科學(xué)探究視角下高中物理新教材的比較

胡惠琪 劉健智

摘? 要：對新人教版和新粵教版高中物理必修二《拋體運(yùn)動》一章中科學(xué)探究相關(guān)內(nèi)容的選取與編排進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，比較分析后發(fā)現(xiàn)兩版新教材各具特色，但對科學(xué)探究水平的要求均偏低，且探究過程不夠完整。新教材編寫應(yīng)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的開放性，并完善科學(xué)探究的一般過程。教師在使用教材時應(yīng)結(jié)合學(xué)生學(xué)情靈活處理教材，并結(jié)合各版教材的優(yōu)勢精選教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;高中物理新教材;教材比較;拋體運(yùn)動

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）8-0023-5

為了促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效提升，增強(qiáng)學(xué)科的育人功能，教育部于2017年印發(fā)了高中各學(xué)科的新課程標(biāo)準(zhǔn)。各學(xué)科的新課程標(biāo)準(zhǔn)都提出了“學(xué)科核心素養(yǎng)”的新概念及內(nèi)容。其中，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面[1]。科學(xué)探究是有效提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的途徑，是各國課程改革的核心。

1? ? 問題的提出

1.1? ? 科學(xué)探究的水平層次

科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力，主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素[1]。在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]（以下簡稱新課標(biāo)）的附錄1中，科學(xué)探究能力被分為5種水平。新課標(biāo)詳細(xì)地說明了各水平的表現(xiàn)，并以此作為教學(xué)評價的標(biāo)準(zhǔn)。其中，“水平1”要求具備問題意識;“水平2”要求能根據(jù)已有方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并形成結(jié)論;“水平3”要求能在協(xié)助下制訂方案，并形成結(jié)論;“水平4”要求能獨(dú)立制訂方案，并形成合理結(jié)論;“水平5”要求能面對真實(shí)情境，制訂有新意的探究方案，并形成合理結(jié)論。

1.2? ? 研究的問題

為了在教學(xué)中落實(shí)“提高學(xué)生科學(xué)探究能力”的新課標(biāo)要求，各新版高中物理教材于2019年出版。為了發(fā)現(xiàn)各新版教材在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力方面的特色和不足，繼而給出教材編寫和使用的建議，筆者以高中物理必修二《拋體運(yùn)動》一章為例，從科學(xué)探究的視角對比了新人教版[2]和新粵教版[3]教材的內(nèi)容選取與編排情況。

2? ? 教材的比較

相比于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》[4]（以下簡稱舊課標(biāo)），新課標(biāo)對《拋體運(yùn)動》一章的內(nèi)容要求有較大的變化，明確提出要“通過實(shí)驗(yàn)，了解曲線運(yùn)動，知道物體做曲線運(yùn)動的條件”“通過實(shí)驗(yàn)，探究并認(rèn)識平拋運(yùn)動的規(guī)律（必做）”[1]，舊課標(biāo)中沒有相關(guān)的科學(xué)探究要求。因而，在科學(xué)探究方面，各版本新、舊教材之間有較大的變動，且各版本新教材有不同的內(nèi)容選取與編排特點(diǎn)。以新人教版和新粵教版教材為例，兩版高中物理必修二《拋體運(yùn)動》一章中科學(xué)探究相關(guān)內(nèi)容的選取與編排如表1所示。

通過分析教材內(nèi)容，整理出《拋體運(yùn)動》的每一節(jié)中與科學(xué)探究相關(guān)的內(nèi)容，并以新課標(biāo)中科學(xué)探究能力的5種水平劃分為依據(jù)，確定表1中的每一個科學(xué)探究內(nèi)容的水平層次。

2.1? ? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

統(tǒng)計(jì)出表1中兩版教材《拋體運(yùn)動》一章中科學(xué)探究內(nèi)容的總數(shù)及其水平的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、眾數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，新人教版教材中科學(xué)探究相關(guān)內(nèi)容的總數(shù)比新粵教版教材要多一些。分析科學(xué)探究內(nèi)容對應(yīng)水平的眾數(shù)可得，兩版新教材中處于“水平2”的科學(xué)探究內(nèi)容居多，且新人教版教材中處于“水平1”的科學(xué)探究內(nèi)容也很多。再者，利用雙總體獨(dú)立小樣本t檢驗(yàn)公式，對兩版新教材中科學(xué)探究相關(guān)內(nèi)容對應(yīng)水平的平均值進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，得出二者的平均值無顯著差異，即兩版新教材對科學(xué)探究水平的要求相當(dāng)，皆處于水平2附近，且在水平1至水平3之間浮動。

結(jié)合表1內(nèi)容與上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，兩版新教材《拋體運(yùn)動》一章中的每一小節(jié)都含有不同水平的科學(xué)探究的相關(guān)內(nèi)容，但兩版教材對科學(xué)探究的水平要求普遍較低。此外，第一小節(jié)中，關(guān)于曲線運(yùn)動速度方向及運(yùn)動條件的探究，兩版教材提供了相似的方案。除此之外，在余下幾節(jié)內(nèi)容中，兩版教材科學(xué)探究相關(guān)內(nèi)容的選取與編排有各自的特點(diǎn)。

2.2? ? 新人教版教材的特點(diǎn)

經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，新人教版教材中科學(xué)探究相關(guān)內(nèi)容的特點(diǎn)體現(xiàn)在“問題”欄目和“探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”。

（1）“問題”欄目

新人教版教材中，每節(jié)開始都有“問題”欄目，用以針對該節(jié)內(nèi)容提出一個有待解決的與真實(shí)生產(chǎn)生活實(shí)際相關(guān)的問題。例如：“拋體運(yùn)動的規(guī)律”一節(jié)內(nèi)容中，創(chuàng)設(shè)一個排球比賽的情境，問學(xué)生如何估算排球的落地點(diǎn)和落地速度。該欄目是新人教版教材的突出特點(diǎn)，落實(shí)了“提升問題意識”“培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力”的新課標(biāo)要求。此外，“問題”欄目還可以用以引入新課，指導(dǎo)教師采用生活化的、以問題為中心的教學(xué)理念開展教學(xué)，并讓學(xué)生以該問題為中心學(xué)習(xí)新課。

（2）探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)

新人教版教材中，“探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”是一節(jié)探究性實(shí)驗(yàn)課，但其教材內(nèi)容有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課，并沒有提供詳細(xì)的方案，僅提示了學(xué)生完成該次實(shí)驗(yàn)探究的步驟，這就是對第3水平科學(xué)探究的要求，讓學(xué)生創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)方案，并能歸納結(jié)論，最后對探究全過程做交流展示，而教師僅做引導(dǎo)和幫助。而在新粵教版教材中，則是先從理論層面分析了平拋運(yùn)動的特點(diǎn)，再給出具體實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這種實(shí)驗(yàn)編排的探究性較弱，對學(xué)生科學(xué)探究水平的要求較低，適合能力較弱的學(xué)生做參考“學(xué)材”。

2.3? ? 新粵教版教材的特點(diǎn)

經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，新粵教版教材中科學(xué)探究相關(guān)內(nèi)容的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在“運(yùn)動的合成與分解”“生活和生產(chǎn)中的拋體運(yùn)動”兩部分內(nèi)容。

（1）運(yùn)動的合成與分解

新粵教版教材中，研究曲線運(yùn)動的一般方法以及運(yùn)動的合成與分解方法，都是引導(dǎo)學(xué)生做探究性實(shí)驗(yàn)得到的。首先，類比力的合成與分解，使學(xué)生提出運(yùn)動也可以進(jìn)行合成與分解的猜想，再通過教材提供的實(shí)驗(yàn)方案（圖1），證明曲線運(yùn)動的分運(yùn)動是相互獨(dú)立的，即證明了運(yùn)動可以進(jìn)行合成與分解。然后，順勢提出“運(yùn)動的合成與分解方法是什么”這一問題，再讓學(xué)生通過教材提供的實(shí)驗(yàn)方案（圖2），探索出運(yùn)動的合成與分解遵守平行四邊形法則。以上兩個探究性實(shí)驗(yàn)的思維邏輯性強(qiáng)，能為培養(yǎng)學(xué)生第2水平的科學(xué)探究能力提供有效參考。

新人教版教材則是通過蠟塊演示實(shí)驗(yàn)（圖3），引出如何在直角坐標(biāo)系中研究二維運(yùn)動，以及運(yùn)動的合成與分解的定義，并直接告知學(xué)生此即為研究曲線運(yùn)動的一般方法。對比之下，新人教版教材缺乏探究性，且演示實(shí)驗(yàn)中蠟塊的合運(yùn)動是直線運(yùn)動，用其作為《拋體運(yùn)動》一章中的例子缺乏代表性，不利于學(xué)生構(gòu)建拋體運(yùn)動的模型;同時，作為“拋體運(yùn)動”的內(nèi)容，顯得“文不對題”，犯了文本的邏輯性錯誤。

（2）生活和生產(chǎn)中的拋體運(yùn)動

新粵教版教材中，專門用了一節(jié)的篇幅分析生活和生產(chǎn)中的拋體運(yùn)動，包括噴泉、傳送帶輸送、跳遠(yuǎn)中的拋體運(yùn)動分析。關(guān)于柱形噴泉，教材要求學(xué)生設(shè)計(jì)方案估算噴泉的水從噴出到落地的時間，這是對科學(xué)探究第3水平的要求。關(guān)于跳遠(yuǎn)中拋體運(yùn)動的分析，教材給出了具體的實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)地跳遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)，探究影響跳遠(yuǎn)距離的因素，在解決實(shí)際問題的同時，使學(xué)生養(yǎng)成第2水平的科學(xué)探究能力。而新人教版教材中，關(guān)于拋體運(yùn)動的實(shí)例分析較少，多出現(xiàn)在例題中。對比之下，新粵教版教材更重視讓學(xué)生在真實(shí)的情境中通過探究解決實(shí)際問題。

3? ? 科學(xué)探究視角下的教材編寫與使用建議

經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，新人教版和新粵教版教材都基本落實(shí)了新課標(biāo)中“培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力”的要求，且兩版教材各具特色。新人教版教材重視培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力;新粵教版教材重視培養(yǎng)學(xué)生的思維方法和解決實(shí)際問題的能力。在編寫或使用教材時，可以互相參考，取長補(bǔ)短。

3.1? ? 教材編寫建議

綜合分析兩版新教材，發(fā)現(xiàn)均存在兩個問題：①科學(xué)探究水平較低;②科學(xué)探究的過程不夠完整。

基于這兩個問題，提出兩點(diǎn)教材編寫建議。

（1）增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的開放性

根據(jù)上文對表2的分析可知，兩版教材“科學(xué)探究”內(nèi)容的水平偏低，皆處于1～3水平，且處于水平2的居多，其原因在于實(shí)驗(yàn)的開放性不足?！稈侒w運(yùn)動》一章中，除了新人教版教材中關(guān)于“平拋運(yùn)動特點(diǎn)”的科學(xué)探究以及新粵教版教材中“估算柱形噴泉的水從噴出到落地的時間”之外，其余的實(shí)驗(yàn)探究都有具體的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生只需要在理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮砗?，動手?shí)驗(yàn)、處理信息并歸納結(jié)論即可。這種學(xué)生實(shí)驗(yàn)雖然有助于學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)方法，但卻不利于學(xué)生創(chuàng)造力的提高。雖然教材中可以列舉多種實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生意識到創(chuàng)新、創(chuàng)造在科學(xué)探究中的重要意義，但是學(xué)生創(chuàng)造力的提高是需要實(shí)操練習(xí)的，只有多設(shè)置開放性的科學(xué)探究問題，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的開放性，讓學(xué)生在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)不同的物理問題，并給出科學(xué)假設(shè)，進(jìn)行創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，才能切實(shí)訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造力，使得科學(xué)探究的層次上升到更高水平。例如：美國教材《物理：原理與問題》里的學(xué)生實(shí)驗(yàn)多采用生活化的器材，實(shí)驗(yàn)方法，甚至實(shí)驗(yàn)結(jié)論都是開放性的[5]。如讓學(xué)生制訂方案，探究壘球運(yùn)動中，中場手如何扔球給本壘處的捕手才能使球在跑壘者之前到達(dá)[6]。

（2）完善科學(xué)探究的一般過程

科學(xué)探究的一般過程至少要有提出問題與假設(shè)、制訂方案、處理信息、歸納結(jié)論、解釋交流等環(huán)節(jié)。但兩版教材科學(xué)探究的過程不夠完整。以上環(huán)節(jié)應(yīng)該都是由學(xué)生在教材的指導(dǎo)下完成，教材只起到為學(xué)生搭建腳手架的作用。若教材代替學(xué)生提出問題，那么學(xué)生的提問能力就無從培養(yǎng);若教材代替學(xué)生歸納結(jié)論，那么學(xué)生的歸納總結(jié)能力也難以提高。因此，教材中科學(xué)探究內(nèi)容的編寫，應(yīng)注重其語言的引導(dǎo)性，多用引導(dǎo)性的話語驅(qū)動學(xué)生的思維，而不是取代學(xué)生進(jìn)行探究，造成學(xué)生學(xué)習(xí)過程中科學(xué)探究環(huán)節(jié)的缺失，影響其對科學(xué)探究本質(zhì)的感悟。此外，教材中的科學(xué)探究過程普遍缺乏“解釋交流”這一環(huán)節(jié)。即使是新人教版教材中，探究過程較為完整的關(guān)于“平拋運(yùn)動特點(diǎn)”的探究，其探究環(huán)節(jié)到“數(shù)據(jù)分析”就戛然而止了，缺失了“形成結(jié)論”和“解釋交流”這兩個重要環(huán)節(jié)。高水平的科學(xué)探究要求學(xué)生能對探究的過程和結(jié)果進(jìn)行交流，如利用文字、圖表、公式等形式，針對問題提出、方案設(shè)計(jì)、信息處理、結(jié)論形成、問題反思等環(huán)節(jié)進(jìn)行交流討論[7]。因此，在教材中應(yīng)注重完善科學(xué)探究的過程，才能全方位提升學(xué)生的科學(xué)探究水平。

3.2? ? 教材使用建議

教材是教學(xué)的重要媒介，為教學(xué)提供內(nèi)容和方法上的重要參考，但教師在教學(xué)時要學(xué)會靈活地使用教材，而不能刻板地“教教材”。為了更好地發(fā)揮出新教材中科學(xué)探究相關(guān)內(nèi)容的教育功效，下面給出兩點(diǎn)教材使用建議。

（1）結(jié)合學(xué)生學(xué)情，靈活處理教材

學(xué)生具有個體差異性，不同學(xué)生科學(xué)探究水平不同，因此，在教學(xué)中教師要在充分了解學(xué)生的水平后，基于其最近發(fā)展區(qū)，改變教學(xué)內(nèi)容和方法。例如：探究“平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”時，如果學(xué)生科學(xué)探究水平較高，就可以完全按照新人教版教材中該節(jié)的內(nèi)容安排，讓學(xué)生合作制訂方案，并讓各學(xué)生小組展示其探究過程和結(jié)果。如果學(xué)生能力水平較低，在教師的提示下仍不能完成探究方案的設(shè)計(jì)，則可以采用師生合作的方式，由教師提供實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理后再動手探究。此外，如果學(xué)生水平較高，對于教材中已經(jīng)提供了實(shí)驗(yàn)方案的科學(xué)探究，教師也可以讓學(xué)生對教材中的方案進(jìn)行改進(jìn)，甚至提供創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方案。綜上，教師在教學(xué)中可以根據(jù)學(xué)生學(xué)情設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，靈活地增添或刪減教材中沒有或已有的內(nèi)容。

（2）結(jié)合各版教材優(yōu)勢，精選教學(xué)內(nèi)容

不同的教材特點(diǎn)各異，教師應(yīng)當(dāng)對我國主流的幾版教材做充分的了解，除了選用其中一版作為主教材之外，其余版本的教材則可以作為教學(xué)的補(bǔ)充參考。例如：某地使用新人教版物理教材進(jìn)行教學(xué)，如果學(xué)生不理解為何運(yùn)動可以分解，或者不知道運(yùn)動該如何分解，教師可以參考新粵教版教材中該節(jié)的兩個探究性實(shí)驗(yàn)，以探究的方式解決的學(xué)生疑惑。

此外，若教學(xué)需要，教師甚至可以自編教學(xué)內(nèi)容材料，并鼓勵學(xué)生主動利用網(wǎng)絡(luò)資源或課外書籍答疑解惑，拓寬知識面。如學(xué)習(xí)“超重與失重”時，可以讓學(xué)生觀看陳冬、景海鵬在天宮二號中的生活視頻，以及電影《神話》中完全失重的片斷[8]。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中教科書物理必修第二冊[M]. 北京：人民教育出版社，2019：1-21.

[3]熊建文. 普通高中教科書物理必修第二冊[M]. 廣州：廣東教育出版社，2019：1-24.

[4]中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S]. 北京：人民教育出版社，2003.

[5]卞望來.科學(xué)探究視角下的中美高中主流物理教材比較研究——以“萬有引力與航天”單元教學(xué)為例[J]. 物理教師，2019， 40（07）： 66-68.

[6]陸雪嬌. 中美高中物理教材中實(shí)驗(yàn)的比較研究——以“拋體運(yùn)動”為例[J]. 物理通報(bào)，2018（05）： 99-102.

[7]呂虎.發(fā)展學(xué)生物理科學(xué)探究素養(yǎng)的實(shí)踐[J].物理教學(xué)，2018，40（11）：41-44.

[8]蔡繼新.利用信息技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的研究[J].中學(xué)物理，2017，35（13）： 43-45.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）