初中物理教科书中的能量概念比较研究

作 者:

作者简介:
谭晓(1986-),重庆人,北京师范大学硕士研究生,研究方向为物理教育; 彭征(1978-),河北石家庄人,课程教材研究所编辑,北京师范大学博士研究生,研究方向为物理教育。

原文出处:
课程·教材·教法

内容提要:

当前,在世界范围内,能量概念在科学教育尤其是物理教育中占据着越来越重要的地位。然而,能量概念的特殊性决定了能量概念教学的多样性和复杂性。关于能量概念的教学,我国的中学物理课程与国外的许多教程有较大差异。比较国内外物理教科书中关于能量概念的呈现方式和教学方式的差异,对改进能量概念在教科书中的呈现方式进而帮助学生进一步理解能量的概念具有一定意义。


期刊代号:G36
分类名称:中学物理教与学
复印期号:2009 年 04 期

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      教育部制订的《全日制义务教育物理课程标准(实验稿)》中将能量概念确立为物理学科中的核心概念之一,作为一级主题展开。但能量概念相对于其他的物理概念来说有其特殊性,例如,能量概念界定的多样化、本质的抽象性、内涵丰富性等。本文试通过比较国内外不同的初中物理教科书,讨论关于能量概念的教学方法及呈现方式,同时也希望给目前课程改革中的众多教科书编写者提供更多的参考。

      我们分别选取中、英、德三个国家的一套初中物理教科书进行比较研究,分别是我国人民教育出版社出版的《义务教育课程标准实验教科书·物理》(以下简称《人教初中物理》),英国剑桥大学出版社出版的《核心物理》,以及特别以能量为主线设计的德国卡尔斯鲁厄初级中学物理课程所使用的教科书(以下简称《卡尔斯鲁厄物理》)。

      一、各套教科书中能量概念的比较

      (一)各套教科书中能量概念的整体介绍

      综合考虑能量概念和中学物理教科书的特点,我们对上述三套初中物理教科书中能量概念的呈现方式选择以下四个方面进行比较:1.教科书中对能量概念的界定;2.介绍能量概念的切入角度;3.能量概念内容的选择和处理;4.呈现能量概念的结构特点。表1列出三套教科书在上述四个方面的简要比较说明,具体的比较分析将在后面分别详述。

      (二)对能量概念的界定

      能量是一个极其抽象的概念,从什么样的角度来界定能量,是教科书中如何呈现能量概念的基础。由表1可知,不同的物理教科书中对能量的界定差别较大。

      表1 教科书中能量概念的整体比较

      

      《人教初中物理》主要是以功来界定能量的。能量是一个抽象的概念,但是功的概念很具体,也容易度量,学生在学习时可以通过具体的做功来了解抽象的能量的变化。但另一方面,我们也必须看到,采用做功来定义能量会给学生造成一定的错误认知。例如,本书定义物体能对外做功就具有能量,而并没有提及能量转换器的概念。这样的处理容易使学生认为通过用电器得到的机械能、内能、光能等能量都属于用电器本身,而不是由电能转化而来的。如果这些错误认知在后续的学习中不能被很好地修正,则会妨碍学生对能量概念的整体建构。

      《核心物理》的最大特点是,利用学生的生活经验,从实际生活出发来阐述能量概念,强调能量在实际生活中是一种很有用的东西。采用这种对生活经验进行描述的方法,使学生将所要介绍的能量概念与自身的前概念相结合,得到一条认识能量的途径。然而,用生活经验描述的阐释方法不能触及能量概念的本质,显得过于生活化,学生不能更好地从科学的角度看待能量概念。

      《卡尔斯鲁厄物理》中,能量作为一种实物型物理量,能够储存在某一系统中,或从一个系统流入另一个系统,在储存或流动过程中,需要具体的能量携带者作为载体。这一处理方法通过将抽象的能量概念与具体的能量携带者结合在一起,让学生通过感知能量携带者的变化来认识能量的存在与变化。这种定义方式能很好地切入能量概念的本质,也能被学生接受,但它依赖于特定的整个物理课程体系,因此应用范围较小,较难推广使用。

      各套教科书从不同角度界定能量。我国教科书强调能量与做功的密切关系,英国教科书强调能量在实际生活中的呈现和作用,德国教科书强调能量的实物型物理量的本质。尽管从不同角度出发,所有教科书均以具体的概念或方法来阐释抽象的物理概念。

      (三)介绍能量概念的切入角度

      能量的抽象本质决定了学生接受能量概念极困难,教材应该从恰当的角度切入介绍能量概念,让学生正确认识能量概念的同时,也更容易接受。

      《人教初中物理》先介绍功的相关概念,并以此为基础引出能量概念。学生对能量的认识主要建立在对功的理解上,这有利于学生在后续课程中继续建构关于能量的较为严密的知识系统。值得注意的是,在正式介绍能量概念之前,该书中已经出现了能量这一说法,如在声现象中提到声波可以传递能量并在生活中有广泛的应用。但所提及的能量,都是基于学生对能量的生活经验,直接与生活紧密联系的实际应用。这与该套教科书注重联系实际,突出STS的理念一致。

      《核心物理》首先介绍我们日常生活中对能量的需要和参与这些工作的电器。这样的介绍是从纯生活经验的角度切入的,所需的前概念均源于现实生活,学生不会对能量概念感到陌生。学生联系日常生活中使用的电器、能源就能学习能量的转化,并能由此进一步了解能量的其他内涵。这既能引起学生的兴趣,消除学生对困难的物理概念的恐惧,同时也体现了物理与技术、社会的密切联系,源于生活又走向生活,与英国的科学教育理念一致。

      《卡尔斯鲁厄物理》列举生活中各种实例,说明生活中需要能量,接着引出能量携带者的概念,列举木头、煤、食物、电等生活中常见的能量携带者。一方面,从学生原有的生活经验出发提出能量概念,使学生容易接受;另一方面,能量与能量携带者一起介绍,用具体真实的能量携带者来反映抽象的能量的存在和变化,也能降低学生对能量概念理解的难度。

      (四)能量概念的内容

      本研究为了便于比较,综合所选教科书的特征,将教科书中能量的相关内容分为两大类共12个内容点,从详细程度和知识深度两方面来考察。详细程度大致分为三个等级,“很详细”“一般”以及“较简略”,分别记为3、2、1。知识深度也分为三个等级,“定量分析理解”“初步理解”和“初步了解”,也分别记为3、2、1。该数字仅作为等级标定,各数字之间不具有定量关系。由此得出对各套教科书呈现的能量概念内容的分析,见表2。

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