体现内容要求变化 落实物理核心素养——粤教版《普通高中教科书 物理》的教材特色

文∣陈信余

为适应新时代发展要求，促进教育观念更新，满足提高全民素质和人才培养质量的需要，《普通高中物理课程标准(2017年版)》(下称为“新课标”)的内容要求(标准)在2003年版(下称为“旧课标”)的基础上进行了修订。本次修订着重基于物理学科本质凝练物理学科的核心素养，明确学生学习物理学科课程后应达到的正确价值观、必备品格和关键能力。提出要促进人才培养模式的转变，着力发展学生的核心素养。中国学生发展学生核心素养是党的教育方针的具体化和细化。

粤教版《普通高中教科书物理》依据新课程标准进行编写，通过“体现内容要求变化”“突出物理实验的地位”“渗透科学思想和方法”“注重物理知识在生产生活实践中的应用”四大特色来落实物理核心素养。

一、体现内容要求变化

基础教育课程承载着党的教育方针和教育思想，规定了教育目标和教育内容，是国家意志在教育领域的直接体现，在立德树人中发挥着关键作用。课程标准是编写教科书和教师进行教学的直接依据，也是衡量各科教学质量的重要标准。教科书是根据学科课程标准系统阐述学科内容的教学用书，是知识授受活动的主要信息媒介，是课程标准的进一步展开和具体化。粤教版《普通高中教科书物理》依据新课程标准进行编写，充分体现内容要求的变化。

例如，“匀变速直线运动”是新旧课标必修1模块“机械运动与物理模型(运动的描述)”主题下的内容，其要求如下：

新课标:1.1.3 理解位移、速度和加速度。通过实验,探究匀变速直线运动的特点,能用公式、图像等方法描述匀变速直线运动。理解匀变速直线运动的规律,能运用其解决实际问题,体会科学思维中的抽象方法和物理问题研究中的极限方法。旧课标:(3)经历匀变速直线运动的实验研究过程,理解位移、速度和加速度,了解匀变速直线运动的规律,体会实验在发现自然规律中的作用。

新课标明确提出从探究匀变速直线运动的特点开始，逐步认识匀变速直线运动，目标更准确，任务更具体，操作性更强。新粤教版《普通高中教科书 物理 必修第一册》(下称“新粤教版物理必修1”)根据这个变化，设置了如图1所示的“实验与探究”栏目，利用光电门研究匀变速直线运动的速度特点——在相等时间内，速度变化相等，加速度恒定。在如图2所示的“讨论与交流”栏目，利用频闪照相研究匀变速直线运动的位移特点——在连续相等的时间内，位移的增量相等。得到这两个特点，为研究匀变速直线运动的规律打下了基础。利用位移特点，可以很简单地判断自由落体运动的性质，为迁移匀变速直线运动的知识来处理自由落体运动问题奠定了理论基础。

图1 探究小球沿倾斜直槽运动的速度变化特点

图2 探究小球沿倾斜直槽运动的位移变化特点

又如，“自由落体运动”新旧课标的要求如下：

新课标:1.1.4 通过实验,认识自由落体运动规律。结合物理学史的相关内容,认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。例6 查阅资料,了解亚里士多德关于力与运动的主要观点和研究方法。例7 查阅资料,了解伽利略研究自由落体运动的实验和推理方法。旧课标:(3)经历匀变速直线运动的实验研究过程,理解位移、速度和加速度,了解匀变速直线运动的规律,体会实验在发现自然规律中的作用。例4 用打点计时器、频闪照相或其他实验方法研究匀变速直线运动。例5 通过史实,了解伽利略研究自由落体运动所用的实验和推理方法。

与旧课标相比，新课标对自由落体运动提出了更明确的要求：①要通过实验，即要经历实验过程；②是认识而不是了解，即要经历人脑反映自由落体运动的特性与联系的思维活动；③认识规律，即经历实验和思维活动，发现并掌握自由落体运动的规律。

新粤教版物理必修1根据新课标这个变化设计了三个不同认知层次的活动，如表1与表2所示。①要从常见的落体运动中抽象出自由落体运动；②利用以前所学过的知识，发现自由落体运动的规律；③会使用发现的规律解决实际问题。让学生在经历和完成这三个认知层次的活动后，从不同角度落实物理核心素养的不同方面。

表1 轻重物体下落快慢的比较

表2 牛顿管实验

新粤教版物理必修1通过定性实验，从落体运动抽象出自由落体运动模型；通过定量实验，引导学生认识自由落体运动的性质和特点并发现相应的规律；通过规律的应用，注重理论联系实际，注意物理知识在日常生活、生产劳动实践等方面的广泛应用，实现从掌握“解题”方法到掌握“解决问题”方法的转变。教科书的编写，体现了“通过实验，认识自由落体运动规律”的内容要求变化，在这个教学过程中落实了不同方面和对应要素的物理核心素养。

二、突出物理实验的地位

物理实验既是物理教学的一种形式，同时也是物理教学的重要内容。通过实验教学，帮助学生理解、掌握物理知识，学习物理研究问题的方法，学会实验技能，以及仪器的使用和操作方法。新课标中提出：在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验，这在培养学生的探究能力和科学态度方面具有重要的地位。可以看出，新课标倾向突出物理实验的地位。如新粤教版物理必修1，设置了两个教学主题，有六处提出要通过实验来完成教学。

(1)通过实验，探究匀变速直线运动的特点。

(2)通过实验，认识自由落体运动规律。

(3)通过实验，了解胡克定律。

(4)通过实验，了解力的合成与分解。

(5)通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量之间的关系。

(6)通过实验，认识超重和失重现象。

新粤教版物理必修1遵照新课标要求，对以上六个内容全部编排了对应的物理实验，而且丰富了实验内容，增加了实验形式，提高了实验效果。如使用自制的“力的关系探究装置”(如图3所示)，可以很精准地探究合力与分力之间的关系——遵循力的平行四边形定则。另外，还可以利用这套装置，探究共点力的平衡条件。

图3 力的关系探究装置

新粤教版物理必修1还结合现行中学和学生思维水平的实际，增加了“摩擦力”“共点力的平衡条件”“牛顿第三定律”三个内容的实验研究。

增加“摩擦力”的实验教学主要基于以下两点思考：①实验器材简单，现象明显，效果好，学生有实验基础，具备独立完成实验的能力；②用比值法得到动摩擦因数——渗透物理方法。

共点力作用下物体的平衡条件有广泛的实际应用，是牛顿第二定律应用的一个特例(加速度为零)。增加“共点力的平衡条件”实验进行探究，有利于学生加深对“共点力平衡”的理解和熟练掌握“共点力平衡条件的应用”。

增加“牛顿第三定律”内容的实验研究主要基于以下两点思考：①渗透物理思想和方法；②引入最新的研究成果。如关于作用力与反作用力方向的问题，采用如图4所示的方式，将一枚小磁针固定，让另一枚小磁针围绕固定磁针转动。该实验现象很好地展现了“作用力与反作用力方向总是相反且作用在同一条直线上”的规律。又如图5与图6所示，用力传感器能展示物体静止时作用力与反作用力的规律同样适用运动物体。

图4 两磁针之间的相互作用力的方向探究

图5 用力传感器显示作用力与反作用力

图6 计算机显示两传感器钩子的受力情况

三、渗透科学思想和方法

科学思想是指在各种科学认识和研究方法的基础上提炼出来的、能够发现和解释其他同类或更多事物的合理观念和推断法则，它对进一步的、更广泛的科学研究和社会实践具有导向作用。科学方法是指人们在学习、工作和生活时的一种能动的、严密的、合理的、有目的的、有条理的思维和活动过程。

新粤教版物理必修1非常重视科学思想和科学方法的渗透。如图7所示，用牛顿管内物体下落实验来研究自由落体运动时，通过比较三个不同重量的物体分别在有空气、空气稀少、近似无空气的管中的下落快慢，最后得出如果没有空气影响，三个不同重量的物体下落的快慢是一样的结论。牛顿管要完全真空是不可能的，通过逐渐减少管中空气，观察三个物体运动快慢的趋势，得出结论。以管中空气质量m为横轴，以三个物体的下落速度v为纵轴，可以作出v-m图像，如图8所示。三条图线的延长线与v轴交于一点，该点反映的是管中空气质量为零时三个物体下落速度的大小，这里渗透的科学思想就是“外推法”——根据观测值，计算观测范围以外同一对象近似值的方法。其属于猜想方法之一，也是类比推理的一种特殊应用。这种外推法在以后的教学里还会用到，如探究牛顿第一定律时，就是从斜面坡度越小，小球沿斜面滚动的距离越长，外推到斜面坡度为零(即平面)时小球将运动下去而不停下来，最后得到物体的运动不需要外力维持的结论。又如，在学习气体状态方程时，为了研究方便，将气体温度外推到-273 ℃，这样可以保证气体做等压或等容变化时，气体的压强或体积与热力学温度成正比。

又如，新粤教版物理必修1在编写“牛顿第三定律”时，没有停留在给出牛顿第三定律的几条结论的层面上，而是充分发挥了该内容的育人价值，重视“分类、实验、归纳、比较等物理方法和转换的物理思想”。

图7 牛顿管内物体的下落运动

图8 牛顿管内空气质量与物体下落速度的关系

分类方法是在比较的基础上，根据对象特征的共同点和相异点，将对象区分为不同种类，形成有一定从属关系的等级系统的逻辑方法。为研究作用力与反作用力的关系，教科书分成“接触与非接触”“静止与运动(又细分成匀速运动与变速度运动)”进行实验探究。

实验方法是研究物理的根本方法。假设是否正确，理论是否需要修正，最终都要根据实验结果来得出结论。相互作用的物体，不论它们在一起是静止、做匀速运动、做加速运动还是它们之间有相对运动，它们之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，即本定律与物体所处状态无关。结论是否正确呢？教材通过力传感器，结合计算机显示的方法，进行了实验探究。实验结果表明“牛顿第三定律与物体所处状态无关”的结论是正确的。

归纳推理的思维特征是从特殊到一般，是以个别的、特殊的知识为前提，推出以普遍性知识为结论的推理过程。牛顿第三定律是依据一些特殊的实验事实，通过归纳得到一般性的规律。在力的概念、功的概念、机械能守恒定律、电场、平行板电容器、电磁感应现象等教学内容中，都采用了归纳推理的方法。

比较研究法就是对物与物之间的相似性或相异程度进行研究与判断的方法。可以理解为根据一定的标准，对两个或两个以上有联系的事物进行考察，寻找其异同，探求普遍规律与特殊规律的方法。物理学中，对容易混淆的物理概念(或规律)的内涵和外延进行比较，有利于进一步明确物理概念(或规律)。牛顿第三定律所讨论的一对作用力与反作用力的相互关系，跟讨论物体平衡时一对平衡力的相互关系极易混淆。区别的关键是确定研究对象，即受力对象，明确研究对象是物理思维正确起步的基础，也是学生学习物理的弱点。新粤教版物理必修1通过“讨论与交流”栏目，对静止在水平桌面上的书本进行受力情况分析。在这个基础上，先找出一对平衡力和一对作用力与反作用力，再说明它们的联系与区别，这使比较研究的实验方法得到很好的落实。

转换研究对象和测量方法，是物理学研究中的重要思想和科学方法，尤其有助于认知那些不能直接感知的事物。新粤教版物理必修1在牛顿第三定律的编写过程中，以分析书本对水平桌面的压力为例(如图9所示)，渗透了转换研究对象的物理思想。这个转换思想拓宽了牛顿第三定律的应用范围，也为以后应用转换思想研究物理问题打下了扎实的思想基础。例如，在以后的物理教学中，以下内容都应用了转换思想来帮助学生进行认识：通过观察小磁针的转动来推测通电直导线周围存在磁场，通过观察花粉微粒的无规则运动来推测液体分子的无规则运动，通过观察α粒子散射现象来推测原子核的结构，通过分析氢原子光谱来了解原子的能级结构。

书的受力情况

书对桌面的压力与桌面对书的支持力

四、注重物理知识在生产生活实践中的应用

新课标提出，通过问题解决促进物理学科核心素养的达成。强调应把物理课程中形成的物理观念和科学思维用于分析、解决生产生活中的问题，在解决问题中进一步提高探究能力、增强实践意识、养成科学态度，促进物理学科核心素养的形成。新粤教版物理必修1在编写过程中非常注重物理知识在生产生活实践中的应用，从正文到章节练习都给予了高度重视。例如，重力部分介绍了重力方向竖直向下的具体应用，其中包括利用重垂线检查所砌墙是否竖直，以及在农业生产中抛秧栽禾的应用。弹力的应用更是广泛，如工农业生产、日常生活和体育活动中的弹力应用；还有弹簧弹性的应用，如缓冲装置、自动复位、安全阀装置等。摩擦力的应用与防止也有所涉及。在现实生活中，力的分解有着广泛的应用，教材举了几个实例。牛顿第一定律也涉及广泛的应用和防止，教材不仅提出在哪些地方应用惯性和要防止惯性，还重点描述了如何应用和防止惯性。习题部分也渗透了大量与日常生活、生产实际相结合的习题。

粤教版《普通高中教科书物理》体现了新课程标准的内容要求变化，着力从发展学生物理核心素养的角度编写，希望教师和学生重视教材，明白编写者的意图，围绕教材的内容帮助学生对文字、图像、表格等内容进行解读。通过最基本的物理事实、著名科学家的故事、经典物理实验的作用与地位，以及物理学史上的重大发现，渗透最基本的物理思想和研究问题的方法。在教学实践中，根据具体的教学实际充分挖掘教材内容，创造性地开发出适合自己学生学习的内容。