中美物理教材的比较研究与启示

——由牛顿三定律审视中美教材的差异

作 者:

作者简介:
袁博,张磊,山东师范大学物理与电子科学学院(山东 济南 250014)。

原文出处:
物理通报

内容提要:


期刊代号:G36
分类名称:中学物理教与学
复印期号:2010 年 07 期

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      一、教材介绍

      美国教材种类繁多,为使研究更具代表性,笔者选用由Paul W.Zitzewitz等人编写的《Physics:Principles and Problems》[1](2005年版)作为研究范本。这部物理教材在美国占有接近50%的选用率①。我国教材笔者选用人教版《物理·必修1》(2006年版)作为研究范本。对这两种教材部分章节进行了认真比较(表1)。

      二、由中美教材三个不同点出发依据学生认知规律分析教材展开顺序的合理性

      教材展开顺序的合理性取决于三方面因素的协调,即物理知识的逻辑结构、物理知识发展的历史顺序以及学生的认知规律。从物理知识的逻辑结构上考察,我国教材的知识结构更系统,同时我国教材也更符合物理知识发展的历史顺序;但从学生认知规律的切合程度上讲美国教材则更优越。下面笔者从两国教材结构编排的三个不同点出发,以心理学学习理论为依据分析两国教材展开顺序的合理性。

      

      

      1.中美教材中牛顿三定律所在章节知识的包容关系不同

      由上表可见,美国教材将牛顿三定律的内容纳入到一维空间中的力这一章,并将一些力学知识穿插到牛顿三定律的各节中;我国教材则将牛顿三定律的内容单独开设一章,并在其前一章系统的讲解了为牛顿三定律学习做铺垫的基础知识。

      奥苏伯尔将学习分为下位学习②、上位学习③、并列结合学习④,在这三种学习方式中下位学习最简单[3]。所以在编写教材时为了降低学生理解的难度,最好先为学生呈现一个概括性较高的概念,然后逐步丰富这个概念的内容,使每一步学习都是丰富总括概念的下位学习。尽量避免在呈现总括概念之前先为学生讲解一些细碎的概括性较低的概念和规律,同时也要注意避免单纯的为了使教材中某一章节知识自成体系而把本应是上下位学习关系的内容硬性拆开,使下位知识不能归属到上位知识中学习,阻断知识的迁移。

      力是一个包容性比较强的概念,在这一概念下有三条支柱性的定律即牛顿三定律。美国教材将牛顿三定律下设到力这一章,使得力学的基础知识能够通过牛顿三定律的学习顺理成章的联系到一起。如图1所示,“力的合成”“接触力与场力”是牛顿第二定律学习的准备知识。“阻力与最终速度”“平衡条件”“绳和弦上的力”“支持力”这些概括性水平较低的下位知识都能归属到与之相对应的上位知识中学习。美国教材的结构增加了下位学习的机会符合了学生的认知规律,降低了学生理解教材的难度。

      

      图1

      例如美国教材在牛顿第一定律之后安排了力的平衡条件这一内容。美国教材是这样讲解力的平衡条件的,“根据牛顿第一定律(如果作用在物体上的净力为零,原来静止的物体将保持静止,原来运动的物体将继续保持匀速直线运动),净力(合外力)是引起一个物体速度发生改变的原因。如果作用在一个物体上的净力为零这个物体就处于平衡状态。一个处于平衡状态的物体静止或做匀速直线运动。注意静止仅是匀速运动状态的特例,这时v=0。牛顿第一定律揭示出净力是改变平衡状态的原因。因此,如果没有净力作用在物体上,这个物体将不会发生速度大小和方向的改变,并且处于平衡状态。”[1]从这部分内容可以看出美国教材很重视知识的迁移。力的平衡条件中包含了两层含义:一为物体静止时处于平衡状态;二为物体做匀速直线运动时处于平衡状态。高中生在学习这部分内容时通常对做匀速直线运动的物体处于平衡状态的情况存在理解上的困难。这里美国教材通过将平衡条件的知识安排在牛顿第一定律之后学习,利用学生头脑中对牛顿第一定律的理解使学习发生正向迁移,使学生能够将平衡条件的新知识顺利纳入到已经形成的牛顿第一定律的图式之中。

      如图2所示,我国教材将力学的基础知识集中到教材的第三章,其中包含重力、弹力、摩擦力、力的合成、力的分解,而牛顿运动定律的知识则自成一章。很显然这种编写方式割裂了知识本身的联系,阻碍了知识迁移的产生,使重力、弹力这些下位概念不能够归属于概括性较高的规律中学习,使知识的学习复杂化、反复化,增加了学习中不必要的困难。

      

      图2

      2.中关教材难度梯度不同

      美国教材把力的讲解分成一维空间中的力和二维空间中的力;先在一维空间中讲解牛顿三定律的内容,再在第五章承接第四章的内容讲解牛顿运动定律在二维空间中的应用。我国教材则是直接从二维空间上讲解牛顿三定律,并且为本章打基础的前一章也是从二维空间上讲解。

      牛顿三定律是力学中比较重要也是比较难理解的知识。美国教材从一维空间入手,既保证了知识体系的完整性又降低了学习的难度。在学生理解了牛顿三定律的精髓思想知识后,美国教材在“二维空间中的力”这一章中继续围绕牛顿三定律展开,并通过引入力的合成与分解问题增加牛顿三定律的应用难度。美国教材通过渐近的方法使教材的难度螺旋上升,并利用教材的组织方式有效的降低知识理解的难度。相比之下,我国教材的难度较大,是直接从二维空间展开,并且在牛顿三定律的相关例题、习题中多涉及二维空间中力的合成与分解问题,使本身比较难理解的规律难上加难。

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