基于核心素养的中英主流高中物理教材对比研究——以“动量及其守恒定律”为例

许钰彬 肖子鑫 朱广天

（华东师范大学教师教育学院，上海 200062）

《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出，高中物理课程以“立德树人”为根本任务，强调高中物理课程要从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面提炼学科的育人价值，体现物理学科对提升学生核心素养的作用，为学生的终身发展奠定基础.［1］教材作为学科的主要知识载体，在课程中占有重要地位，通过对中外教材进行对比与反思，取长补短，可以有效地促进我国学科和课程的发展.本研究以《动量及其守恒定律》一章为例，对中、英两国主流高中物理教材进行对比研究.通过分析两版教材知识内容的呈现方式、实验的编排以及习题的对比，从物理学科核心素养的视角进行差异化研究，找到两国教材在动量章节的优势和不足，为一线教师对教材的解读及授课提供参考思路，以促进学生物理学科核心素养的发展.

1 两套教材简介

本文采用的中英两套主流教材分别是：我国人民教育出版社编写的《普通高中教科书：物理》和英国的《Cambridge International AS and A Level Physics Coursebook》，教材信息见表1.后文中简称“中国教材”与“英国教材”.

表1 两套高中物理教材信息

两套教材分别是两国目前使用范围较广的最新版本教材，动量部分的知识在两本教材中都以一章多节的形式体现.从目录来看，两本教材中的知识呈现、实验编排存在一定差异，下文中将展开对比.

2 基于核心素养的中英教材编排比较

2.1 知识呈现方式比较

我国教材在讲解“动量及其守恒定律”这一章节时，先给出两球碰撞的示例，提出寻找碰撞过程中的不变量，从而引入动量的概念.接着研究了碰撞过程中单个物体的受力与动量变化的关系，与学生之前学过的牛顿第二定律相结合，讲解了动量定理并提出冲量概念.最后研究碰撞过程中两个物体在相互作用过程中动量的改变，分别对两个物体列动量定理，从而推导出动量守恒定律，并通过实验验证该定律.学生接受了动量守恒定律之后，最后讲解动量守恒定律的运用：碰撞模型（包括弹性碰撞、非弹性碰撞、完全非弹性碰撞）、爆炸反冲模型等.具体呈现方式如图1所示.

图1 中国教材动量部分知识呈现图

在英国教材中，“动量及其守恒定律”一章由“碰撞”引入并贯穿始终.章节初始由“如何提升汽车在碰撞过程中的安全系数”这一非常实用性的问题作为导入，引发学生思考.紧接着书中给了各种各样的碰撞示例，有微观世界的粒子间的碰撞、有宏观世界物体的碰撞、也有宇宙界天体的碰撞等.将碰撞分成两大类：一类是碰撞之后二者分开的“弹性碰撞（SpringyCollisions）”；另外一类是碰撞之后二者合二为一的“粘性碰撞（StickyCollisions）”.在这里，英国教材直接了当地给出了动量的概念，不同于我国教材中所谓的“碰撞过程中的不变量”，英国教材中指出“速度、质量是两个在碰撞过程中的重要的物理量，二者组合起来即为动量”.并指出，在孤立系统中，动量是守恒的，即提出动量守恒定律.接着继续引导学生深入地理解碰撞模型，将之前比较容易理解的口语化的“有弹性的碰撞”和“有粘性的碰撞”更正为严谨的科学术语，即“弹性碰撞（Aperfectlyelasticcollision）”和“非弹性碰撞（Aninelasticcollision）”，并说明两类碰撞模型的动量和能量的特点，随后解决一些生活中的碰撞问题（应用）.学生完全理解碰撞模型之后，英国教材又讲解了动量守恒在其他模型中的运用，以“爆炸模型”和“重物-地球系统”为例，说明无论是爆炸过程，还是重物在地球表面下落的过程，系统的动量都是守恒的，即动量守恒定律成立的范围是非常广泛的.英国教材还补充了二维碰撞过程，回顾了矢量的运算法则.最后一部分内容是讨论动量与牛顿运动定律的联系，通过学生已有的关于牛顿运动定律的理解，进一步理解动量的意义.具体呈现方式如图2所示.

图2 英国教材动量部分知识呈现图

从知识呈现的方式来看，我国教材对学生的数学推理能力要求更高，逻辑性更强，章节之间的联系也更加紧密.强调用建模的方法，将复杂实际问题转化为清晰的物理模型，更有利于培养学生的科学思维.而英国教材则更注重物理知识与生活的联系，举例更加生活化，符合建构主义学习观点.根据学生已有的生活经验，设立脚手架，帮助学生意义构建新知识.由学生熟悉且感兴趣的情景入手，更容易激发学生的学习动机，体会知识诞生过程，更加注重学科知识的生活意义.［2］

两国教材对知识的呈现方式不同，各有优劣，在确保科学性的前提情况下，可以有不同的授课思路，这符合随机通达教学的原理.教师在具体授课的过程中，保持严谨性和科学性的同时，还是应该根据学生的实际情况，创建有意义的情景，积极引导学生形成正确的物理观念，并鼓励学生根据已有的物理知识来解释生活现象.比如：在英国教材中，将“汽车安全系数”作为问题导入动量课程，而学习完碰撞模型后，又解释了“汽车的碰撞缓冲区”来回答开始时的问题，构成闭环.增强物理与生活的联系，不仅增加学生的学习动机，也有利于促进发展学生的社会责任感.

2.2 实验编排比较

在我国教材中，有专门的一小节为实验课程：验证“动量守恒定律”.该小节给出两种实验参考方案，一种是研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒；另外一种是研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒（如图3、4所示）.两个实验方案都需要学生明确实验目的，梳理实验思路，进行物理量的测量，得到相关数据，并分析数据得到实验结果.整个过程都对学生有严谨而专业的要求.这样专门的实验章节设计，加强了中学物理实验教学，有利于引导学生做中学，体会科学探究的内涵，发展学生物理学科核心素养.［3］

图3 研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒

图4 研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒

英国教材没有专门的实验章节，而是在讲解碰撞模型时，给出弹性碰撞和非弹性碰撞的两个示例，由学生动手进行计算，探究弹性碰撞和非弹性碰撞中动量、动能满足的特点.英国的验证性实验如图5所示：给出两个质量相等的小车和碰撞前后两车的速度，由学生自己计算两车碰撞前后系统的总动量，发现碰撞前后系统动量守恒.这样的基于真实情景的验证性实验，学生更容易接受和理解，但是忽视了学生科学探究能力的培养.

图5 英国教材中验证动量守恒的实验

2.3 习题比较

习题作为教材的重要组成部分，在考察知识点的同时，更重要的是把物理学科属性体现出来，突出教育的个体属性和社会属性.［4］通过研究中、英两国主流教材的习题数量、类型、情景设置等因素的差异，分析习题设置对物理学科核心素养提升的促进作用.具体统计情况如表2所示，题量包括正文中的例题及课后习题，若一道题目中涉及多个小问题，则统计为多题；多个小问题中若有的为计算题，有的为简答题，则分别归于计算类型、简答类型的统计之中.

表2 中英教材题量及题型对比

由表2中的数据可知，中、英两国教材的习题总量基本没有差异，计算题、图像分析题数量也基本一致.中国教材较英国教材独有的实验探究题是出现在“验证动量守恒定律”的实验专题章节的.这样的设置是为了更好地培养和检验学生的实验探究能力，促进学生科学探究能力的形成.一线教师在授课的过程中一定要重视实验，重视培养学生的科学探究能力.简答题大多是运用所学的物理知识，解释生活中的现象和规律，我国教材就物理与实际生活的关联类习题也设置的较为充实.一线教师在授课过程中，也应当关注学生运用物理知识解释自然现象的能力培养，促进学生形成正确而又严谨的物理观念.表3为中国教材中具有明显实验特征习题的举例.

表3 中国教材中“实验特征”习题举例

创设情景有利于促进学生形成物理观念，培养科学态度.［5］所谓的创设情景题是指以真实存在的事物、现象为背景，归纳物理模型，用物理方法解释生活现象的题型.无论是我国教材还是英国教材，创设情景题的占比都很高，如表4所示：英国教材创设情景题较习题总量占比为60.6%；中国教材为50.7%.在教学中，创设情景能让学生经历科学探究和思维加工，保证物理概念和规律的内化，形成学科的思想.［6］对比发现，我国教材设计的情景更加生动，很多情景配有插图，为学生带来更直观的学习体验.表5中为中英两国教材情景类习题对比.

表4 中英教材创设情景题占比分析

表5 中英教材创设情景题目对比

3 结论与启示

分析两国教材《动量及其守恒定律》的知识呈现、实验编排以及习题设置.我们发现：在知识呈现上，我国教材更具逻辑性和严谨性，更有利于培养学生的科学思维，而英国教材更注重物理与生活的联系，使学生更容易接受新知识，从生活情境中建立物理观念.在实验编排上，我国教材设置的专门的实验章节更有利于培养学生的科学探究能力.在习题设置上，两国教材都非常重视情景创设，通过创设情景促进学生形成物理观念，培养科学态度.

通过中、英两国教材的比较研究，反思两国教材的优势与不足，继承发展我国教材严谨性、科学性的同时，也要积极借鉴英国教材“生活中的物理”教学.将教科书作为引导，充分发挥教师的个人智慧，创设适合学生的生活情境，让课程清晰且活泼，以更好地促进学生核心素养的发展.