美国高中物理教科书中“功和能”内容呈现方式及启示

1美国高中物理教科书中“功和能”内容呈现方式及启示王较过1陶丽娟2（陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西西安710062）摘要：本文分析了美国物理教科书《物理学：原理和问题》中有关“功和能”的内容章节编排、文本编写、栏目设置，指出了该书中关于“功和能”编写的特点。在此基础上，提出了编写物理教科书应从学生实际生活出发创设学习情境，激发学生学习兴趣；教科书应设计多样化、个性化的特色栏目；教科书应增加与生活联系密切的开放性物理实验等三点建议。关键词：美国；物理；教科书；实验“功和能”是力学中两个重要的概念，它们贯穿于整个物理学中，并占有很重要的地位。做功和能量转化的关系为某些物理问题的解决开辟了一条重要的途径，如学生学完功和能量转化关系之后，在遇到某些力学问题时，可以不涉及运动过程的细节，只要弄清物体的始、末状态，就可以根据动能定理或机械能守恒定律求解问题，从而避免了直接应用牛顿运动定律解题所遇到的困难，有助于拓宽学生解决问题的思路。因此，各国物理教科书都十分重视这一内容的编排，力求通过对此部分内容的有效呈现促进学生对功和能及其相关概念的理解和掌握。本文针对美国物理教科书《物理学：原理和问题》（以下简称《物理学》）中的功和能及其相关内容的呈现方式进行分析，找出其优点，以期对我国物理教材的编写提供一些参考。一、《物理学》中“功和能”的内容呈现分析《物理学》中知识的呈现丰富多彩，讲求图文完美结合。例如《做功，能量和简单的机械》这章就使用了14幅彩图，以图代文，借助插图进行叙述。此外，教材中还设置了一些特别的栏目，对内容进行扩展和补充，从而加强物理知识与其它学科的联系。以下笔者就《物理学》中有关功和能的章节编排、文本编写、栏目设置进行详细分析。（一）内容章节编排《物理学》采用“章－节”式的编排结构，其单元主题的编排以学生已有的知识经验为出发点，注重物理知识的内在联系与学生认知发展之间的关系，并在此基础上体现从生活走向物理，从物理走向社会这一物理学习的基本理念。其中功和能的相关知识位于教科书的第十章和第十一章，具体内容安排如表1。表1.《物理学》中功和能有关内容章节编排第十章：做功，能量和简单的机械第十一章：能量10.1功和能量●功●功和力的方向●功率11.1能量存在的形式●能量的形式●做功改变动能●重力势能10.2机械●简单和复杂的机械●能量守恒定律和机械效率●复合机械●人类行走的器官11.2能量守恒定律●系统●碰撞分析从章节编排来看，《物理学》的一章内容通常划分为2-4小节，每节又再细分为更小的部1王较过（1957－），男，陕西西安人，陕西师范大学物理学与信息技术学院教授，研究生导师，主要从事物理课程与教学论、教育评价与测量研究；2陶丽娟（1984－），女，宁夏灵武人，陕西师范大学物理学与信息技术学院硕士研究生，主要从事物理课程与教学论研究。《PHYSICS:PrinciplesandProblems》由美国最大的教育书籍出版集团McGraw-Hill的Glencoe公司出版。2分来介绍单个知识点的内容，小节与小节之间以及小节包含的内容之间是循序渐进的，这样的结构编排不仅促进了学生对小节知识内容的建构，而且有助于学生从整体上理解和把握章节的主题。从知识内容的安排来看，知识点看似比较少，但其内容却是非常丰富的，如在“功和能”这节就讲述了功的概念、功的大小与力的方向之间的关系、能量、功率等内容。同时，书中还编排了“口袋实验室”（PocketLab）、“物理实验室”(PhysicsLab)和“物理学与生物学的联系”(BiologyConnection)等栏目，不仅有助于学生了解更多的与物理学相关的知识，开扩他们的眼界和思路，更为重要的是通过学生的亲自动手实验，提高了他们的探究能力和创新精神。（二）内容的文本编写《物理学》主要为有志于向理工科职业发展的美国高年级理科生所设计的，从而教科书内容的安排具有综合性强、结构严密的特点。每章都有明确的学习目标、物理概念，举例也紧扣现实生活和当今科技发展的主流。[1]同时，其内容的呈现充分体现了科学探究的基本过程、特征和思想，能够有效地引导学生主动运用探究的方法来获取知识，激发学生学习物理的热情，提高他们解决实际问题的能力和创新能力。1.情境导入在导入方式上，《物理学》通过创设有利于与学生互动的物理情境来调动他们思维的积极性，从而促进其把物理知识和生活实际联系起来，并在头脑中建构知识。第十章《功，能量和简单的机械》就是以与学生实际生活密切联系并具有探究特点的情境来导入的。具体如图1所示。图1导入方式总体来看，本节的导入方式有以下三方面主要特点：①注重罗列章节的具体结构以及所要掌握的相关概念。例如学习本章之前要理解的内容有：牛顿第二和第三定律、摩擦力、角的余弦值等，并标出了这些内容的具体章节；②注重从日常生活情景中提出问题，引导学生带着问题进行学习。例如：变速自行车这种几乎人人有之的交通工具，是学生非常熟悉的，但是在学习之前又有多少学生能够了解它的工作原理呢？这样的引入就十分有利于诱导学生在日常生活中发现物理知识和问题，并且激发其进一步探究其中奥妙的欲望。③以第二人称的口吻叙述内容，有利于激发起学生的想象思维和身临其境的体验感，也使内容显得更加亲切，有助于学生学习兴趣的调动。例如：“什么是能量，当你有许多能量的时候你能跑的更远、更快，你可以跳的更高……”，有助于学生融入到学习情境中，从而激发他们学习的积极性。2.知识点讲述对学生来说“功和能”的概念是抽象的，理解有一定难度，如果讲述方式不恰当，会造成学生学习上的困难。《物理学》在讲述此内容时，注重将“功和能”相关概念以分散穿插的方式“镶嵌”或“渗透”到真实的情境中，并通过实验引导学生逐渐加深对内容的理解。在本章第一小节“功和能”中有关功的概念讲述思路如图2所示。提出问题：变速自行车如何使骑车的人在不同地形的环境下都能省力？页面空白处列出章节提纲以及学习本章所需要掌握的相关知识。（略）什么是能量，当你有许多能量的时候你能跑的更远、更快，你可以跳的更高……，在这章，我们就来学习一下改变物体和它们所处的环境的方法。为了这种改变人类发明了许多工具和机器，例如：变速自行车便于骑车人在无论是崎岖的山路还是平坦的公路都能省力。通过这章的学习你将发现这类机械工作的物理原理。3图2讲述思路图2各方框中“功和能”的具体内容如下：①学习目标：A、会计算力做的功；B、明确做功的力的大小和方向；C、理解功和能量转化之间的关系；D、正确区分功和功率并会计算功率。②生活化的情境：如果你花费一个早晨的时间把仓库中的箱子搬运到卡车上，你一定会感到疲劳和饥饿，你需要吃食物从而“获得能量”，因为食物中的能量会转化成搬箱子的能量……。③讲述物理概念：当我们在搬箱子的时候，如果箱子越重，我们做的功就越多；或者搬的越高，我们做的功就越多，由此看来，在搬箱子的时候，用力与距离的乘积去测量能量转化的多少是合理的，因而当力是恒力的时候，我们就定义“功就是作用在物体上的力和物体在力的方向上发生的位移的乘积。”功的表达式为WFd，同时，附加补充了计算功的另一种方法：面积法。④口袋实验室（Pocketlab）：用一根细绳将弹簧秤和1kg的木块连接起来。细绳保持和桌面平行，测量拉动木块使之保持匀速直线运动时的力的大小和方向。然后加大细绳和桌面的角度，例如：当细绳与桌面的夹角是30度时,用力拉动1kg的木块，保持其角度不变并仍以匀速直线运动行使时，计算作用在木块运动方向上的力是多大呢？当木块移动了1.0m的距离时，力做了多少功呢？（注意弹簧秤的读数）⑤巩固练习：详细的讲解例题，给出相关习题。分析本节内容的呈现可见本节知识点讲述方式具有以下三个特点：①学习目标明确。根据目标，学生不仅可以提前预知通过此节内容的学习能够获得哪些知识，从而使学习更具有针对性和方向性，而且在学完本节内容之后可以对比学习结果和学习目标之间的差异，进行自我评价，从得到的反馈信息中反思提高。②物理知识与生活实际联系紧密。注重通过生活现象导出物理知识并用物理概念解释生活现象，即经历了从实践到理论，再从理论到实践的一个逐步深化的过程，从而加深学生对概念的理解。③抽象概念具体化。能量这个概念是十分抽象的，它虽真实存在但确看不见摸不着，从而造成了学生理解上的困难，本节通过具体的生活实例解释能量的概念，使其在具体情景中理解抽象概念，有助于学生更快更好地理解能量的存在形式和转移方式。（三）栏目的设置《物理学》在讲述知识点的同时还设置了丰富多彩的栏目，栏目的内容富有弹性和选择性，有助于不同爱好的学生进行自主探究，发展他们的潜能。栏目分为四类，即实验栏目、STS栏目、知识归纳与总结栏目和其它栏目。具体内容如表2所示。达成目标列出本节学习目标讲述物理概念给出生活化的情境口袋实验室巩固练习4表2《物理学》的栏目设置栏目类型具体栏目实验栏目“PhysicsLab”(物理实验室)“Pocketlab”(口袋实验室)STS栏目“PhysicsandTechnology”(物理学与科学技术)“PhysicsandSociety”(物理学与社会)“Connections”(物理学与其它学科的联系)＊ChemistryConnection(物理学与化学的联系)＊BiologyConnection(物理学与生物学的联系)＊GeologyConnection(物理学与地质学的联系)＊EarthScienceConnection(物理学与地球科学的联系)＊HistoryConnection(物理学与历史学的联系)＊FineArtsConnection(物理学与美术的联系)＊AstronomyConnection(物理学与天文学的联系)＊LiteratureConnection(物理学与文学的联系)＊EconomicsConnection(物理学与经济学的联系)＊SocietyConnection(物理学与社会的联系)知识归纳与总结栏目“ChapterReview”（章节复习）“ProblemSolvingStrategies”(问题解决策略)其它栏目“F.Y.I”（参考信息）“HelpWanted”(必要的帮助)1.实验栏目《物理学》中的实验主要有两种类型：“PhysicsLab”(物理实验室)、“Pocketlab”(口袋实验室)。第十章中含有一个物理实验和两个口袋实验，其中物理实验室紧跟第一小节，内容是测量学生爬楼梯时的功率，栏目给出了详细的实验步骤、任务要求和注意事项。具体如表3所示。表3.物理实验室实验目的：测量你爬楼梯时的功和功率实验器材：米尺、秒表、爬楼梯的人实验步骤：1、估测爬楼梯者的质量，以kg为单位。2、测量楼梯的高度。3、爬楼梯者要保持稳定的速度。（注意：不要跑；不要遗漏每一层楼梯；避免跌倒。）4、当爬楼梯者开始爬第一个阶梯时计时员开始计时，当爬楼梯者到达顶端时停止计时。5、爬楼梯者和计时员要轮流交替以使所有的学生都有机会参与到活动中。观察并计算数据1、计算自己所做的功和功率。2、和其他同学比较功和功率。分析：1、哪位同学做的功最多？并解释原因。2、哪位同学的功率最大？并解释原因。3、用千瓦表示功率。应用：当地的电力公司提供1度电需要8美分，如果你以刚才所测量的功率连续爬1小时的楼梯，那么，你所做的功相当于多少美分的电费？5从以上内容可以看出，《物理学》在实验设计方面具有以下几个特点：①以学生为主体，注重学生的主观能动性，关注全体学生的发展；②实验过程活动化，让学生在丰富有趣的活动中通过相互合作完成实验；③实验所需器材不仅简单而且易操作，实验精度的要求比较低。2.STS栏目《物理学》中的STS栏目内容丰富、形式多样。其主要作用是介绍物理学与其它学科之间的联系，帮助学生了解物理学在其它自然学科、社会学科甚至是艺术领域中的应用。本章讲述简单机械时，设置了“物理学与生物学的联系”栏目，向学生介绍人类行走所涉及到的器官、原理等内容。除此之外，还设置了“物理学与科学技术”栏目，向学生介绍对骨折或骨裂病人进行治疗的方法、原理以及所需要的材料等等，让学生对