中美课程标准中波动部分的比较研究

张文皓 苏玉成

(中央民族大学理学院，北京 海淀 100081)

课程标准作为教材编写、教学、评估和考试命题的依据,以及国家管理和评价课程的基础,对课程的实施有着重要作用.[1]美国《新一代科学标准》[2](Next Generation Science Standards,以下简称美国《标准》),于2013年4月正式发布.美国《标准》由包括美国国家研究学会在内的来自26个州的41位教育者基于2011年出版的《K-12美国科学教育框架》[3](A framework for K-12 Science Education,以下简称《框架》)所编写,涵盖从幼儿园到高中全部科学课程.我国自开展教育改革以来,相继颁布了《普通高中物理课程标准(实验)》[4]与《义务教育物理课程标准(2011年版)》,[5]又于2018年1月公布了《普通高中课程方案和物理学科课程标准(2017年版)》[6](以下简称中国《标准》).我国教育部在2018年1月16日的新闻发布会上公布,该标准将于2017年底开始印发,并将于2018年秋季开始执行.

分析他国课程标准与我国的异同,根据我国实际情况和教育特点提出建议,或将有助于我国物理教育的发展.例如,有关美国《标准》的三维整合框架体系的研究成果有郭玉英等人提出的美国《标准》的三维整合框架体系对我国理科课程标准以及教育研究的启示,[7]吴成军等人从美国《标准》的三维整合框架体系中得到的对我国高中生物课程有益的价值等.[8]从美国《标准》中得到对我国素质教育改革的有关启示的研究有杨文源等人分析课程标准对教育改革起到的作用,[9]王磊等人通过将美国新旧课程标准对比得出其对我国研制课程标准研制的启示等.[10]

本文选取两国《标准》中高中物理的部分作为比较研究的对象,并对其进行分析.本文将分为3部分,第一部分对两国《标准》相关背景做简要概括,第二部分对两国课程标准中波的性质部分进行比较,第三部分对电磁波部分进行比较,第四部分对电磁波在通信中的应用部分进行比较,第五部分比较分析并提出具体建议.

1 概况简介

美国《标准》中的科学课程分为4个科目:物理科学、生命科学、地球与空间科学以及工程设计.其中物理科学包括物质及其相互作用,运动和静止:力及相互作用,能量以及波动及其在通信技术中的应用4个主题.波动作为物理学科的一个重要组成部分,在大学的物理课程以及社会生产应用中都占有很重要的地位.美国《标准》中有关波动的内容从小学到高中都有涉及,随着年级的提升,对相关概念以及科学实践能力的要求也逐渐升高.美国《标准》对波动内容的要求分为以下3个方面:波的性质，电磁波，电磁波在通信中的应用.

我国物理课程体系主要于高中阶段对波动部分进行了介绍.中国《标准》中有关波动的内容从必修课程到选择性必修课程均有涉及,主要包括:机械波，电磁振荡与电磁波，光及其应用，波粒二象性.下面以美国《标准》划分的3个方面为依据进行比较.

2 中美课标关于波的性质的比较

波是一种具有波动性和粒子性二重性质的物质,以振动状态在空间中传播并传递能量与动量.依据振动方向与传播方向的关系、波前形状等方式可以将波具体分为多种类别.两国课标中有关波的性质内容的比较见表1.

由表1可以看出,中美两国课程标准在波的性质方面都包括了波的频率、波长、波速关系,波的叠加以及解释与波有关的现象.美国《标准》中对于波的最基本特征,要求学生了解波速的数学表达式,以及两列波是如何叠加的.在波的叠加原理中,要求学生知道波的相位对叠加后效果的影响,但未提及现象的具体名称.美国《标准》对学生运用知识的能力提出了要求,即要求学生能用数学表达式来描述解释现象. 其中美国《课标》侧重于利用数学表达式表示不同介质中频率、波长和波速的关系,并提出具体说明,要求学生掌握电磁波在真空、玻璃、空气和水等介质中的传播特点.

表1 中美课标关于波的性质的比较

中国《标准》侧重于从图像认识波的最基本特征.在知识点的要求上更具体,明确提及了原理、现象的名称,比如波的干涉,多普勒效应.中国《标准》对波动的现象提出了具体要求:单独一列波传播时的特点有反射和折射、衍射以及多普勒效应;两列波在传播过程中相交时的特点有干涉现象等.中国《标准》中还涉及对学生的物理学科核心素养要求,比如要求学生能用图像描述横波,列举多普勒效应的应用实例.

3 中美课标关于电磁波的比较

电磁波是波的一个重要类别,是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射震荡粒子波,并以波动的形式传播.两国课标中有关电磁波内容的比较见表2.

由表2可以看出,两国课标在电磁波方面都对电磁波的描述、特点和性质提出了要求.相比较而言,美国《标准》的要求侧重电磁波的特征性质,比如电磁波与物质相互作用时,长波具有热效应,短波对生命有损害以及电磁波的光电效应.美国《标准》在科学工程实践维度对“提出并定义问题”、[8]“参与基于事实的论证”、[8]“获取评价并交流信息”[8]几个方面提出了要求.

表2 中美课标电磁波的比较

中国《标准》更侧重于电磁波的产生,原理与现象,并扩展到量子领域,尤其对电磁波中的一个频段——光提出了具体要求.中国《标准》要求知道电磁场理论、电磁波的产生与发射,对电磁波的性质与现象主要通过光波来反映,比如光的反射,折射,干涉,衍射等．此外,中国《标准》还要求学生初步建立光与实物粒子的波粒二象性概念.在实验操作方面,中国《标准》要求学生掌握一系列光学实验的内容,比如测定材料的折射率,双缝干涉实验.

4 中美课标关于电磁波在通信中的应用的比较

电磁波可以携带信息在自由空间中传播,是信息传递的重要的媒介,在通信领域有应用较广.两国课标中有关电磁波在通信中的应用的比较见表3.

表3 中美课标电磁波在通信中的应用比较

由表3可以看出,电磁波在通信中的应用这部分内容中,中美《课标》显示出差异.两国课程标准都要求学生了解电磁波在通信中的应用.相比之下,美国《标准》对学生查阅资料的要求较高.学生不仅被要求可以查阅资料来获取知识,而且要对资料中的信息进行判断和评价,并能够在条件允许的情况下验证该说法合理性.美国《标准》侧重于了解装置是如何利用波动理论和波与物质相互作用来传输和获取信息和能量,并提出具体实例要求.同时对于学生学习期望进行了具体说明,要求学生能以多种形式交流技术信息或想法.

中国《标准》在电磁波在通信中的应用部分更注重科普性,要求学生通过实验和实例了解电磁波和激光在通信中的应用,初步了解光纤通信的原理.中国《标准》要求学生能举出实例说明电磁波在通信中的应用,但没有对学生交流与讨论提出要求.

5 结论与建议

通过对中美《标准》的对比,发现两国课标在波动方面存在差异之处.首先,中国《标准》在对学生需要掌握的原理进行要求时,加入了丰富的物理现象知识,有助于学生掌握原理和概念.本文认为这一安排减轻了学生达到学习目标的压力,但同时也省略了对学生学习能力、思考能力的培养.美国《标准》在对原理方面的要求表述比较凝练,从美国《标准》中对物理原理的要求条数可以看出这一点.其次,美国《标准》在每个主题的表现期望中包含与其对应的科学工程实践能力维度要求,这与我国《标准》对科学探究及物理实验能力的要求单成一节形成比较.另外,从《标准》要求的知识内容来看,美国《标准》较中国《标准》多了波与物质相互作用及其应用、数字传输技术和信息存储技术等内容.诚然美国《标准》在年级上更早对波动的知识进行了要求,以至于美国《标准》中关于波动的内容更多.本文认为,美国《标准》对这些现象及原理的要求体现了其与生活和实际应用的密切联系,对学生科学思维的培养以及深造等未来发展有意义.

基于以上对比分析,对我国《标准》中波动部分提出以下几点建议.

(1) 注重与初中课程的衔接,使学生能够构建与科学研究过程相一致的知识构建过程.例如我国初中阶段已经学过光与声的有关内容,在中国《标准》中,建议波的性质这部分增加了解波的类别的要求.说明光波和声波除了振动方向有区别,分别属于横波和纵波以外,光波属于电磁波,而声波属于机械波.电磁波是交变的电场和磁场,可以在真空中传播,机械波则是粒子的相互作用产生的,因此需要介质来传播.另外在电磁波的产生是电磁振荡这部分也可以与初中电与磁的知识相联系.即从介绍知识的时候就渗透科学研究的基本思路,使学生能够掌握自主学习的能力.

(2) 强调对学生科学探究思维的培养.比如对实验的要求可以以“设计实验以达到什么样的效果”这样的方式来论述.在对知识点要求的叙述中加入能够体现探究能力的语句.例如,“能够用规范的语言描述实验现象”,“能够构建物理模型,用学过的定理来解释现象”,“能够独立整理分析实验数据,从中概括出有价值的结论”等.这样细化要求,将对学生探究能力的培养体现在掌握每一个知识和方法的过程中.使课标更加以人为本,关注学生,强调对学生科学素质的培养.

(3) 将一些“了解”“知道”的概念转变为“通过查阅资料文献获取有关信息”,并加入“对查阅到的信息进行评价和判断”的要求.使学生增加对知识的思考,以望达到在实践的过程中培养学习能力.固然我国《标准》对波动部分的内容是少于美国《标准》的,这和我国《标准》对知识在各年级阶段的安排有关,但改变对知识和方法的要求方式,体现对学生科学素养的培养.细化探究能力部分的要求在每个知识点的体现,使要求更有效,更清晰,易被操作实施.

我国刚公布的《普通高中物理课程标准(2017版)》在课程结构上对波动部分进行了调整,显示出更优的科学性和更强的指导性,使其更好地服务于我国教育改革,推进素质教育的实施,体现了学科的核心素养.综上,美国《标准》中含有对我国课程标准的有益启示,因此,研读他国课程标准,对比二者的差别,找出其可学习借鉴的部分,对推进我国物理学科教学发展有重要意义.