毛春晶+車博

摘 要：本文比較了中、美、英三國(guó)高中物理主流教材中“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，并給出了相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：牛頓運(yùn)動(dòng)定律；知識(shí)呈現(xiàn)；比較研究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）7-0029-5

力學(xué)是物理學(xué)的基礎(chǔ)分支，牛頓運(yùn)動(dòng)定律是力學(xué)中的核心概念之一，其地位不言而喻。本研究選取中、美、英三國(guó)主流高中物理教材，對(duì)其中“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”部分的知識(shí)呈現(xiàn)方式進(jìn)行比較，以期得到相關(guān)啟示。

1 研究對(duì)象

本研究中的中國(guó)教材選用使用較廣的“人教版”普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》“必修1”；美國(guó)教材選用由Paul W. Zitzewitz等人編寫的《Physics：Principles and Problems》，該教材在全美使用率高達(dá)50%，并為多數(shù)英語(yǔ)國(guó)家采用；英國(guó)教材選用Ken Dobson，David Grace和David Lovett等人編寫的《Collins Advanced Science—Physics》。

2 研究?jī)?nèi)容

本研究從教材章節(jié)結(jié)構(gòu)、內(nèi)容表述及呈現(xiàn)方式三方面對(duì)三套教材中“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”部分進(jìn)行比較。

2.1 教材力學(xué)部分章節(jié)結(jié)構(gòu)（如表1所示）

從章節(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)看，“人教版”物理教材將力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與牛頓運(yùn)動(dòng)定律獨(dú)立開來(lái)，各設(shè)一章，而美、英兩國(guó)教材則將相關(guān)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)穿插于牛頓運(yùn)動(dòng)定律的各節(jié)中。不同教材對(duì)于知識(shí)編排可謂各有特色。

牛頓運(yùn)動(dòng)定律是高中物理較難理解的知識(shí)內(nèi)容之一，美國(guó)教材從一維力入手，待學(xué)生掌握牛頓運(yùn)動(dòng)定律的精髓后，再?gòu)亩S力的維度圍繞牛頓第三定律深入展開，再?gòu)牧Φ暮铣膳c分解角度進(jìn)一步深入。有了一維力的鋪墊，二維力也就順理成章，這樣一來(lái)，既降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，又保障了知識(shí)體系的完整性。

力學(xué)以牛頓三大定律為核心內(nèi)容，覆蓋面甚廣，編寫者對(duì)于知識(shí)內(nèi)容的選取與組織直接影響教材的難度、深度和廣度。可以看出，英國(guó)教材并未在牛頓運(yùn)動(dòng)定律的闡述上花費(fèi)過(guò)多篇幅，而是更多地關(guān)注牛頓運(yùn)動(dòng)定律涉及的各個(gè)方面，可謂是以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為紐帶的大綜合。但教材中存在一些學(xué)生未知而教材又未過(guò)多鋪墊的“超前”知識(shí)，于此，學(xué)生只能被動(dòng)接受。相比之下，我國(guó)教材以學(xué)生原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為新知識(shí)出發(fā)點(diǎn)，層層遞進(jìn)，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

2.2 內(nèi)容表述（如表2所示）

對(duì)定律本身的表述，中、美、英三國(guó)教材均采用文字和公式相結(jié)合的方式呈現(xiàn)。文字?jǐn)⑹龊?jiǎn)潔精煉，但公式更能體現(xiàn)物理量間的定量關(guān)系，更具學(xué)科特色。此外，英、美兩國(guó)教材在表述上更為嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)不同的概念做了嚴(yán)格的區(qū)分。如對(duì)定律條件的說(shuō)明，美國(guó)使用“凈力”，英國(guó)使用“外力（非平衡力）”，中國(guó)教材則使用泛化的“力”。

相比之下，美國(guó)教材更注重知識(shí)的遷移性，如美國(guó)教材在牛頓第一定律之后安排了力的平衡條件這一內(nèi)容。英國(guó)教材則從動(dòng)量變化的角度去研究牛頓第二定律，據(jù)此給出“牛頓”的定義，并延伸到動(dòng)量定理。

3 呈現(xiàn)方式

3.1 三大運(yùn)動(dòng)定律呈現(xiàn)順序

“人教版”教材“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”內(nèi)容的編排順序?yàn)椋号ｎD第一定律→牛頓第二定律→牛頓第三定律；美國(guó)教材的編排順序?yàn)椋号ｎD第二定律→牛頓第一定律→牛頓第三定律；英國(guó)教材的編排順序?yàn)榕ｎD第一定律→牛頓第三定律→牛頓第二定律。

具體而言，“人教版”教材先從物理學(xué)史的角度去論證“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”，接著分析物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的有關(guān)因素，用實(shí)驗(yàn)去探究它們之間的關(guān)系，從而為牛頓第二定律的得出做好準(zhǔn)備，而后通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)去分析作用力與反作用力的關(guān)系，得到牛頓第三定律，進(jìn)而討論牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用。“人教版”教材依次呈現(xiàn)牛頓第一定律、牛頓第二定律、牛頓第三定律，這與《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》一書中三大定律呈現(xiàn)順序相同，可為學(xué)生提供物理學(xué)史的線索，使得知識(shí)體系更加自洽、完整。

美國(guó)教材先研究力，接著分析力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)表明作用在物體上的力所產(chǎn)生的效果就是使物體獲得加速度，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)得出牛頓第二定律，而后設(shè)想物體不受凈力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又該如何，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的得出打下基礎(chǔ)。最后，落腳到力的來(lái)源，并用以解釋繩子中的張力和正壓力?？梢钥闯?，教材以力為主線，分析了力的作用效果，不受凈力時(shí)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及力的來(lái)源。客觀來(lái)講，牛頓第二定律較牛頓第一定律更具象，而學(xué)生對(duì)牛頓第二定理的理解又將在很大程度上降低學(xué)生理解牛頓第一定律的難度。筆者認(rèn)為這可能是美國(guó)教材在編排時(shí)將牛頓第二定律置于牛頓第一定律之前的原因。

英國(guó)教材先從物理學(xué)史的角度去論證“力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因”，從力的作用效果定義了力，得到牛頓第一定律。接著進(jìn)一步思考力的來(lái)源，通過(guò)對(duì)作用力與反作用力的研究得到牛頓第三定律。教材用動(dòng)量衡量物體“運(yùn)動(dòng)的量”，定義力為動(dòng)量的變化率，從兩方面討論動(dòng)量的變化，在恒力、定質(zhì)量情況下得到牛頓第二定律表達(dá)式F=ma，而變質(zhì)量情況下表達(dá)式為F=。筆者認(rèn)為，可能是考慮到教材后續(xù)知識(shí)內(nèi)容，如質(zhì)量變化影響動(dòng)量，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等內(nèi)容與牛頓第二定律的聯(lián)系更為緊密，故而教材編排上將牛頓第三定律置于牛頓第二定律之前。

3.2 實(shí)驗(yàn)及類型（如表3所示）

從實(shí)驗(yàn)設(shè)置來(lái)看，中美兩國(guó)教材均有不同的實(shí)驗(yàn)類型。中國(guó)教材將實(shí)驗(yàn)分為學(xué)生實(shí)驗(yàn)（物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的器材做的定量實(shí)驗(yàn)）、實(shí)驗(yàn)（課堂上由學(xué)生操作完成，多為定性實(shí)驗(yàn)）、演示（教師操作，學(xué)生觀察、討論）、做一做（趣味性較強(qiáng)，有條件的多做）及問(wèn)題與練習(xí)（器材易得、難度較低，學(xué)生應(yīng)該完成）五大類。美國(guó)教材將實(shí)驗(yàn)分為起步實(shí)驗(yàn)（章節(jié)始：創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣，難度較低）、迷你實(shí)驗(yàn)（章節(jié)中：簡(jiǎn)單易操作，理解概念與規(guī)律）及物理實(shí)驗(yàn)（章節(jié)末：綜合性較強(qiáng)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力及增強(qiáng)服務(wù)生活的意識(shí)）三大類。英國(guó)教材僅僅提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，并沒(méi)有給出明確的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。不同教材的實(shí)驗(yàn)類型并不相同，究其原因，“人教版”教材、“原理與問(wèn)題”教材的編寫者更加注重教材中實(shí)驗(yàn)的多樣性與選擇性，力圖給教材使用者提供更多的教學(xué)資源，而英國(guó)教材的編寫者更多關(guān)注教材內(nèi)容本身，至于如何使用教材開展教學(xué)活動(dòng)則由教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)者進(jìn)行決定。

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)看，中國(guó)教材注重實(shí)驗(yàn)探究。引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，這有利于激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，力圖使學(xué)生在探究的過(guò)程中獲得知識(shí)、發(fā)展能力、養(yǎng)成良好的科學(xué)素養(yǎng)。此外，教材的定量實(shí)驗(yàn)對(duì)精度有一定的要求，體現(xiàn)了定量、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑瓌t。美國(guó)教材也注重與生活的聯(lián)系。例如，一方面實(shí)驗(yàn)器材源于生活，如“物理實(shí)驗(yàn)：電梯里的力”中實(shí)驗(yàn)器材為電梯、磅秤、彈簧秤、物塊等生活中常見(jiàn)的物品；另一方面，強(qiáng)調(diào)相關(guān)物理內(nèi)容在生活中的應(yīng)用。上述實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論后教材并未止步于此，而是進(jìn)一步探究，將物理規(guī)律應(yīng)用于生活實(shí)際。英國(guó)教材注重實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證功能，注重學(xué)生思維方式的培養(yǎng)。

3.3 例題及習(xí)題

在例題的呈現(xiàn)方式上，三本教材均注重選題的代表性和精煉性，并且選題內(nèi)容上與生活聯(lián)系緊密。“人教版”的例題解答包括“分析”和“解”兩部分，更側(cè)重例題的示范性和解題的規(guī)范性?！禤hysics：Principles and Problems》的例題解答突出解決問(wèn)題的一般步驟，且一題多用，有較好的示范性和拓展性?！禖ollins Advanced Science—Physics》注重簡(jiǎn)約，刪減了對(duì)例題解題過(guò)程的分析，用定理、公式作為聯(lián)系已知與未知的橋梁，帶入求解，但該教材注重解題的思路和方法的講解。

在習(xí)題的表現(xiàn)形式上，“人教版”習(xí)題設(shè)置形式多樣，定性分析，定量計(jì)算，解釋現(xiàn)象，分析錯(cuò)誤……增設(shè)多種情景，加強(qiáng)與生活的聯(lián)系，增強(qiáng)把知識(shí)應(yīng)用于生活的意識(shí)。《Physics：Principles and Problems》則注重多練且富于層次，在題前標(biāo)識(shí)所考知識(shí)點(diǎn)，便于學(xué)生自我檢測(cè)，章節(jié)復(fù)習(xí)題由易而難，層層遞進(jìn)，包括繪制概念圖、理解概念、應(yīng)用概念、問(wèn)題解決、復(fù)習(xí)提高和理性思維六大板塊。而《Collins Advanced Science—Physics》更注重課上思考，并未設(shè)置章節(jié)習(xí)題，但在講授過(guò)程中，針對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)在相應(yīng)位置提出相關(guān)問(wèn)題，以激起學(xué)生思考，對(duì)知識(shí)的廣度進(jìn)行拓展，也便于課堂檢測(cè)和及時(shí)反饋。

4 研究結(jié)論及啟示

學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，物理知識(shí)的歷史發(fā)展順序、知識(shí)間的邏輯順序很大程度上決定著教材內(nèi)容的呈現(xiàn)順序。

從章節(jié)結(jié)構(gòu)而言，中、美、英三國(guó)教材對(duì)于牛頓三大定律的呈現(xiàn)順序并不相同，這種差異反映了教材編寫者的不同思路和編寫意圖。

在內(nèi)容表述上，中、美、英三國(guó)教材所使用的力學(xué)概念有所區(qū)別。當(dāng)然，這種區(qū)別并非對(duì)與錯(cuò)的區(qū)別，而是考慮到了教材內(nèi)容自身的邏輯性以及學(xué)生的接受能力。

中、美、英三國(guó)高中物理教材中“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)量、類型及內(nèi)容都有不同。這種不同折射出不同的教材觀，給教材使用者提供了不同的選擇性。

在以上研究的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為：

1.教材內(nèi)容的呈現(xiàn)在確?？茖W(xué)性的同時(shí)，可以有不同的思路。教材內(nèi)容呈現(xiàn)思路的不同，一方面體現(xiàn)了教材的特色，另一方面，也為學(xué)習(xí)者理解對(duì)應(yīng)知識(shí)提供不同的視角（此處，還可以參考德國(guó)卡爾斯魯厄版的初中物理教材與高中物理教材）。

2.教材作為教學(xué)活動(dòng)中重要的教學(xué)資源的提供者之一，可以安排更加多樣且具有代表性的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，其前提是教學(xué)活動(dòng)應(yīng)該是用教材，而不是教教材。

3.合理設(shè)置習(xí)題。教材中的習(xí)題一方面要考慮習(xí)題與教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生認(rèn)知等因素的關(guān)系，設(shè)置不同層次的習(xí)題；另一方面，可以進(jìn)一步探索情境性試題的設(shè)置，如何讓學(xué)生在合理的情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中應(yīng)用到相關(guān)知識(shí)、技能，提升學(xué)生對(duì)學(xué)科本身的理解，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、生存能力，這方面PISA考試習(xí)題為我們提供了啟示。

參考文獻(xiàn)：

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[3]人民教育出版社 課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·必修1[M].北京：人民教育出版社，2010：67-89.

[4]袁博，張磊.中美物理教材的比較研究與啟示[J].物理通報(bào)，2010（3）：3-6.

（欄目編輯 李富強(qiáng)）