中美高中主流物理教材在光学部分中的差异与启示--基于科学领域培养学生“核心素养”的视角_科学论文

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      近年来，各国中小学的教育理念正在逐步发生变化，以“核心素养”和“核心概念”为主体的培养模型正逐渐代替以学科知识结构为重心的传统课程标准体系。“核心素养”是以“具体的人”为基本出发点，关注适应学生终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，解决的是“培养什么样的人”的教育问题。根据近年来国内外对这一问题的研究，目前，中小学阶段在科学领域内的核心素养聚焦于以下几个方面：持续的学习能力、解决问题的能力、实践能力、创新思维能力等。“核心概念”解决的是“学生学什么”的问题，从学科角度和生活角度筛选出学生所要重点涉足的领域，概括出各领域的核心思想和观念，然后再按照难度的进阶安排学习内容，在不同的年级中逐渐展开。2011年，在美国颁布的新版中小学科学教育框架中，提出了物质科学的核心概念有以下4个：物质及其相互作用；运动与稳定性；能量；波及其在技术领域的应用——信息传递。与我国高中物理教材相比，“波及其在技术领域的应用——信息传递”这一概念的地位大为提升，这与波特别是无线电波、光波在现代社会中所起的巨大作用是分不开的。

      基于以上考虑，本文选择“波及其在技术领域的应用——信息传递”中“光学”部分的内容，从培养学生科学领域内“核心素养”的角度，比较中美两国高中主流物理教材的编排差异，以期对我国的教材编写和课堂教学提供一些新的思路。本文采用的中美主流教材的比较样本分别是：2004年我国人民教育出版社编写的《普通高中课程标准实验教科书物理》（简称《人教版》）与美国的《Physics：Principles and Problems》（简称《PPP》）。《人教版》在国内有超过25个省市使用，使用范围最广，《PPP》在美国有超过50%的选用率，同时，该套教材也被全球许多国家使用，具有很强的代表性。

      一、关于“知识”与“智慧”

      马云曾说：“一个人最需要学习的其实不是知识，而是学习的能力。”“学习如何学习”是让学生从“知识”层面上升到“智慧”层面的重要途径之一。这就要求教材不仅是传统意义上的知识的载体，也应该是培养学生思维，提高学生持续学习能力与批判创新能力的载体。

      从内容编排上来看，《PPP》和《人教版》均采用“章—节”式的编排结构，两套教科书章节的设置无论从知识、能力还是方法上，都遵从递进的原则，逐渐深入，逐步发展学生的能力。从“光学”部分的具体编排来看（如下页表1），两套教科书在这一部分都安排了极为丰富的内容，这与光学在最近30年众多科技成果中扮演的重要角色有着密切的关系。

      《PPP》将整个“光学”部分分为4章，内容较为系统完整：从光学基础到几何光学再到物理光学。在光学开篇“第16章光学基础”中，将光学的基本概念分成“光线模型”和“波动模型”两部分进行系统介绍，脉络清晰，指向明确，为学生接下来的学习奠定了良好的知识基础和方法基础；另外3章（“反射和面镜”、“折射和透镜”、“干涉和衍射”）的安排则充分体现了知识和应用间的对应关系或知识与知识间的联系。《PPP》教材在“光学”部分的章节编排体现了自然科学类学科学习的一般途径：对某一领域的基本概念、基本规律作较为系统的了解和认识，达到一定“量次”的知识积累，在此基础上再学习、思考与领悟知识间的内在联系，探寻实际问题背后隐藏的规律原理并尝试知识的具体应用，逐步将知识内化并转化为能力。类似这种理工科学习与思维的一般模式在《PPP》教材各个栏目的设置、各种问题的阐述中都有较为充分的体现。

      

      《人教版》光学部分的知识点覆盖面也较广（具体见表1），相比较于《PPP》，少了“光学基础”、“面镜”、“透镜”这几个部分的内容，这样安排的原因一方面是因为其中有些内容学生在初中已经学过，另一方面，则是因为《人教版》将整个“光学”部分的内容分散在选修2系列和选修3系列不同的模块中（表1中呈现的是选修3系列中光学部分的内容），每个模块在光学部分安排的内容都有不同的侧重点。由于我国新课标采用模块化学分制的课程设计，学生不需要学完所有模块的课程，这就使得学生在高中阶段可能无法对光学知识有一个比较系统、清晰的认识。所以，怎样进一步整合与优化教材或教学内容，使之更加符合学生的认知特点，更能引导学生掌握科学的学习方法和思维方法，是教材编写和设计课堂教学时需重点关注的问题之一。

      二、关于“实验”与“实践”

      物理学的特点是以实验为基础，但“实验”只是从事物理学研究的一部分内容。目前，以美国为代表的课程改革将中小学在科学领域内的核心素养确定为“科学与工程的实践”，这里的“实践”，比我们通常理解的“实践出真知”的“实践”概念内涵要丰富，不仅包括客观物质性的“动手”，也包括蕴含大量创造性思维和科学理性的“动脑”。将科学教育的聚焦点从“实验”上升为“实践”，其意义在于：避免科学学科过多地被作为不断累积的既定事实和实验技能来教，进一步强调建模、建构科学解释、参与评估与评价（辩论）等在科学教育中很少被足够重视的重要科学实践行为的重要性。

      《PPP》和《人教版》在光的干涉学完后都安排了一个“用双缝干涉测量光的波长”的实验。如图1（a）和（b）分别是《PPP》和《人教版》在这一实验中提供的实验器材。具体的流程分别如下。

      

      《PPP》：（1）介绍实验目标、实验器材并对学生提出安全警示。

      （2）介绍大致的实验步骤。其中给学生留有很多思考与设计的空间，例如，“使用缝的间距d已知的双缝，或想办法确定d的大小”，“利用实验室提供的可能用到的材料，设计实验装置，写出操作步骤”等，同时，也提醒学生“让老师检查你的实验装置，在操作前需要得到老师的批准，注意直视激光可能会伤害你的眼睛”等。

      （3）分析实验结果并对结果作讨论。讨论的问题包括：你的步骤可以使你通过双缝干涉的图样测量光的波长吗？如果缝间距d更小，你可能得到怎样的结果？如果采用绿光，但缝间距不变，屏幕距离也相同，你的观察结果会改变吗？

      （4）进一步探索。其中比较有趣的是设有一个“评估”环节：检验你所用的设备，确定哪一个设备在计算精度上限制你最多，哪一个设备给你的精确度比你需要的更高？

      （5）生活中的物理学。提出了以下问题：①当白光通过屏风的缝隙照射时，为什么在墙上的影子里看不到衍射图样？②如果世界上所有的光都是相干光，万事万物看上去会有所不同吗？请解释。

      《人教版》：（1）介绍实验原理。对相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距公式

做细致严谨的推导。

      （2）观察双缝干涉图样。对实验仪器的操作步骤及注意点做详细说明。

      （3）测定单色光的波长。主要说明d、L、△x的测量方法进而代入公式

得到波长λ的值。

      （4）作为本实验的拓展，最后在“做一做”栏目介绍了利用光传感器做双缝干涉实验的方法。

      对比两套教材对同一实验的设置，笔者发现，《人教版》的实验设计对实验精度的要求较高，为学生提供了非常专业化的实验器材，比较重视实验操作的规范和实验误差的探讨。这样的设计有利于培养学生的实验技能和认真、严谨的科学态度。而《PPP》“科学实验”的设计要达成的是“科学实践”的目标，实验的落脚点还是在“科学思维方法的训练”上。本实验中，《PPP》刚开始就明确提出了实验目的，提供了学生可能会用到的生活化的实验器材，但对于实验的具体做法和实验结论的得出在设计上是开放性的，学生可以根据自己的操作做出相应的判断。完成实验后，又通过“进一步探索”和“生活中的物理学”等栏目引导学生对本实验做更为深入的思考与讨论。从刚开始提供各种支架到慢慢减少支架，逐渐增大思维的密度和空间，《PPP》的设计始终围绕“动手”与“动脑”相结合的主题，让学生在可亲可近的生活化实验氛围中逐步提高自身的综合思维能力。《PPP》对本实验的设计给我们的启发是：一切“动手”的目的是为了“动脑”，在不同的物理教学环节中，我们都要注重培养学生以“科学的规则”来“动脑”，否则，即使“动手”（实验）的能力再强也难以达到创新的层次。

      《PPP》教材的编写在很多地方、从不同的侧面都体现了“科学工程实践”的理念。如图2是《PPP》在讲解完薄膜干涉的相关知识后所举的自然界中薄膜干涉现象的实例。从图2（a）蝴蝶的实物图，到图2（b）电子显微镜下蝴蝶翅膀的截面图，再到图2（c）截取一小部分翅脊放大后的光路图，《PPP》向学生传递的是一种对实际问题建构科学解释的方法：要会从实际问题中找出有用的信息并将其转化、上升为物理模型，再进一步思考，进行逻辑推理。建模思维方法的熟练使用在学生知识的衔接、融合、迁移过程中起着非常重要的作用，这也是《PPP》教材在编写过程中所要重点体现的思想方法之一。由最近几年高考命题的走向，我们也能深刻体会到我国物理课堂教学改革对这方面的要求。

      

      例如江苏省2014年高考物理试卷中的第12题的第3小题就与《PPP》教材中蝴蝶翅膀的薄膜干涉实例非常相似：Morpho蝴蝶的翅膀在阳光的照射下呈现出闪亮耀眼的蓝色光芒，这是因为光照射到翅膀的鳞片上发生了干涉。电子显微镜下鳞片结构的示意图见题图（如下页图3）。一束光以入射角i从a点入射，经过折射和反射后从b点出射。设鳞片的折射率为n，厚度为d，两片之间空气层厚度为h。取光在空气中的速度为c，求光从a到b所需的时间t。

      

      三、关于“融合”与“综合”

      我国《普通高中物理课程标准（实验）》提出高中物理课程要“适应科学技术进步和可持续发展的需求”，要“为学生终身发展、形成科学世界观和科学价值观打下基础”。为了达成这些目标，我们在教材的编写和课堂教学中还要注重“学科融合”，引导学生从整体上认识自然、理解科学，突破某一学科领域固有的思维模式，让学生能够从更高的层面和更新的视角去观察、分析问题，探究事物的内在规律性，从而为以后的科学研究和科技创新做好准备。

      《PPP》和《人教版》在“光学”部分都非常重视光学知识与现代科技的融合，《人教版》在“科学漫步”栏目介绍了“X射线衍射与DNA的双螺旋结构”、“立体电影和偏振光”、“利用光的干涉检查平整度”等知识。《PPP》则在“技术与社会”栏目介绍了“照明灯具的发展”，在“未来科技”栏目介绍了“自适应光学系统”，在“工作原理”栏目介绍了“全息照相”。综上，两种教材都通过“科普类”栏目的设置为学生了解现代科技以及科学技术与社会的关系搭建了很好的平台。

      《PPP》教材除了在每章末设置丰富多彩的知识拓展类栏目，引导学生学习外，在正文的阐述过程中，也比较重视物理学与其他学科的融合。例如，在“折射和透镜”这一章，《PPP》专门用较长的篇幅仔细介绍了“眼睛中的透镜”，包括眼睛中像的聚焦及近视、远视等知识，整个内容的阐述非常好地体现了物理学与生物学的融合，为了使学生们对所学知识有更为清晰的认识，甚至还配了非常详细的“眼睛结构图”（如图4）。纵观《PPP》3册教材，类似这样体现物理学与其他学科融合的地方还有很多，每次有这样的内容出现时，《PPP》都会在页边的相应位置用小方框特别标注：“与生物学的联系”、“与化学的联系”等，提醒学生关注。

      当然，科学教育“学科融合”的概念除了以上已经讨论的科学学科间的融合和科学与科技的融合外，还应包括科学知识与科学态度、科学方法、学生的情感和价值观等方面的融合，这也是我国高中物理课程标准中对物理课堂教学提出的要求。尝试在中学阶段有意识地对学生进行学科“融合”方面的指导与教育，最终想促成的是学生“综合”思维的发展，使学生逐渐形成一种包容全局的全新思想视域，这对提高学生的科技创新能力、培养学生成为全面发展的高素质的人才都具有非常积极的作用。

      

      生命的成长不仅仅是获得知识，更重要的是提升“自我生长”的能力。在高中物理教材的编写和课堂教学设计中，不断采用“浸润式”的方法，引导学生从“知识”走向“智慧”、从重视物理“实验”到进行科学“实践”、以学科“融合”提升综合“思维”，可以将培养学生在科学领域内的“核心素养”的总目标落到实处，从而为学生的终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定良好的基础。

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