关于中德初级物理教材中“浮力”的比较研究

文莹莹 张军朋

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

国内外的基础教育都在加强课程改革，而教材作为课程内容的载体则体现了各国基础教育改革的特色.教材向学生传授知识、技能、方法、价值观等，是学生学习知识的来源，也是教师教学的依据，各个国家教材的编写体系将反映其教育思想观念及教学方式.物理教材作为教学的信息资源，是根据物理课程标准而编写以反映物理学科内容的教科书，其内容的选取和程度要求是各版本教材编写意图的具体体现，反映着不同的指导思想和教学要求.

笔者选取人民教育出版社出版的义务教育教科书物理8年级上册（以下简称为中国教材）和德国卡尔斯鲁厄初级中学物理课程第1册（Der Karlsruher Physikkurs，以下简称为 KPK教材）中“浮力”的相关内容，采用文本分析法、文献法等来比较中德教材在内容设计、栏目设置和插图设计、内容呈现顺序、问题引入方式、概念表述和公式推导方式、例题习题设计6个方面的异同，以期借鉴他国之长，促进我国中学物理教材的进一步发展，引导我们在实际教学中开拓新思路.

1 教材内容设计的比较

中德初级物理教材关于“浮力”的知识结构设计，如表1.

表1

从表1中可以看出，在“浮力”的内容设计上，中国教材与KPK教材的知识点基本一致，都包括浮力的概念、大小、产生的原因、物体的沉浮条件等.在相同知识点的基础上，中国教材还增加了探究决定浮力大小的因素及浮力应用这两个小模块.在探究浮力的大小与哪些因素有关这一小模块中，采用控制变量的实验方法，通过猜想、设计、实验来得到结果，这将为下一节探究阿基米德原理做好铺垫，为学生探究浮力的大小提供假设的基础.这种探究式的内容设计将增加学生的学习兴趣，同时培养学生的探究精神与科学素养.中国教材在最后部分添加浮力应用这小模块，通过介绍轮船、潜水艇、气球和飞艇的原理来加深对浮力的理解，形象生动，使物理同社会生产与生活相结合，更符合现代教育理念的特色.

而“浮力”这一知识点在教材中所占的比重，中国教材远远大于KPK教材.中国教材用了3节12页 的版面来介绍“浮力”，而整套教材中只有86节，“浮力”就占了3节.KPK教材却只用2节3页就把设计基本一致的内容介绍完，在240节内容的教材中，“浮力”只占其中的2小节.可见，中国教材在“浮力”知识点上介绍得更详细.但在全套教材的内容布置中，KPK教材远比中国教材介绍的知识点多范围广，这将为学生提供更大的知识面，打造更加全面的科学基础.

在当代随着物理学的发展，中学物理教材中知识量不断增多，但有限的教学课时不能满足实际需要，KPK的教材却在有限的课时内讲授更多的知识内容，解决了知识量与课时量之间的矛盾.

2 栏目设置及插图的比较

在栏目设置上，中国教材显得比较多样化，除了正文描述外，还有“导入语”、“演示实验”、“探究实验”、“小资料”、“动手动脑学物理”、“想想做做”、及“学到了什么”等小栏目.这些栏目侧重学生自己动手活动，更贴切初中生具有强烈操作兴趣的心理发展特点，充分显示学生的主体地位.KPK教材在栏目设置方面则显得比较单一，只是采用资料活页的方式用叙述，推导的方法来介绍浮力的内容，在知识点介绍完成后增加练习题栏目.从整体上看，KPK教材的设计风格显得比较朴素，但是在文字上却更加严谨，比较注重内容逻辑的严密性，更有利于学生逻辑思维的培养.

两种版本的教材都在重难点内容介绍中设计了相关的插图，但中国教材中的插图数量远远多于KPK教材，在12页教材中总共有18幅插图，而在3页KPK教材中只有3幅插图.在教材中采用图文并茂的方式具有很强的趣味性，符合初中生处在形象思维阶段的认知思维特征.插图的数量可能不会影响到教学效果，但是结合学生的年龄特点与认知规律，笔者认为中学生以直接兴趣为主，那么在实际教学过程中，插图作为一种直观性的教学素材，能更好地激发学生的学习兴趣，启发学生从生活实际中走进物理世界，同时引导学生摆脱抽象难懂的物理概念，帮助学生理解掌握物理知识.

3 内容呈现顺序的比较

两个版本的教材在内容呈现顺序上也有不同的设计.从整套教材上看，中国教材是根据学生的认知特点，按声、物态变化、光、力、能量、电和磁等由易及难的顺序逐步编排.由日常生活中常见的声光等现象来吸引学生的学习兴趣和热情之后插入比较抽象难懂的力学知识，浮力这一知识点则是在学习了力和压强的概念后，从力的角度分析压力差来引入.

KPK教材则是根据结构体系的需要，按能量、动量、熵、信息、电、光、反应、波和原子的顺序来编排.先介绍能量、动量等实物型基本物理概念，以实物型量的流构建课程结构.所以，浮力这一知识点是在学习了能量、流、动量等核心概念之后，采用动量及动量流来解释.这种方式比较新颖且逻辑性较强，在初中课程中把能量概念置于最高点，用能量和流构成力热光电等各体系，充分体现了KPK教材的现代化特征，解决了现代物理学不能与经典物理学理想结合的矛盾，有利于学生科学素养的发展.

4 问题引入方式的比较

在相同知识点的问题引入方式上，中德教材也有很大的差异.中国教材都是从生活的现象引入知识点，例如以冰山、游艇为例引出浮力的概念；假想木头在水中、人在死海中这些生活实际的例子来探究浮力大小的影响因素.KPK教材则在教材开始部分设疑之后，采用推理的方式一步步引入知识点.在进入学习浮力的概念、产生原因、大小等之前，学生已经先从密度的角度讨论了“物体何时沉浮”这一问题.可见在知识点的引入方式上，中国教材更注重于将物理知识与生活中的实例相联系，充分体现了从生活走向物理，从物理走向社会的教育理念，而KPK教材则强调相关内容的衔接及知识点之间的逻辑关系，从多个角度来引入课程学习的内容，注重学生逻辑思维的培养.

5 概念表述及公式推导方式的比较

两套教材的不同点更多的体现在概念的表述及浮力公式的推导方法上.例如，浮力的概念，中国教材定义为浸在液体中的物体受到向上的力.KPK教材则把浮力描述为流入液体中的动量流的强度.可见，在“浮力”这一知识模块中，中德教材在物理表述上存在着很大的区别，中国教材将浮力解释为物体与液体之间的相互作用，但学生不理解这种相互作用的具体内容是什么，对浮力概念的理解是模糊的，仅停留在形象化的层次，不能从本质上去理解浮力.

KPK教材引用 “动量流”来代替传统“力”的概念，把动量看成一个基本的物理量，在不同的系统中传递.在力学体系中，中国教材主要介绍力、运动及机械，是以“力的模型”来表述物理现象及规律.而KPK教材则以动量作为力学的基础，采用“动量流模型”，以动量、动量流来介绍力学的内容.动量流的概念相比于力的概念，更简单易懂，容易与日常的生活经验相联系.用动量，动量流作为力学的主概念，避免在教学一开始就引入抽象的力的概念或采用一系列晦涩难懂物理定义及相关术语.在知识量不断增加的时代，只有用新概念来代替旧的传统概念，同时删除在现代物理中一些已经不重要的、多余的物理概念，才能简化教材，简化科学教育.

中德两套教材在浮力公式推导的思维方式上也是不同的.中国教材是从阿基米德鉴定皇冠的史实引出浮力的大小用猜想与实验的方法来证实了阿基米德原理即浸入液体中的物体受到向上的浮力，其大小等于它排开的液体所受的重力.而在KPK教材中采用逐步推理的方法来探究浮力的大小.先假设在水中有一小部分空间的水被隔开，称为水物体，悬浮于水中，此时引力场流入水物体的总动量流为F入＝m水g，这个动量流通过水物体表面再流向周围的水并流向大地，则流向大地的动量流为F出＝m水g.如果将水物体换成相同体积的铁块，则流入铁块的动量流变成F入＝m铁g，由于铁块与水物体在水中的表面压强分布是一样的，所以从铁块中流出的动量流跟水物体一样为F出＝m水g.此时净动量流为F净＝F入－F出＝（m铁－m水）g.铁块浸入水中，净动量流减少了m水g，减少的动量流即为铁块所受到的浮力.若用其他液体代替水，则F净＝（m物－m液）g.浮力就是从m物g中减去的部分动量流F浮＝m液g.

在KPK教材中，对浮力的文字描述是物体的视质量比它的真质量少了，差值被取代的那部分液体的质量.明显的，我国教材比较重视生活中现象和经验，以学生的兴趣和认真规律为基础，用有趣的小实验去探究浮力的大小，使物理探究的过程中充满乐趣.但是KPK教材则立足物理学自身发展的逻辑顺序，侧重理论分析，用系统的思维方法去推导浮力大小，注重内容的逻辑严密性，带有方法论的内容及思辨思想，独特且有利于学生理性思维的发展.

6 例题习题设计的比较

例题是向学生传授新知识的纽带，帮助学生将刚获得的零碎的新知识进行综合运用以建构知识体系.而习题是真正起到巩固知识，开发智力，培养学生良好思维品质的作用.

从表2中可以明显地看出，中国教材在“浮力”这一知识点中的练习题数量远远超过了KPK教材.可见中国学生的课后学业负担是比较重的，在“中考”的压力下，部分学校采取“题海战术”的方式来提高学生的学业成绩，这种机械式的训练将形成思维定势而抑制学生创造性的发展，不利于学生综合能力的培养.KPK教材中没有设计例题，而中国教材在学习了阿基米德原理之后，设计一道计算浮力大小的习题来帮助学生理解浮力大小的公式，及时巩固新知识以完善知识体系，且形成基本的解题技能.

表2

续表

从习题种类、数量上看，中国教材和KPK教材一样都非常重视计算类的练习，题量超过总数的一半，都是对计算浮力大小的公式进行运用.此外两种教材都设计了两道问答题，以拓展学生的思路，引导学生的科学素养向物理学科发展前沿发展.但在实验类及判断类的习题上，中德教材就存在明显的差异.KPK教材中没有设计这两种类型的习题，说明德国在浮力这一知识点上不注重实验探究以及培养学生在日常生活中判断物体沉浮条件.中国教材在这里设计了两道实验题，一道是用实验证明“沉入水中的物体受浮力的作用”，另一道是让学生设计实验检验“浸没在液体中的固体所受的浮力跟固体形状是否有关”.显然中国教材非常注重学生的探究活动，特别是探究实验的过程，不仅在习题中体现，在教材知识点介绍中，也多处采用演示实验、探究实验的方式来得出结论，且探究过程严格按照科学探究的7个步骤进行.

物理学习是以观察、实验为基础的，在试验中获得感性材料的基础上经过抽象思维才能得出物理概念和规律.这种探究类习题的设计，不仅培养学生动手操作的实验技能，同时给学生提供一个创造性平台，培养学生的创新意识与探究能力.

7 结论和启示

KPK教材较中国教材知识面广、内容新，采用全新的物理概念，侧重类比迁移，有助于学生知识体系的建构且达到精简化的目的.注重概念本质的理解，结构逻辑性较强，注重科学推导，有利于培养学生科学的物理思维，同时将前沿物理知识引进中学教材，建构现代化的课程体系.但是中国教材也有自己本身的特色，它紧紧抓住中学生的心理特点，根据其认知特征和思维特点去编写教材，形式多样，能帮助学生在学习物理概念的过程中建立形象化的模型，促进知识理解，提高教学效率.同时注重物理与生产生活相结合的理念，重视实验探究过程，培养学生观察动手能力，促进学生科学探究能力的发展.

通过本文的分析，笔者认为在中德初级物理教材的比较中对我国教材的改进与实际教学有如下启示.

在教材编写时，（1）要简化物理表述，抛弃晦涩难懂的旧的物理概念，采用逻辑性更强的知识体系结构，以精简物理教材.（2）要充实完善教材的内容，拓宽科学知识范围，引入前沿的物理知识，将现代物理学逐渐引入中学教材，使物理教材有现代化的特征.（3）要把握好物理课程标准的本质，根据教学目的和学生的认知规律，衡量好教材编写中知识内容的广度和深度.

在教学过程中，（1）要加强学生对物理概念的理解，引入前沿新颖的物理表述，从不同的角度去剖析物理过程，培养学生创造性的思维.（2）教师要注重课堂教学过程中关于概念理论的解说以及公式定律的推导，以教材作为“物质”载体，引导学生改善学习方式，促进逻辑思维的发展.（3）更要重视学生实验探究能力的培养，开发设计新颖独特的实验，加强学生科学探究能力的培养.

1 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理8年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2012：49－60.

2 ［德］F.Herrmann，G.Job著，陈敏华译.中学物理能量、动量、熵 Volume1［M］.上海：上海教育出版社，2007：111－112.

3 李亚儒.中美高中物理教材的比较研究——以“加速度”一节为例［J］.物理教师，2011（10）：52－54.

4 张恩德，吴江梅，潮兴兵.德国KPK物理课程设计思想评述［J］.物理教学探讨，2008（7）：27.

5 涂静秀.中德两套初级中学物理教材的比较研究［D］.上海师范大学硕士学位论文，2009：15－18，50－53.

6 涂静秀.中德两套初中物理教材的比较［J］.物理教师，2010（9）：47－48.