例评美国高中物理教材的特点，本文主要内容关键词为：美国论文,高中物理论文,教材论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着我国基础教育课程改革的不断深入，许多教育工作者都注意到了中外教材的巨大差异。从对中外教材的比较中，我们审视国内教材的优势与弊端能更为有效地解决“教什么和怎样教，学什么和怎样学”的重要问题。于是，有关物理教材比较的文章纷纷出现在各种教育杂志上，但是，这些比较往往集中在初中物理教材上，高中物理教材则比较少。2006年暑假作者曾到美国参加了“中美文化交流”活动，收集、整理了一些相关的文献资料。本文在介绍了美国基础教育物理课程概况的基础上，以当前美国比较流行的高中物理教材《物理：原理与问题》(Physics:Principle and Problems)为例，评析了美国高中物理教材的特点，并得到了几点启示，以便借鉴美国基础教育课程改革的经验，为我国当今的高中物理课程改革提供一个交流的平台。
一、《物理：原理与问题》的特点
美国高中物理教材《物理：原理与问题》是由美国密执安—迪尔伯恩大学的著名物理学家保罗·齐策维茨(Paul W.Zitzewitz)博士主持编写的。随着1996年美国《国家科学课程标准》的颁布，本书经过修改力图体现课程标准中有关高年级(9～12)物理学习的精髓，即科学的本质、作为探究对象的物理学、科学与技术、从个人和社会视角所见的科学等。
图1
这套教材是专门为那些有志于向理、工科职业发展的美国高年级(9～12)理科生所设计的。《物理：原理与问题》一书共有31章，依次介绍了力学、热学、波与光、电学以及近代物理的内容。同时，该教材还设有大量富有特色的栏目，如图1所示。
此外，教材在一些章节中还给出了相应的物理网站（如http://www.glencoe.com/），这既服务了一线老师的教学需要，又可以扩大学生的知识面。
这套教材一经面市，即风行世界，被很多国家选作高中物理教材或教学参考书，后经多次修订，至今仍长盛不衰。1996年美国《国家科学课程标准》颁布之后，作者结合《国家科学课程标准》的精髓编写了修订本。2005年，上海科技出版社出版了该修订版的中译本3册。该教材为什么如此受到欢迎？与我国的高中物理教材相比，主要有以下几个特点：
1.教材内容综合，结构严密，并注重学生思维能力的培养
这套教材呈现的物理知识包括了经典物理学的几乎所有内容，在最后几章里给出了近代物理的相关知识，如：量子理论、原子模型、固体电子学、原子核的应用等。教材不仅仅着眼于知识体系，对于方法、体验、技术应用、社会文化都有体现。目录中就明显指出了数学工具、数学模型、袖珍实验室、物理实验室、问题解决策略、物理学与社会、它是如何工作的、物理学与技术、连接等栏目。教材适时明确提出了学习目标，概念和例子紧扣现实生活和当今科技的主流。教材有大量的图例、照片，还有大量日常生活用品的工作原理，让人觉得物理离生活并不遥远、学以致用、学有所用。不仅激发了学生的学习兴趣，而且避免了学生“看热闹”的弊病。教材在一些重要的知识点中，均设置了相应的“问题解决策略”栏目，内容是解决具体物理问题时学生应掌握的策略性知识。对于例题，不但给出详细的解答过程，还指出了解题思路和策略。同时，每个章节配有较多的习题，且分层、分类，如应用概念、一般性问题、批判性思考题、拓展思考等，便于老师和学生进行选择。教材每章之后设置了复习。复习不单是科学内容的复习，对于人文和技术也同样关注。在复习中提出一些生活中的问题，引导学生用所学的知识解决问题，通过调查、建模、表述、总结等培养能力。
例如第10章（能量、功和简单机械）的第1节“功和能”，首先以“在仓库中搬运箱子……”的生活场景来引出物理学中功与能量的概念，然后以能量、功和功率3部分内容来依次陈述。语言叙述上，教材采用第二人称来陈述内容。如本节导入部分：“当你在仓库搬运箱子的时候，你可能就知道功和能，……可能你也不止一次地想到……”。学生读起来亲切、自然，拉近了教材与学生之间的距离，激发了学生的学习兴趣。接着，教材以栏目的形式给出了本节“功和能”的学习目标（图2）。学习目标中用具体行为动词描述了学生需要达到的内容标准，如“描述”、“区分”等，让学生一开始就知道学完本节内容要达到的具体目标。这有利于学生在接下来的具体学习中随时检查，并督促自己的学习情况。对比我国在处理这类内容标准时，只在课程标准或已往的教学大纲中提到，教材中一般不会出现此类明确告诉学生具体目标的内容。随后，本节以功的知识逻辑为线索，推导出动能定理以及功与功率的计算方法。尤其在介绍功的计算时，注重了概念发展的循序渐进，突出了公式法与图形法的特点。首先，分析“力与位移方向一致时功的一般计算”；然后是“力和位移成一角度时的功”；再“变力做功的计算”……，按照这样严密的结构发展，条理清楚，符合学生的认知特点。
图2
分析“力和位移成一角度时功的计算”是本节的重点。教材首先创设了一个物理情景，以“一个女孩推着割草机做功……”（图3）为例，把生活实际与物理问题联系起来，配以图文，使所要解决的做功问题更加情景化、生活化。这样很好地体现了从生活走向物理，让学生从熟悉的生活中更好地理解课堂知识。随后，教材给出了推力的分解示意图（图3），运用模型化的方法分析问题，并得出相应的物理规律。
本节中出现了3道例题“计算功”、“力与位移成一角度的做功”、“计算功率”。每道例题给出了详细步骤，有意培养学生的解题规范和策略技能。图4为本节中一道例题的格式和步骤：
图3
这道例题以详细的步骤向学生呈现了整个解题过程，包括“作简图”、“运算过程”和“检查结果”，其中运算过程还包含了“已知、求、策略、计算”，不仅清楚展示了解题的各个规范步骤，也体现了求解时的分析思维过程。学生可以通过模仿这样的解答过程，以促使他们在大脑中形成正确的解题图式（主要为解题的程序性知识）。教材中，其他章节的例题也都呈现了这一特点。
图4
本节在论述完功的内容之后，安排了一个“问题解决策略”栏目(Problem solving Strategies)（图5）。栏目进一步总结了在解题中所用到的各种思维策略和方法，强化了学生思维能力的培养，这类似于我国教材中的“方法点拨”。学习是一个知识建构过程，教师不仅仅是传授有关的物理定律、概念，相关的程序性、策略性知识也同样必要，后者对提高学生的学习效率是十分重要的。此外，教材在目录中就排列了整本书中重要知识点的“问题解决策略”共有15项，高度强调在物理学习中概念性知识与程序性知识的结合，这一点值得我们很好的借鉴。
图5
本节在3个内容单元后面分别设置了4～5道练习题，并在整节内容结束时给出4道总复习题。习题的编写由易到难（分别涉及对基本知识的掌握、理解以及运用），起到巩固内容，拓展知识的作用。所给的习题中包含有对基本概念、定理的掌握、理解以及运用，还出现了不少开放性的习题。如本节复习题中一道批判性思考题(critical Thinking)，“若有三个力施加在一个物体上，他们能同时做功吗？为什么？”。这一类题型都没有唯一的正确答案，很多不限于课本中现成的知识范围。学生通过练习这类问题，分析各种情况并引起更深入的思考，使他们的思维能力得到培养。
2.教材重视学生实验，强调对探究能力的培养
物理学是一门以实验为基础的学科。从实验的选择与设计，可以窥视出物理教材的一些编写意图和指导宗旨。《物理：原理与问题》经过多次修订后，力求符合《国家科学课程标准》中有关高年级物理学习的精髓，即科学的本质、作为探究对象的物理学、科学与技术、从个人和社会视角所见的科学等。特别强调了对学生探究能力的培养，并在学生实验的设计方面逐渐取得了完善。
(1)学生实验的分布特点
《物理：原理与问题》2002年版本中共有31个学生实验，包含了验证性实验和探究性实验，探究实验占了总数的1/3.学生实验的分布情况如表1所示。
表1 《物理：原理与问题》2002年版学生实验的分布情况
从表1的纵向看，教材的学生实验集中在“力学”(11)和“电学”(7)两大知识板块，在“光学”(6)与“现代物理”(5)也有一定的分布。我们可以发现后两者的学生实验比例已超过1/3，打破了原有“力学”和“电学”实验“一统天下”的局面，特别是“现代物理”知识在高中的学生实验中得到了强调与重视。
学生实验以常规性实验（包含验证性实验）为主(21)，探究性实验(10)占总数的1/3。这里的常规性实验是指实验内容是封闭的，教材给出了详细的实验步骤、任务要求，学生只需按部就班地完成。探究性实验则是我们所提倡的一种以半开放或全开放出现的实验形式。从两者的分布来看，常规性实验与探究性实验贯穿了整本教材的知识点。根据学生的实验水平和知识的掌握程度，教材在“力学”与“电学”知识板块中设置了较多的探究性实验。
教材中真实性实验与模拟实验相互结合，并以真实性实验为主(22)。真实性实验是指，实验过程可以直接观察出所研究事物的真实现象或变化过程。从真实性实验所占比例（＞2/3）来看，教材的实验内容较好地体现了物理学的实证特点，增强学生认识事物的客观性，达到物理学科的教育功能。模拟实验是指通过实验建立形象、直观的模型，帮助学生理解一些超出人们活动范围的物理问题，如宏观天体的相互运行、微观粒子的运动变化，在“力学”和“现代物理”中，教材采用了较多的模拟实验，帮助学生积累丰富的表象，以促进物理知识的学习。
(2)强调对探究能力的培养
不管是常规性实验还是探究性实验，本教材避免实验内容只是为验证某一个概念或原理而单独出现，在选择实验内容时注重研究问题的“应用性”，贴近学生的生活范围并根据学生的知识水平具有一定的探究价值。教材在设计探究性实验时，以探究过程中的先后作为内容的编排顺序，将探究的一般过程和策略隐含于程序中，如提出问题、假设、制定实验计划、对数据进行分析与论证、评估、交流与合作等等。学生在动手操作时，无意识中学习了这些探究的技能，使之迁移到一般问题的解决中去。同时，教材在前后各章所设置的探究实验中，注重一定的梯度变化，所给的操作步骤由详到略，实验过程也从部分探究逐步走向全部。
例如第7章“两个方向上的力和运动”的探究实验——“掷垒球”。教材选用了贴近学生生活的“掷垒球”体育项目，作为本章内容的探究对象。通过分析投掷垒球的运动过程，让学生运用有关的分解速度知识，来研究抛射体的速度、投掷角度与投掷距离之间的联系。
本实验出现在教材的前部分——“力学”内容。这个时期，整体学生的实验探究能力处在高中学习的起步阶段，对某一问题开展实验还缺乏必要的探究经验和知识基础。从图6的内容看出，教材以探究的一般程序提出，如提出问题、猜想与假设、制定计划、设计实验等等，并给出了详细的提示内容。教材引导学生将学过的有关抛体运动的知识形成假设；告诉实验计划中应确定哪些变量、研究对象是什么、数据应该如何处理等等。此外在“分析得出结论”中，每项任务试图引导学生将“掷垒球”过程的各种物理量变化及相互关系与本章所学的“速度的合成与分解”知识结合起来思考。本实验属于一个半开放式的实验，教材为学生搭建好了脚手架——告诉学生要探究什么，具体怎么做则由学生自己决定。在探究“掷垒球”的过程中，不仅加深了学生对知识的理解，而且学生间的相互交流与合作也增强了物理学习的趣味性和亲和力。
进入高年级后，学生的知识和探究经验得到了丰富，教材根据学生的知识水平和实验能力，把握探究的程度，设计出不同层次的探究实验；提出假设、制订计划也由半开放逐步走向开放。这样，学生的主体性不仅得到了发挥，而且对实验的积极性也提高了；由浅入深，让学生逐步掌握各种探究能力、学会研究的科学方法。
(3)开展模拟实验，优化实验组合
在学习的过程中，要让学生形成正确的物理概念和物理规律，首先需要学生拥有一定的感性认识。这种感性认识可以来自生活环境，也可以来自实验提供的现象和事实。但对一些超出人们活动范围的物理问题，如宏观天体的相互运行、微观粒子的运动变化等，通常学生无法在实验室通过真实研究来建立概念和认识规律，并且学生的知识水平还受到了相应的限制。因此，仅通过单一的实验模式来使学生认知物理概念和规律有时会遇到很大的困难，但运用模拟实验则可以弥补以上的不足，能够帮助学生通过建立模型、采用类比的方法来对物理事实获得明确、具体的认识。
图6
本教材在设计模拟实验上开展了有意义的探索。实验通过虚拟的物理情景，让学生动手操作“仿真”的物理过程以获得丰富的感性认识，并促成了理解物理知识和提高实验能力的教学目的。
例如第26章“电磁现象”的模拟实验——“模拟质谱仪”。根据电场与引力场物理性质的相似性与可比性，教材采用钢球在重力场中沿斜面的运动来模拟质谱仪中电荷的运动状况，并以此来研究质谱仪的工作原理。实验选用一个带槽的直尺、橡皮泥、钢珠、永久磁铁、坐标纸等器材，制成一个“质谱仪”模型（图7所示）。首先，让学生研究“电荷”只在“电场”作用下的运动情况，接着将一块磁铁放于“坐标纸”上使其对“电荷”发生作用，并调整磁铁的位置来研究“电荷”的轨迹变化。
图7
在“分析与讨论”中，教材提出了一个问题，“在这个模型中，你用引力场来模拟质谱仪中的电场，怎样能使这模型中的电场发生变化？”通过积极思考，学生可以发现通过改变底板的倾斜度来改变“电场”的强度大小，让学生体验到发现者的自豪感，并增进了对实验的热情。在“应用”部分，教材作出进一步提问，“预计当你使用一个同质量同体积的球，但其中含铁量少或根本就不含铁时，情况将如何？”问题中，以小球的含铁量来代表“粒子的电量”。经过讨论，学生知道了质谱仪是依据电场与磁场构成的偏转场来选取特定的带电粒子；分析问题时，不仅要考虑两种场的大小，同时还要知道被选粒子的荷质比大小。
质谱仪的工作原理是物理学习中的一个知识重点与难点。该实验的设计运用类比法优化了带电粒子在偏转场中的运动状况，并注重学生的测量、观察、猜测、推理、建模、联系等思维方法和基本技巧训练。
可见，美国的物理教材设计实验时，注重封闭性和开放性相结合，并渗透对探究方法的指导。与我国传统的做法相比，美国的学生实验较为容易，以简单、有趣，注重科学方法的训练为原则，实验的选材注重贴近学生的日常生活。
2.教材在部分章节设置了“物理学与社会”、“物理学与科技”等栏目，内容多为本章知识在社会、技术中的应用或联系
教材中“物理学与社会”栏目有研究工作、评估危险、潮汐能、预报地震、你可以带着它、用电子计算机帮助残疾人、电磁场和机器人领域的革命。“物理学与科技”栏目有零重力训练器、过山车、全球定位系统、高技术含量的网球拍、红外线探测器、气凝胶、DVD光盘、哈勃太空望远镜、数字系统、说“茄子”、发光和放射性跟踪仪。
第21章“电场”中，“物理与社会”栏目是“为残疾人服务的计算机”（暗含了关心弱势群体的问题），详细地介绍了用计算机帮助残疾人的各种功能，相应的调查报告中提到，“研究斯蒂芬·霍金的经历，找出他对科学的贡献、他对身体的挑战及帮助他进行挑战的信息。集体讨论：能帮助残疾人的计算机是昂贵的，而且还要花钱进行培训。试找出你所在的社区决定在这些项目上花多少钱？你对这方面的决定有何感想？”此外，文中给出了网络连接，为学生提供了广泛的信息来源与讨论空间。
这实际相当于给学生一个小课题，让他们进行深入调查。通过这个栏目，可以让学生有目的、有针对性地去发现更多的与物理相关的知识，开阔自己的眼界和思路。
教材在设计第11章（能量）的第一节“多种形式的能”内容时，首先利用学生大脑中关于“钱”的生活经验建立了一个“模型”——钱的直方图，之后将系统能量的变化过程与学生赚钱与花钱的生活经验相联系，帮助学生建立一个物理模型方法——画“能的直方图”，把抽象的功能原理演示得形象直观，浅显易懂。这不仅仅向学生教授了一个分析物理问题的模型方法，而且还传递了一个信息：物理学习与生活经验是相互联系着的，学生可以用生活中所掌握的知识或方法去分析、处理相应的物理问题。
教材还运用“钱的模型”（图8）来打比方，告诉学生也可以用直方图来描述系统具有的各种形式的能。“……钱有多种形式，钱在银行称为存款，具有被花掉的潜在能力，即为‘势’。无论是现金还是银行储蓄都是同种东西的不同形式，只是从一种形式转化为另一种形式，直方图的高度描述了各种形式钱的量。你也可以用相同的方法表示系统具有的各种各样的能……”教材利用学生熟悉的生活经验建立“钱的模型”，并嫁接到物理学习中，形象地说明了系统中各种形式的能以及相互转换关系，使严肃刻板的物理学习变得轻松、活泼，也让学生自发地在学习中将物理知识与社会生活联系在一起思考。
图8
4.教材中专门设计了一个“与其他学科的连接”的特色栏目，使学生了解物理学与其他自然科学甚至社会科学、艺术都有紧密的联系
“与其他学科的连接”涉及天文学、生物学、化学、地球科学和历史。各门学科之间的联系像一份“自助餐”，以其内容的灵活性和选择性适应不同学生的兴趣和爱好。这样设计可以使得物理课程的内容针对学校、教师和学生的差异具有选择性。
例如在第17章（反射和折射）第2节“光的反射和折射的应用”，设计了如图9所示的“与文学连接”。
图9
5.教材在一些内容相联系的地方创设了“必要帮助”栏目，以广告招聘的形式安排了与物理学有关的职业介绍
这套教材一共有31个职业介绍，如科学家系列、高级工程师、中等技术人员（图10）、普通技术工人……。可以看出，教材编者的意图是通过物理教材的学习，让学生尽早了解社会的各行各业，使他们初步具有对今后职业进行深入改造的能力。
图10
例如在第11章“能量”的第1节“多种形式的能”中，以广告招聘的形式给出了“必要的帮助”栏目（图11），内容如下：
图11
教材将本单元势能的学习与能源利用结合起来，向有兴趣的学生提供了与此相关的职业介绍并告诉如何获取更多的信息。可以看出，教材所表现的不是权威知识的代言者，而是向学生提供一种多功能的学习服务。模型建立、策略指导、职业介绍、等等，这些都利于学生开阔视野、掌握分析物理问题的综合能力。
6.教材关注了科学知识的人文性
美国是一个多元文化的社会。相应的，教材通过“F.I.Y”（小信息）栏目，向学生展示了“历史上各具特色的文化都对科学知识和技术发明作出了贡献”，其中涉及了众多国家、地区的科学发展及其成就。值得一提的是，教材在相关的内容分别介绍了中国的火药、指南针、手推车、用来侦察敌情的陶制广口瓶、民间使用的取暖设备等内容。此外，栏目还对一些女性科学家做了介绍。
二、几点启示
从对《物理：原理与问题》特点的评析可以看出，美国的高中物理教材不仅内容综合，注重学生思维能力的培养，而且更加重视对学生物理方法、研究方法以及科学态度方面的教育功能。和我国传统的高中物理教材“重体系、重理论、轻人文、轻实践”相比，美国的高中物理教材特别突出了物理与社会的关系，即通过物理教材帮助学生形成批评、反映和责任感，以及讨论问题和把个人观点转换为社会行为的能力；物理和生活的关系，即让学生知道物理学习是生活的需要；物理是一种经验；物理是一种方法，即通过学生认知能力的发展，使其科学的表达方法和思维方法等得到进一步的发展。
1.在教材的内容上应注重发展性
坚持教材内容与选材的集约化，以使学生能在有限时间内，尽快地最有效地掌握最基本的具有迁移性的基础物理知识。教材要给教师、学生留有拓展的空间，要避免多而全的百科全书式教育。要鼓励教师活用教材，适时补充反映现代科学新观念、新思想的物理内容。教材设计应能反映现代物理知识的基本框架和总体内容，让学生通过教材能了解现代物理的发展概况，了解现代物理知识的一些基本模式和基本观念，如相对论的时空观、不确定性等。应把物理学家在研究中形成的科学思想方法和研究模式贯穿在教材和教学过程中，使学生在学习知识的同时能掌握科学研究的基本方法，受到人文精神的熏陶，培养科学精神。重视介绍现代物理知识在生产实践中的各种应用，使学生了解现代物理对生活和社会发展所产生的巨大影响，帮助他们建立学以致用的观念。让学生通过对教材内容的阅读、讨论和总结，提高科学阅读能力和科学写作能力，为学生的终身学习打下基础。“以提高全体学生科学素质”为培养目标，增加观察、实践、社会调查、相互交流等探究活动，改变课程内容“难、繁、偏、旧”和过于注重书本知识的现状；倡导学生自主地进行科学探究，注重学生获得知识的过程，强调形成积极主动的学习态度，使获得基础知识与基本技能的过程同时成为学会学习和形成正确情感、态度与价值观的过程。注重让学生经历从自然到物理、从生活到物理的认知过程，经过基本的科学探究实践，使学生得到全面发展。
2.在教材的呈现方式上应体现多样化
教材形式要活泼，要从有利于学生的“学”出发，要采取学生喜闻乐见的、灵活、开放的呈现形式，要开发包括音像、多媒体课件、电子出版物等以及各种辅助教学用书在内的系列教材、配套教材，使教材真正成为“学本”，而不是“教本”。教学形式不限于讲解和练习，应当有更加多彩的实践与探究活动和丰富的物理教育渠道（尤其是网络资源），在教材中应当体现对丰富教学形式、拓宽教学途径的引导。通过多样化的手段来丰富教材内容。在编写教材时可以对同样的问题给予和允许不同答案或解决方向，增加问题设计和习题设计的开放性和探索性，甚至可以引导分析物理学中的“有争议”或“有悬念”的问题。教材的编写要考虑充分发展学生的个性，可以根据学生的发展需要、能力水平，编制出不同的知识模块进行组合。需要强调的是，加强教材弹性必须以确保完成基本要求为基础，必须始终坚持面向学生全体，必须以学生的可持续发展和不造成学生过重的课业负担为前提，必须考虑到有利于发扬教学民主、有利于学生对课业的自由选择和有利于学生的终身学习。并且，在教材的研制开发过程中，要扩大社会参与课程改革的广泛度，保证教材编写和使用的多元化。
3.在问题设计上要有趣味性和启发性
问题设计要富有情趣和吸引力，使学生感到在思索答案时有趣而愉快。充分调动学生内驱力，从而让学生积极地探求真理，使“要我学”升华为“我要学”。例如在介绍现代物理中的流行观点时，也可以同时介绍一些在这些问题上的其他观点，让学生来讨论分析，发表自己的看法，使他们在比较、判断、争论中确立正确的物理知识概念，开阔视野。问题设计时还要适当设计一些“多思维指向、多思维途径、多思维结果”的问题，以强化训练学生的思维，培养他们的创造性思维能力。
几十年来，我国高中物理教材的编写积累了相当丰富的经验，形成了自己严密性好、体系性强和重视“双基”的特色，但也明显存在一些与知识经济时代和现代教育理念不相适应的地方。在新一轮基础教育课程改革的浪潮中，我们要以国际比较的视野来审视和反思我们的教材编写，处理好顺应国际潮流和坚持特色发展的关系，寻求适当的平衡，研究开发出优秀的高中物理新教材。