劉璐璐 張 雄

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

楊振寧先生曾經(jīng)說過，物理學(xué)是一個(gè)多方面的學(xué)科，是現(xiàn)象的學(xué)科，是一個(gè)跟實(shí)驗(yàn)非常接近的學(xué)科，而不是整天在公式內(nèi)打滾的學(xué)科.[1]現(xiàn)如今，我們的教學(xué)太過重視知識(shí)的輸送，而忽略了將學(xué)生所學(xué)進(jìn)行引導(dǎo)，使之成為他們的基本物理觀念.因此，要求學(xué)生從掌握物理知識(shí)發(fā)展到提升自我思想、素養(yǎng)層面就顯得尤為重要.

2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)新時(shí)代培養(yǎng)人才的要求，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括4個(gè)方面的內(nèi)容——“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”.[2]而物理觀念作為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的首要方面與重要指標(biāo)，具有極其重要的教育意義.

1 物理觀念

物理觀念是在物理學(xué)視角下形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用與能量等的基本認(rèn)識(shí).[2]是一種在學(xué)生頭腦中自然形成的從物理學(xué)視角看待問題的認(rèn)識(shí)起點(diǎn)，認(rèn)識(shí)起點(diǎn)一旦建立好了，建立正確了，學(xué)生對于物理概念與規(guī)律的理解就會(huì)非常到位.物理觀念作為一種形成于人腦中的觀念性的東西，可以說伴隨人的時(shí)間最久，也最為頑固.它同樣也是學(xué)生準(zhǔn)確解決自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題的基礎(chǔ).因此，教師要幫助學(xué)生建立起正確的物理觀念，為學(xué)生的核心素養(yǎng)萬丈高樓的建立，打下“堅(jiān)實(shí)的地基”.

2 教材選用

不同版本的教材在內(nèi)容安排、欄目設(shè)置、應(yīng)用實(shí)例、插圖設(shè)計(jì)等方面都不盡相同，這也會(huì)對教學(xué)產(chǎn)生重要的影響.此番筆者選取了中美高中主流理科教材——人教版高中物理教材(2018年版)和《Physics:Principles and Problems》(第2版)即由美國密歇根-迪爾伯恩大學(xué)物理教授保羅·齊策維茨編寫的《物理原理與問題》(該書在美國有超過50%的選用率，從20世紀(jì)80年代開始就一直廣受好評).在這里筆者就中美兩國教材的“機(jī)械能守恒定律”中各模塊的闡述方式、編寫特色做一些比對分析，希望能給我國教材編寫提供一些“美式借鑒”，并使我們獲得培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的有價(jià)值的啟示.

3 中美教材內(nèi)容對比

3.1 中國教材的內(nèi)容呈現(xiàn)形式

“機(jī)械能守恒定律”出現(xiàn)在人教版高中物理教材(2018版)的必修2第8章第4節(jié)，內(nèi)容模塊上主要有“問題”、“追尋守恒量”、“動(dòng)能與勢能的相互轉(zhuǎn)化”、“思考與討論”、“機(jī)械能守恒定律”、“例題”、“練習(xí)與應(yīng)用”這六種形式.

“問題”導(dǎo)入從學(xué)生熟悉的伽利略斜面實(shí)驗(yàn)出發(fā)，引出小球在兩個(gè)不同坡度的斜面上運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn).進(jìn)而引發(fā)學(xué)生思考：在運(yùn)動(dòng)過程中，哪些物理量是變化的，哪些物理量是不變的.

“追尋守恒量”以開篇正文的形式出現(xiàn)，教材開篇先讓學(xué)生思考“能量”的概念.由于小球在沒有空氣阻力及摩擦力作用時(shí)，必將準(zhǔn)確地終止于它開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的高度，不會(huì)更高一點(diǎn)，也不會(huì)更低一點(diǎn).[3]故而據(jù)此，讓學(xué)生理解并猜測某種“東西”在小球運(yùn)動(dòng)過程中是不變的.這里在沒有引入能量概念之前，就讓學(xué)生猜測這種守恒的“東西”是能量，學(xué)生的思維沒有躍度，能夠直接給出教師所希望聽到的答案.伽利略和牛頓都沒能總結(jié)出這個(gè)概念，我們也不能令學(xué)生根據(jù)編者意圖，順勢得出答案.對于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們只能說存在某種“東西”保持不變，但是具體是什么，我們尚不清楚.物理教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)注意，能通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出的概念就通過實(shí)驗(yàn)去引導(dǎo)學(xué)生猜想，復(fù)雜且難以解釋清楚的概念，該引則引，當(dāng)說直說.于邏輯上用結(jié)論推論結(jié)論，會(huì)顯得矛盾重重.

“動(dòng)能與勢能相互轉(zhuǎn)化”一欄中，選用了沿光滑斜面下滑的物體、具有一定速度且由于慣性而沿光滑斜面上升的物體、豎直向上拋出的物體、被壓縮的彈簧以及跳板上彈起的運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)過程來做定性的理論分析.教材得出動(dòng)能與重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，彈性勢能與動(dòng)能也可以相互轉(zhuǎn)化.并且機(jī)械能包含3種能量：重力勢能、彈性勢能和動(dòng)能.我們的教材沒有將重力勢能與彈性勢能統(tǒng)一歸為一類.但從中我們可以看出人教版教材在舉例講各能量的相互轉(zhuǎn)化過程時(shí)描述得十分詳盡，所舉實(shí)例簡單也貼近生活.知識(shí)豐富、內(nèi)容詳盡是人教版教材的一大特色.

第一個(gè)“思考與討論”引用了兩個(gè)下落高度相同，但所處介質(zhì)不同的小球運(yùn)動(dòng)過程.探尋在兩種過程中它們二者的重力做功、重力勢能變化、動(dòng)能變化的大小關(guān)系，以及它們在運(yùn)動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)化.借此培養(yǎng)學(xué)生在多因素環(huán)境影響下，仍能排除干擾分析實(shí)際問題的能力.第二個(gè)“思考與討論”則提問學(xué)生在滑落的逆向過程中，推導(dǎo)的關(guān)于物體初、末狀態(tài)的動(dòng)能與勢能之和是否依然相等.啟發(fā)學(xué)生舉一反三，辯證思考，培養(yǎng)他們的批判性思維.

“機(jī)械能守恒定律”一欄中，揭示動(dòng)能與勢能的相互轉(zhuǎn)化存在著某種定量關(guān)系.人教版教材利用了動(dòng)能定理、重力做功與勢能變化的關(guān)系，推導(dǎo)出了在只有重力做功的系統(tǒng)中，動(dòng)能與重力勢能互相轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能保持不變的結(jié)論.[3]體現(xiàn)出了人教版教材推理嚴(yán)密、理論性強(qiáng)的特點(diǎn).正文末尾，教材總結(jié)了何謂機(jī)械能守恒定律，并依據(jù)滑雪者的客觀實(shí)例，向?qū)W生說明：在阻力可以忽略的情況下，動(dòng)能與重力勢能可以互相轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能守恒.如果阻力做功不可以忽略，則機(jī)械能不守恒.[3]據(jù)此，我們又窺見到了人教版教材的嚴(yán)謹(jǐn)性.

“例題”引用了一個(gè)經(jīng)典單擺的機(jī)械能守恒實(shí)例，由此運(yùn)用機(jī)械能守恒定律計(jì)算出小球在某一點(diǎn)的速度大小.最后于總結(jié)處聯(lián)系了一下生活經(jīng)驗(yàn)(擺角越大，到達(dá)最低點(diǎn)的速度也越大).

3.2 美國教材的內(nèi)容呈現(xiàn)形式

美國高中物理教材《物理：原理與問題》中的“能量守恒”部分內(nèi)容主要包括“能量守恒定律”、“機(jī)械能”、“系統(tǒng)的機(jī)械能”、“機(jī)械能守恒”、“機(jī)械能和其他形式的能量守恒”、“本節(jié)主旨”、“核心問題”、“術(shù)語回顧”、“關(guān)鍵術(shù)語”、“迷你實(shí)驗(yàn)”、“閱讀檢測”、“解題策略”、“例題”、“練一練”等12個(gè)小版塊.

“能量守恒定律”中有這樣一句話，“科學(xué)家們只要觀察到系統(tǒng)正在丟失能量，他們就會(huì)去尋找能量可能會(huì)轉(zhuǎn)化成的新的形式”，[4]這句話的言外之意：只要系統(tǒng)正在丟失能量，就一定會(huì)有新的形式的能量產(chǎn)生.同樣也就是說，只要系統(tǒng)同外界沒有交換能量，系統(tǒng)就是封閉孤立的，系統(tǒng)內(nèi)的總能量也一定是守恒的.美國教材定義機(jī)械能守恒定律：“在一個(gè)封閉的孤立系統(tǒng)里，能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅.也就是說，能量是守恒的.在這些條件下，能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但系統(tǒng)中能量的總量保持不變.[4]”與人教版9年級物理教材(2013年版)關(guān)于能量守恒的表述是大致相同的.而美國教材表述上則更加規(guī)范，它先定義了一個(gè)封閉的孤立系統(tǒng)，也就是美國教材旁批里涉及到的“本節(jié)主旨”中的內(nèi)容.然后在“術(shù)語回顧”里再去回顧“封閉系統(tǒng)”這一概念，并帶著“核心問題”開展本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容.系統(tǒng)的機(jī)械能為系統(tǒng)中物體的動(dòng)能和勢能的總和.動(dòng)能包括系統(tǒng)中物體的平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，勢能包括系統(tǒng)的重力勢能和彈性勢能.[4]由此分類，可直接得出“系統(tǒng)的機(jī)械能等于系統(tǒng)中物體的動(dòng)能與勢能的總和”.[4]較人教版的定義顯得更加簡要、系統(tǒng).

“系統(tǒng)的機(jī)械能”中用了一個(gè)正在下落的保齡球的機(jī)械能守恒作了番說明，兼用圖表的形式描述下落各階段(球開始下落、球下落1m、球碰到地面)的動(dòng)能、勢能及機(jī)械能變化情況，直觀明了且定量.圖文并茂是美國教材的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn).另外，美國教材圖中所用數(shù)值簡單，學(xué)生便于比較，易于接受.

“關(guān)鍵術(shù)語”中羅列了本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容涉及到的所有重點(diǎn)概念.美國教材課前就告訴學(xué)生，本節(jié)內(nèi)容哪些是重點(diǎn)概念，讓學(xué)生做到心中有數(shù)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更具方向性，也是美國教材值得我們學(xué)習(xí)的一點(diǎn).

“機(jī)械能守恒”中以一個(gè)落向地面的小球，重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的簡單實(shí)例，計(jì)算得出機(jī)械能守恒，并點(diǎn)明守恒所需條件：小球與地球組成的系統(tǒng)是封閉且孤立的.美國教材在這一點(diǎn)上突出了物理問題的條件性，并滲透在了教材表達(dá)的方方面面，給予了學(xué)生分析問題的前提條件，原則性很強(qiáng).

“迷你實(shí)驗(yàn)”中美教材引用了一個(gè)與人教版教材相同的實(shí)例，即向上拋出的小球?qū)嵗?在人教版教材中向上拋出的小球的能量轉(zhuǎn)化，人教版教材是給予了詳細(xì)的說明與具體的分析的，而美國教材則是讓學(xué)生去做一個(gè)“迷你實(shí)驗(yàn)”，并讓學(xué)生據(jù)此分析運(yùn)動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)化.體現(xiàn)了在過程中重視思維，在思維中彰顯過程的物理觀念.美國教材還設(shè)置了帶星號的單擺實(shí)驗(yàn)供學(xué)生自己做課后探索，突出了美國教材較強(qiáng)的探索性，肯放手讓學(xué)生擁有更多的獨(dú)立思考空間與自主性，這也是我們的教材所缺少的.

在“機(jī)械能和其他形式的能量守恒”中，美國教材談到當(dāng)單擺停下、彈跳小球最終停下、過山車滑坡高度越來越低等阻力不能忽略的情況出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量后仍存在“廣義的能量守恒”.另外美國教材率先引入了“聲能”的新概念，開拓了學(xué)生的視野，豐富了學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)容.

“閱讀檢測”里列舉了3個(gè)生活實(shí)例(過山車、滑雪、單擺)，這是美國教材的又一大特色——緊密聯(lián)系生活實(shí)際，應(yīng)用物理原理揭秘生活原理.體現(xiàn)出物理源自生活，應(yīng)用于生活的教學(xué)理念，也值得我們借鑒學(xué)習(xí).在過山車、滑雪以及單擺運(yùn)動(dòng)的不同階段，不同高度，美國教材運(yùn)用了變化的條形圖來彰顯規(guī)律，定性又不乏定量，學(xué)生看了很容易就能明白.“單擺”的實(shí)例中有句話，“如果一個(gè)外力把擺錘拉到某一高度，則這個(gè)力做了功，給了系統(tǒng)一個(gè)機(jī)械能”一句表達(dá)得科學(xué)，精準(zhǔn).[4]在問題的開始，從教材做起，就提醒學(xué)生運(yùn)用物理思維觀念去分析問題，為他們養(yǎng)成成熟的物理觀念作了鋪墊.

美國教材還專設(shè)了“解題策略”一欄，從“仔細(xì)地定義系統(tǒng)”、“在該封閉系統(tǒng)內(nèi)，不存在物體的進(jìn)入或離開”到“確定系統(tǒng)中的能量形式”再到“確定系統(tǒng)最初和最終的狀態(tài)”，都可以看出美國教材提出的解題策略是層層遞進(jìn)，逐步引申的.“如果沒有外力對系統(tǒng)發(fā)生作用，則該系統(tǒng)是孤立的”點(diǎn)明如何確定一個(gè)系統(tǒng)是孤立的——沒有外力對系統(tǒng)發(fā)生作用的情況下.[4]那如果有外力作用系統(tǒng)呢？又該如何判定呢？有外力作用的情況下，系統(tǒng)最后的能量等于它初始的能量與對系統(tǒng)所做的功的總和(對系統(tǒng)做功可以為負(fù)，即Ef=Ei+W).[4]最后總結(jié)：如果系統(tǒng)是孤立的，且只有勢能和動(dòng)能兩種能量類型，那么系統(tǒng)機(jī)械能一定是守恒的.美國教材逐步推進(jìn)學(xué)生的思維，由易到難，層層遞進(jìn)，體現(xiàn)了該教材的科學(xué)性和方法性.

“例題”選取與實(shí)際生活密切關(guān)聯(lián)的問題，開啟了習(xí)題的生活化、應(yīng)用化模式.教材解題規(guī)范，分3步走：分析概括問題、求解未知量、驗(yàn)證答案.其中“分析概括問題”中有一個(gè)亮點(diǎn)：請學(xué)生畫出能量柱形圖.要求學(xué)生運(yùn)用數(shù)形結(jié)合地思想去理解物理問題.美國教材的解題過程，條理清晰，思路明了且富有良好的邏輯性，不是單純地講究計(jì)算方法.這一點(diǎn)也值得我們借鑒取經(jīng).次要的代入過程可以不出現(xiàn)在主要解題步驟里而置于旁邊，數(shù)據(jù)的代入過程無需和盤托出，既干擾學(xué)生思維，又顯得本末倒置，繁冗綴余.美國教材的規(guī)范解答為學(xué)生提供了一個(gè)良好的答題模板，起到了很好的表率作用.

“練一練”中有個(gè)習(xí)題的題干包含這樣一句話：“選擇一個(gè)合適的系統(tǒng)，找出系統(tǒng)最初的動(dòng)能”.[4]這句話也映射出美國教材注重學(xué)生在解題過程中的思維分析與概念理解，是國內(nèi)教材所忽視了的部分.美國教材“練一練”中還包含拔高思維題，供學(xué)生做拓展思維訓(xùn)練，但并不做過多要求，合理合情，能適應(yīng)各個(gè)層次學(xué)生的水平.

4 研究的意義

現(xiàn)如今我們的教材和教法仍然重視知識(shí)傳輸，而忽略了對學(xué)生的思維培養(yǎng)和思維鍛煉.學(xué)生從實(shí)際問題中抽象出物理問題的能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，反觀美國教材我們能夠窺見：我國教材知識(shí)層面做得過多了，而思維啟發(fā)上做得太少了.培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念當(dāng)從教材抓起.

另外相對來說，中國教材中生活實(shí)例的選擇較為單一，美國教材中的實(shí)例列舉(不論在正文還是在習(xí)題中)簡單又貼切物理模型.過山車、滑雪、單擺都是日常生活中學(xué)生常見的物理現(xiàn)象，用它們來分析機(jī)械能守恒，從某種程度上說，更能吸引學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣.這表明了美國教材注重培養(yǎng)學(xué)生解決生活化的物理問題的能力，對于培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念會(huì)有很大幫助.而人教版教材內(nèi)容表達(dá)上就顯得簡單直接，一上來就“開門見山”，學(xué)生可以直接按照教材上的內(nèi)容進(jìn)行“明知故問”的回答，因此缺少邏輯性與趣味性.

5 總結(jié)

教材是教師進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的主要依據(jù)，也是學(xué)生進(jìn)行物理學(xué)習(xí)的重要工具.[1]通過比較我們發(fā)現(xiàn)，與美國教材相比，人教版教材有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但在物理觀念培養(yǎng)方面卻還存在諸多不足.編者還需不斷優(yōu)化我國的物理教材，特別是內(nèi)在邏輯，解題規(guī)范性方面，以增加對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)力度.教材還應(yīng)當(dāng)多取材生活實(shí)例，充分展現(xiàn)生活實(shí)例帶給教學(xué)的趣味性、直觀性.夯實(shí)學(xué)生的“雙基”，提升教材的魅力，讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)的廣泛運(yùn)用與科學(xué)本真.