基于核心素养的中美高中物理教材比较探究

刘媛媛 刘高福 庞礼军

摘   要：随着课程改革的不断深入，高中物理教学越来越重视对学生核心素养的培养。文章基于核心素养，对中美高中物理教材从内容编排顺序、新课导入方式、栏目设置、习题安排等方面进行了举例比较分析，同时阐述了中美高中物理教材对培养学生核心素养的不同策略及各自教材的優缺点。通过研究发现，人教版高中物理教材循序渐进、由浅入深，较重视培养学生的自学能力、严谨性思维和逻辑推理能力;美国版高中物理教材内容集中、灵活性强，更多地注重培养学生的综合能力、开放性思维和实践能力。

关键词：物理核心素养;中美教材;高中物理;教材比较

随着科学技术的不断发展，各行各业对综合人才的需求逐渐上升。在不断推进教学改革的趋势下，学习不再是单一提升知识技能的活动，当代教育也已逐渐转化为追求学生科学素质的教育。对于学生的培养已不拘泥于对课本知识的熟练程度，更多的是培养学生形成完善的人格。教育层面来说，学校对于培养学生的核心价值观有着重要的影响。既要培养符合当代社会需要的复合型人才，又要促进学生的终身发展，这是目前教育培养的重要方向。《普通高中物理课程标准（2017年版）》中明确指出“注重体现物理学科本质，培养学生物理核心素养”这一课程理念，高中物理课程的培养目标是促进学生物理学科核心素养的形成和发展[1]。基于核心素养的高中物理课程如何发展与形成，与教师对课堂的把握息息相关，而作为教师授课的主要依据——物理教材，是否符合《普通高中物理课程标准（2017年版）》所提出的科学素养的相关要求，以及是否能达到使学生终身学习的发展目标起着关键性的作用[2-4]。

物理学科核心素养是学生在学习物理学的过程中，形成带有物理学科本质特点的核心素养。物理学科核心素养主要包括四个方面：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任[1]。文章将基于核心素养的四个方面对中美高中物理教材作以下几点比较探究。

1    中美高中物理教材的比较

1.1    教材编排顺序的比较探究

对我国人教版高中物理教材[5]与美国版高中物理教材《Physics： Principles and Problems》[6]进行对比分析。人教版高中物理课程共有两个模块，分别为必修模块（共七章）和选修模块（共十九章），循序渐进地引入力、热、光、电和近代物理等内容。美国版高中物理教材分为三十章，由物理工具、力、热、光、电和近代物理等内容组成。

从表1可以看出，人教版高中物理教材偏向于内容细节化，从最基础的位移、时间、速度、加速度的概念到运动学的规律，从一般的直线运动到曲线运动，再由单一的力学研究拓展到热、光、电等一些较综合的物理知识。这样的编排让学生的学习由浅入深、逐层展开，有利于学生对抽象知识的理解，注重培养学生的自学能力和逻辑推理能力。同时，在教材编写中将物理概念进行分类，便于学生掌握同一类知识，形成正确的物理学习观念。每一节内容有明确的教学重点和教学目标，附注的“说一说”与“思考与讨论”在学生学习过程中提出了恰当的思考，有利于学生课前自主预习。美国版高中物理教材则是把全部内容涵盖在三十章中，主要包括了运动和力（Motion and dimensions）、经典物理（Classical physics）、声（Sound）、光（Light）、电（Electricity）和现代物理（Modern physics）等内容。章节的划分顺序是将力、热、光、电等不同的知识进行分类梳理，例如，第二章到第八章是力学内容的大集合，从一维力到二维力，再由二维运动到万有引力。这样的编排内容集中、覆盖面广、灵活性强，更加注重培养学生的综合能力和开放性思维。

1.2    教材新课导入方式的比较探究

以运动学与力学中的“加速度”这一内容为例，两个版本教材的导入方式是不同的。人教版高中物理教材在新课程开始之前，先引入一段“思考与讨论”，通过对比普通小轿车和旅客列车起步后达到同样速度的时间长短，引发学生对加速度的初步思考。教材中给出了两组数据，“小汽车起步时在20 s内速度达到100 km/h，火车达到这个速度需要用500 s”，提出问题，“谁的速度增加的快？”“它们的速度平均1 s各增加多少？”。这样的提问方式是根据经验事实构建出一个简单的物理模型，通过综合分析、推理论证，进而得出结论。通过引入贴近生活的问题，将加速度概念引入到本节课程中。学生探究的过程中先形成一个初步的认知，一步步探索，得出概念。再通过生活经验，将所学知识应用到生活中。这样的导入方式是从生活中来，又回到生活中去，可以帮助学生形成解决生活中实际问题的能力。

美国版高中物理教材第三章为“加速度”，章节导入利用一个迷你实验引发问题：两个钢球在斜面不同位置释放，请同学们分析在运动过程中，它们之间的距离是增大还是减小？在物理课堂教学中创设一个简单实验的物理情境，能够激发学生参与的热情，提高学生的学习兴趣，引导学生通过观察来思考，进入到物理学习的情境中去。紧接着教材正文创设了一组小人跑步的实验，如图1所示，图1（a）小人处于静止状态;图1（b）小人处于匀速直线运动状态;图1（c）小人处于加速直线运动状态;图1（d）小人处于减速直线运动状态。根据跑步来比较匀速直线运动和变速运动的不同。以上两个实验均属于探究性的实验，且来源于生活实际，便于学生对知识的理解和应用。通过实验的观察和分析，有利于培养学生的实验探究兴趣与科学探究能力。同时，物理实验与生活衔接得越紧密，越能培养学生的社会责任感。

1.3    教材栏目设置的比较探究

人教版高中物理教材在栏目设置中有“思考与讨论”“正文”“说一说”“科学漫步”等，以这样的标注与学生进行对话，可以引发学生在学习过程中的思考，将学生引入到一个学习物理的情境中去，避免学生使用过于死记硬背的学习方法，同时也提高学生思考与探索的能力。

美国版高中物理教材的主要栏目有“启发实验（Launch lab）”“迷你实验（Mini lab）”“典型问题（Example problems）”“实践问题（Practice problems）”等。实验或问题的选取多数来源于生活，有利于提升学生乐于参与、积极学习、努力获取新知识以及主动解决问题的能力。学生学习不拘泥于书本内容，更多地能将物理知识回归到生活中。美国版高中物理教材在“典型问题”这一栏目较有新意，在提出问题之后，给予正确的解题步骤和分析，给学生正确的引导方向和思路，巩固所学新知识。

1.4    教材习题安排的比较探究

人教版高中物理教材中设置了“说一说”“思考与讨论”“问题与练习”这样的栏目进行学习内容的检查，及时对学生进行提问，有助于学生对新知识的巩固。物理知识较为抽象，学生在学习过程中对有些难以理解的概念，通过“说一说”恰到好处地解决了这些疑问。例如，“加速度”这一节中，学生在学习过程中会产生这样的疑问：“加速度”的意义是什么？它与速度的区别在哪里？通过“说一说”这一栏目，让学生自己探索“速度”与“加速度”的区别，顺其自然地提出验证性的问题。课后“问题与练习”是围绕这一节内容设置的，一般都是概念性的题目，较为简单，用来判断学生对此内容的掌握程度。习题设置的不足之处是结构和形式过于单一，与生活衔接少，题目的重点放在学生对已学知识的掌握程度，而忽略了对学生物理科学探究能力的培养。枯燥的题目让学生形成为了解题或为了成绩而学习的心态，在一定程度上会引起学生对学习的惰性心理。这样的习题设置，不利于对学生科学态度与责任的培养。

美国版高中物理教材在第三章“加速度”部分的习题设置中，根据不同小节的知识点，给出针对性的题目。首先是“典型问题”给出清晰的解题思路示例，接着利用“实践问题”进行针对性的训练。这样巧妙的设置对学生在学习过程保持清晰、稳定的思路大有益处。在题目内容的设置方面，不仅有利于培养学生的科学思维能力，而且能让学生养成实事求是、严谨认真的科学精神和态度，促进学生物理核心素养的发展。美国版高中物理教材在习题的设置上题型较多，有案例分析、典型问题、实践问题等，题型从简单到复杂，能在学生复习的过程中起到较好的巩固作用，符合学生的认知发展规律。

2    核心素养下教材比较探究

2.1    物理观念的培养侧重点不同

我国《普通高中物理课程标准（2017年版）》中关于培养学生物理观念的内容：学习物理学的基础知识，了解有关于物质结构、相互作用和运动的一些基本概念和规律，了解物理学的基本观点和思想[7]。物理观念的形成不是一蹴而就的，学生物理观念的形成，不仅需要教师的不断引导，也需要物理教材的支撑。正确物理观念的形成对于学生的成长是非常重要的，它能够培养学生正确的逻辑思维方式，能运用到今后的学习和解释自然现象中，还能够应用到生活中去处理问题。物理观念是物理概念和物理规律在自我意识中的自我转化。人教版高中物理教材对于物理观念的形成遵循着严谨、认真的态度，将每一条概念完整而清晰地概括。例如，人教版必修一第一章第5节“加速度”的概念是这样描述的：“为了描述物体运动速度变化快慢这一特征，我们引入加速度的概念：加速度是速度的变化量与发生这一变化所用时间的比值。”人教版在概念之前通过题目的方式导入、归纳、总结出加速度的定义，再用准确、严谨的文字概述出来，可促进学生对运动与相互作用观念的理解。

美国《国家科学教育标准》要求注重培养学生的探究能力，注重引导学生关心社会，关心新技术发展成果。利用更“原始化”的物理问题，相当于人教版高中物理教材中“理想化”的斜面、小物块等。教材在章节的开篇运用启发实验切入主题，围绕“加速与匀速有何不同？”展开一系列趣味性较强的实验，引导学生了解物理相关知识在生活中的应用，注重培养学生通过物理现象思考物理问题的能力。美国版高中物理教材第三章“加速度”中的汽车起步实验，教材是这样描述的：“在4 s时，汽车的速度是20 m/s，在5 s时，汽车的速度是25 m/s，因此，在1 s内，汽车的速度增加了5 m/s，物体速度变化的速率叫做物体的加速度。”教师通过演示实验让学生观察实验现象，学生根据观察的结果进行总结，阐述自己的观点，这样形成的物理观念具有开放性和多元性特点。相较于人教版高中物理教材，美国版高中物理教材以一种更加具体、生动的方式界定了什么是加速度，这对学生物理观念的形成更加直观、有效。

2.2    科学思维的培养侧重点不同

“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[1]。人教版高中物理教材在培养学生的科学思维中，常常引导学生建构物理模型去解决问题，创设物理情境去锻炼学生的科学思维能力。例如，在“万有引力”教学中，应创设不同物体在不同位置的情形，让学生研究万有引力的大小和物体的距离与质量的关系，概括万有引力与距离的平方成反比，与物体的质量成正比，由此加深学生对万有引力概念的理解，学生经历了“比较—概括—抽象”的过程，发展了科学思维。此外，教材中还引入理想化物理模型，如“质点”“天体运动”“点电荷”“匀强电场”等，理想化物理模型的创设有助于培养学生的科学思维。例如，“加速度”这一概念，教师通过主观的讲解来描述是比较困难的，由于学生在生活中对“加速度”的概念比较陌生，头脑中不会自发形成“加速度”概念，并且它与“速度”“路程”“时间”等概念不同，“加速度”与生活衔接性不强。所以，教材中关于“加速度”这一概念的学习利用“飞机由静止到加速过程”和“迫擊炮射击过程”，通过物理图像推导出加速度的值，详细描述这一特征，并进行概念总结，通过科学推理得出结论。

美国版高中物理教材突出学生科学思维的培养，无论是新课引入，还是教材编写、习题探究等，多以物理模型法抽象生活中的问题，培养学生的发散思维。例如，第三章的“迷你实验”：两个钢球在斜面上不同位置释放，在运动过程中，它们之间的距离是增大还是减小？首先，在课题引入之前就创设一个简单的物理情境，与学生凭借生活经验得到的结论形成认知冲突，激发学生的逻辑思维。利用小球与斜面，抽象出一个常见的物理模型，把几个要素归纳成一个整体进行综合推论，以此提高学生的综合分析能力，形成科学思维。

从“加速度”这一内容来看，人教版高中物理教材侧重于利用物理图像培养学生的科学思维与能力，美国版高中物理教材更倾向于实验引导学生的发散思维，培养学生的科学思维。

2.3    科学探究的培养侧重点不同

“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验等[1]，主要包括问题、证据、解释、交流等要素。关于科学探究部分，从目的上看，人教版高中物理教材的设置是要求学生学会合理地使用实验仪器，利用正确的方法进行实验，对于实验结果要求较高，同时要分析误差产生的原因，如何减小或避免误差等。目的是让学生学会解决实验过程中遇到的困难，探索出符合科学逻辑的结论。人教版高中物理教材对于一个实验需要掌握的内容要求具体且详细。例如，人教版高中物理教材必修一第二章，在探究小车速度随时间变化规律的实验中，老师在实验前会将打点计时器的使用要求以及实验数据处理的注意事项等进行简单介绍。这种基于实验和逻辑对问题的合理解释，侧重于培养学生在实践当中的逻辑思维能力，锻炼学生运用科学方法解决实际问题的能力。

美国版高中物理教材对于科学探究的要求主要在于动手能力的培养，对科学探究结果的精确程度和准确程度要求不高，但需要通过科学分析找出误差产生的原因，以及实验方法是否得当，对于实验要有自己的见解和创新点。美国版高中物理教材中的实验开放性强，对实验探究的方法要求多样化，能从书本内容走向生活，如教材中的“射中目标”“比较不同物体滚动距离”等实验，学生通过自己找材料，自己组装实验，经历一个比较活跃的思维方式进行探究，灵活运用知识。这有助于学生对科学产生浓厚的兴趣，有利于培养学生不同的能力，侧重于为国家培养更有创新精神的新型人才。

2.4    科学态度与责任的培养侧重点不同

“科学态度与责任”是指在认识科学、技术、社会、环境关系的基础上，逐渐形成的探索自然的内在动力，主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素[1]。人教版高中物理教材“各章前沿”“科学漫步”等栏目在设置上注重物理学科与生活、物理学与近代科技发展的紧密联系，主要目的在于让学生了解物理学不仅仅是枯燥的公式和繁琐的计算，它更多的是为了解决实际生活中遇到的困难，化繁为简，改善科技，提高效率，提高人们的生活水平。对于物理的学习不仅仅是为了掌握科学文化知识，更是要掌握科学方法，才能促进社会科学技术的进步。

相比较而言，美国版高中物理教材在实验、习题的设置上都在展现科学教育对于学生“科学态度与责任”和正确的科学观的培养。教材中利用更多的现代科技成果，培养学生的社会责任感。物理教学呈现的是未来式，是现代与科技进步的代名词，是未来物理学继续发展的中坚力量。美国版高中物理教材对于物理学史的介绍较少，不利于学生对物理文化的传承。了解物理学的发展历史，也是科学态度与责任的体现。只有了解过去，才能明白没有绝对的真理，只有保持着终身学习的习惯，物理学才能够逐步发展;只有保持科学探究的精神，科学才能进步。

3    两种教材优缺点的比较探究

3.1    人教版高中物理教材的优缺点

人教版高中物理教材在板块的布局、知识点的衔接设计以及物理实验的精细化要求上，均体现了我国教育对科学文化知识掌握的准确性与严密性。教材是学生学习物理知识的依据，具有完善的整体框架结构和简洁、准确的知识点总结，才能让学生的预习和复习具有很好的还原性。

人教版高中物理教材中，对于物理学的介绍以及物理学与现代技术应用方面相关的材料较为丰富，非常重视培养学生的科学态度与责任。教材中的插图多是简单图画，简洁易懂，但是对于一部分基础较差的学生来说，不够具体、形象。对于实验方面，我国课标与教材的侧重点在于从知识点引入和对实验过程的精确掌握。教材强调逻辑思维能力的培养，也是学生能力的重要表现。这样的要求对于学生来说，会形成缜密的逻辑思维。但固定模式的实验方法，容易将学生的思维模式固定化，影响学生创新思维能力的发展。

3.2    美国版高中物理教材的优缺点

美国版高中物理教材侧重于如何引导学生进行自主探究，偏向于激发学生对物理学的探究兴趣。课堂教学中常以学生的生活经验作为引入实验，充分体现了美国教育对理论联系生活的重视程度，以培养学生如何利用理论知识解决实际问题的能力。教材更多注重内容的综合性、思维的开放性与灵活性;重视逻辑推理，也注重非逻辑思维能力的培养，因为许多重大发现都不是逻辑推理的结果。因此，通过教材的设计安排看，美国学生的动手能力、操作能力会比较强，但理论知识会相对较弱。

总之，两个版本的教材各有优势，根据不同的课程标准制定出不同的教材，不同的教材培养出不同的学生。教师依据课标和教材授课时，在注重物理知识准确性的前提下，要逐渐引导学生以终身学习为发展目标，培养学生的求知欲和对新知识的探索能力。

4    结论与讨论

随着人们对教育教学研究的不断重视，课程改革的不断推进，课程标准的推陈出新，对于培养学生核心素养的教育已成为现代教育与课程改革的重点。物理学作为高中阶段的重要学科之一，在培养学生的核心素养上起到很大的推进作用。物理教材是物理课程的载体，是教师授课的重要依据，也是学生学习的重要媒介，因此物理教材在教育教学过程中，起到一个支撑的作用。教材的设置很大程度上决定了课程标准的实现程度，以及对学生能力和思维培养的方向。物理教材中蕴含的内容与思想对学生今后的学习和对科学的态度都会产生潜移默化的影响。

对中美两国具有代表性的高中物理教材从目录与整体框架进行了比较分析，对培养学生物理核心素养的四个维度进行了比较探讨，梳理了两种教材各自的优势、特点以及对培养学生产生的不同效果。当然，不能一味地去追求某种教材的优点，教材的编写要根据各国的实际情况，以课程标准为导向，编写要符合各自的国情、科学技术和生产生活的发展，才能更好地服务于教育。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]卢臻.核心素养视域下，高中教育发展道路求索[J].基础教育课程，2018（14）：24-29.

[3]辛涛，姜宇.全球视域下学生核心素养模型的构建[J].人民教育，2015（9）：54-58.

[4]李华君. 核心素养背景下价值观引导的物理试卷命题探讨——以2018年中考试题为例[J].物理教学，2019，41（4）：48-51，17.

[5]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.普通高中物理课程标准实验教科书 物理（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[6]Paul W.Zitzewitz，Todd George Elliott，David G.Haasel.Physics： principles and problems[M].Glencoe/McGraw-Hill，2005.

[7]溫博.人教版高中物理教科书和英国 A Level 版教科书的比较研究[D].福州：福建师范大学硕士学位论文，2013.

[8]农艳鸳.中美高中物理教材中科学方法呈现方式比较研究——以人教版和美国《Physics_Principles and Problems》中的力学部分为例[D].西安：陕西师范大学硕士学位论文，2017.

（栏目编辑    赵保钢）