中美英高中物理教材中“牛顿运动定律”知识呈现比较研究

毛春晶+车博

摘 要：本文比较了中、美、英三国高中物理主流教材中“牛顿运动定律”内容的呈现方式，并给出了相应的建议。

关键词：牛顿运动定律；知识呈现；比较研究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）7-0029-5

力学是物理学的基础分支，牛顿运动定律是力学中的核心概念之一，其地位不言而喻。本研究选取中、美、英三国主流高中物理教材，对其中“牛顿运动定律”部分的知识呈现方式进行比较，以期得到相关启示。

1 研究对象

本研究中的中国教材选用使用较广的“人教版”普通高中课程标准实验教科书《物理》“必修1”；美国教材选用由Paul W. Zitzewitz等人编写的《Physics：Principles and Problems》，该教材在全美使用率高达50%，并为多数英语国家采用；英国教材选用Ken Dobson，David Grace和David Lovett等人编写的《Collins Advanced Science—Physics》。

2 研究内容

本研究从教材章节结构、内容表述及呈现方式三方面对三套教材中“牛顿运动定律”部分进行比较。

2.1 教材力学部分章节结构（如表1所示）

从章节结构来看，“人教版”物理教材将力学基础知识与牛顿运动定律独立开来，各设一章，而美、英两国教材则将相关力学基础知识穿插于牛顿运动定律的各节中。不同教材对于知识编排可谓各有特色。

牛顿运动定律是高中物理较难理解的知识内容之一，美国教材从一维力入手，待学生掌握牛顿运动定律的精髓后，再从二维力的维度围绕牛顿第三定律深入展开，再从力的合成与分解角度进一步深入。有了一维力的铺垫，二维力也就顺理成章，这样一来，既降低了学生学习的难度，又保障了知识体系的完整性。

力学以牛顿三大定律为核心内容，覆盖面甚广，编写者对于知识内容的选取与组织直接影响教材的难度、深度和广度。可以看出，英国教材并未在牛顿运动定律的阐述上花费过多篇幅，而是更多地关注牛顿运动定律涉及的各个方面，可谓是以牛顿运动定律为纽带的大综合。但教材中存在一些学生未知而教材又未过多铺垫的“超前”知识，于此，学生只能被动接受。相比之下，我国教材以学生原有知识经验为新知识出发点，层层递进，降低了学生学习的难度，更符合学生的认知规律。

2.2 内容表述（如表2所示）

对定律本身的表述，中、美、英三国教材均采用文字和公式相结合的方式呈现。文字叙述简洁精炼，但公式更能体现物理量间的定量关系，更具学科特色。此外，英、美两国教材在表述上更为严谨，对不同的概念做了严格的区分。如对定律条件的说明，美国使用“净力”，英国使用“外力（非平衡力）”，中国教材则使用泛化的“力”。

相比之下，美国教材更注重知识的迁移性，如美国教材在牛顿第一定律之后安排了力的平衡条件这一内容。英国教材则从动量变化的角度去研究牛顿第二定律，据此给出“牛顿”的定义，并延伸到动量定理。

3 呈现方式

3.1 三大运动定律呈现顺序

“人教版”教材“牛顿运动定律”内容的编排顺序为：牛顿第一定律→牛顿第二定律→牛顿第三定律；美国教材的编排顺序为：牛顿第二定律→牛顿第一定律→牛顿第三定律；英国教材的编排顺序为牛顿第一定律→牛顿第三定律→牛顿第二定律。

具体而言，“人教版”教材先从物理学史的角度去论证“力不是维持物体运动的原因”，接着分析物体运动状态变化的有关因素，用实验去探究它们之间的关系，从而为牛顿第二定律的得出做好准备，而后通过观察和实验去分析作用力与反作用力的关系，得到牛顿第三定律，进而讨论牛顿运动定律的应用。“人教版”教材依次呈现牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律，这与《自然哲学之数学原理》一书中三大定律呈现顺序相同，可为学生提供物理学史的线索，使得知识体系更加自洽、完整。

美国教材先研究力，接着分析力与运动的关系，实验表明作用在物体上的力所产生的效果就是使物体获得加速度，通过一系列实验得出牛顿第二定律，而后设想物体不受净力时的运动状态又该如何，通过对比实验为牛顿第一定律的得出打下基础。最后，落脚到力的来源，并用以解释绳子中的张力和正压力。可以看出，教材以力为主线，分析了力的作用效果，不受净力时物体的运动状态及力的来源。客观来讲，牛顿第二定律较牛顿第一定律更具象，而学生对牛顿第二定理的理解又将在很大程度上降低学生理解牛顿第一定律的难度。笔者认为这可能是美国教材在编排时将牛顿第二定律置于牛顿第一定律之前的原因。

英国教材先从物理学史的角度去论证“力是物体运动状态变化的原因”，从力的作用效果定义了力，得到牛顿第一定律。接着进一步思考力的来源，通过对作用力与反作用力的研究得到牛顿第三定律。教材用动量衡量物体“运动的量”，定义力为动量的变化率，从两方面讨论动量的变化，在恒力、定质量情况下得到牛顿第二定律表达式F=ma，而变质量情况下表达式为F=。笔者认为，可能是考慮到教材后续知识内容，如质量变化影响动量，惯性质量与引力质量等内容与牛顿第二定律的联系更为紧密，故而教材编排上将牛顿第三定律置于牛顿第二定律之前。

3.2 实验及类型（如表3所示）

从实验设置来看，中美两国教材均有不同的实验类型。中国教材将实验分为学生实验（物理实验室内的器材做的定量实验）、实验（课堂上由学生操作完成，多为定性实验）、演示（教师操作，学生观察、讨论）、做一做（趣味性较强，有条件的多做）及问题与练习（器材易得、难度较低，学生应该完成）五大类。美国教材将实验分为起步实验（章节始：创设情境，激发兴趣，难度较低）、迷你实验（章节中：简单易操作，理解概念与规律）及物理实验（章节末：综合性较强，培养科学探究能力及增强服务生活的意识）三大类。英国教材仅仅提供实验设计思路，并没有给出明确的实验过程。不同教材的实验类型并不相同，究其原因，“人教版”教材、“原理与问题”教材的编写者更加注重教材中实验的多样性与选择性，力图给教材使用者提供更多的教学资源，而英国教材的编写者更多关注教材内容本身，至于如何使用教材开展教学活动则由教学活动的设计者进行决定。

从实验内容来看，中国教材注重实验探究。引导学生自己发现并解决问题，这有利于激发学生的求知欲，培养学生的探究能力，力图使学生在探究的过程中获得知识、发展能力、养成良好的科学素养。此外，教材的定量实验对精度有一定的要求，体现了定量、严谨的原则。美国教材也注重与生活的联系。例如，一方面实验器材源于生活，如“物理实验：电梯里的力”中实验器材为电梯、磅秤、弹簧秤、物块等生活中常见的物品；另一方面，强调相关物理内容在生活中的应用。上述实验得出结论后教材并未止步于此，而是进一步探究，将物理规律应用于生活实际。英国教材注重实验的验证功能，注重学生思维方式的培养。

3.3 例题及习题

在例题的呈现方式上，三本教材均注重选题的代表性和精炼性，并且选题内容上与生活联系紧密。“人教版”的例题解答包括“分析”和“解”两部分，更侧重例题的示范性和解题的规范性。《Physics：Principles and Problems》的例题解答突出解决问题的一般步骤，且一题多用，有较好的示范性和拓展性。《Collins Advanced Science—Physics》注重简约，删减了对例题解题过程的分析，用定理、公式作为联系已知与未知的桥梁，带入求解，但该教材注重解题的思路和方法的讲解。

在习题的表现形式上，“人教版”习题设置形式多样，定性分析，定量计算，解释现象，分析错误……增设多种情景，加强与生活的联系，增强把知识应用于生活的意识。《Physics：Principles and Problems》则注重多练且富于层次，在题前标识所考知识点，便于学生自我检测，章节复习题由易而难，层层递进，包括绘制概念图、理解概念、应用概念、问题解决、复习提高和理性思维六大板块。而《Collins Advanced Science—Physics》更注重课上思考，并未设置章节习题，但在讲授过程中，针对某一知识点在相应位置提出相关问题，以激起学生思考，对知识的广度进行拓展，也便于课堂检测和及时反馈。

4 研究结论及启示

学生的认知规律，物理知识的历史发展顺序、知识间的逻辑顺序很大程度上决定着教材内容的呈现顺序。

从章节结构而言，中、美、英三国教材对于牛顿三大定律的呈现顺序并不相同，这种差异反映了教材编写者的不同思路和编写意图。

在内容表述上，中、美、英三国教材所使用的力学概念有所区别。当然，这种区别并非对与错的区别，而是考虑到了教材内容自身的逻辑性以及学生的接受能力。

中、美、英三国高中物理教材中“牛顿运动定律”部分的实验数量、类型及内容都有不同。这种不同折射出不同的教材观，给教材使用者提供了不同的选择性。

在以上研究的基础上，笔者认为：

1.教材内容的呈现在确保科学性的同时，可以有不同的思路。教材内容呈现思路的不同，一方面体现了教材的特色，另一方面，也为学习者理解对应知识提供不同的视角（此处，还可以参考德国卡尔斯鲁厄版的初中物理教材与高中物理教材）。

2.教材作为教学活动中重要的教学资源的提供者之一，可以安排更加多样且具有代表性的实验。当然，其前提是教学活动应该是用教材，而不是教教材。

3.合理设置习题。教材中的习题一方面要考虑习题与教学内容、学生认知等因素的关系，设置不同层次的习题；另一方面，可以进一步探索情境性试题的设置，如何让学生在合理的情境中发现问题、解决问题，在解决问题的过程中应用到相关知识、技能，提升学生对学科本身的理解，提升学生的学习能力、生存能力，这方面PISA考试习题为我们提供了启示。

参考文献：

[1]Paul W. Zitzewitz. Physics：Principles and Problems[M]. McGraw-Hill Publishing，2005.86-117.

[2]Ken Dobson，David Grace，David Lovett.Collins Advanced Science——Physics[M]. Collins Educational，22-40.

[3]人民教育出版社 課程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书 物理·必修1[M].北京：人民教育出版社，2010：67-89.

[4]袁博，张磊.中美物理教材的比较研究与启示[J].物理通报，2010（3）：3-6.

（栏目编辑 李富强）