中英主流高中物理教材對比分析

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摘要：以“動量及其守恒定律”一章為例，基于物理學科核心素養視角，分析中、英兩國主流高中物理教材的知識呈現、實驗編排及習題設置的差異．結果表明：中國教材邏輯性更強，章節聯系更加緊密，注重培養學生的科學思維和科學探究能力；英國教材更加注重物理與生活的聯系．鼓勵一線教師在授課的過程中，保證嚴謹性和科學性的同時，充分發揮個人智慧創設適合學生的情境，以更好地促進學生核心素養的發展．

關鍵詞：核心素養；中英教材對比；動量及其守恒定律

《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出，高中物理課程以“立德樹人”為根本任務，強調高中物理課程要從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面提煉學科的育人價值，體現物理學科對提升學生核心素養的作用，為學生的終身發展奠定基礎．［1］教材作為學科的主要知識載體，在課程中占有重要地位，通過對中外教材進行對比與反思，取長補短，可以有效地促進我國學科和課程的發展．本研究以《動量及其守恒定律》一章為例，對中、英兩國主流高中物理教材進行對比研究．通過分析兩版教材知識內容的呈現方式、實驗的編排以及習題的對比，從物理學科核心素養的視角進行差異化研究，找到兩國教材在動量章節的優勢和不足，為一線教師對教材的解讀及授課提供參考思路，以促進學生物理學科核心素養的發展．

1兩套教材簡介

本文采用的中英兩套主流教材分別是：我國人民教育出版社編寫的《普通高中教科書：物理》和英國的《CambridgeInternationalASandALevelPhysicsCoursebook》，教材信息見表1．后文中簡稱“中國教材”與“英國教材”．兩套教材分別是兩國目前使用范圍較廣的最新版本教材，動量部分的知識在兩本教材中都以一章多節的形式體現．從目錄來看，兩本教材中的知識呈現、實驗編排存在一定差異，下文中將展開對比．

2基于核心素養的中英教材編排比較

2．1知識呈現方式比較

我國教材在講解“動量及其守恒定律”這一章節時，先給出兩球碰撞的示例，提出尋找碰撞過程中的不變量，從而引入動量的概念．接著研究了碰撞過程中單個物體的受力與動量變化的關系，與學生之前學過的牛頓第二定律相結合，講解了動量定理并提出沖量概念．最后研究碰撞過程中兩個物體在相互作用過程中動量的改變，分別對兩個物體列動量定理，從而推導出動量守恒定律，并通過實驗驗證該定律．學生接受了動量守恒定律之后，最后講解動量守恒定律的運用：碰撞模型（包括彈性碰撞、非彈性碰撞、完全非彈性碰撞）、爆炸反沖模型等．具體呈現方式如圖1所示．在英國教材中，“動量及其守恒定律”一章由“碰撞”引入并貫穿始終．章節初始由“如何提升汽車在碰撞過程中的安全系數”這一非常實用性的問題作為導入，引發學生思考．緊接著書中給了各種各樣的碰撞示例，有微觀世界的粒子間的碰撞、有宏觀世界物體的碰撞、也有宇宙界天體的碰撞等．將碰撞分成兩大類：一類是碰撞之后二者分開的“彈性碰撞（SpringyCollisions）”；另外一類是碰撞之后二者合二為一的“粘性碰撞（StickyColli－sions）”．在這里，英國教材直接了當地給出了動量的概念，不同于我國教材中所謂的“碰撞過程中的不變量”，英國教材中指出“速度、質量是兩個在碰撞過程中的重要的物理量，二者組合起來即為動量”．并指出，在孤立系統中，動量是守恒的，即提出動量守恒定律．接著繼續引導學生深入地理解碰撞模型，將之前比較容易理解的口語化的“有彈性的碰撞”和“有粘性的碰撞”更正為嚴謹的科學術語，即“彈性碰撞（Aperfectlyelasticcollision）”和“非彈性碰撞（Aninelasticcollision）”，并說明兩類碰撞模型的動量和能量的特點，隨后解決一些生活中的碰撞問題（應用）．學生完全理解碰撞模型之后，英國教材又講解了動量守恒在其他模型中的運用，以“爆炸模型”和“重物－地球系統”為例，說明無論是爆炸過程，還是重物在地球表面下落的過程，系統的動量都是守恒的，即動量守恒定律成立的范圍是非常廣泛的．英國教材還補充了二維碰撞過程，回顧了矢量的運算法則．最后一部分內容是討論動量與牛頓運動定律的聯系，通過學生已有的關于牛頓運動定律的理解，進一步理解動量的意義．具體呈現方式如圖2所示．從知識呈現的方式來看，我國教材對學生的數學推理能力要求更高，邏輯性更強，章節之間的聯系也更加緊密．強調用建模的方法，將復雜實際問題轉化為清晰的物理模型，更有利于培養學生的科學思維．而英國教材則更注重物理知識與生活的聯系，舉例更加生活化，符合建構主義學習觀點．根據學生已有的生活經驗，設立腳手架，幫助學生意義構建新知識．由學生熟悉且感興趣的情景入手，更容易激發學生的學習動機，體會知識誕生過程，更加注重學科知識的生活意義．［2］兩國教材對知識的呈現方式不同，各有優劣，在確保科學性的前提情況下，可以有不同的授課思路，這符合隨機通達教學的原理．教師在具體授課的過程中，保持嚴謹性和科學性的同時，還是應該根據學生的實際情況，創建有意義的情景，積極引導學生形成正確的物理觀念，并鼓勵學生根據已有的物理知識來解釋生活現象．比如：在英國教材中，將“汽車安全系數”作為問題導入動量課程，而學習完碰撞模型后，又解釋了“汽車的碰撞緩沖區”來回答開始時的問題，構成閉環．增強物理與生活的聯系，不僅增加學生的學習動機，也有利于促進發展學生的社會責任感．

2．2實驗編排比較

在我國教材中，有專門的一小節為實驗課程：驗證“動量守恒定律”．該小節給出兩種實驗參考方案，一種是研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒；另外一種是研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒（如圖3、4所示）．兩個實驗方案都需要學生明確實驗目的，梳理實驗思路，進行物理量的測量，得到相關數據，并分析數據得到實驗結果．整個過程都對學生有嚴謹而專業的要求．這樣專門的實驗章節設計，加強了中學物理實驗教學，有利于引導學生做中學，體會科學探究的內涵，發展學生物理學科核心素養．［3］圖3研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒圖4研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒英國教材沒有專門的實驗章節，而是在講解碰撞模型時，給出彈性碰撞和非彈性碰撞的兩個示例，由學生動手進行計算，探究彈性碰撞和非彈性碰撞中動量、動能滿足的特點．英國的驗證性實驗如圖5所示：給出兩個質量相等的小車和碰撞前后兩車的速度，由學生自己計算兩車碰撞前后系統的總動量，發現碰撞前后系統動量守恒．這樣的基于真實情景的驗證性實驗，學生更容易接受和理解，但是忽視了學生科學探究能力的培養．

2．3習題比較

習題作為教材的重要組成部分，在考察知識點的同時，更重要的是把物理學科屬性體現出來，突出教育的個體屬性和社會屬性．［4］通過研究中、英兩國主流教材的習題數量、類型、情景設置等因素的差異，分析習題設置對物理學科核心素養提升的促進作用．具體統計情況如表2所示，題量包括正文中的例題及課后習題，若一道題目中涉及多個小問題，則統計為多題；多個小問題中若有的為計算題，有的為簡答題，則分別歸于計算類型、簡答類型的統計之中．由表2中的數據可知，中、英兩國教材的習題總量基本沒有差異，計算題、圖像分析題數量也基本一致．中國教材較英國教材獨有的實驗探究題是出現在“驗證動量守恒定律”的實驗專題章節的．這樣的設置是為了更好地培養和檢驗學生的實驗探究能力，促進學生科學探究能力的形成．一線教師在授課的過程中一定要重視實驗，重視培養學生的科學探究能力．簡答題大多是運用所學的物理知識，解釋生活中的現象和規律，我國教材就物理與實際生活的關聯類習題也設置的較為充實．一線教師在授課過程中，也應當關注學生運用物理知識解釋自然現象的能力培養，促進學生形成正確而又嚴謹的物理觀念．表3為中國教材中具有明顯實驗特征習題的舉例．創設情景有利于促進學生形成物理觀念，培養科學態度．［5］所謂的創設情景題是指以真實存在的事物、現象為背景，歸納物理模型，用物理方法解釋生活現象的題型．無論是我國教材還是英國教材，創設情景題的占比都很高，如表4所示：英國教材創設情景題較習題總量占比為60．6％；中國教材為50．7％．在教學中，創設情景能讓學生經歷科學探究和思維加工，保證物理概念和規律的內化，形成學科的思想．［6］對比發現，我國教材設計的情景更加生動，很多情景配有插圖，為學生帶來更直觀的學習體驗．表5中為中英兩國教材情景類習題對比．

3結論與啟示

分析兩國教材《動量及其守恒定律》的知識呈現、實驗編排以及習題設置．我們發現：在知識呈現上，我國教材更具邏輯性和嚴謹性，更有利于培養學生的科學思維，而英國教材更注重物理與生活的聯系，使學生更容易接受新知識，從生活情境中建立物理觀念．在實驗編排上，我國教材設置的專門的實驗章節更有利于培養學生的科學探究能力．在習題設置上，兩國教材都非常重視情景創設，通過創設情景促進學生形成物理觀念，培養科學態度．通過中、英兩國教材的比較研究，反思兩國教材的優勢與不足，繼承發展我國教材嚴謹性、科學性的同時，也要積極借鑒英國教材“生活中的物理”教學．將教科書作為引導，充分發揮教師的個人智慧，創設適合學生的生活情境，讓課程清晰且活潑，以更好地促進學生核心素養的發展．

參考文獻：

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

2曹陽，張軼炳，蘇義梅．STEM視野下中英物理教材對比———以“動量和動量定理”為例［J］．物理教師，2019，40（10）：74－78．

3廖伯琴．《普通高中物理課程標準》（2017年版）要點解讀［J］．物理教學，2020，42（02）：2－5．

4黃開智．中澳高中物理教材習題的對比研究［J］．物理教師，2014，35（02）：64－66．

5楊孝波，張靜．核心素養視角下高中物理新舊教材習題的比較研究———以“運動和力的關系”章節為例［J］．物理教師，2019，40（11）：13－16．

6廖伯琴．普通高中物理課程標準（2017年版）解讀［M］．北京：高等教育出版社，2018．

作者：許鈺彬 肖子鑫 朱廣天 單位：華東師范大學教師教育學院