STEM视野下中英物理教材对比——以“动量和动量定理”为例

曹 阳 张轶炳 苏义梅

(宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021)

STEM教育源于美国,为科学、技术、工程、数学四个领域教与学的理论与实践科目.随着社会各行各业对人才整体质量要求的不断提高,STEM教育已经成为了全球各地教育专家和学者们关注的热点话题[1].

2017年6月20日,中央教科院发布了《中国STEM教育白皮书》[2],其中提出:“STEM 教育应该纳入国家创新型人才培养战略;STEM教育是一场国家终身学习活动;STEM教育是跨学科、跨学段的连贯课程群;STEM教育是面向所有学生的培养综合素质的载体;STEM教育是全社会共同参与的教育创新实践.”

STEM课程是实现STEM教育的基本途径,物理学作为其他自然科学和工程技术的基础,又是与生活生产息息相关的基础学科,在物理中渗透STEM教育理念尤为适合.教育部于2017年颁布了《普通高中物理课程标准》[3],但与之匹配并渗透STEM教育理念的物理教材仍未出版,所以对于教育者来说需要整合多方资源进行设计教学.基于此,笔者选取了高中物理“动量”部分知识,并且针对中英两国本部分知识基于STEM教育视野进行微观对比,取其精华,希望为设计出真正意义上的STEM课程提供借鉴.

1 对比研究

1.1 研究对象

动量部分是高中物理教学中的重点及难点,且是联系动力学由“宏观低速”迈向“微观高速”的桥梁,具有重要意义.本节课与科学、数学、工程及技术联系密切,是一节典型的STEM课程,笔者现针对中国教材人教版高中物理选修3-5(以下简称中国教材),英国教材A Level Physics(以下简称英国教材)进行对比研究,旨在取长补短,为STEM课程有效开展提供参考.

1.2 教学目标对比

STEM教育倡导跨学科的整合教育,培养学生将所学知识应用于解决实际问题的能力,工程思维以及科学探究精神.STEM教育理念与两国课

表1 中英对“动量”部分教学目标对比

程标准提出素养均有较大程度的符合.而从中国《普通高中物理课程标准》(2017)和英国《考试大纲》中对本节课的要求(表1)可以看出,中国教材教学目标更倾向于利用科学探究促进学生学科理解,而英国教材则更倾向于利用情境学习培养学生利用学科知识解决实际问题的能力.

1.3 中英教材对比

1.3.1 导入对比

英国:教材中将“动量”直接作为描述运动的另一种方法直接给出,即数学上将质量与速度的乘积定义为动量,用字母p来表示.

1.3.2 知识点及知识呈现顺序

图1 中国教材“动量”整章知识结构图(虚线框内为“动量”一节的知识流程图)

图2 英国教材本节知识结构图

1.3.3 重难点突破的方法

中国

实验:教材中利用3个探究实验探究物体碰撞前后的不变量,进而得到动量的定义及公式,并通过物理学史介绍了动量的发展历程(图3).

图3 中国教材呈现的“动量”发展历程

英国

首先,以牛顿第二定律的另外一种描述,并通过公式推导,引入冲量,并且在教材的一侧选用较大篇幅附有牛顿相关表述的原文,让学生亲眼所见,亲身所感.其次,利用例题突破难点,计算冲力.大量事实说明如何通过动量的变化及碰撞的时间计算冲力,理解冲力在日常生活中的很多有利及不利的应用.最后,通过实验,利用传感器测量不同时刻的动量,画出时间和动量的曲线,计算不同时刻的力,验证物体动量的变化率是物体受到的力.

图4 英国教材章首知识与技能目标导图

对于动量与冲量的关系,以高尔夫球从运动到静止或者从静止加速到一定的速度的生活情境,引导学生从另一方面考虑动量,即这一运动过程中,物体受到的力和力作用在物体上的时间.为了使物体从运动到静止,需要转移物体的所有动量,计算出物体静止需要的冲量,知道力作用在物体上的时间,就可以计算冲力的大小,由此对冲力有进一步的认识.

碰撞时一维运动守恒.突破守恒条件,不受外力.解释如果有外力,碰撞系统的动量还与外力有关.举例说明竖直落向地面的球,球会碰撞反弹,但反弹几次球最终会静止在地面上因此动量不守恒.

二维运动动量守恒,讲解几个方向的碰撞.爆炸,类爆炸运动的动量守恒.水平方向没有外力重力,因此动量守恒.但竖直方向重力会产生新的动量,与原动量p不守恒.

牛顿第三定律:相互作用力相等,但动量的变化率不相同.所以高空的球落向地面,而地球却纹丝不动.

1.3.4 习题对比

中国:课后“做一做”栏目,要求用动能E导出动量的公式,意图将动量与能量之间的密切关系应用于粒子的微观研究,为后三章近代物理的学习奠定基础.此外,课后习题共有6道,题型有选择、计算与简答.多采用“习题化”的语言,脱离真实问题情景,习题难度较低,与中国高考难度不相符,所以在实际教学中主要通过大量课外习题进行知识巩固及学生知识掌握情况的反馈.

英国:课后习题共有12道,题型多样,除计算外,还有简答和问答题, 以生活中某个现象和事物为切入点,深入分析其中的物理过程和原理[5],且允许计算器的使用,与英国的高考衔接较紧密.

1.3.5 总结

首先,中国教材逻辑严谨,环环相扣,教材叙述理性客观.但中国教材总怕超纲,很多东西不讲,不讲反而让学生不知道来龙去脉,成了死记硬背,停留在知识记忆阶段.其次,导入部分采用科学探究实验,有利于通过学科探究走向学科理解,但该实验也有一定的不合理之处,本节课探究运动过程中的不变量,可能的结论过多,且方案二与方案三实验误差较大,学生很难得到正确结论,科学探究应是具体情况而定,不可“新瓶装老酒”,“为了探究而探究”.再次,例题、习题中的物理情景大多采用“理想化、习题化”的语言,脱离了真实的生活问题情境,不利于培养学生的问题解决能力.最后,教材给教师预留了很大的发挥空间以进行设计教学,较为注重计算能力的培养以及数学模型的建立,即科学、数学的培养,与生产生活实践以及技术、工程联系较少.

而英国教材知识广度大,内容与生活实际联系紧密,语言平实,娓娓道来,具有趣味性,利于学生自学.但逻辑性不够严谨,概念分布较为发散,知识之间的相互联系不强,缺少系统性.其次,教材中的两个实验均为验证性实验,缺少对学生科学探究能力的培养.再次,习题、例题均嵌入真实生活情境,有助于学生利用学习的物理知识解释生活现象,解决实际问题.最后,教材中利用符号、数学模型表征物理知识的归纳思维较少,没有充分利用数学知识在物理中的辅助作用.

2 本节课教材中涉及到的STEM教育理念

中英教材对STEM教育均有所渗透,但呈现方式及侧重点均有所不同(详见表2).

表2 中英物理教材“动量”部分STEM教育理念的渗透

3 各自的优势与不足

中国教材的优势:编排风格趋向于螺线型,对于核心概念、难点概念展开深度探究,注重知识间的有机联系(图1).语言逻辑严谨,理性客观,注重科学性,善于建立简单的数学模型表征复杂的物理概念,物理规律等,注重数学知识在物理中的应用.多处使用物理学史建构知识,同时起到培养学生的科学态度与责任意识.

中国教材的不足:习题、例题不基于真实的实践情景,多以“习题化”的语言表述,脱离实际,不利于实现“学科世界与生活世界”、“学科实践与生活实践”的双向融合.探究实验不够成熟,科学探究并不意味着“说”的越少就越贴近探究,我国教材没有提供给学生适当的知识储备,实验步骤,缺少有效问题诱导学生进行知识建构,没有数据记录、定量分析、检验假设等过程,探究的重心更倾向于结果,不注重原因与过程.

英国教材的优势:编排风格上更倾向于直线式,遵循一种连贯的、典型的学习路径的描述,呈现为围绕核心概念“动量”展开的一系列又简单到复杂,相互联系的概念序列(图2).语言多以第一、二人称为主,循循善诱,代入感强.以验证性的实验支撑理论,基于真实问题情景,促进学生经历“动量”知识诞生过程,更加注重学科知识的生活意义,强调运用现代信息技术如电子表格、计算机辅助实验,注重与工程之间的联系.例题、习题作为运用物理理论知识解决生活实际的模拟形式出现.章首有章节知识与技能目标导图(图4),提前告知目标,通过图示的方式更加直观的建立起概念之间的有机联系,使碎片化的知识整体化.

英国教材的不足:对于一些核心概念及重难点强化不够,部分物理规律没有进一步提炼成简单的数学模型,部分公式也没有采用简便的符号表征.不够重视通过数学学习来训练和培养学生化简、推理和归纳等思维和方法.

4 总结

通过对比可以发现,无论是中国还是英国的物理教材,渗透的STEM教育理念更多是关于“科学”“数学”的内容,“工程”与“技术”较少且停留在表面,如何在STEM课程中将科学和数学渗透到技术与工程的设计过程中,设计出基于真实问题情境,以工程设计为导向,数学作为辅助工具,应用学生正在学习的科学知识解决实际问题的STEM课程,还需要我们整合多方资源进一步努力探索.