摘"要：埃里克·馬祖爾（Eric Mazur）是杰出的物理學家和物理教育學家，其編寫的《Principles amp; Practice of Physics》受到物理教育界關注和好評。本文對該教材的“實踐篇”進行了結(jié)構(gòu)分析和案例研究，探討了在中學教學中如何借鑒該教材以提高學生解決真實情境問題的能力，并落實物理學科的核心素養(yǎng)。

關鍵詞：馬祖爾物理學；高中物理教學；物理學科素養(yǎng)

1"《馬祖爾物理學》概況

1.1"作者與教材出版信息

埃里克·馬祖爾（Eric Mazur），荷蘭皇家科學院院士，哈佛大學物理學與應用物理學教授，工程與應用科學學院的教學院長，國際納米光電子學和飛秒激光應用領域的著名學者。他入職哈佛大學后，在原子和物理光學領域開展研究，并在3D超材料器件、非線性納米光子學、飛秒激光微納加工等領域取得了重大成果，累計發(fā)表論文百余篇，并創(chuàng)立了多家公司。

除了在物理學前沿的研究中取得成就外，埃里克·馬祖爾在物理教育研究方面也頗有建樹。他提出了“同伴教學法”（Peer Instruction，簡稱PI），這一教學策略極大地提高了學生在大學物理課堂中的學習積極性，提升了課堂教學的效率與效果，并對“翻轉(zhuǎn)課堂”等后續(xù)教學理念有著重要引領作用。為表彰埃里克·馬祖爾在物理教學研究方面的貢獻，美國物理教師協(xié)會決定將密立根獎（Millikan Medal）頒發(fā)給埃里克·馬祖爾。2014年，埃里克·馬祖爾成為密涅瓦高等教育進步獎（Minerva Prize for Advancements in Higher Education）的獲獎者。［1］

教材《Principles amp; Practice of Physics》第一版包括Principles和Practice兩部分。Principles部分由埃里克·馬祖爾著，Practice部分則由埃里克·馬祖爾和達瑞·佩迪哥（Daryl Pedigo）共同著作。該書因其先進的教育理念、科學的層次結(jié)構(gòu)、豐富的習題資源，被翻譯為多種語言的版本，并在全世界多個國家的大學物理教學中受到好評。

這套教材的中文譯本由機械工業(yè)出版社出版，中文書名《馬祖爾物理學》，分為“原理篇”和“實踐篇”兩部分，每部分均由上、下兩冊組成。其中，“原理篇”于2018年出版，“實踐篇”于2020年出版。在《馬祖爾物理學》中，“原理篇”主要講授物理知識，闡釋物理概念；而“實踐篇”主要涉及對知識的應用與解題方法的介紹。將“原理篇”和“實踐篇”分開設置，是該書與其他物理學教材的一個顯著區(qū)別。埃里克·馬祖爾認為，獨立的“原理篇”有助于提升學生對物理知識、概念本身的重視程度，而獨立的“實踐篇”專攻習題，能強化學生的解題能力。［2］

整套教材內(nèi)容上涵蓋力學、熱學、電磁學、光學等模塊?！霸砥焙汀皩嵺`篇”均為34章。上冊包含第1章至第21章，對應力學和熱學等內(nèi)容；下冊包含第22章至第34章，對應電磁學和光學等內(nèi)容。“實踐篇”每章內(nèi)容與“原理篇”一一對應。篇幅上，以中譯版為例，“原理篇”的總頁數(shù)稍多于“實踐篇”，分別為1058頁和812頁，即“原理篇”與“實踐篇”的篇幅比例約為1.3∶1。相較于我國各類物理教材，《馬祖爾物理學》的“實踐篇”里各種類型題目所占的比例是相當大的。

1.2"《馬祖爾物理學》內(nèi)容結(jié)構(gòu)分析

如前所述，《馬祖爾物理學》由“原理篇”和“實踐篇”組成。二者結(jié)構(gòu)不同，功能各異?！霸砥钡拿恳徽路譃椤盎靖拍睢焙汀岸垦芯俊眱刹糠?。以第3章“加速度”為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

“基本概念”部分主要建構(gòu)物理概念、描繪物理圖像?！岸垦芯俊辈糠纸柚鷶?shù)學工具講解重要的物理公式與規(guī)律，對“基本概念”進行深化。每章一般有7到8小節(jié)，這些小節(jié)均勻分布在以上兩部分中。每個小節(jié)不僅介紹主要內(nèi)容，還會依照內(nèi)容設置例題、練習和自測點。例題圍繞小節(jié)重點內(nèi)容而設計，并和“實踐篇”一樣提供標準化解題過程，這將在下文說明。練習題給出解答的同時也為學習者留有思考空間。自測點緊跟在教材正文的相關段落后，多為針對相關內(nèi)容設計的概念或方法類思考題。在“基本概念”與“定量計算”部分之間設置“自測題”欄目，強調(diào)關鍵概念的習得與評價。

“原理篇”將概念學習與定量計算進行科學分割，注重問題的思考分析過程，能夠有效幫助學習者筑牢基礎，促進物理觀念的建構(gòu)和科學素養(yǎng)的形成?！皩嵺`篇”的每章分為“章節(jié)總結(jié)”“復習題”“估算題”“例題與引導性問題”“習題”等部分。以第3章“加速度”為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，“章節(jié)總結(jié)”以物理概念為核心，沿襲“原理篇”的“基本概念”和“定量研究”分立設置的模式，將“原理篇”中的知識重組、耦合，幫助學生建構(gòu)本章知識框架?！皬土曨}”常常創(chuàng)設情境，通過定性問答來檢測學生對物理概念的掌握程度，促進學生物理觀念的形成。“估算題”給出一定的提示，鼓勵學生綜合運用知識對生產(chǎn)生活中常見物理量進行近似計算。這不僅貼近生活，還強調(diào)問題解決能力與科學思維模式的培養(yǎng)。“例題與引導性問題”部分，先總結(jié)典型題目的解題思路，再交替給出例題和引導性問題，起舉一反三之效。每道例題后列出標準化的解題步驟，即“分析問題”“設計方案”“實施推導”“評價結(jié)果”。引導性問題則是以提問的形式在上述四個步驟中各給出少量提示。將科研步驟與方法滲透于習題中，更好地幫助學生領會科學思維方法?！傲曨}”部分按照不同的小節(jié)分別給出對應的練習，并標注題目的難度層級；在各小節(jié)的習題內(nèi)容結(jié)束后還提供綜合性附加題，供有需要的學生挑戰(zhàn)，實現(xiàn)學科能力提升和素養(yǎng)深化。

“實踐篇”在強化物理概念基礎的同時，側(cè)重于提高學生運用物理知識解決實際問題的能力。題型設置由淺入深、層層遞進，不同題型優(yōu)勢互補，全面促進學生物理學科核心素養(yǎng)的提升。

2"《馬祖爾物理學"實踐篇》的特色分析

2.1"習題豐富，結(jié)合真實情境

在《馬祖爾物理學"實踐篇》中，每章的章末習題約為80道，且絕大多數(shù)習題基于生活情境、實踐情境展開。這些習題會創(chuàng)設完整的、與個人的學習研究或生活實踐息息相關的情境，要求學生查找資料、合理假設、綜合運用所學知識進行推演計算，最終解決工作項目中遇到的困難或完成小型課題的研究。

案例1"（第19章第103題）作為實驗室工作人員，你要在接下來的三個星期里用到某種腐蝕性氣體。氣體被存儲于6.45 L的球形容器內(nèi)，容器壁的厚度為10.0 mm。氣體的質(zhì)量是4.00×10－3 kg，每個氣體分子的質(zhì)量是6.054×10－26 kg。存儲溫度為室溫，一般不超過30 ℃，在上網(wǎng)查詢以后，你了解到每三百萬次碰撞器壁，就有可能引發(fā)一次腐蝕性反應。評估該試驗裝置的安全性。［3］

分析：這道題基于生活中常見的“實驗室安全”情境，給出存儲容器的尺寸參數(shù)和氣體的相關信息，要求學生通過計算來評估該試驗裝置的安全性。題目的設置源于生活、高于生活，不僅能幫助學生鞏固熱學知識，還使他們在解題后意識到實驗室安全問題的重要性。同時，這也鼓勵學生利用所學知識發(fā)現(xiàn)并解決生活中的問題，體現(xiàn)了“從生活走向物理”“用物理知識解釋現(xiàn)象、解決問題”的教學導向。

2.2"例題欄目，引領解題策略

《馬祖爾物理學"實踐篇》每章都設有“例題與引導性問題”欄目，包含3～5道例題，并配有3～5道引導性問題。例題給出完整的解題過程，幫助學生提煉出一類題型的思路和解法；引導性問題與例題聯(lián)系緊密，通過一連串的小問題引導學生思考如何解題，是對相應題型的“小試牛刀”。

在《馬祖爾物理學"實踐篇》中，所有例題與引導性問題的解題過程均由如圖3所示的四個步驟組成，即“分析問題”“設計方案”“實施推導”“評價結(jié)果”。四個步驟下又細分為具體的小目標，環(huán)環(huán)相扣，培養(yǎng)學生良好的解題表達能力。下面將以“實踐篇”力學部分第5章“能量”中一道名為“澎湃的心跳”的例題為例進行說明。

案例2"（第5章例5.5）你決定構(gòu)造一個心沖擊描記器（ballistocardiogragh），這個裝置按照以下原理工作：病人平躺在一塊平板上，該平板浮在一塊空氣墊上以便它可以沿水平方向自由地移動。當心臟水平地沿某一方向供血時，平板和病人則會朝相反的方向運動。對于一名靜止的病人，心臟優(yōu)先向大腦供血。供血所產(chǎn)生的反沖速度可以被測量到，并且該反沖速度可能與你所尋求的醫(yī)學信息有關，該醫(yī)學信息即為心臟的供血能力。你預計病人體重最多為1.0×102 kg，已知一顆健康的心臟每次供血時會有2.0 mJ的化學能轉(zhuǎn)化為動能并且輸送大約50 g的血液。同時你也可以買一個靈敏度為1.0×10－5 m/s的速度傳感器，該速度傳感器用于探測平板的速率，你想要使待測的速率比該速度傳感器的靈敏度大——比如說大10倍，如果有一名病人平躺在上面的平板上，其最大速率為1.0×10－4 m/s，那么該平板的慣性質(zhì)量最多可取多大的實際值？假定平板在空氣墊上滑動時所產(chǎn)生的任何摩擦都可忽略不計，并且把平板和病人當作一個整體運動。［4］

分析：在書中的解題過程中，第一個步驟“分析問題”引導學生將問題轉(zhuǎn)化為他們熟悉的“爆破分離”問題，明確本題需要利用動量守恒定律；建立與題目情境相對應的物理模型，畫出示意圖并確定解題需要用到的物理量。這一步驟，需要學生從所給問題情境中歸納已知信息、明確所求對象，考驗學生的模型建構(gòu)、推理論證等科學思維和簡化問題的能力。

第二個步驟“設計方案”，在列出動量守恒的關系式后，學生發(fā)現(xiàn)仍然存在未知量，聯(lián)想到能量守恒定律，并分析解題可行性。這個步驟在“分析問題”和“實施推導”之間起到橋梁作用，是從已經(jīng)建立的模型出發(fā)，對解題的進一步思考，引導學生形成問題解決方案。

第三個步驟“實施推導”，學生對第二個步驟中的關系式進行推導與計算，得到題目所求的平板慣性質(zhì)量。這一步驟訓練學生靈活運用數(shù)學知識解決物理問題的能力。

第四個步驟“評價結(jié)果”，學生將得到的平板慣性質(zhì)量代回問題情境，分析其取值的合理性；重新審視問題情境，指出解題過程中所作的多個假設，有的合理、有的過度簡化。這一步驟培養(yǎng)學生嚴謹認真的科學態(tài)度和質(zhì)疑創(chuàng)新的科學思維。

本題基于醫(yī)療健康領域的真實情境，解題過程詳略得當，尤其注重解答前的分析和解答后的檢驗。這既向?qū)W生呈現(xiàn)了正確答案，強調(diào)了解決問題的思維路徑；又是一種示范，啟發(fā)學生關注規(guī)范化表達。

2.3"估算問題，凸顯學以致用

注重對近似計算能力的培養(yǎng)也是《馬祖爾物理學"實踐篇》的一大特點。研究表明，在科學知識的學習過程中，善于使用估算不僅能促進科學知識的遷移，還能提高快速、有效解決問題的科學能力，幫助學生掌握科學方法、培養(yǎng)獨立思考、敢于質(zhì)疑的科學精神等。［5］以下呈現(xiàn)的是光學部分“波動光學和粒子光學”一章中的一道估算題。

案例3"（第34章估算第9題）當浮在水面上的油看起來是紅色的時，該油膜的最小厚度。

（提示：紅光的波長是多少？油的折射率是多少？）［6］

分析：這道題要求學生運用所學的光學知識，根據(jù)油膜顏色估算油膜厚度，主要考查薄膜干涉現(xiàn)象，結(jié)合了光的頻率、波長、波速、折射率等物理量之間的關系。題目情境新穎，貼近生活。無論是給出的提示線索，還是所要估算的物理量，都是源自日常生活的常見元素。學生在學習過相關知識后，借助本題的鮮活情境，就能把這些生活中的元素串聯(lián)起來，體會到物理學在生活中的實用性和趣味性。

《馬祖爾物理學"實踐篇》中，這樣的估算題均勻分布在各個章節(jié)，旨在讓學生運用本章所學知識通過近似計算解決一些簡單的實際生活問題，初步具備獲取信息和應用知識的能力。這類建立在實際生活情境中的估算題，是教師踐行“生活·物理·社會”理念的優(yōu)質(zhì)載體。它們不僅幫助學生鞏固學科知識、提升實際問題的解決能力，還能讓學生領略物理學科的實用性，增強學生學習物理的成就感和獲得感。

2.4"綜合問題，指向跨學科性

《馬祖爾物理學》中，很多章節(jié)都包含跨學科背景習題。例如，在“電場”章節(jié)，有關“電偶極矩”的習題引導學生通過計算證明水分子中的氫原子與氧原子形成的是共價鍵而不是離子鍵；“電荷的儲存”講解原電池工作的物理、化學機理；“電場線”部分的習題需要學生設計一個能繪制帶電體周圍電場線的計算機程序。

案例4"（第22章第83題）地球上的所有生物都基于二聚合物系統(tǒng)中的一種，每一個系統(tǒng)都由一種蛋白質(zhì)和核酸組成。在一個細胞中，這些聚合物大多數(shù)都處于電荷平衡狀態(tài)，其中核酸帶一個負電荷，蛋白質(zhì)帶等量的正電荷?，F(xiàn)有8個由這種聚合物組成的結(jié)構(gòu)，其中的8個蛋白質(zhì)聚集在細胞的中心，核酸排列在一個以蛋白質(zhì)為中心、半徑為細胞直徑1/4的圓周上。已知其中7個核酸的位置用弧度分別表示為π4，π2，3π4，π，3π2，7π4，2π。如果要讓整個系統(tǒng)的電荷分布達到平衡，第8個核酸應該放在這個圓周的什么位置？（提示：可以先作一個草圖。）［7］

分析：上面這道習題以生物學里的細胞結(jié)構(gòu)為背景，考查了正負電荷的電勢、靜電平衡等相關靜電學知識和對稱性思想。將物理學知識的考查融入生物學背景，不僅讓學生耳目一新，還能讓學生體會到物理學的基礎性、應用性，激發(fā)學生對物理學的學習熱情。

大量含有跨學科情境的習題，提高學生解決生活中實際復雜問題能力，發(fā)展學習者的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)更適合現(xiàn)代化社會發(fā)展的公民。

2.5"分層設計，適應不同需求

在《馬祖爾物理學nbsp;實踐篇》中，所有的習題都按照難易程度被劃分為三個層級。

案例5"（第30章第40題）你從美國打到德國的電話是通過位于36000 km高度的地球同步軌道上的衛(wèi)星進行的。從你說“你好”的那一刻到你的問候到達德國的那一刻之間的時間間隔有多長？忽略美國到德國之間的距離。［8］

分析：這道題主要考查學生對電磁波傳播速度的記憶，以及一維運動中時間的計算，屬于第一層級的習題。在全書中，第一層級的習題基本只涉及單個物理概念，是對本節(jié)學習的公式的簡單應用，綜合性較低。

案例6"（第27章第5題）給你三個條形金屬，其中兩個是磁鐵，第三個是由磁性材料制成，但是沒有被磁化。請說明你如何只利用這三個條形金屬來判斷哪個不是磁鐵。［9］

分析：這道題考查了磁鐵與磁鐵之間、磁鐵與未磁化的磁性材料之間的磁相互作用，并需要結(jié)合受力分析的知識，它屬于第二層級的習題。在全書中，第二層級的習題大多為單個概念的隱性應用或多個概念的簡單應用，具有一定的綜合性。

案例7"（第24章第13題）引力現(xiàn)象和電現(xiàn)象有很多相似的地方：我們可以將有一定質(zhì)量的“待測物體”放在引力場中與帶有一定正電荷的試探電荷放在電場中進行類比。

（a）畫出地—月系統(tǒng)的引力場線，并標出箭頭以表明引力場的方向。

（b）考慮由兩個帶電物體組成的系統(tǒng)。為了使電場線與（a）小問中所畫出的引力場線形式類似，每個物體應該攜帶哪種電荷（正電荷或負電荷）？

（c）你能說出引力現(xiàn)象與電現(xiàn)象之間的區(qū)別嗎？［10］

分析：這道題考查了電荷相互作用、電場、電場線、引力相互作用、引力場、引力場線等物理概念。這些知識點分布在多個章節(jié)，需要學生在電場和引力場之間建立類比聯(lián)系，并對學生的圖樣表達能力提出了要求，屬于第三層級的習題。在全書中，第三層級的習題涉及對多個物理概念、公式的綜合運用，知識點可能會跨章節(jié)，要求學生在建構(gòu)學科知識框架的前提下靈活使用所學知識解決問題，具有較高的綜合性。

“實踐篇”中，第一、二、三層級習題的比例近似為3∶5∶2，與我國高考命題“易、中、難”的比例要求相符合。多種難度類型的題目，使得該教材的受眾范圍大大提高。學生可以根據(jù)自身學習的實際水平，選取相應難度的習題進行練習，以實現(xiàn)個性化的提高；同時，不同的難度設定也反過來為學生提供了檢測學習成果的標準。

3"助力高中物理教學的深入探討

3.1"重視習題情境創(chuàng)設，提升學生建模素養(yǎng)

首都師范大學邢紅軍教授曾提出“物理教育生態(tài)化”“原始物理問題解決”等主張。普通習題通常是將物理現(xiàn)象和事實經(jīng)過一定程度的抽象后呈現(xiàn)給學生，學生只需利用物理定律和原理進行演算推導即可得到答案；而原始物理問題只呈現(xiàn)客觀物理現(xiàn)象和事實，需要學生自己分析描述問題并進行抽象、建模、設置物理量。［11］原始物理問題與普通習題的一個顯著區(qū)別就在于習題情境元素的有無以及情境的真實性。人民教育出版社的高中物理教材存在情境類習題目前占比不夠高、所給情境與考查知識關聯(lián)度較低、情境描述真實度較低、與科技前沿結(jié)合度較低等問題。［12］但在本文所介紹的《馬祖爾物理學"實踐篇》中，超過半數(shù)的習題基于各種真實情境展開，其中以生活情境和實踐情境尤為突出。

中學教師在進行作業(yè)設計時，如果能重視習題選擇或改編的情境創(chuàng)設，根據(jù)習題所考查的知識、能力與素養(yǎng)，選擇合適的真實情境，那么學生在習題解答中不僅需要合理運用所學的物理定律和原理，而且需要經(jīng)歷完整的思維訓練過程，從真實情境中提煉出核心問題，聯(lián)系所學并建立相應的抽象模型。這樣一來，學生的信息獲取與加工、抽象思維和模型建構(gòu)能力得到提升，習題的育人功能也得以凸顯。

3.2"重視例題示范功能，提高學生解題能力

一線高中物理教師在例題講解時，由于課時進度的壓力，通常不會帶領學生完整經(jīng)歷解題過程，而是將例題的解答環(huán)節(jié)交給學生自行完成，最后核對答案?！恶R祖爾物理學"實踐篇》將每道例題的解題步驟都規(guī)范為“分析問題”“設計方案”“實施推導”“評價結(jié)果”四步，重視解答結(jié)果的同時更注重問題分析過程以及解的適切性檢驗。這啟示我們，在進行習題教學時，應重視例題的示范功能。尤其對于初學者，教師應給學生留出足夠的分析思考時間，引導學生關注解題的思維過程和解題后的檢查環(huán)節(jié)，切實促進學生解題表達能力的提高。

3.3"重視高等教育資源，做好高中大學銜接

部分一線高中教師常面臨以下困惑：他們雖然希望加強學生對情境類習題的訓練，但卻難以覓得與設問契合度高的情境；他們想要在教學中開展創(chuàng)意探究活動，卻難有高質(zhì)量的想法。高中物理的教學仍被緊緊限制在高考考查范圍之中，教師通常不愿接觸大學物理的領域。在大學物理的教學中，也總會出現(xiàn)斷層——一部分大學教師認為高中應該涉及的內(nèi)容，學生壓根未曾聽聞。

事實上，高中物理教學過程中遇到的很多瓶頸，都可以在大學物理中找到有效的解決方案。高中教師在完成日常工作之余，可以從高等教育資源中汲取教學的靈感與創(chuàng)意。雖然知識學習的深度與廣度存在階段性，但教學資源的開發(fā)應當是全盤整合的。本文所介紹的大學物理教材《馬祖爾物理學》，就是可供高中物理教學借鑒的不可多得的寶貴資源。教師可以從“原理篇”中選取部分概念和規(guī)律的呈現(xiàn)方式，從“實踐篇”中獲得大量作業(yè)設計的新情境，將這些資源轉(zhuǎn)化運用在自己的教學實踐中。這將有助于實現(xiàn)高中物理與大學物理的教學銜接，做到“全程育人”。

參考文獻

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［12］江佶澤，劉茂軍.高中物理新教材習題情境化的分析與啟示——以2019年人教版高中物理必修系列為例［J］.物理教師，2021，42（5）：75－79．