科学思维导向下三个版本物理教材的对比研究

陈敬业 张军朋 许桂清

摘   要：万有引力定律的发现过程蕴含着丰富的物理思维方法，文章以物理核心素养中的“科学思维”为导向，对人教版、粤教版、沪教版教材《万有引力定律》一章前半部分内容进行全面、细致的比较，为如何在《万有引力定律》一章有效培养学生的科学思维提供参考，也为后续针对该章节进行培养学生科学思维的教学设计打下理论基础。

关键词：科学思维;万有引力定律;教材对比

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）11-0019-4

1    背景分析

2017年12月，《普通高中物理课程标准》颁布，物理学科核心素养正式提出[1]。基于当前全国高中物理教材已经出现“一标多本”的局面，广大物理教师如能够对不同版本教材进行认真的分析、比较，汲取精华，提升学生核心素养的教学活动将更加有效。《万有引力与航天》（人教版和沪教版）或《万有引力定律及其应用》（粤教版）一章是“曲线运动与万有引力定律”这一主题的一部分，是高考命题的热点内容。在这一章节中的托勒密模型、哥白尼模型和开普勒行星运动定律中，无不蕴含着丰富的物理建模思想。牛顿在前人的基础上质疑、创新，通过著名的“月-地检验”证实了他的假设的正确性，这又体现了科学思维中的科学推理和科学论证思想。由此可见，学习《万有引力定律》这一章，对培养学生的科学思维具有重要价值。本文以物理核心素养中的“科学思维”为导向，对人教版[2]、粤教版[3]、沪教版[4]教材中《万有引力定律》这一章前半部分内容进行研读和比较（“万有引力定律的应用”部分不在本次研究范围内）。

2    三个版本教材的对比研究

2.1    教材内容的对比研究

2.1.1    万有引力定律的建立过程

笔者首先从万有引力定律的建立过程入手，以便从整体上把握不同教材的编写思路和意图。经过收集、整理、分析，汇总三个版本教材中万有引力定律的建立过程及所在章节，如表1所示。 结合表1不难看出，三版教材在万有引力定律的建立过程中都十分注重物理模型的建构，三版教材都从“地心说”入手，介绍前辈们构建的宇宙模型。值得注意的是，人教版花费整整一节的篇幅去推导太阳与行星之间力的关系式;粤教版的篇幅最短，但也用“设问-回答”的方式得到“苹果所受力与月球所受力可能是同一性质的力”的猜想;沪教版将粤教版的“设问-回答”过程设置成了第二节的一个讨论问题。虽然它们的呈现方式不同，但三版教材都注重以教材为基础引导学生去体驗太阳与行星之间的力和月球与地球之间的力以及使苹果落地的力是同一种力的推理与论证过程。教师要敏锐地发掘教材在这一块所蕴含的推理与论证的思想，采用归纳与演绎的方法，引导学生去发现不同现象下相同的物理规律，有效促进学生科学推理与论证思维的发展。

2.1.2    对物理学史的引用

人教版本章第一节开门见山，简单叙述后直接引出开普勒行星运动定律，但在本节末的“科学足迹”一栏，给出了详实的与该章有关的物理学史的介绍;粤教版按照人们对天体运动的认识历史发展顺序，十分简洁地介绍整个万有引力定律的发现过程，没有详细的物理学史知识背景介绍;沪教版则完全按照物理学史发展的时间线详细地组织教材内容，将知识穿插在物理学史的介绍中。沪教版将知识融汇在物理学史中，不仅让学生在物理学壮丽的史诗中深深体会物理学家们坚持不懈的探究精神，也有利于培养学生不畏强权的质疑、创新精神。

2.1.3    对牛顿“月-地检验”内容的处理

“月-地检验”过程蕴含着丰富的科学思维方法，“月-地检验”从建立匀速圆周运动模型，到科学的推理与论证，是训练学生科学思维的好素材[5]，也体现了牛顿敢于在前人基础上质疑、创新的科学精神。三个版本教材对牛顿“月-地检验”的处理方式如表2所示。

由表2可知，人教版将其设置成了一个练习题，粤教版让学生自己上网查阅相关资料，沪教版在本节末直接给出了整个计算过程。三版教材对“月-地检验”的呈现方式能否引起教师和学生的足够重视值得怀疑。如果教材或者物理教师能够把它单独作为一个探究的主题，去花时间引导学生探究这个过程，而不是较为隐晦地把它作为一道题目，或者直接给出推理过程，又或是在网上自行查阅，当能更好地促进学生科学思维中科学推理与科学论证能力的发展。

2.2    教材两个重要栏目的对比分析

由于三版教材在建立万有引力定律的相关章节没有设置例题，本文从“思考与讨论”和“问题与练习”两个方面对教材栏目进行对比分析。

2.2.1    “思考与讨论”栏目

“思考与讨论”栏目（不同版本教材，该栏目名称略有差别）的内容通常要求学生通过师生讨论和生生讨论，对指定的物理现象或者物理问题进行思考和分析。目前，教师对此栏目的理解与实施只停留在对学生知识与技能的培养上，忽视了其对学生思维能力的培养，导致了此栏目在教学中的实施效果大打折扣。通过收集、整理，三个版本教材在万有引力定律建立过程中设置的“思考与讨论”问题信息如表3所示。

人教版在该章节没有设置“思考与讨论”问题。粤教版的“讨论与交流”栏目中第二个问题的回答需要学生作出正确的科学推理，得出没有引力的世界将是什么样子。同时，学生在讨论甚至是辩论的过程中，质疑、创新的能力也可以得到发展。沪教版在这部分设置了几个问题，第二类问题是让学生将地球的情境迁移到火星上，作出科学的推理，目的在于提升学生的物理观念水平和科学推理能力。对于使用人教版教材的地区，我们的教师在对这一章进行教学时应该有针对性地增添一些“思考与讨论”问题，以促进学生科学推理能力的发展。

2.2.2    “问题与练习”栏目

三个版本教材在万有引力定律章节的练习题，题目设计都具有很强的情境性，都在一个相对具体的天体运动情境中展开问题。三个版本教材课后练习题目类型及数量如表4所示。

由表4可知，三個版本教材都设置了较大比例的定量计算题目，人教版和沪教版还有各自特有的定性分析题和开放型问题。三个版本教材在课后练习上均注重与万有引力定律有关的定量计算，需要学生把庞大的天体看成质点模型来解答问题，这有利于学生物理建模能力的发展。但粤教版和沪教版教材在课后练习上没有设置专门的推理与论证题目，人教版教材也只是在该章第三节设置了一道要求学生进行简单科学论证的题目。

教师在给学生布置课后练习时应适当增加一些推理与论证的题目，以弥补教材在该栏目上题目类型设置的不足，促进学生推理与论证能力的发展。此外，还可以将封闭型问题和开放型问题结合使用，多元化的题型训练能够更好地促进学生物理能力特别是思维能力的发展。

3    思考与展望

基于以上分析，从整体上看三版教材在万有引力定律的建立过程中都是十分注重对物理模型的建构和学生推理与论证思想的发展。从细节上看，沪教版教材将知识融汇在物理学史中，激发学生的情感共鸣，注重培养学生不畏强权的质疑、创新精神。在教材栏目的设置上，粤教版和沪教版教材设置了类型多样化的“思考与讨论”问题，注重训练学生的科学推理能力。在课后练习部分，三版教材都注重要求学生构建质点模型解决天体问题。

但是我们也应该注意：人教版教材在该章节没有设置“思考与讨论”问题;三版教材在“问题与练习”栏目中缺少推理与论证类的题目，对牛顿“月-地检验”部分内容的安排有待考究。希望我们的教师在《万有引力定律》一章的教学中能够根据自己所在地区的教材版本，扬长避短地使用教材，更好地促进学生科学思维乃至物理核心素养的提高。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018： 3.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课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2[M].北京：人民教育出版社，2010：31-41.

[3]广东教育出版社，广东基础教育课程资源研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理必修2 [M].广州：广东基础教育出版社，2005：46-50.

[4]上海科技教育出版社，上海世纪出版股份有限公司.普通高中课程标准实验教科书物理2[M].上海：上海科技教育出版社，2007：78-89.

[5]王茹荣.牛顿“月地检验”的教育价值及教学建议[J].物理之友，2016，32（7）：19-20.

（栏目编辑    刘   荣）