论日本中学物理教材的编写特色及其启示——以《川胜教授的中学物理教案》为例

文∣邢红军 关艳丽 童大振

迄今为止，日本已经有22位诺贝尔科学奖获得者，其中包括8位物理学奖获得者。日本物理学领域的影响力在国际上仅次于美国，亚洲排名第一。[1]为什么日本在物理学领域有如此高的影响力？尽管因素众多，但这种影响力与其“教育立国”的方针有着密不可分的联系。有鉴于此，选取日本香川大学川胜博教授编写的中学物理教科书为研究对象，深入分析日本中学物理教科书编写的模式与特点，以期为我国中学物理教科书的编写提供有益启示。

一、川胜教授的物理教材编写内容分析

由于物理学的内容十分丰富，因此，如何从巨大的知识库中选取最必要、最合适的内容组成中学物理教材的编写内容，一直是中学物理教材编写的重大课题。川胜教授的中学物理教材依据日本的“学习指导要领”、物理学基本知识结构以及高中学生的认知发展水平，通过应用“假说式理科教学模式”，编写了具有浓郁日本物理教育特色的中学教材，较好地体现了课程结构的社会结构、学生心理结构和学科结构三者的交叉和结合[2]，对我国中学物理教材编写具有“它山之石”的借鉴意义。

(一)教材内容编写模式分析

1963年，日本当代教育学者板仓圣宣和一线理科教师共同研究创建了“假说式理科教学模式”。该模式以现行理科教材的单元结构为基础，按照“提出问题—预想假说—研讨论证—付诸实验”的四大程序展开，沿用至今[3]，有助于真正将“教”与“学”从对立的立场转变为“以教师为主导，以学生为主体”的师生共同研讨学习的教学模式上。由此，《川胜教授的中学物理教案》所用的模式大都沿用“假说式理科教学模式”，书中许多内容的编写都是建立在学生课前自主预习，有准备的情况下进行的。[4]以教材中“力的基本定律”的编写为例。

图1

图2

教学伊始，教师提出问题 ：在图1所示情境下，若风对着竖直的屏风吹，整个台子向哪个方向移动？教材给出预想的答案，屏风可能向左、向右、不动或者向其他方向运动。然后，学生根据自身的知识储备和经验选出预想答案。选择向左或者向右的学生人数相当，选择不向任何方向运动的人数最多，而选择向其他方向运动的人数为0。接着，教材引导学生进行理论分析，通过风扇对竖直屏风靠近和远离的实验以及竖直屏风与风扇不成直角(如图2)的实验，最终得出结论为D选项并对此展开分析；从而整理出有关力的基本定律的知识体系，这即是“假说式理科教学模式”的展现。

就学生而言，推翻自己假设的过程实际上是重构自身物理认知的过程。在这个过程中，学生因感到不可思议而激发了学习兴趣，这有助于学生自主学习，这就是“假说式理科教学模式”的特色所在。由于“假说式理科教学模式”较好地解决了教师和学生之间传统的“教”与“学”对立的立场，学生在预想结果后所引发的讨论，有助于学生与教师、学生与学生之间碰撞出思维的火花，从而有助于对学生进行有针对性的引导。这样的教材编写模式，凸显了日本中学物理教材编写的特色，可以给我们以有益的启示。

(二)教材内容编写广度分析

全书囊括了基础物理的力学、波动、能量、热学、电磁学、光学以及原子物理学内容。其中力学和电磁学分别占四个章节，其余知识各占一个章节。从教材内容的广度来看，教材不仅包括物理概念、物理定律、物理实验等内容，还包括生活和科学技术的相关理论。以力学与电磁学内容为例(如表1)。力学中的静力学、运动学和动力学分别以专题“力是什么”“力和运动”“各种各样的曲线运动”“振动与碰撞”四个专题展开编写。教材编写按照知识的逻辑结构，从认识力、知道力的画法到力的种类，力与运动、运动的种类到综合性较强的动力学，逐步达成从单一性知识到综合性知识，从孤立向系统展开，其间还穿插了如“热气球”“人体的步行”“硬币的碰撞”等趣味实验，以及贴近生活和科技的如“台秤上的下蹲”“大人和小孩推手”“桶的问题”等生活问题。电磁学包括“静电”“电流与电阻”“电流与磁场”以及“电磁感应与电磁波”四个专题。以“静电”专题为例，从带电现象引入，首先认识电量、电场、电力线，之后扩展到电势、电能与电容，使知识结构从点扩展到面，其间还设计了电力线、等电势线的观察和电容放电，电容的连接实验，将理论与实践相联系。

表1《川胜教授的中学物理教案》中力学与电磁学专题

类别一级主题二级主题力学力是什么力矢量,力的画法,力的基本定律,物理实验1———热气球,浮力与重力,反作用力和作用、反作用,台秤上的下蹲,大人和小孩推手,摩擦定律,斜面上的摩擦力力和运动速度,伽利略速度合成法则,速度·加速度·位移,物理实验2———人体的步行,惯性定律,阻止运动的力,牛顿第二定律,人体的运动,牛顿第三定律,张力定理,阿特武德机实验,阿特武德机理论各种各样的曲线运动匀加速运动公式汇集,空气中的落体运动,抛物运动,猴子和猎人,抛物运动实验,惯性力,落瓶实验,匀速圆周运动,向心力,离心力,桶的问题,圆运动的数学,万有引力定律,围绕地球的卫星运动,重力和引力振动与碰撞平衡与振动,简谐振动的周期,各种各样的简谐振动,简谐振动的解析,冲力,碰撞定律,斜碰撞,整个物体系统的碰撞定律,动量守恒的意义,物理实验3———硬币的碰撞电磁学静电带电现象,金箔验电器,电量,电场,高斯定理与电力线,物理实验5———电力线、等电势线的观察,电势,电势与静电能,导体与静电场,电容的原理,电容器的容量,物理实验6———电容放电,电容的连接,电容的连接变换,电容的能量电流与电阻电流,电阻,决定电阻的因素,超导,电流表与电压表,电阻的精确测量,物理实验7———电源的电流电压特性,基尔霍夫定律,半导体,晶体管电流与磁场磁性,磁场,电流产生磁场,载流导线在磁场中的受力,几种磁场,洛伦兹力,物理实验8———电磁力与霍尔元件,回旋加速运动电磁感应与电磁波电磁感应定律,感生电场与洛伦兹力,发电机与马达,互感与自感,阻抗,交流电路,振荡电路,电磁波,赫兹实验

基于上述分析不难发现，在教材内容编写的广度上，川胜教授的中学物理教材不仅涉及物理知识，还有教学实验仪器的课堂设计，例如“金箔验电器”以及来源于生活的趣味实验，十分契合日本高中的理科教育课程改革理念。在日本中学课程改革中，理科教育课程理念从过度生活化、追求系统知识之间的联系、科学探究之后，走向科学知识和生活与人的和谐发展；形成以培养公民科学素养的理科教育理念。此过程大致经历了“生活单元理科”“系统理科”“探究理科”“尊重个性的理科” “公民化理科素养教育”等阶段。日本的高中新课程于2013年实施，开始进入“公民化理科素养教育”阶段，强调“以人为本，提高公民科学素养”[5]。因此，教材的编写注重达成重视“自然与人类活动”和“个人生活”的关系 ,发展学生个性，提高学生科学素养的目的，并且致力于改变物理学难以与现实生活相联系的状况。

(三)教材内容编写深度分析

从川胜教授的教材内容深度来看，其深度要大于我国中学物理教材。在静力学中，川胜的教材引进了“刚体及其平衡条件”“力矩和力偶”“重心的测定和计算”，并且教材要求的水平是理解并且能计算。在动力学知识方面，教材引入了“非惯性系统和惯性力”以及碰撞问题中的“恢复系数”等知识。在电磁学内容中，还保留着“惠更斯电桥测电阻”以及“电阻温度系数”“磁极间的库仑定律”等知识点。[6]从这个角度来看，由于“学习指导要领”的要求，日本中学物理教材的难度较高。

其次，川胜教授的教材内容不仅包括基本概念，定理、定律，还包括十个趣味实验。例如，力学中的“热气球”“人体的步行”“硬币的碰撞”，电磁学中的“电磁力与霍尔元件”，光学中的“简易分光器的制作”以及原子物理学中的“云雾室实验”等。以“电磁力与霍尔元件”为例，实验是在学习完电流、磁场以及洛伦兹力后安排的；其目的有两个，第一是验证“弗莱明(Flemin)左手定则”，第二是左手定则的应用——简易马达的制作，部分介绍见图3。

图3 简易马达的制作

教材给出了简易马达制作的实物图(如图3)，要求学生按照实物图组装实验设备。图中还特别说明了转子的制作方式。首先，将漆包线在左手食指上绕3～4圈，两段剩余一定长度用于架在回形针上；然后，将两端分别标注A，B后，A端漆包线的漆面全磨掉，B端磨掉半面漆。学生在完成实验的过程中，会产生各种各样的操作与理论问题；例如，忘记装磁铁或者不清楚为什么线圈两边的A，B端处理方式不一致。当然，学生可以尝试将A，B端的漆面全部磨掉，或者半周期断开电流等方式探究马达持续运转的原理。这有助于学生形成探究意识，培养动手能力与解决问题能力。应当指出的是，让学生在实验中遇到各种困难，这样的安排导致无论是在操作层面，还是在理论分析层面，都在一定程度上加大了课程难度。

二、川胜教授的物理教材编写特点分析

在日本，《川胜教授的中学物理教案》几乎是中学物理老师人手一册，足见其影响力之大。[7]这也从另一个层面启示我们，川胜教授的物理教材必然有着与众不同的特点，值得我们抽丝剥茧地加以研究。

(一)体现“以学生为主体”的编写理念

川胜教授认为 ：“物理只听是不够的，只感觉也是不行的；必须思考、接触、研究，朋友间一起讨论。理性地说‘人的话’还不够，须听‘自然的声音’。”基于这种理念，川胜教授在物理教材编写中十分注重体现“学生为主体”的编写思想。由于“假说式理科教学模式”是建立在学生课前自主预习，有准备的情况下进行的。[8]采用这种模式进行编写有助于真正将“教”与“学”从对立的立场转变为“以教师为主导，以学生为主体”的师生共同研讨学习的模式。因此，川胜教授将教育理念转变为编写行为，对于学生以笔记值日生的形式所记录的课后学习感悟，川胜教授都认真做了回应，并且收录成为教材的一部分，从而成为“以学生为主体”编写理念的重要体现。

以“反作用力和作用、反作用”一节为例。学生记录道 ：“入学考试时，若自己是一名应考的学生做到这样的题目，能否漂漂亮亮、正确回答出来，这对我来说还拿不准，但从力的基础点来考虑，应是容易理解的。物理学都是以自己身边的问题为内容来研究，因此非常有趣。”川胜教授在教材中回应说 ：“反过来讲，若将负担重的内容灌输进去，且是与经历的事实完全不同的内容，对于受教育的对象就不能习惯了，这是人们的经验之所得。”在“摩擦定律”一节中，学生记录道 ：“以上的解答，大概完全是一派胡言。若看解答时可知，在这个物体上是施加了力的。了解清楚后，自己来解答时，应知这个力是非常重要的，但是，把日常看到的，习以为常的事，都像这样每次都来做说明，你就觉得始终新鲜、有趣了。”教授回应 ：“你确实做了很好的思考了！令人感动！不要担心有错误，继续进行自我思考吧！但是，这次的解答果真都正确吗?”

从学生的记录中，可以看到学生的疑惑、感想以及日益增加的对物理的学习兴趣。从川胜教授幽默风趣的回应中，我们可以看到一名物理教师的素养。教材中师生笔记的收录，不仅显现出了学生在学习物理过程中学会了提出问题、独立思考以及尝试解决问题，还彰显出一名物理教师的耐心引导与教育情怀。更重要的是，教材编写中把学生与教师的感悟记录纳入教材，是作为落实以学生为主体的教育理念的生动体现。这在国内外中学物理教材中较为少见。如此编写，教师从学生的记录中就可以分析学生的现有知识水平与认知水平，从而进行个性化的编写，同时有利于教师根据学生的认知水平进行针对性的引导，最终提高教学质量。

(二)重视传授知识和方法的统一

鉴于物理教材中包含的内容较为广泛，学生在学习物理知识的过程中，掌握一定的科学方法就尤为重要。这样的编写思想，不仅注重“授之以鱼”，还注重“授之以渔”，将知识的传授和方法的训练结合起来，训练独立思考的能力。川胜教授的教材，利用形象思维构建物理模型的方法，顺理成章地得出物理概念与规律。其基本形式是以生产生活的事物为原型，借助物理方法构建简易模型，再通过对简易模型的理论分析，最终得出物理概念与规律。例如，在“波动的表达式”一节中，川胜教授设计了波的演示——腰疲劳消除体操(如图4)，当学生按顺序起立时，看上去像波传播一样，帮助学生理解“波是介质各点随时间顺序的振动”。

图4 腰疲劳消除体操

通过以上实例不难发现，学生通过体验“腰疲劳消除操”，一方面减轻了学习过程中的疲劳感，另一方面也深刻理解了物理模型建构的方法。科学建模是自然科学各学科中普遍存在的基本元素，它既具有跨学科的共性，又具有学科领域的独特性。物理学作为自然科学的基础，物理建模是科学建模中最重要、最能彰显科学建模特征的部分。[9]川胜教授在教材编写中注重物理建模，既能够让学生更容易理解物理知识，同时又让学生受到形象思维到逻辑思维的训练，这样的编写思路可谓一石二鸟，别具匠心。

(三)倡导情境创设取材于生活

川胜教授的教材编写中最为显著的特点还包括情境创设取材于现实生活中随处可见的物理现象。鉴于日本的中学物理教材内容难度较大，取材于生产生活情境引入物理概念，可以拓展学生的思维，激发学生的学习兴趣，避免学生因课程内容难度较大而失去学习兴趣。例如,在“热机”一节中，以“电冰箱的门打开后不关上，室温会怎样？”作为教材的引入。在“伽利略速度合成法则”一节中，以“在雨中骑车打透明伞应如何倾斜”引入。以“伽利略速度合成法则”一节为例进行分析。

图5 雨中骑车图式

如图5，“骑上插着伞的自行车，在迷蒙的雨中前进，把伞倾斜，打的是黑伞，看不到前面的路，这是非常危险的。现在有一种透明的伞推出来了，用这种伞，使伞向前倾斜也就放心了，但这应如何向前倾斜呢？这时雨滴的速率是多少呢？”[10]教材借助生活中“下雨骑车如何打伞才能更好地防止被淋湿”的情境，引入伽利略速度合成法则。首先，以此情境迅速抓住学生的眼球，让学生从情境中发现和提炼问题，进行自主思考。之后，带领学生在讨论中使用“伽利略变换”将观察的参考系从地面变成人，从地面能看到雨的速度①和从人所看到地面的速度②，用矢量的方法来合成所得到的矢量，就是从人看到的雨的速度③，即v雨←人=v雨←地面+v地面←人。[11]

图6 雨中骑车受力分析图

在中学教育中，物理一直被学生认为是难度较大的学科，除了因为公式定律较难理解外，学生无法将所学的物理知识应用于生活中也一直是物理教学的一大问题。川胜教授的中学物理教材，大量引入了如“下雨骑车打伞”的生活实例，使学生在学习过程中将知识与生活情境相联系，让学生产生自主探究意识，训练学生对生活观察的灵敏度，从而能够更好地应用物理知识。一位名叫刚史的学生在感想中这样写道 ：最近入梅了，雨下得多，以前老师的讲课中讲，是“全力奔跑淋得雨少呢？”还是“将伞倾一个角度奔跑淋得雨少呢”，一下子就让我想起来了，从这个方面来说，我想物理教学是有非常大的作用的。[12]从学生的感想中，我们也可以看出，结合生活实际的物理教材编写，可以让学生印象深刻，有助于使学生体会到物理学的实用和奥妙，养成科学态度，增强实践意识，促进科学素养的形成。这正是川胜教授的物理教材带给我们的重要启示。

三、研究启示与建议

透过对川胜教授物理教材的编写内容、编写模式以及编写特点的研读与分析，结合我国的国情，我们提出以下建议。

(一)教材编写应彰显学生的主体地位

“教师为主导，学生为主体”的教育理念不仅需要一线教师自主实施，更应该体现在物理教材编写中。从川胜教授教材中的编写内容和模式看，教材中不仅有完整的知识结构，还收录了学生的课后感悟。我们认为，在物理教材编写中，增加学生的学习感悟模块是教材编写中体现“以学生为主体”的画龙点睛之笔。

学生是学习的主体，教师是学生学习过程中的主导者，要真正做到教与学立场的转变，首先需要教师理解学生，在了解学生的学情、兴趣点、疑难点的基础上，才能更有效地指导学生学习，让学生进行有意义学习。在物理教材编写的过程中，适当收录学生的学习记录，能够更好地帮助教师了解学生，有针对性地帮助学生克服学习物理过程中的心理障碍。当然，收录的感悟也应该是多方面的，不仅包括学生在物理知识学习中遇到的问题与障碍，还应当包括学生在学习过程中由不懂到懂的心理过程以及将新知识应用于生活中的成功体验。这样，不仅有益于教师的教学，更能引起学生学习的情感共鸣，让学生真正喜欢学习物理。

以川胜教授教材中“浮力与重力”一节为例，学生记录道 ：“气球悬浮原理和头脑中想象的图像不同；因此，在这一个小时讲课中我拼命记下板书，所以搞清楚了。”从学生的记录中可以了解到，学生对于气球悬浮原理存在错误的前概念，通过自己的努力，最终破除了错误的前概念，进而建立新的知识。由此可见，这样编写的教材不仅是学生学习的媒介，更是教师和学生的沟通“桥梁”，值得我国中学物理教材编写借鉴。

(二)教材编写应显化物理科学方法

《普通高中物理课程标准》指出 ：“能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理，找出规律，形成结论。”[13]近年来，我国的中学物理教材编写，逐渐重视科学方法。例如，在人教版教材“摩擦力”一节中，通过控制变量方法的应用，得出摩擦力跟哪些因素有关。学生通过科学探究中的训练思维方法，熟悉物理方法，当遇到新的物理问题时，才能做到思维方法与物理方法统一，从而更好地解决问题。因此，在教材中显化科学方法有助于培养学生的科学探究能力。

科学方法显化既可以在概念、规律旁边备注使用的科学方法，还可以通过物理建模显化科学方法中的思维方法和物理方法。例如，川胜教授的物理教材就十分注重物理建模方法应用。在“波与媒质”一节中，利用“弹簧电话”模拟纵波。当学生被问及“从左右同时传播相同大小、不同方向的波，将会怎样”时，有学生认为波会反弹而返回或者慢慢消失，当教授举例“两个人同时发声是可以对话”时，学生便理解了，从而教材引入了波的独立性。在“人体的运动”中，根据人走路、起跑器起跑、短跑、慢跑等不同的人体特征，构建人各种运动形态的基本模型，从而引导学生进行受力分析。显然，川胜教授教材编写借助于物理建模进行科学方法显化教育的思路非常值得借鉴。

(三)教材编写应渗透物理核心素养

当前，国内外核心素养研究正在不断深化，物理核心素养研究也在不断发展。在提升学生物理核心素养的目标下，物理教材编写应渗透物理核心素养。如何在物理教材编写中渗透核心素养？我们认为，物理教育的生态化是渗透核心素养的有效途径。在川胜教授编写的中学物理教材中，发展学生物理核心素养，主要体现在物理知识与生活的紧密联系。教材中设置的问题情境大都来源于生产生活并且兼具时代性。讨论的话题既有“全力奔跑淋得雨少呢”还是“将伞倾斜一个角度奔跑淋得雨少呢”这样贴近生活的话题，也有“哈雷彗星与卫星的运动”这样涉及科技进步的案例。这些问题不仅是课堂引入的情境，更是训练学生将物理知识应用于生产生活，提升学生物理学科核心素养的具体表现。

在教材编写中引入原始物理问题也是渗透核心素养、体现物理教育的生态化的有效途径。所谓原始物理问题，是指对自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理现象的描述。[14]。其取材来源于日常生活中的经验、事物，通过对物理现象的描述，编撰而成。例如，满足什么条件才能使人在骑自行车转弯时既不翻到，又能顺利转弯？显然，在教材中引入原始物理问题，实际上是将物理知识与真实生活情境中的原始现象进行了统一，学生通过挖掘其中的隐含变量并结合物理知识进行自主研究，从而发展学生的物理核心素养。这样一种具有生态化特色的原始物理问题，可以考虑在我国中学物理教材编写中适当渗透，从而达成发展学生物理核心素养的目的。