中美高中主流物理教材物理观念渗透的比较研究
——以“机械能守恒定律”为例

刘璐璐 张 雄

(云南师范大学物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)

杨振宁先生曾经说过，物理学是一个多方面的学科，是现象的学科，是一个跟实验非常接近的学科，而不是整天在公式内打滚的学科.[1]现如今，我们的教学太过重视知识的输送，而忽略了将学生所学进行引导，使之成为他们的基本物理观念.因此，要求学生从掌握物理知识发展到提升自我思想、素养层面就显得尤为重要.

2017版普通高中物理课程标准响应新时代培养人才的要求，发展学生的学科核心素养.学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力.物理学科核心素养主要包括4个方面的内容——“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”.[2]而物理观念作为培养学生学科核心素养的首要方面与重要指标，具有极其重要的教育意义.

1 物理观念

物理观念是在物理学视角下形成的关于物质、运动、相互作用与能量等的基本认识.[2]是一种在学生头脑中自然形成的从物理学视角看待问题的认识起点，认识起点一旦建立好了，建立正确了，学生对于物理概念与规律的理解就会非常到位.物理观念作为一种形成于人脑中的观念性的东西，可以说伴随人的时间最久，也最为顽固.它同样也是学生准确解决自然现象、解决实际问题的基础.因此，教师要帮助学生建立起正确的物理观念，为学生的核心素养万丈高楼的建立，打下“坚实的地基”.

2 教材选用

不同版本的教材在内容安排、栏目设置、应用实例、插图设计等方面都不尽相同，这也会对教学产生重要的影响.此番笔者选取了中美高中主流理科教材——人教版高中物理教材(2018年版)和《Physics:Principles and Problems》(第2版)即由美国密歇根-迪尔伯恩大学物理教授保罗·齐策维茨编写的《物理原理与问题》(该书在美国有超过50%的选用率，从20世纪80年代开始就一直广受好评).在这里笔者就中美两国教材的“机械能守恒定律”中各模块的阐述方式、编写特色做一些比对分析，希望能给我国教材编写提供一些“美式借鉴”，并使我们获得培养学生核心素养方面的有价值的启示.

3 中美教材内容对比

3.1 中国教材的内容呈现形式

“机械能守恒定律”出现在人教版高中物理教材(2018版)的必修2第8章第4节，内容模块上主要有“问题”、“追寻守恒量”、“动能与势能的相互转化”、“思考与讨论”、“机械能守恒定律”、“例题”、“练习与应用”这六种形式.

“问题”导入从学生熟悉的伽利略斜面实验出发，引出小球在两个不同坡度的斜面上运动的实验.进而引发学生思考：在运动过程中，哪些物理量是变化的，哪些物理量是不变的.

“追寻守恒量”以开篇正文的形式出现，教材开篇先让学生思考“能量”的概念.由于小球在没有空气阻力及摩擦力作用时，必将准确地终止于它开始运动时的高度，不会更高一点，也不会更低一点.[3]故而据此，让学生理解并猜测某种“东西”在小球运动过程中是不变的.这里在没有引入能量概念之前，就让学生猜测这种守恒的“东西”是能量，学生的思维没有跃度，能够直接给出教师所希望听到的答案.伽利略和牛顿都没能总结出这个概念，我们也不能令学生根据编者意图，顺势得出答案.对于这个实验，我们只能说存在某种“东西”保持不变，但是具体是什么，我们尚不清楚.物理教学中，教师应当注意，能通过实验现象得出的概念就通过实验去引导学生猜想，复杂且难以解释清楚的概念，该引则引，当说直说.于逻辑上用结论推论结论，会显得矛盾重重.

“动能与势能相互转化”一栏中，选用了沿光滑斜面下滑的物体、具有一定速度且由于惯性而沿光滑斜面上升的物体、竖直向上抛出的物体、被压缩的弹簧以及跳板上弹起的运动员的运动过程来做定性的理论分析.教材得出动能与重力势能可以相互转化，弹性势能与动能也可以相互转化.并且机械能包含3种能量：重力势能、弹性势能和动能.我们的教材没有将重力势能与弹性势能统一归为一类.但从中我们可以看出人教版教材在举例讲各能量的相互转化过程时描述得十分详尽，所举实例简单也贴近生活.知识丰富、内容详尽是人教版教材的一大特色.

第一个“思考与讨论”引用了两个下落高度相同，但所处介质不同的小球运动过程.探寻在两种过程中它们二者的重力做功、重力势能变化、动能变化的大小关系，以及它们在运动过程中的能量转化.借此培养学生在多因素环境影响下，仍能排除干扰分析实际问题的能力.第二个“思考与讨论”则提问学生在滑落的逆向过程中，推导的关于物体初、末状态的动能与势能之和是否依然相等.启发学生举一反三，辩证思考，培养他们的批判性思维.

“机械能守恒定律”一栏中，揭示动能与势能的相互转化存在着某种定量关系.人教版教材利用了动能定理、重力做功与势能变化的关系，推导出了在只有重力做功的系统中，动能与重力势能互相转化，总的机械能保持不变的结论.[3]体现出了人教版教材推理严密、理论性强的特点.正文末尾，教材总结了何谓机械能守恒定律，并依据滑雪者的客观实例，向学生说明：在阻力可以忽略的情况下，动能与重力势能可以互相转化，总的机械能守恒.如果阻力做功不可以忽略，则机械能不守恒.[3]据此，我们又窥见到了人教版教材的严谨性.

“例题”引用了一个经典单摆的机械能守恒实例，由此运用机械能守恒定律计算出小球在某一点的速度大小.最后于总结处联系了一下生活经验(摆角越大，到达最低点的速度也越大).

3.2 美国教材的内容呈现形式

美国高中物理教材《物理：原理与问题》中的“能量守恒”部分内容主要包括“能量守恒定律”、“机械能”、“系统的机械能”、“机械能守恒”、“机械能和其他形式的能量守恒”、“本节主旨”、“核心问题”、“术语回顾”、“关键术语”、“迷你实验”、“阅读检测”、“解题策略”、“例题”、“练一练”等12个小版块.

“能量守恒定律”中有这样一句话，“科学家们只要观察到系统正在丢失能量，他们就会去寻找能量可能会转化成的新的形式”，[4]这句话的言外之意：只要系统正在丢失能量，就一定会有新的形式的能量产生.同样也就是说，只要系统同外界没有交换能量，系统就是封闭孤立的，系统内的总能量也一定是守恒的.美国教材定义机械能守恒定律：“在一个封闭的孤立系统里，能量既不能被创造，也不能被消灭.也就是说，能量是守恒的.在这些条件下，能量可以从一种形式转化为另一种形式，但系统中能量的总量保持不变.[4]”与人教版9年级物理教材(2013年版)关于能量守恒的表述是大致相同的.而美国教材表述上则更加规范，它先定义了一个封闭的孤立系统，也就是美国教材旁批里涉及到的“本节主旨”中的内容.然后在“术语回顾”里再去回顾“封闭系统”这一概念，并带着“核心问题”开展本节课的学习内容.系统的机械能为系统中物体的动能和势能的总和.动能包括系统中物体的平动动能和转动动能，势能包括系统的重力势能和弹性势能.[4]由此分类，可直接得出“系统的机械能等于系统中物体的动能与势能的总和”.[4]较人教版的定义显得更加简要、系统.

“系统的机械能”中用了一个正在下落的保龄球的机械能守恒作了番说明，兼用图表的形式描述下落各阶段(球开始下落、球下落1m、球碰到地面)的动能、势能及机械能变化情况，直观明了且定量.图文并茂是美国教材的又一个优点.另外，美国教材图中所用数值简单，学生便于比较，易于接受.

“关键术语”中罗列了本节学习内容涉及到的所有重点概念.美国教材课前就告诉学生，本节内容哪些是重点概念，让学生做到心中有数，使学生的学习更具方向性，也是美国教材值得我们学习的一点.

“机械能守恒”中以一个落向地面的小球，重力势能转化为动能的简单实例，计算得出机械能守恒，并点明守恒所需条件：小球与地球组成的系统是封闭且孤立的.美国教材在这一点上突出了物理问题的条件性，并渗透在了教材表达的方方面面，给予了学生分析问题的前提条件，原则性很强.

“迷你实验”中美教材引用了一个与人教版教材相同的实例，即向上抛出的小球实例.在人教版教材中向上抛出的小球的能量转化，人教版教材是给予了详细的说明与具体的分析的，而美国教材则是让学生去做一个“迷你实验”，并让学生据此分析运动过程中的能量转化.体现了在过程中重视思维，在思维中彰显过程的物理观念.美国教材还设置了带星号的单摆实验供学生自己做课后探索，突出了美国教材较强的探索性，肯放手让学生拥有更多的独立思考空间与自主性，这也是我们的教材所缺少的.

在“机械能和其他形式的能量守恒”中，美国教材谈到当单摆停下、弹跳小球最终停下、过山车滑坡高度越来越低等阻力不能忽略的情况出现时，系统的机械能转化为其他形式的能量后仍存在“广义的能量守恒”.另外美国教材率先引入了“声能”的新概念，开拓了学生的视野，丰富了学生的认知内容.

“阅读检测”里列举了3个生活实例(过山车、滑雪、单摆)，这是美国教材的又一大特色——紧密联系生活实际，应用物理原理揭秘生活原理.体现出物理源自生活，应用于生活的教学理念，也值得我们借鉴学习.在过山车、滑雪以及单摆运动的不同阶段，不同高度，美国教材运用了变化的条形图来彰显规律，定性又不乏定量，学生看了很容易就能明白.“单摆”的实例中有句话，“如果一个外力把摆锤拉到某一高度，则这个力做了功，给了系统一个机械能”一句表达得科学，精准.[4]在问题的开始，从教材做起，就提醒学生运用物理思维观念去分析问题，为他们养成成熟的物理观念作了铺垫.

美国教材还专设了“解题策略”一栏，从“仔细地定义系统”、“在该封闭系统内，不存在物体的进入或离开”到“确定系统中的能量形式”再到“确定系统最初和最终的状态”，都可以看出美国教材提出的解题策略是层层递进，逐步引申的.“如果没有外力对系统发生作用，则该系统是孤立的”点明如何确定一个系统是孤立的——没有外力对系统发生作用的情况下.[4]那如果有外力作用系统呢？又该如何判定呢？有外力作用的情况下，系统最后的能量等于它初始的能量与对系统所做的功的总和(对系统做功可以为负，即Ef=Ei+W).[4]最后总结：如果系统是孤立的，且只有势能和动能两种能量类型，那么系统机械能一定是守恒的.美国教材逐步推进学生的思维，由易到难，层层递进，体现了该教材的科学性和方法性.

“例题”选取与实际生活密切关联的问题，开启了习题的生活化、应用化模式.教材解题规范，分3步走：分析概括问题、求解未知量、验证答案.其中“分析概括问题”中有一个亮点：请学生画出能量柱形图.要求学生运用数形结合地思想去理解物理问题.美国教材的解题过程，条理清晰，思路明了且富有良好的逻辑性，不是单纯地讲究计算方法.这一点也值得我们借鉴取经.次要的代入过程可以不出现在主要解题步骤里而置于旁边，数据的代入过程无需和盘托出，既干扰学生思维，又显得本末倒置，繁冗缀余.美国教材的规范解答为学生提供了一个良好的答题模板，起到了很好的表率作用.

“练一练”中有个习题的题干包含这样一句话：“选择一个合适的系统，找出系统最初的动能”.[4]这句话也映射出美国教材注重学生在解题过程中的思维分析与概念理解，是国内教材所忽视了的部分.美国教材“练一练”中还包含拔高思维题，供学生做拓展思维训练，但并不做过多要求，合理合情，能适应各个层次学生的水平.

4 研究的意义

现如今我们的教材和教法仍然重视知识传输，而忽略了对学生的思维培养和思维锻炼.学生从实际问题中抽象出物理问题的能力还远远不够，反观美国教材我们能够窥见：我国教材知识层面做得过多了，而思维启发上做得太少了.培养学生的物理观念当从教材抓起.

另外相对来说，中国教材中生活实例的选择较为单一，美国教材中的实例列举(不论在正文还是在习题中)简单又贴切物理模型.过山车、滑雪、单摆都是日常生活中学生常见的物理现象，用它们来分析机械能守恒，从某种程度上说，更能吸引学生，激发他们的学习兴趣.这表明了美国教材注重培养学生解决生活化的物理问题的能力，对于培养学生的物理观念会有很大帮助.而人教版教材内容表达上就显得简单直接，一上来就“开门见山”，学生可以直接按照教材上的内容进行“明知故问”的回答，因此缺少逻辑性与趣味性.

5 总结

教材是教师进行教学活动的主要依据，也是学生进行物理学习的重要工具.[1]通过比较我们发现，与美国教材相比，人教版教材有其自身的优点，但在物理观念培养方面却还存在诸多不足.编者还需不断优化我国的物理教材，特别是内在逻辑，解题规范性方面，以增加对学生核心素养的培养力度.教材还应当多取材生活实例，充分展现生活实例带给教学的趣味性、直观性.夯实学生的“双基”，提升教材的魅力，让学生体会物理学的广泛运用与科学本真.