科學(xué)探究視角下的中美高中主流物理教材比較研究
——以“萬(wàn)有引力與航天”單元教學(xué)為例

卞望來(lái)

(江蘇省南菁高級(jí)中學(xué),江蘇 江陰 214437)

在新時(shí)代背景下,探討新時(shí)代教育內(nèi)涵,叩問(wèn)教育的本質(zhì),尊重教育的規(guī)律,彰顯教育的立德樹(shù)人價(jià)值．學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是立德樹(shù)人的基本要求,是構(gòu)建物理學(xué)科核心的主要依據(jù)．物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面的要素構(gòu)成,而科學(xué)探究是物理核心素養(yǎng)的重要指標(biāo)之一．

1 問(wèn)題的提出

1.1 科學(xué)探究

科學(xué)探究是人類(lèi)探索和了解自然、獲得科學(xué)知識(shí)的主要方法,也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的主要方式之一．科學(xué)探究是提出科學(xué)問(wèn)題,形成猜想和假設(shè),獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力．以證據(jù)為基礎(chǔ),運(yùn)用各種信息和邏輯推理得出結(jié)論,公開(kāi)結(jié)果和接受質(zhì)疑,這是科學(xué)探究的主要特點(diǎn)．據(jù)此,我們教師要讓學(xué)生真正理解科學(xué)探究,讓學(xué)生具有科學(xué)探究意識(shí),要讓學(xué)生保持合理懷疑的精神,因?yàn)檫@是科學(xué)進(jìn)步的動(dòng)力．

1.2 中美高中主流物理教材

2003年《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》頒布后,我國(guó)高中物理教材實(shí)現(xiàn)了一綱多本．目前,我國(guó)有人教版、滬科版、司南版、教科版和粵教版等5種高中物理教材．其中2004年由人民教育出版社、課程教材研究所和物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心共同編著的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《物理》)使用范圍最廣,可稱(chēng)我國(guó)高中主流物理教材．

美國(guó)高中物理教材以市場(chǎng)為導(dǎo)向,各個(gè)學(xué)?？梢宰杂蛇x擇,種類(lèi)繁多．如《Physics:Principles and Problems》,即《物理原理與問(wèn)題》,作者是美國(guó)密歇根-迪爾伯恩大學(xué)的物理教授保羅·齊策維茨;《PSSC物理學(xué)》,由美國(guó)物理科學(xué)研究委員會(huì)(PSSC)編定．其中《Physics:Principles and Problems》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《PPP》),在美國(guó)有超過(guò)50%的選用率,可稱(chēng)美國(guó)高中主流物理教材．

1.3 科學(xué)探究視角下的中美高中主流物理教材比較研究

這里的比較研究,就是從中美高中主流物理教材中選取某一單元,分析教材的知識(shí)點(diǎn),對(duì)兩套教材內(nèi)容安排、欄目設(shè)置、實(shí)驗(yàn)編排和插圖設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行比較,運(yùn)用科學(xué)探究的方法,比較分析兩國(guó)教材在這些方面有什么不同,明確我國(guó)現(xiàn)有教材的優(yōu)勢(shì)與不足,吸取美國(guó)教材的亮點(diǎn),從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

2 教材比較研究

筆者以人教版《物理》(必修2)中的“萬(wàn)有引力與航天”這一章的教學(xué),及與此對(duì)應(yīng)的《PPP》中的“萬(wàn)有引力”一章進(jìn)行比較．

2.1 《物理》(必修2)教材中“萬(wàn)有引力與航天”

在《物理》(必修2)教材首頁(yè)中的內(nèi)容比較豐富,該頁(yè)的右上角有一段法國(guó)數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家拉普拉斯說(shuō)的一段話;中間有一幅插圖:我國(guó)末來(lái)的空間實(shí)驗(yàn)室; 頁(yè)末主要講牛頓的偉大發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律及取得的輝煌成就和學(xué)習(xí)本章的意義．

“萬(wàn)有引力與航天”是《物理》(必修2)教材中的第6章內(nèi)容,共6節(jié)．① 行星的運(yùn)動(dòng),主要內(nèi)容是開(kāi)普勒三定律,并提出在中學(xué)階段可將行星的軌道近似為圓軌道,該節(jié)后面安排“科學(xué)足跡”:人類(lèi)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)．② 太陽(yáng)與行星間的引力,主要內(nèi)容有太陽(yáng)對(duì)行星的引力,行星對(duì)太陽(yáng)的引力,最后為太陽(yáng)與行星的引力,其后還有“說(shuō)一說(shuō)”:如果要驗(yàn)證太陽(yáng)與行星之間引力的規(guī)律是否適用于行星與它的衛(wèi)星,我們還需要觀測(cè)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的哪些數(shù)據(jù)．③ 萬(wàn)有引力定律,主要內(nèi)容有月—地檢驗(yàn),萬(wàn)有引力定律,引力常量．④ 萬(wàn)有引力理論的成就,主要內(nèi)容有“科學(xué)真是迷人”,計(jì)算天體的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)未知天體．⑤ 宇宙航行,主要內(nèi)容有宇宙速度,夢(mèng)想成真,后面有“科學(xué)漫步”:黑洞;“STS”:航天事業(yè)改變?nèi)祟?lèi)的生活．⑥ 經(jīng)典力學(xué)的局限性,主要內(nèi)容有從低速到高速,從宏觀到微觀,弱引力到強(qiáng)引力,后面還有“科學(xué)漫步”:時(shí)間和空間是什么;“科學(xué)足跡”:牛頓的科學(xué)生涯．每節(jié)都有幾張插圖,書(shū)的右側(cè)還有小字輔助說(shuō)明,每節(jié)后面的問(wèn)題與練習(xí)一般有3-4題,但本章沒(méi)有一道例題分析．

2.2 《PPP》教材中的“萬(wàn)有引力”

在《PPP》教材中該章首頁(yè)的內(nèi)容也很豐富,有內(nèi)容提要,學(xué)習(xí)本章的意義,一幅插圖,還有想一想(描述哈勒——波普慧星的軌道),物理在線等．

“萬(wàn)有引力”是《PPP》教材中的第7章內(nèi)容,共2節(jié)．① 行星運(yùn)動(dòng)與萬(wàn)有引力,該節(jié)主要知識(shí)點(diǎn)為:開(kāi)普勒定律,牛頓萬(wàn)有引力定律,萬(wàn)有引力和開(kāi)普勒第三定律,測(cè)量萬(wàn)有引力常量．② 萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用,該節(jié)主要知識(shí)點(diǎn)為:行星和衛(wèi)星的軌道,重力加速度,引力場(chǎng),兩類(lèi)質(zhì)量,愛(ài)因斯坦的引力理論．在教材中先講解知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容,再配以幾張圖片,然后舉一道例題,后面跟幾道相應(yīng)的習(xí)題練一練,知識(shí)的內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣．在本章后面還安排了一個(gè)“物理學(xué)前沿”:黑洞．緊接著本章的復(fù)習(xí)指南:列出了二節(jié)中要掌握的重要概念．第七單元測(cè)評(píng):有繪制概念圖,理解概念,應(yīng)用概念,問(wèn)題解決,復(fù)習(xí)提高,理性思維,科技寫(xiě)作和日積月累等8個(gè)方面,共有82道題．最后為標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試:5道選擇題和1道計(jì)算題．

在《PPP》教材中第7章還安排了3個(gè)實(shí)驗(yàn)(每章都安排3個(gè)實(shí)驗(yàn))．第1個(gè)實(shí)驗(yàn)為起步實(shí)驗(yàn):作圖描述水星的運(yùn)動(dòng)軌跡,即根據(jù)書(shū)中水星軌道的數(shù)據(jù)按一定比例作出水星的運(yùn)動(dòng)軌跡．第2個(gè)實(shí)驗(yàn)為迷你實(shí)驗(yàn):失重的水,分預(yù)測(cè)、檢驗(yàn)、描述和解釋?zhuān)?個(gè)實(shí)驗(yàn)為物理實(shí)驗(yàn)(相當(dāng)于我國(guó)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)):建立行星和衛(wèi)星的軌道模型,具體有目標(biāo),安全警示,實(shí)驗(yàn)器材,實(shí)驗(yàn)步驟,分析,結(jié)論與應(yīng)用,進(jìn)一步探索,生活中的物理學(xué)．

2.3 教材編排對(duì)比

教材是學(xué)科的科學(xué)思想、科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法和科學(xué)品德的重要載體,是幫助教師和學(xué)生認(rèn)識(shí)世界、獲得發(fā)展的一種媒介．在科學(xué)探究視角下,《物理》(必修2)與《PPP》教材在“萬(wàn)有引力與航天”這一章就以下各方面進(jìn)行比較．

(1) 章節(jié)內(nèi)容比較．《物理》(必修2)與《PPP》均采用“章—節(jié)”方式的編排結(jié)構(gòu),兩套教材章節(jié)的設(shè)置從知識(shí)、能力和方法上,都遵循循序漸進(jìn)的原則,讓學(xué)生逐步掌握知識(shí)、提高能力．

《物理》(必修2)在“萬(wàn)有引力與航天”這一章中知識(shí)點(diǎn)覆蓋面較廣,知識(shí)體系完整,為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容,使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中更有系統(tǒng)化．人教版的教材注重科學(xué)探究,因此,我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中,要整合與優(yōu)化教材的內(nèi)容,降低教學(xué)難度,引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)和正確思維．

《PPP》在“萬(wàn)有引力”這一章中內(nèi)容安排,知識(shí)點(diǎn)比人教版少,但也較為完整,增加了“建立行星和衛(wèi)星的軌道模型”的實(shí)驗(yàn)．《PPP》體現(xiàn)了自然學(xué)科學(xué)習(xí)的一般途徑:對(duì)某一方面的基本概念、基本規(guī)律作系統(tǒng)的了解和認(rèn)識(shí),使學(xué)生達(dá)到一定知識(shí)積累,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系,逐步將知識(shí)內(nèi)化為能力．

(2) 欄目設(shè)置比較．《物理》(必修2)與《PPP》都設(shè)置了豐富多彩的欄目．從欄目設(shè)置的功能上兩者有明顯的區(qū)別,體現(xiàn)了不同的設(shè)計(jì)理念．① 從“活動(dòng)性欄目”設(shè)置來(lái)說(shuō),《物理》(必修2)的欄目基本圍繞活動(dòng)展開(kāi)(有實(shí)驗(yàn)、做一做、說(shuō)一說(shuō)、思考與討論),《PPP》的欄目以起步實(shí)驗(yàn)開(kāi)始,中間設(shè)有挑戰(zhàn)性問(wèn)題,以物理實(shí)驗(yàn)結(jié)束．② 從“方法性欄目”設(shè)置來(lái)說(shuō),《物理》(必修2)沒(méi)有設(shè)置顯性的方法性欄目,只是在教材中以隱性的、潛移默化的方式培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)方法;《PPP》每節(jié)有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)、關(guān)鍵術(shù)語(yǔ),有問(wèn)題解決策略欄目,給學(xué)生以物理方法的指導(dǎo)．③ 從“閱讀性欄目”設(shè)置來(lái)說(shuō),兩套教材都非常注重物理與科技、生產(chǎn)、生活實(shí)際的聯(lián)系．《物理》(必修2)有科學(xué)漫步、科學(xué)足跡和STS 3個(gè)欄目．《PPP》有技術(shù)與社會(huì)、未來(lái)技術(shù)、工作原理和物理學(xué)前沿4個(gè)欄目．就欄目設(shè)置來(lái)說(shuō)《PPP》要多一個(gè)．但就這一章來(lái)說(shuō),人教版有5項(xiàng)閱讀,而《PPP》只有一項(xiàng),可見(jiàn)《物理》(必修2)在拓展學(xué)生的課外知識(shí)明顯多于《PPP》．

(3) 實(shí)驗(yàn)編排比較．對(duì)比兩套教材在同一實(shí)驗(yàn)的設(shè)置,我們發(fā)現(xiàn)《物理》(必修2)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及誤差分析都有嚴(yán)格而又專(zhuān)業(yè)的要求,這樣的設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度．《PPP》的學(xué)生實(shí)驗(yàn)往往給學(xué)生提供的是生活化的實(shí)驗(yàn)器材,對(duì)于實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)論是開(kāi)放性的．完成實(shí)驗(yàn)后,學(xué)生還可通過(guò)“進(jìn)一步探索”和“生活中的物理學(xué)”對(duì)實(shí)驗(yàn)做更深入的思考與討論．《PPP》的設(shè)計(jì)始終圍繞動(dòng)手與動(dòng)腦．以“萬(wàn)有引力與航天”這一章教學(xué)來(lái)說(shuō),《物理》(必修2)只安排了一個(gè)做一做小實(shí)驗(yàn),而《PPP》則安排了3個(gè)實(shí)驗(yàn):起步實(shí)驗(yàn)、迷你實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn),明顯多于《物理》(必修2)．

(4) 插圖設(shè)計(jì)比較．《物理》(必修2)與《PPP》的插圖均圖文并茂,類(lèi)型多樣,每一幅圖片都與實(shí)物有效對(duì)應(yīng),這體現(xiàn)了自然現(xiàn)象、科技進(jìn)展、生產(chǎn)生活等方面的內(nèi)容．《物理》(必修2)更偏重于人物、實(shí)物等方面的插圖,讓學(xué)生有更感性的認(rèn)識(shí)．《PPP》則更注重實(shí)驗(yàn)器材的插圖,讓學(xué)生從理性的角度去思考物理問(wèn)題．而且《PPP》教材在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)方面較為重視學(xué)科建模能力和學(xué)科間知識(shí)的融合．

(5) 章末設(shè)置比較．《物理》(必修2)將物理實(shí)驗(yàn)和拓展性閱讀材料穿插在正文中,在章末沒(méi)有設(shè)置專(zhuān)門(mén)的欄目．《PPP》在章末安排了物理實(shí)驗(yàn)、物理學(xué)前沿、復(fù)習(xí)指南、測(cè)評(píng)和標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試．《PPP》的章末設(shè)置給我們帶來(lái)的啟發(fā)是:這樣的設(shè)置有利于發(fā)揮提綱挈領(lǐng)的作用,能更好地鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí),加深對(duì)物理概念的理解和應(yīng)用．

3 研究的意義

通過(guò)對(duì)中美高中主流物理教材比較研究,采用科學(xué)探究方法,反思我國(guó)現(xiàn)有物理教材編排的優(yōu)勢(shì)和存在的不足,借鑒美國(guó)物理教材編排的好的方面,探索貼近現(xiàn)實(shí)教學(xué)需求,切實(shí)轉(zhuǎn)變目前教學(xué)的不足之處,以利于培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．通過(guò)比較研究,我們認(rèn)為在今后的教材編排與教學(xué)中要處理好以下3個(gè)關(guān)系．

3.1 知識(shí)與智慧

目前,我們的教材和教學(xué)重視的是知識(shí)傳授,而較少考慮學(xué)生學(xué)習(xí)方法,如何讓學(xué)生從知識(shí)層面上升到智慧層面．教材不僅是傳授知識(shí)的載體,而且是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力、提高學(xué)生的思維能力、增強(qiáng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的載體．因此,我們?cè)诮虒W(xué)中要充分挖掘現(xiàn)有教材優(yōu)勢(shì),吸取美國(guó)教材的好的方面,為教學(xué)服務(wù)．

3.2 實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是物理教學(xué)的一部分,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ζ鋵?shí)也不是教材編排的最終目的,而是要讓學(xué)生在今后學(xué)習(xí)和工作中要有實(shí)踐能力、探究能力．美國(guó)課程的中小學(xué)在科學(xué)領(lǐng)域的核心素養(yǎng)為“科學(xué)與工程的實(shí)踐”,這里的實(shí)踐既包括物質(zhì)性的動(dòng)手,也蘊(yùn)含科學(xué)理性思維和創(chuàng)造性思維在內(nèi)的動(dòng)腦．教學(xué)的聚焦點(diǎn)要從實(shí)驗(yàn)上升為實(shí)踐,其意義在于:避免學(xué)科知識(shí)過(guò)多地作為累積的既定事實(shí),而應(yīng)強(qiáng)調(diào)建構(gòu)物理模型,增強(qiáng)物理學(xué)科討論與評(píng)價(jià)的實(shí)踐能力．

3.3 融合與綜合

我們目前的教材比較注重學(xué)科融合．融合是指將兩種或多種不同的事物合成一體．學(xué)科融合是指學(xué)科間的融合及科學(xué)與科技的融合,還是科學(xué)知識(shí)與科學(xué)態(tài)度、科學(xué)方法、學(xué)生的情感和價(jià)值觀等方面的融合．綜合是指將已有的關(guān)于研究對(duì)象各個(gè)部分和層次的認(rèn)識(shí)聯(lián)結(jié)起來(lái),形成對(duì)研究對(duì)象的整體認(rèn)識(shí)．從培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)來(lái)說(shuō),對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)科融合教學(xué),提升到綜合教學(xué),最終要促成學(xué)生綜合思維的發(fā)展,以此提高學(xué)生的核心素養(yǎng),培養(yǎng)學(xué)生成為全面發(fā)展的高素質(zhì)人才．