中美高中物理教材比较研究

马小花 霍杰

摘   要：选取2019人教版普通高中物理教材和美国（2008中译本）教材《物理：原理与问题》，以“牛顿第三定律”一节为例，对比分析两套教材在章节内容组织、呈现方式、引言设计、概念引入、实验栏目、例题、习题方面的差异。其次结合课标明确教材编写意图，领会编写思路，最终结合理解教材的逻辑结构和内容，得到三点教学启示结论。

关键词：中美高中物理；牛顿第三定律；比较研究

教材作为教学过程中的最优资源，是教师与学生之间交流的载体，一方面它承担了学科专业知识，是教师教育教学的依据，另一方面它是一个国家社会发展和进步的体现。通过教材对比的形式去审视国内外各类版本教材，可以有效提高教材资源的开发、整合与利用，同时也可以汲取各家所长，做到教材资源功能的最大化。美国作为教育大国，教材编写业已形成一套较为成熟的体系。通过中美两个国家的教材对比，可以吸取其优点，促进我国教材的发展与完善，同时也为教师在设计教学时提供一种新的思路和方法，提升教师“因材施教”的水平。高中物理中，力学的研究对象是机械运动，即宏观物体之间或物体各部分之间相对位置随时间变化，以及物体间相互作用与由此引起的物体运动状态所遵从的规律。牛顿第三定律独立于前两条定律，但基于第一定律定义的相关概念，在第二定律提供的数学表征中得到发展。牛顿三定律既相互独立，又有着顺承的逻辑关系，共同构成经典力学的基础[ 1 ]。基于此，本文将以国内2019版高中物理必修1教科书（以下简称“人教版教材”）和美国《Physics： Principles with Applications》（《物理：原理与问题》）（以下简称“美国教材”）为例，选取力学中“牛顿第三定律”这一节内容，对中美教材展开文本分析和编写安排的比较分析。

1  中美高中物理教科书中牛顿第三定律内容选择与编排比较

“牛顿第三定律”属于牛顿力学的范畴，两国教材都将其作为单独的一节来进行教学。人教版教材的节标题为“牛顿第三定律”，美国教材的节标题为“相互作用力”。人教版将本节内容安排在摩擦力和力的合成与分解内容中间，而美国教材安排在牛顿定律应用的后面学习（如表1）。

美国教材将本节内容安排在一维力这一章，并将本节内容编排在力和运动、牛顿定律的应用之后。这一处理是将力学知识与牛顿第三定律的学习嵌合在一起，体现知识的模块化。并通过划分一维力和二维力章节，在降低学生知识学习难度的同时体现知识的统一性。每节知识总体以简单的内容学习为基础，逐步进阶到加入复杂条件进行分析，并纵向联系教材内容，搭建牛顿力学体系。人教版教材將牛顿第三定律内容设立在重力与弹力、摩擦力之后，力的合成与分解、共点力平衡之前，体现章知识内容的统一性设计。并且人教版教材在本节的设计中凸显与初中阶段的衔接，以跨度较小的知识依次递进物理概念的理解和深化。注重利用高中生已有的认知规律和学习特点来设计本节的逻辑体系，有利于学生对于知识的掌握和思维、探究能力的锻炼。章节结构是从整个高中物理课程的视角进行设计，更加注重知识的统一，不仅有利于学生对重力与弹力、摩擦力的深化理解，而且在力的合成与分解、共点力平衡问题的受力分析上奠定基础。（如图1：a、b所示）。

牛顿第三定律问题作用力和反作用力牛顿第三定律实验拓展学习物体受力的初步分析练习与应用

相互作用力学习目标识别相互作用力牛顿第三定律迷你实验解题策略例题练一练线或绳子上的力正压力物理实验本节复习题

2  中美高中物理教科书中牛顿第三定律内容呈现方式比较

2.1  引言设计对比

引言，顾名思义为引导性语言。以提出问题或生活现象为实例来激发学生的好奇心，或是用简单的文字来描述教材中相关内容[ 2 ]。物理教科书在引言设计方面体现出其有别于其他学科的魅力，以名人名言、问题探究居多。人教版教材和美国教材关于“牛顿第三定律”内容引言设计（如表2）。

人教版教材设立“问题”栏目，旨在培养中学阶段学生所欠缺的问题意识。首先提出“力的作用是相互的，相互作用的力其大小有什么关系”物理问题，搭建知识认知支架，引发学生思考，之后用生活实例“大人和小孩掰手腕”，再次搭建物理情境支架，暴露学生“大人对小孩的作用力一定大于小孩对大人的作用力”错误的前概念，并引发强烈的认知冲突。学生受到问题的驱动，动脑思考，进行知识的建构和规律的探究，进而对该现象进行合理的解释，促使学生对本节课内容感兴趣，最终实现培养学生科学探究的核心素养。美国教材从力产生加速度的角度出发，提出“力是如何产生的呢”并举例磁体、杠杆生活实例，通过物理模型搭建物理问题支架，同样注重以问题驱动的形式引导学生从生活走向物理，进入本节内容的学习状态。

2.2  概念引入对比

以牛顿第三定律的表述概念对比：可以发现人教版教材由弹簧和手受力示意图、地球和人造卫星受力分析示意图，语言表述明确作用力和反作用力定义，再从验证实验的角度定量得到其精炼的表述，符合我国中学生学习物理概念的认知特点。并且整节内容在问题设置与语言表述上，都呈现出图文并茂、逻辑清晰、层次分明、重点突出的特点。美国教材则以生活情境提出物理疑问，结合物理图示解决学生常见的学习误区，使用大段通俗易懂的文字去构建物理情境，让学生经历提出问题，解决问题到深化为物理概念构建的过程。此种设计可以激发学生在课堂中以解决教材所提出的问题逐步进行学习的动力，让学生在突破物理概念过程中提升思维能力（如表3）。

2.3  实验栏目对比

物理是一门以实验为基础的学科，物理实验是物理教学的一种组织形式。教学中选取不同的实验类型，对教学所起到的效果会有所不同。实验可创设物理情境，引发学生学习兴趣，也可以提高物理课堂的趣味性（如表4）

上表中可以看出，本节内容中美国教材实验类型的设置数量少于人教版教材的。美国教材本章每个栏目的实验都具有较强的结构性，明确规范内容和固定环节。每章起始设立起步实验，由提出问题到实验步骤说明，再到分析环节，最后提升为理性思维，是一个完整的物理实验学习过程，该环节也是本章主要概念及内容的导引。迷你实验设计多为非实验室进行的趣味实验，而物理实验则为实验室实验，通过10个环节引导学生完成实验内容，步骤清晰，学生可通过阅读实验所给内容独立进行实验，有利于培养学生的探究能力。相比较而言，人教版教材本章实验分三部分：演示、实验、拓展学习栏目。演示栏目注重以一段文字叙述，通过教师演示，学生观察实验现象进行，体现该栏目的导引作用；实验栏目基本上是将实验步骤整合为一段话表述，没有体现出“步骤”，需要学生自己理解结合实验器材进行设计完成，注重培养学生动手、动脑以及科学探究的能力；拓展学习栏目设立数字化实验，利用数字化实验的优势可以实现难以测量或难以控制的复杂实验、数据精度要求较高的实验顺利进行，便于学生观察，加深理解和提高教学效率。因此，人教版实验栏目的设计是学生物理学习体验的重要工具和培养学生通过实验探究物理规律的能力。

2.4  例题（习题）对比

例題、习题作为教材的重要组成部分之一，对学生学习起着引导、理解、巩固的作用[ 3 ]。习题教学是教学过程中的一个重要部分，是教师在教学过程中为学生理解、掌握物理知识而建设的一座桥梁，也是对学生学习成果重要测评手段。因此，例题和习题的一方面是对知识内容的深层次呈现，是对抽象的物理概念具体化的表述；另一方面，习题也是学生进行思考，提升学生思维能力的主要方式。所以，选择合适且适量的习题，对教学起着至关重要的作用（如表5）。

通过分析教材习题编排特点，明确考察水平层次。从习题类型上看：人教版教材习题类型大部分是基础型、深化型和问题解决型，类型一般为计算题；美国教材习题类型比较丰富，除了基础型和拓展型，还有培养学生批判性思维和探究思维的题型，以及科技写作题，多种题目类型可以培养学生解决实际问题能力，激发学生自主学习的积极性。从习题涉及范围看：人教版教材习题所涉及的内容，多为学生掌握本章内容服务，而美国教材习题涉及范围较广，从各个方面培养学生学习能力。如科技写作习题，不仅能够锻炼学生的写作能力和分析能力，而且还能扩展学生涉猎知识范围。

3  教材对比后的教学启示

通过对比“牛顿第三定律”节内容可以发现，两国教材在力学章节编排明显不同。针对上述差异，提出借鉴美国教材设计的优势之处加以在教学环节融入智慧教育的手段，改善我国在中学物理教学的不足之处。

3.1  细化物理概念，提升学生整合知识能力

教材对比过程中，发现国外教材在语言表述方面注重以通俗易懂的方式阐述物理过程，而国内教材注重以知识内容呈现，强调知识的逻辑，内容前后的铺垫，注重提炼明确且精炼的语言来表述，缺少引导学生经历物理知识的形成过程。针对这一点，在教学过程可参考采用美国教材中的物理知识形成的语言表述，辅助智慧APP，如X mind、Mind Master、幕布等，组织学生搭建学习思维导图以及知识总结框架，引导学生更好地理解和掌握知识。

3.2  选取恰当的物理习题，关注学生学习需求，突破教学重难点

当前，我国教师在物理教学中呈现出自身知识碎片化，盲目追求覆盖面，知识传授具有机械性的问题，这就导致学生反复记忆，教师重复讲解，学生大量训练。但因教材习题有限，市面上的习题资料便成为学生习题选择的主流，国内学生基本人人配备一套课外习题。然而学生对这些资料的筛选能力是有限的，满目琳琅的习题资料以及课外辅导书便成为学习压力的主要来源。针对这一问题，本论文提出引用国外教材所具备的题型丰富、知识深度可选、广度可取且知识结构化、考点清单化的习题内容，并结合国内教材小课题栏目，让学生在可选用习题范围中提升知识掌握能力，关注不同水平层次的学生习题需求，并利用习题突破知识重难点。

3.3  以教明学，以学促练，促进学生物理学科核心素养的发展

从比较研究牛顿第三定律内容，延伸为章节编排的亮点，到整个教材各个章节的对比分析。首先通过分析教材，可发现教师在备课过程中所存在的教学潜在问题，设计多种课堂解决方案，使学生在教学过程中得到更佳学习空间。其次国内教师在利用各类教学资源时要分清主次，明确教材才是根本，不断打磨课程，推陈出新，做到用教材教，真正实现减负与核心素养的培养。最后教师根据课标中学业质量水平和物理学科核心素养的水平划分，对于国外教材中的例题加习题部分，可适当引入，选取有“质”有“量”的习题，教师可编入本校的智慧平台，根据不同水平层次的学生，配套逐步进阶的习题。真正实现有效评价学生对于知识和技能的掌握程度，精准指导学生在学习过程中所存在的问题。

参考文献：

［1］ 许华清，冯杰.牛顿运动三定律的独创性及逻辑关系[J].物理之友，2021，37（7）：7-9.

［2］ 季蓉.中美高中物理教材的对比与分析——以“原子结构”为例[J].物理教学探讨，2019，37（8）：23-26.

［3］ 吕舒欣，周萍.中美高中物理教材对比与分析—以“磁学”为例[J].物理教师，2017，38（4）：67-70.