中美英高中物理教材中“牛頓運動定律”知識呈現(xiàn)比較研究

毛春晶+車博

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

關(guān)鍵詞：牛頓運動定律；知識呈現(xiàn)；比較研究

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

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

1 研究對象

本研究中的中國教材選用使用較廣的“人教版”普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理》“必修1”；美國教材選用由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)英語國家采用；英國教材選用Ken Dobson，David Grace和David Lovett等人編寫的《Collins Advanced Science—Physics》。

2 研究內(nèi)容

本研究從教材章節(jié)結(jié)構(gòu)、內(nèi)容表述及呈現(xiàn)方式三方面對三套教材中“牛頓運動定律”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)來看，“人教版”物理教材將力學(xué)基礎(chǔ)知識與牛頓運動定律獨立開來，各設(shè)一章，而美、英兩國教材則將相關(guān)力學(xué)基礎(chǔ)知識穿插于牛頓運動定律的各節(jié)中。不同教材對于知識編排可謂各有特色。

牛頓運動定律是高中物理較難理解的知識內(nèi)容之一，美國教材從一維力入手，待學(xué)生掌握牛頓運動定律的精髓后，再從二維力的維度圍繞牛頓第三定律深入展開，再從力的合成與分解角度進(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，既降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，又保障了知識體系的完整性。

力學(xué)以牛頓三大定律為核心內(nèi)容，覆蓋面甚廣，編寫者對于知識內(nèi)容的選取與組織直接影響教材的難度、深度和廣度?？梢钥闯?，英國教材并未在牛頓運動定律的闡述上花費過多篇幅，而是更多地關(guān)注牛頓運動定律涉及的各個方面，可謂是以牛頓運動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多鋪墊的“超前”知識，于此，學(xué)生只能被動接受。相比之下，我國教材以學(xué)生原有知識經(jīng)驗為新知識出發(fā)點，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）

對定律本身的表述，中、美、英三國教材均采用文字和公式相結(jié)合的方式呈現(xiàn)。文字?jǐn)⑹龊啙嵕珶挘礁荏w現(xiàn)物理量間的定量關(guān)系，更具學(xué)科特色。此外，英、美兩國教材在表述上更為嚴(yán)謹(jǐn)，對不同的概念做了嚴(yán)格的區(qū)分。如對定律條件的說明，美國使用“凈力”，英國使用“外力（非平衡力）”，中國教材則使用泛化的“力”。

相比之下，美國教材更注重知識的遷移性，如美國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。英國教材則從動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，并延伸到動量定理。

3 呈現(xiàn)方式

3.1 三大運動定律呈現(xiàn)順序

“人教版”教材“牛頓運動定律”內(nèi)容的編排順序為：牛頓第一定律→牛頓第二定律→牛頓第三定律；美國教材的編排順序為：牛頓第二定律→牛頓第一定律→牛頓第三定律；英國教材的編排順序為牛頓第一定律→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“力不是維持物體運動的原因”，接著分析物體運動狀態(tài)變化的有關(guān)因素，用實驗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，而后通過觀察和實驗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)而討論牛頓運動定律的應(yīng)用?！叭私贪妗苯滩囊来纬尸F(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，使得知識體系更加自洽、完整。

美國教材先研究力，接著分析力與運動的關(guān)系，實驗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，通過一系列實驗得出牛頓第二定律，而后設(shè)想物體不受凈力時的運動狀態(tài)又該如何，通過對比實驗為牛頓第一定律的得出打下基礎(chǔ)。最后，落腳到力的來源，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，不受凈力時物體的運動狀態(tài)及力的來源?？陀^來講，牛頓第二定律較牛頓第一定律更具象，而學(xué)生對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)為這可能是美國教材在編排時將牛頓第二定律置于牛頓第一定律之前的原因。

英國教材先從物理學(xué)史的角度去論證“力是物體運動狀態(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)一步思考力的來源，通過對作用力與反作用力的研究得到牛頓第三定律。教材用動量衡量物體“運動的量”，定義力為動量的變化率，從兩方面討論動量的變化，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)知識內(nèi)容，如質(zhì)量變化影響動量，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 實驗及類型（如表3所示）

從實驗設(shè)置來看，中美兩國教材均有不同的實驗類型。中國教材將實驗分為學(xué)生實驗（物理實驗室內(nèi)的器材做的定量實驗）、實驗（課堂上由學(xué)生操作完成，多為定性實驗）、演示（教師操作，學(xué)生觀察、討論）、做一做（趣味性較強，有條件的多做）及問題與練習(xí)（器材易得、難度較低，學(xué)生應(yīng)該完成）五大類。美國教材將實驗分為起步實驗（章節(jié)始：創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣，難度較低）、迷你實驗（章節(jié)中：簡單易操作，理解概念與規(guī)律）及物理實驗（章節(jié)末：綜合性較強，培養(yǎng)科學(xué)探究能力及增強服務(wù)生活的意識）三大類。英國教材僅僅提供實驗設(shè)計思路，并沒有給出明確的實驗過程。不同教材的實驗類型并不相同，究其原因，“人教版”教材、“原理與問題”教材的編寫者更加注重教材中實驗的多樣性與選擇性，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)活動則由教學(xué)活動的設(shè)計者進(jìn)行決定。

從實驗內(nèi)容來看，中國教材注重實驗探究。引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)并解決問題，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)生在探究的過程中獲得知識、發(fā)展能力、養(yǎng)成良好的科學(xué)素養(yǎng)。此外，教材的定量實驗對精度有一定的要求，體現(xiàn)了定量、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑瓌t。美國教材也注重與生活的聯(lián)系。例如，一方面實驗器材源于生活，如“物理實驗：電梯里的力”中實驗器材為電梯、磅秤、彈簧秤、物塊等生活中常見的物品；另一方面，強調(diào)相關(guān)物理內(nèi)容在生活中的應(yīng)用。上述實驗得出結(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)用于生活實際。英國教材注重實驗的驗證功能，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?！叭私贪妗钡睦}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》注重簡約，刪減了對例題解題過程的分析，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，定量計算，解釋現(xiàn)象，分析錯誤……增設(shè)多種情景，加強與生活的聯(lián)系，增強把知識應(yīng)用于生活的意識?！禤hysics：Principles and Problems》則注重多練且富于層次，在題前標(biāo)識所考知識點，便于學(xué)生自我檢測，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，但在講授過程中，針對某一知識點在相應(yīng)位置提出相關(guān)問題，以激起學(xué)生思考，對知識的廣度進(jìn)行拓展，也便于課堂檢測和及時反饋。

4 研究結(jié)論及啟示

學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，物理知識的歷史發(fā)展順序、知識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、英三國教材對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)別并非對與錯的區(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、英三國高中物理教材中“牛頓運動定律”部分的實驗數(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，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)者理解對應(yīng)知識提供不同的視角（此處，還可以參考德國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驗。當(dāng)然，其前提是教學(xué)活動應(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)問題、解決問題，在解決問題的過程中應(yīng)用到相關(guān)知識、技能，提升學(xué)生對學(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)：

[1]Paul W. Zitzewitz. Physics：Principles and Problems[M]. McGraw-Hill Publishing，2005.86-117.

[2]Ken Dobson，David Grace，David Lovett.Collins Advanced Science——Physics[M]. Collins Educational，22-40.

[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)實驗教科書 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，2010（3）：3-6.

（欄目編輯 李富強）