从认知规律视角剖析中澳两套高中物理教材的编写差异——以“万有引力”为例

文∣陈培泽 赵振宇 柏萍 陆建非

中学物理学习的过程归根结底是一种物理认知过程，是学生个体与物理环境在相互作用中认识物理世界、建构物理认知结构的过程。在学习过程中，教材(本文“教材”指狭义上的含义，即“教科书”)是学生使用的核心学习资料，是学生建构知识的重要载体。物理教材的编写一般遵循物理学科知识体系和学生的认知规律，学生的认知结构也是从教材内容的知识结构转化而来。因此，优质的物理教材和精选的内容对学生认知的发展、知识的建构具有重要影响。随着科学技术日新月异，网络新媒体迅速普及，这一切对人才培养的要求越来越高，培养人才的教育内容也需随之变更。加强物理学科的教材建设是时代的要求，也是国家的使命。新课程改革的一个重要方面就是教材改革，教材改革一定要建立在教材研究的基础上。为了体现编写新课程标准高中物理教材的新颖性，我国教材改革过程中，也借鉴了国外教材中的相关成果经验。我国引进VCE课程(Victorian Certificate of Education)相对较晚，相关研究依然不完善。VCE课程是澳大利亚历史最悠久的高中证书课程之一，由维多利亚州课程评估署(Victoria Curriculum and Assessment Authority，简称VCAA)向完成澳洲高中学习并达到教学要求的毕业生颁发学历证书。获得VCE证书的学生可直接申请澳洲大学，该证书同时也广泛为英国、欧美国家、新西兰等数百所大学认可。本研究选取依据2017年新颁布的物理课程标准编写的人民教育出版社出版的《普通高中物理教科书》(以下简称“人教版新教材”)与澳大利亚VCE课程的物理教材HeinemannPhysics12·VCE(2017年版，以下简称“VCE教材”)Units 3 and 4做比较和分析，期望取其精华，从中获得启发。

力学板块通常是高中物理教学内容的起始部分，按照物理学的历史发展角度，人类对“力”这一概念的认知，始于“万有引力”。牛顿在总结开普勒、伽利略等许多物理学家的研究成果上，提出了万有引力定律，把地面物体的运动规律和天体运动的规律相统一。“万有引力”作为整个高中物理阶段必不可少的重要内容，也为学生进一步学习物理知识和形成正确的世界观奠定了基础。选择该主题作为比较对象，具有一定的代表性。中澳两国有不同的培养目标和教育理念，教材的内容编写也各有特色。针对两国教材的编写逻辑与思路、教材内容的选择差异对学生认知的影响有何异同这一教育问题，从两套物理教材的知识编排顺序、知识广度、知识深度、例习题设置四个方面切入，采用定量研究与定性分析相结合的方法，对“万有引力”主题内容的选择和组织进行实证教育比较研究，多方面比较两套教材的异同及其对学生认知的影响，以期为我国高中物理教材的革新提供一些启示和借鉴。

一、两套教材“万有引力”主题内容比较分析

(一)知识编排顺序比较

教材作为课程实施的重要资源和工具，其知识内容的选择及采取何种逻辑形式编排、组织，直接影响着教师的教学理念和设计，制约着教学的实施和课程培养目标的实现。分析比较教材知识编排顺序有助于深度剖析教材的编写理念和价值取向，两套教材“万有引力”主题知识呈现的先后顺序体现在章内容的编排引领和节内容的选取与编写逻辑上。人教版新教材将该主题内容编排在高中物理必修第二册第七章“万有引力与宇宙航行”，共分为5节内容；VCE教材将“万有引力”相关内容编排在HeinemannPhysics12·VCEUnits 3“非接触物体运动”主题下的第一章“引力”进行介绍，共分为4节内容。两套教材章节编排比较如表1所示。

表1 两套教材章节编排比较

通过比较发现，两套教材在章节编排上具有明显区别。从章的目录编排顺序看，人教版新教材重视学科系统性、逻辑性的布局。将“万有引力与宇宙航行”安排在“抛体运动”和“圆周运动”章节之后，“机械能守恒定律”章节之前。由于抛体运动和圆周运动是描述物体外部可视化的宏观运动特征，而机械能相关内容是探究物体内部非可视化的能量变化规律，这样的编排使得“万有引力与宇宙航行”起到了“承前启后”的作用。知识之间环环相扣，反映了我国教材编排的学科逻辑性严密，同时也符合学生的认知发展规律。VCE教材内容编写突出其“主题式”的编排特色。在更具上位的学科核心主题“非接触物体运动”下划分“引力”“电场与磁场”“场的运用”三章，从章的编排顺序可以看出同主题下知识的物理本质具有很大的相似性，即都是运用“场”来描述“非接触力”。这样的编排顺序并没有刻意追求物理学科知识的逻辑体系，而是倾向于符合学生的思维发展特点和对知识的认知进程。同主题下将理论性较强且具有联系的知识整合，有助于学生理解学科的基本原理，促进类比迁移式学习，以此加深对物理理论更加完整的认知。

从小节的内容编排顺序看，人教版新教材借助物理学史的演化素材，从介绍人类对行星的认知过程出发，结合开普勒定律引出牛顿万有引力定律的建立过程，再到万有引力定律的应用成就及其局限性。这样的编排顺序尽可能地契合知识的发生过程，学科逻辑清晰，呈现思路为“物理现象—物理规律—知识应用”。内容编排目的为引导学生利用已有的知识与经验，主动探索知识的建立和发展过程，形成循序渐进、前后呼应的线索，符合学生的认知发展模式。相比之下，VCE教材对物理内容的阐述则更为直接简洁，以较短篇幅的物理科学发展史直接地介绍牛顿万有引力定律，然后侧重从引力场理论出发，结合引力场强度、引力场能量等知识介绍万有引力的相关运用，体现出由“抽象—具体”的知识编排顺序，强调培养学生物理理论的认知。这样的编排顺序从物理学本质的视角来理解物理内容，其理论性知识内容的阐述较为高效。

(二)知识广度比较

知识广度是指课程内容涵盖知识点的总个数。本文对知识广度的比较分析采用史宁中教授等人构建的课程难度模型中的定义，广度即为课程内容所涉及的范围和领域的广泛程度，一般通过教材中“知识点”的多少来衡量。按照教材的章节编排结构，根据章为一级标题，节为二级标题，节内三级标题为最小知识点的分类方法，统计出最小知识点的总个数代表教材的广度。梳理并统计出两套教材中的“万有引力”主题内容知识点数量：人教版新教材共16个知识点，即知识广度为16；VCE教材共26个知识点，即知识广度为26，知识广度分布如图1所示。图1中知识点旁边的数值依据安德森的《布卢姆教育目标分类学：分类学视野下的学与教及其测评(修订版)》中教育分类表中认知过程维度对知识点广度进行深度量化。

图1 两套教材知识广度比较

赋值1为记忆和回忆水平。能够从长时记忆中提取相关知识，在一定的情境下能再认或再现相关内容。一般指阐述事实、复述概念、描述现象类知识，赋值为1分。

赋值2为理解水平。能从口头、书面和图像等交流形式的教学信息中建构意义，知道相关知识点的详细内容。一般指解释概念或原理、概括归纳规律、描述模型类知识，赋值为2分。

赋值3为运用或分析水平。能在给定的情境中应用有关内容解决相关问题，或分析有关内容之间的相互关系。一般指实际应用、实验操作、模型抽象、图表分析类知识，赋值为3分。

赋值4为评价或创造水平。能基于所涉及的内容做出判断，或者能够从涉及的内容构建新的知识体系。一般指评论交流、考察预测、设计改进、创新创造类知识，赋值为4分。

由图1中两套教材知识点分布情况可知，在“万有引力”主题内容下，人教版新教材的知识广度小于VCE教材；二者相同知识点占少数，对不同知识点的选择各有侧重。两套教材共有内容主要集中于“开普勒定律”“万有引力定律”“引力常量”和“行星的运动”这四个核心知识点。其中对于共有知识点的组织编排也体现不同的编写思路，例如对“万有引力定律”的建立过程，人教版新教材运用开普勒第三定律结合圆周运动规律演绎推理出引力与距离的平方成反比的规律，采用的是演绎推理法，体现了由易到难的认知规律；而VCE教材则以平铺直叙的方式先阐述万有引力定律的假设，然后在引力场的应用部分介绍开普勒定律内容，接着又通过万有引力定律与圆周运动证明开普勒第三定律的成立，从而验证了万有引力定律中“平方反比定律”的正确性。两套教材对相同知识点采用了不同的编写思路，都达到了知识结论的教学效果。演绎推理法更容易让学生得出万有引力定律，但也易给学生造成物理结论是由已有物理规律结合数学推导得出的“假象”。而万有引力定律的得出需要“大胆的假设”，VCE教材的编写方式较为契合物理规律的建立过程。

对于不同知识点的取舍与组织，两套教材各有侧重：VCE教材注重对物理概念与物理规律本质的深挖与拓展，理论逻辑性较强；人教版新教材重视将知识结合实际生活，降低了理论性难度。两者之间的差异主要体现在以下两个方面。

1.教材内容的编写主线不同

人教版新教材内容以大概念“运动与相互作用”为主线，侧重将天体运动以及航空航天相关内容作为理解万有引力知识点的载体，依托于“称量”地球、发现未知天体、宇宙航行等内容阐述万有引力定律的应用，知识点线索清晰、层层递进，符合进阶式的认知过程。VCE教材则以大概念“用场来解释运动与电”为主线，从“场模型”的角度切入，来描述万有引力的大小和方向。将“场”这种抽象的物质借助模型形象化，便于学生理解，注重提高学生物理模型建构的能力。VCE教材选择引力场、平方反比定律、引力场做功、引力势能等更具有基础理论性的概念，形成了较为系统的理论逻辑。同时在“引力场”的基础上，与“电场”进行类比，强化引力场强度与电场强度的相似性，这对学生后阶段“电场”内容的学习产生了正向迁移作用。正如奥苏贝尔的有意义学习理论提及，学生的学习应该是有意义的接受学习，即通过新知识与学生原有认知结构中的已有观念相互作用，引起新旧知识间的同化。VCE教材以“场”作为知识的生长点，从科学本质层面上实现了学生从固有的前概念“接触的相互作用力”向新概念“非接触的相互作用力”过渡，对学生建构“长程力”的观念大有裨益。与之相比，我国教材中一直未曾提及“引力场”这一物质概念，取而代之的是以“自由落体加速度”简化“引力场强度”，以“重力势能”简化“引力势能”。这样的编写虽然降低了学生的理解难度，但造成的结果是学生缺乏对“自由落体加速度是描述引力场的性质”“重力势能是储存在引力场中的能量”等物理本质观念的认知。若不引入引力场概念，学生更容易形成“超距作用”这一错误观念，这也与新课程标准强调核心素养中的“物质观”相矛盾。

2.教材对万有引力定律的应用素材选取侧重不同

两套教材除了都重点介绍天体之间的引力关系以外， VCE教材还着重将地表物体所受地球的万有引力与其重力关系相互衔接，“重力与万有引力”“重力场强度的变化”等内容的选择体现了教材对“人—地”关系的重视。例如，以电梯模型介绍人的“表观重量(Apparent weight)”与“表观失重(Apparent weightlessness)”现象，接着将失重现象合理拓展到外太空航天员的完全失重现象，形成了一套关于超失重现象较为完整的知识体系。人教版新教材侧重将“万有引力”与“宇宙航行”相关联，倾向于借助天体运动、宇宙航天等内容呈现出一种“星—地”关系来引导学生认知万有引力的应用与成就，列举了大量宇宙航天事例，一定程度上起到了强化学生感性认识的作用。可对学生而言，由于实际观察条件的局限，教材中的天体卫星、宇宙航天等图景虽然很熟悉，但更容易成为一种缺乏“真实体验性”的感性认识，知识内容对学生的科学抽象能力提出了较高的要求。根据认知心理学理论，学生学习的认知过程受感觉、知觉、记忆、思维和想象等认知要素影响，而“感觉”是认知的开端，因此，教材中物理“感觉”要素越多，越能降低学生学习物理的难度。人教版新教材将重力、超失重等知识点安排在必修第一册，这样的编排在某种程度上割裂了相关知识点之间的联系，降低了物理知识的结构性与关联性，削弱了学生对于引力作用的本质成因的思考与研究。

(三)知识深度比较

知识深度是指学习目标对教材内容要求的思维程度。深度对于知识点而言，涉及概念的抽象与概念间的关联程度。对于知识深度如何量化这一问题，以往研究中常基于课程标准运用认知目标动词赋值的方法，考查学生对知识的认知能力。由于我国人教版课程标准与维多利亚州课程标准对学生认知水平层次要求所对应的行为动词不同，据此，本文采用教育心理学家安德森的《布卢姆教育目标分类学：分类学视野下的学与教及其测评(修订版)》中教育分类表中的认知过程维度来对知识深度进行量化。安德森的教育目标认知过程分为记忆/回忆、理解、运用、分析、评价、创造六个水平。考虑到认知过程的递进关系，将认知过程的六个水平赋值分为四个等级，分别赋值1～4分，进行深度的量化。

基于人教版新教材课程标准以及VCE教材每章开始部分中的关键知识栏目对知识的认知要求进行界定，发现两套教材中几乎都不含有评价、创造类

知识，因而深度赋值仅采用认知维度的前三个层次，即记忆/回忆，理解，运用、分析。根据以上分类标准，单个知识点深度赋值情况如表2。根据各认知层次上的比重和分布特征，计算两套教材知识点的加权平均值，用于表示知识的深度水平差异。为此，笔者通过下面公式来计算知识的深度。

表2 安德森教育目标认知过程分类及赋值情况

其中，d表示知识深度值，di为单个知识点的赋值(分别取值1、2、3，见表2)；ni则表示各教材知识点中属于认知分类层次的第i水平的知识点个数，其总和等于各教材知识点总数n。根据上面公式，计算得到的两套教材知识深度统计结果如表3所示。

表3 两套教材各层次知识深度的比较

由表3可知，人教版新教材的知识深度小于VCE教材。人教版新教材理解水平的知识点较多，而VCE教材注重知识的运用与分析，二者均占各自知识点总数的一半。教材对于知识点的认知要求影响知识的深度，人教版新教材的编制依托于课程标准，对于该主题内容，课程标准要求学生的认知能力主要是“知道”“了解”“认识”等水平，如针对“万有引力定律”发现过程、应用事实及相关结论等内容，只需“认识”与“理解”而未要求在具体物理问题中“分析”与“运用”。就宇宙速度知识点而言，人教版新教材只要求会计算第一宇宙速度，而对第二、第三宇宙速度均只要求理解。VCE教材在该主题章节开始部分设置了“关键知识”栏目，对学生提出的要求包括会“运用”场模型描述引力，会“分析”引力场的作用以及“引力场强度”“引力势能”等概念。可以看出，VCE教材更加注重知识的理论分析，拓展了物理概念的内涵与外延，而我国人教版新教材中没有采用过多物理概念作为理论支撑，降低了知识间的关联程度，导致知识深度较浅。

(四)例习题设置比较

1.课内例题

例题是课内知识内容引申的切入点，作为学生学完相关物理概念、规律后安排的能力训练，通常难度不大，但具有一定的针对性与典型性。例题的解答为学生解题提供了最佳示范，可以帮助学生掌握物理概念、规律与公式的运用，是培养学生思维习惯的重要渠道，也是提高学生分析问题和解决问题能力的有效途径。VCE教材每小节中对于需要巩固训练的知识点都设置了4～5道例题，并且有详细的思考与解答步骤。人教版新教材在该主题下未设置例题，但是安排了“思考与讨论”这种准例题形式作为对知识点的检验与拓展。

通过对比可以看出，VCE教材的例题设问方式简单直接，通常是考查学生理解题意后对公式的简单运用和计算，强调解题的格式与规范性，其解题思路(Thinking)层层递进并与解答步骤(Working)一一对应，这对学生起到了较好的示范作用，有利于培养学生思维过程的发展。而人教版新教材精心设计的“思考与讨论”部分通常将理论知识迁移到生活实际中运用，学生对指定的物理现象或者问题进行思考与分析。问题类型设置多样化，第一类问题运用开放性的设问方式启发学生思考、培养学生质疑能力；第二类问题让学生运用数据验证假设以及将估算太阳质量的方法迁移应用到其他行星，有利于提升学生的科学推理论证能力，从而进一步加深对物理概念和规律的理解；第三类问题让学生通过估算感受身边物体并不是不受万有引力作用，而是万有引力非常小以至于可以忽略不计，从而帮助学生破除原有的思维障碍。

表4 VCE教材例题

表5 人教版新教材“思考与讨论”问题类型

2.课后习题

课后习题是教材内容的重要组成部分，通过做一定数量的习题可以加强学生对相关物理概念、公式、规律等的理解与把握，达到复习、巩固、活化基础知识的目的，同时也是培养学生能力的重要载体。两套教材在每节后以及每章内容结束后都设置了习题。VCE教材每节后的关键问题(Key Questions)都有10道习题，注重本节知识的基本应用；章后的章末复习(Chapter Review)有27道习题。人教版新教材贯彻课程标准的要求，把学生练习题分为三个层次，每节后的“问题与练习”中编排3～5道习题；章后设置了“复习与提高”练习，分为A组和B组。A组对应课程标准中必修内容的要求，B组习题难度比必修内容略有超出，供学有余力的学生选做。两套教材的习题设置均体现了层次性、选择性与适应性，照顾到不同层次水平学生的需求，经梳理统计，该主题下的课后习题VCE教材共67道，人教版新教材共32道。

习题作为巩固知识的重要途径，不仅具有知识功能、教育功能、评价功能，还具有落实学生认知目标的发展功能。从习题的认知要求角度对两套教材进行比较，采用安德森认知过程维度对习题进行分类统计。习题的认知要求统计结果如表6所示。

表6 两套教材习题认知要求比较

由表6可直观地看出人教版新教材与VCE教材习题设置都偏向于对学生“运用、分析”类认知水平的要求，且人教版新教材占比更高。人教版新教材关注学生对知识的具体运用，注重将贴近实际生活的物理现象引入习题，通常是结合具体生活、物理情境的综合分析题。VCE教材习题的认知要求分布较均匀，难度逐步递进。问题情境的创设是构建物理概念、探究物理规律的重要基础；而学生运用物理知识解决实际问题能力的高低，通常取决于学生将情境与知识联系的水平，即能否把问题中的实际情境转化为解决问题的物理知识。下面从题型的编排和习题情境的设计来分析二者对认知要求的差异。

由表7可知，在题型选择方面，两套教材都包括定性分析与定量计算的题型和较大比例的计算题。不同的是，人教版新教材计算题呈现其综合性，综合计算题中设置多个具有层次性的分问题，体现其提高学生综合应用知识的任务。VCE教材计算题多偏向于公式的简单运用，并没有难以理解或思辨性较强的计算。对于二者各自特有的题型，VCE教材设置了较多的选择题，共有13道，目的主要是训练学生对于概念的辨析。人教版新教材设置了实验探究题，需要学生设计探究方案与过程，注重对学生自主探究意识、动手操作能力的培养。在习题情境创设方面，VCE教材注重科学情境的创设，选择在某个相对具体的天体运动情境中展开提问，需要学生把庞大的天体看成质点模型来解答问题。对于学生难以感知的天体图景，教材采用编排平面模型图的方式，如运用形象化的人造地球卫星运行的物理情境图，充分调动学生的感官，也有利于学生物理模型建构能力的发展。人教版新教材侧重生活情境的创设，情境主要取材于自然现象、日常生活和科学技术，如引入哈雷彗星周期性运动、神舟五号宇宙飞船发射、潮汐现象、行星冲日等情境，使物理与实际生活建立联系，帮助学生在分析解决问题的过程中逐渐建立正确的运动、相互作用与能量守恒等观念。

表7 两套教材习题类型及习题情境比较

总体上看，二者在题型的选择和情境的创设上各显特色。人教版新教材习题以其层次性、有序性的编排特点帮助学生建构知识培养能力，对相关知识的理解更倾向于通过创设生活情境来描述，学生在读懂题意的基础上去分析情境，运用相关概念、规律、公式等进行计算练习。VCE教材创设的情境更加具体直观，利于学生建立物理形象思维；同时将学生易犯错的地方以概念性习题的方式呈现，比如设置选择题帮助学生辨别和理解，可以有效减少学生因对概念的理解混淆而在解决问题上出现错误。

人教版新教材更强调发挥习题在提升学生核心素养上的功能，而在习题情境创设上，可合理增设科技前沿相关的情境，让学生经历科学探究和思维加工过程，促进物理概念和规律的建构，形成学科思想。课后习题体现在诊断和评价功能的习题数量相对较少，鉴于我国高考物理一般有选择题、填空题、实验题、计算题等，故教材中可适当加入一些选择题、填空题以弥补教材在该栏目上题目类型设置的不足，促进学生认知能力的全面发展。

三、结语与展望

综合以上分析，两套教材对万有引力相关知识的编排各有其侧重。人教版新教材注重教材编写的育人功能，贯彻培养学生核心素养的育人目标，在教材内容组织上展露其科学性与适用性，知识编排循序渐进、层次分明，兼顾物理学科逻辑体系和知识的发生顺序，符合学生的认知规律。VCE教材编写注重物理知识的理论性，侧重将具有强关联性的知识点整合来呈现主题内容，这有助于学生更容易地理解物理学科的基本原理。

人教版新教材未来可以拓展、增设对“引力场”这种客观存在物质的概念介绍，其中“g”也称作引力场强度，是描述引力场性质的物理量，且与后面要学的电场强度相似，从而有助于学生潜移默化地体会物理模型和物理方法的通用性，以此丰富人教版新教材内容的理论性，平衡实践性与理论性知识点。那么，无论是加强知识的系统连贯性，还是提升学生的物理理论认知和科学素养，都将有着前所未有的促进作用。在课内例题和课后习题的设置上，亦可安排合适的例题，丰富课后习题的题型设置，兼顾习题背景的时代性与科技性，采用多样化方式提高学生物理认知，培养学生利用所学知识解决物理问题的能力。