xué)哲學(xué)問(wèn)題，理解科學(xué)的本質(zhì).

科學(xué)研究的起點(diǎn)是科學(xué)哲學(xué)的重要問(wèn)題，邏輯經(jīng)驗(yàn)主義認(rèn)為“科學(xué)研究始于觀察”, 美國(guó)科學(xué)哲學(xué)家亨普爾認(rèn)為“科學(xué)研究始于假說(shuō)”, 奧地利哲學(xué)家波普爾認(rèn)為“科學(xué)研究始于問(wèn)題”等基本觀點(diǎn)都有其合理之處.為了使學(xué)生思考這一問(wèn)題，作者在《普朗克量子假設(shè)》中指出：“事實(shí)上，量子假說(shuō)似乎是普朗克從數(shù)學(xué)的角度得到的正確答案，而不像牛頓那樣的發(fā)現(xiàn).在該假說(shuō)提出之后，普朗克才為常量h的引入尋找了一個(gè)經(jīng)典的解釋.”由于在學(xué)習(xí)早期的量子理論之前，經(jīng)典物理學(xué)中，研究對(duì)象是宏觀可見(jiàn)的，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)往往起始于對(duì)物理現(xiàn)象的觀察，而微觀世界中我們很難觀察某一粒子的行為.由此，作者順利地滲透了量子理論的研究方法，同時(shí)誘導(dǎo)學(xué)生思考科學(xué)研究的起點(diǎn)問(wèn)題.

尼耳斯·玻爾一生致力于物理學(xué)的研究中,然而海森伯卻說(shuō):“從根本上來(lái)說(shuō),玻爾是位哲學(xué)家而不是物理學(xué)家.” 可見(jiàn)哲學(xué)對(duì)物理學(xué)研究的影響是巨大的.在《原理與應(yīng)用》中，作者在引入物理概念時(shí)，直接從物理學(xué)家的哲學(xué)觀入手.例如在引入光的波粒二象性時(shí)，作者直接以互補(bǔ)性原理為標(biāo)題，指出研究光現(xiàn)象時(shí)，為了解釋某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們有時(shí)候用波動(dòng)理論，有時(shí)候用光粒子理論.如果我們想要對(duì)光有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，就要同時(shí)理解光波動(dòng)性和粒子性兩個(gè)方面，每個(gè)方面都和另一方面是互補(bǔ)的.從而建立起了光的波粒二象性的概念.在介紹德布羅意波時(shí)，首先指出德布羅意持有自然界是對(duì)稱的自然哲學(xué)觀，所以他認(rèn)為實(shí)物粒子也具有波粒二象性，與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波.這體現(xiàn)出物理學(xué)本身蘊(yùn)涵著許多值得探討的科學(xué)哲學(xué)觀念，從而對(duì)學(xué)生進(jìn)行顯性的科學(xué)本質(zhì)觀教育.幫助學(xué)生更好地把握科學(xué)本質(zhì)，使學(xué)生懂得科學(xué)究竟是什么，科學(xué)知識(shí)是怎樣產(chǎn)生的，科學(xué)在社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步中的作用，科學(xué)和科學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)與局限性等等，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力[5].

1.3 注重物理知識(shí)的實(shí)踐價(jià)值

《原理與應(yīng)用》中介紹物理知識(shí)在實(shí)際中應(yīng)用的實(shí)例多達(dá)341個(gè)，其中88個(gè)是生物和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，其余的253個(gè)為日常生活和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用.由于篇幅所限，表2列舉了量子理論的部分應(yīng)用，除此之外，第9節(jié)用一節(jié)的內(nèi)容介紹電子顯微鏡的應(yīng)用，作者將實(shí)物圖和原理圖相結(jié)合，詳細(xì)地介紹了透射電子顯微鏡(TEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)各自的原理及其三者在應(yīng)用方面的區(qū)別.

表2量子理論的部分應(yīng)用實(shí)例及其原理

應(yīng)用實(shí)例原理防盜報(bào)警器、自動(dòng)門 光電效應(yīng)：防盜報(bào)警器和自動(dòng)門中裝有光電管回路，當(dāng)一個(gè)人擾亂了光束，回路中突然斷開(kāi)的電流起了一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用，通過(guò)電磁閥操作一個(gè)鐘或一個(gè)門骨質(zhì)疏松的診斷 康普頓效應(yīng)：伽馬射線在骨頭上散射，散射輻射的總強(qiáng)度正比于電子的密度，反過(guò)來(lái)也就正比于骨密度正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET) 電子和正電子的湮滅：將放射性同位素注入人體，在人體內(nèi)衰變放出的正電子與人體內(nèi)的負(fù)電子相遇湮滅轉(zhuǎn)化為一對(duì)光子，被探測(cè)器采集后，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理生成清晰圖像用于診斷和指導(dǎo)治療腫瘤、冠心病和腦部疾病等

這些應(yīng)用實(shí)例的引介不僅讓學(xué)生看到物理知識(shí)在實(shí)踐中的價(jià)值，而且讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到一些儀器的制造反過(guò)來(lái)又可以為物理學(xué)的研究提供支持.同時(shí)，在相關(guān)應(yīng)用的介紹中，普及了生活中的物理原理，如視覺(jué)的產(chǎn)生.這些應(yīng)用實(shí)例均促進(jìn)了物理學(xué)科與生物醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)生活等相關(guān)領(lǐng)域的交叉融合，讓學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)不光停留在思維的訓(xùn)練上，它確實(shí)可以幫助人類更好的生活，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

習(xí)題的設(shè)計(jì)注重背景設(shè)置和應(yīng)用價(jià)值，計(jì)算依據(jù)真實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行，其結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)生活中的一般事物具有指導(dǎo)意義.例如，在黑體輻射部分，要求學(xué)生根據(jù)星星的溫度解釋星星的顏色，估計(jì)人眼的輻射波長(zhǎng)和視覺(jué)敏感性這樣的問(wèn)題，這些題目不僅有物理學(xué)背景還有宇宙學(xué)、生物學(xué)等方面的知識(shí)，學(xué)生需要通過(guò)查閱資料建構(gòu)物理模型來(lái)解決.可以看出這樣的題目更接近于原始物理問(wèn)題，利于學(xué)生切身感受物理量的大小，將物理知識(shí)用于生活，培養(yǎng)學(xué)生抽象概括思維能力和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性.

1.4 應(yīng)用注釋減少閱讀障礙

《原理與應(yīng)用》的作者在沿著自己的邏輯思路敘述的同時(shí)，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)學(xué)生的認(rèn)知.站在學(xué)生的角度對(duì)學(xué)生可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行假設(shè)，并用注釋的方式給予解釋.解釋的問(wèn)題既有學(xué)生對(duì)某一概念的理解偏差導(dǎo)致的學(xué)習(xí)障礙，也有讀者對(duì)于作者編寫某一部分內(nèi)容意圖的困惑.通過(guò)注釋的方式使讀者時(shí)刻保持清晰的思路，減少學(xué)習(xí)中遇到的障礙.例如在“早期原子模型”一節(jié)中，作者對(duì)編寫原子模型的建立過(guò)程的原因給出了這樣的注釋:“一些讀者可能會(huì)說(shuō)，不要用過(guò)時(shí)的理論來(lái)擾亂我們，告訴我們現(xiàn)在的科學(xué)事實(shí).這樣的方式會(huì)使我們忽略掉科學(xué)具有創(chuàng)造性的一面，給了我們錯(cuò)誤的科學(xué)發(fā)展的印象.而且，沒(méi)有洞察是什么樣的觀點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)在的原子模型建立，我們就不可能真正理解它.”這樣的注釋有利于讀者理清思路，清除學(xué)習(xí)中遇到的障礙.這就好像教師在課堂教學(xué)中允許學(xué)生隨時(shí)提問(wèn)一樣，使學(xué)生與教師處在相同的思維情境，以保障課堂中教師與學(xué)生的互動(dòng)實(shí)時(shí)有效.教材編寫時(shí)添加必要的注釋能夠使讀者的思維跟作者一致，實(shí)現(xiàn)平等、實(shí)時(shí)有效的對(duì)話.這樣的注釋增強(qiáng)了《原理與應(yīng)用》的可讀性，引導(dǎo)并幫助學(xué)生的自主學(xué)習(xí).

2 美國(guó)AP物理教材對(duì)我國(guó)教材建設(shè)的啟示

2.1 通過(guò)科學(xué)哲學(xué)教育培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)

前已述及，美國(guó)AP物理教材的一個(gè)鮮明特點(diǎn)是注重科學(xué)哲學(xué)教育，通過(guò)科學(xué)哲學(xué)促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì).目前，人們已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)教育的一個(gè)重要目標(biāo)，也是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的核心要素之一.在中學(xué)介紹如互補(bǔ)性原理、奧坎姆剃刀等關(guān)于理論的理論也更利于學(xué)生的學(xué)習(xí).林崇德等對(duì)現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)中核心素養(yǎng)的研究指出，物理教學(xué)缺乏價(jià)值觀培養(yǎng).而科學(xué)哲學(xué)教育恰好能彌補(bǔ)這一缺憾.因此，筆者認(rèn)為，可以借鑒美國(guó)教材，在我國(guó)的物理教材中注重科學(xué)哲學(xué)的顯化滲透.具體可以借鑒美國(guó)教材的做法，通過(guò)簡(jiǎn)單具體的典型事例引發(fā)學(xué)生深刻思考，再給出其中蘊(yùn)含的普適的哲學(xué)原理，也可以借助物理學(xué)家的哲學(xué)觀點(diǎn)引出其物理學(xué)理論觀點(diǎn).

2.2 AP物理教材編寫應(yīng)加強(qiáng)學(xué)科融合

我國(guó)一直強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，但由于當(dāng)前我國(guó)教育在目標(biāo)定位、教育內(nèi)容、教育方法等方面存在一定的不合理性,致使教育錯(cuò)位難以培養(yǎng)出符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需求的創(chuàng)新型人才[6].當(dāng)前我國(guó)的中學(xué)物理教學(xué)仍然停留在習(xí)題的反復(fù)演練狀態(tài)，這雖對(duì)學(xué)生的思維能力提升有一定的作用，但是學(xué)生很難將學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)生活實(shí)踐，解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題，各學(xué)科之間的交叉融合也十分有限.這就使學(xué)生的頭腦里雖然裝滿了知識(shí)，卻很難轉(zhuǎn)化為成果輸出.因此，可以借鑒美國(guó)教材，注重學(xué)科的交叉融合.在教材編寫中注重物理學(xué)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，并引介物理學(xué)前沿的研究，增強(qiáng)知識(shí)的時(shí)代性.讓學(xué)生體會(huì)物理知識(shí)如何轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代技術(shù)，給學(xué)生提供實(shí)踐和創(chuàng)新的熏陶.讓物理教學(xué)從以解題為目的走向?yàn)樯鐣?huì)發(fā)展而學(xué)習(xí).

2.3 從習(xí)題走向?qū)嵺`

美國(guó)AP物理教材在習(xí)題中設(shè)計(jì)的問(wèn)題拉近了物理知識(shí)與學(xué)生的距離，用生活中常見(jiàn)的事物為問(wèn)題背景，增加了應(yīng)用物理于生活的機(jī)會(huì)，體現(xiàn)出了本書有關(guān)“應(yīng)用”的理念.這可以為我國(guó)的習(xí)題編寫提供借鑒.另一方面，我國(guó)教材習(xí)題均注重學(xué)生對(duì)基本概念原理的理解，即學(xué)生經(jīng)歷“學(xué)習(xí)書本知識(shí)-習(xí)題演練理解知識(shí)-鞏固回歸書本知識(shí)”的封閉式學(xué)習(xí)回路.而美國(guó)AP教材習(xí)題的開(kāi)放度比較大，不僅需要借助書本知識(shí)，還需要借助網(wǎng)絡(luò)等其他資源，實(shí)現(xiàn)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的目的.這就為學(xué)生學(xué)習(xí)打開(kāi)了一個(gè)窗口，使學(xué)習(xí)走向?qū)嵺`且變成一個(gè)開(kāi)放的狀態(tài)，為學(xué)生提供實(shí)踐的機(jī)會(huì).我國(guó)的物理教材在課后作業(yè)的設(shè)置上應(yīng)該考慮習(xí)題和問(wèn)題的區(qū)別，增加基于生活的原始問(wèn)題和基于實(shí)踐的活動(dòng)項(xiàng)目，使學(xué)生從題海邁向?qū)嵺`，使學(xué)習(xí)目的從做對(duì)題目轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)能力.

1 張笑巖. 美國(guó)AP課程述評(píng). 基礎(chǔ)教育參考, 2010(9): 27～31

2 Casey Lang Tesfaye, Susan White. High School Physics Textbooks, Resources and Teacher Resourcefulness: Results from the 2012-13 Nationwide Survey of High School Physics Teachers. College Park: AIP Statistical Research Center, 2014: 1～16

3 Douglas C. Giancoli. Physics: Principles with Applications. London: Pearson Education, 2014: 771～802

4 宋麗艷. 論哲學(xué)與物理學(xué)的發(fā)展關(guān)系. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)論叢, 2005, 25(04): 65～67

5 胡誠(chéng). HPS融入科學(xué)課程的研究：[學(xué)位論文]. 武漢: 華中師范大學(xué), 2006.10～19

6 郭世田. 當(dāng)代中國(guó)創(chuàng)新型人才發(fā)展問(wèn)題研究：[學(xué)位論文]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2012.64～65