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【人教版】课程标准高中物理教科书必修1、必修2编写思想(张大昌)
  作者:张大昌(课程教材研究所物理课程教材研发中心)   发布者:学科专家  发布时间:2012-02-09

2003年初以来,编者以《普通高中物理课程标准(实验)》为依据,编写了全套《普通高中课程标准实验教科书 ? 物理》。本文结合共同必修《必修1》和《必修2》两本书,谈一谈编者在落实新课程理念时的想法和所做的努力,希望能与老师、学生们交流,也希望更多地听到大家的意见。 

一、循序渐进,步步登高 

  任何教学活动都要使学生学会所教的内容,对于高中物理课程来说,就是要学会物理学的内容,否则无论知识与技能还是过程与方法、情感态度价值观的教育都无从谈起。落实三维课程目标的前提是学懂物理学! 

要学懂物理学,有很多应该注意的事情,但有极其重要的一条,那就是循序渐进。一个5高的峭壁,没有专门的工具、没有经过专门训练的人难以攀登,而泰山高1 524米,一般的人都能爬上去,这是因为泰山路上开凿了所有健康人都能接受的台阶。 

  教学也是这样。凡是教学中的难点,一般说来都是新内容与学生已有的认知之间存在较大的落差。正确分析这个落差,搭好合适的“台阶”,正是教学艺术性之所在。教科书的作用之一是做好教师的助手。编者在分析难点,帮助教师搭设教学台阶这方面做了很多工作。 

  (一)矢量的教学 

编者是通过以下几个阶段来引导学生学习的。 

1.通过位移初步接触矢量 

  几十年来,我国高中物理教科书既有从力开始的,也有从运动学开始的;国外教科书也是这样。两种安排各有道理。课标教科书从运动学开始,目的之一是使矢量的教学能循序渐进。 

  在高中阶段,对矢量的认识要突出两点:方向性和加法法则。对于高一学生来说,两者都不容易。如果先学力,学了方向性后,几乎立即就要学习相加的法则,两个难点相距太近。因此,新教科书先学位移,通过位移初步接触矢量。在《必修1》第一章第2节说“像位移这样的物理量叫做矢量,它既有大小又有方向……”这里描述了矢量的一个特征,但不是下定义。 

  2.通过思考与讨论“领悟”到矢量相加具有特殊的规律 

  《必修1》第一章第2节有个“思考与讨论”:一位同学从操场中心A出发,向北走了40 m,到达C点,然后又向东走了30 m,到达B点……你能通过这个实例总结出矢量相加的法则吗? 

这里并不要求学生完整地得出平行四边形或三角形的法则,但一定要让学生思考。只要能够认识到最终的位移并不是把40 m30 m相加就可以得到的,这就可以了。教学中要设法让学生心里存疑。新课程不是鼓励学生的探究精神吗?存疑就是教师预先埋伏下的问题,探究的开始。学生会不自觉地对这个问题做出或浅或深的猜想与假设……这对于后来的学习是很有意义的。 

  3.通过实验探索矢量相加的法则 

《必修1》第三章,学生通过实验了解了力相加的法则,为矢量的完整定义打下了基础。 

  4.矢量的定义 

  在第三章,学过了力的合成、力的分解这两节之后,教科书才给出矢量的定义。这里强调的是,并非所谓有“方向”的量都是矢量,矢量必须遵从一定的加法法则。 

  5.通过“说一说”深化矢量相加的法则 

  知道了定义并不等于掌握了这个概念。在知道了矢量的定义之后,教科书以速度矢量为例详细地讨论了在一条直线上的v1v2与它们的变化量Δv之间的方向关系,为以后学习加速度的方向与速度方向的关系打基础。 

  在这样的讨论之后,“说一说”栏目又引导学生进一步讨论当v1v2不在一条直线上时求它们的变化量Δv的方法。 

到了《必修2》,研究做匀速圆周运动的物体的加速度方向时(小字),又一次运用求矢量之差的方法。经过这么几个台阶,学生对于矢量的认识才能达到较高的水平。 

(二)匀变速直线运动的教学 

教科书关于匀变速直线运动规律的写法是循序渐进的又一个例子。 

  我们提倡素质教育。什么人的科学素质比较高?除了比较丰富的科学知识之外,一个重要的表现就是他应该“说话有根据、说话有条理”。后者实际上指的是逻辑思维的能力,讲述一件事时“一步一个脚印”地循序渐进,这是表现之一。怎样能使学生的思维做到这样?这不是靠“教导”能够解决的,要靠“示范”。教科书、教师这样做,时间长了,学生也会这样做的。 

  在过去的教科书中运动学集中于一章,课标教科书把它们分在两章之中。两章的分工是:第一章学习基本概念(时刻和时间间隔、坐标系、位移、速度、加速度)、基本技能(用打点计时器测瞬时速度、用图象表示速度、从速度-时间图象获取有关运动的信息……)第二章则是利用第一章学到的基本概念和基本技能来研究匀变速运动的规律。 

编者在这里及在整套书的编写中的指导思想之一是要做到“线索清晰、节奏分明”,这既是思维能力的基本功、交流能力的基本功,也是循序渐进原则的一种表现。 

第一、二两章的教学节奏是这样的(中间的一排星号是两章的分界): 

时刻、时间间隔、位置、位移、速度、加速度等基本概念

用打点计时器测瞬时速度的技能(测手的速度)

用图象表示速度和从速度图象获取信息的技能

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

实验:探究小车速度随时间变化的规律

通过实验发现自然界存在这样的运动:v-t图象是一条直线(由学生作出)

这样的运动叫做匀变速直线运动

利用图象对匀变速直线运动做普遍性的分析(陆续得出三个公式) 

  在过去的教学中,第一次正式使用打点计时器时测量的就是匀变速直线运动,要用到测量的结果;新教科书则是测量手拉纸带速度,而且要作出手的运动速度与时间关系的图象。这样做的目的是在教师和学生的心目中淡化物理规律,把注意力集中于打点计时器的使用技能和从图象获取信息的技能。 

  循序渐进的原则不仅适用于知识的学习,也适用于科学方法的学习和训练,后文还要涉及。 

二、改变学习方式 

  高中学生正处于生理、心理发育的十字路口,这三年正是他们规划人生的阶段。多数学生将来的职业不会与高中物理直接相关,其他课程也是如此。所以,高中阶段教育的任务之一是:培养学生终生学习的愿望和能力。提高学生的学习能力是包括物理在内的所有高中课程的任务。怎样提高学生的学习能力?就像前面谈到的提高思维能力一样,不是凭说教,而是让学生按正确的方式去学习。 

过去的学习方式基本是“老师讲,学生听,学生练”。不应该全盘否定过去,今后老师还要讲,学生还要听、还要练;但是在讲、听、练的过程中我们提倡“独立思考,同伴交流,师生互动”。教科书的作用之一是引导课程方向,包括对学习方式的引导。下面是一个很好的例子(《必修1》第二章第3节“思考与讨论”): 

老师:能不能根据表中的数据,用最简便的方法估算实验中小车从位置0到位置5的位移?  

学生A:能。可以用下面的办法估算: 

x0.38×0.10.63×0.10.88×0.11.11×0.11.38×0.1=…… 

  学生B:这个办法不好。从表中看出,小车的速度在不断增加,0.38只是0时刻的瞬时速度,以后的速度比这个数值大。用这个数值乘以0.1 s,得到的位移比实际位移要小。后面的几项也有同样的问题。 

  学生A:老师要求的是“估算”,这样做是可以的。 

  老师:你们两个人说得都有道理。这样做的确会带来一定误差,但在时间间隔比较小、精确程度要求比较低的时候,可以这样估算。要提高估算的精确程度,可以有多种方法…… 

此外,新教科书中的很多素材与过去完全一样,但写法不同,原因之一同样是要促进学习方式的改变。关于平行四边形定则的学生实验的写法也是一个例子:

   ……要注意下面几个问题:……怎样表述合力的大小、方向与分力的大小、方向的关系?建议用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接,也许能够得到启示…… 

如果照过去那样一步一步详细地告诉学生“……在力F1F2的方向上各作线段OAOB,使它们的长度……以OAOB为邻边作平行四边形。量出这个平行四边形的对角线的长度。可以看出,合力F……”,学生按部就班地照着做就可以了,完全可以不动脑筋。新教科书没有这样做,它让学生自己去研究,但又给学生指出了方向,让学生通过自己的思考而获得知识。这样,学生不仅学会了知识,而且会逐渐习惯于以独立思考为基础的学习方式。 

三、探究精神贯穿始终 

  科学探究是新课程的一个亮点,同时也是大家讨论的热点。课程标准指出了教学中科学探究的几个要素:提出问题、猜想与假设、设计实验、进行实验、分析与论证、评估、交流与合作。 

(一)科学探究是一种精神 

编者认为科学探究是一种精神,它应该贯穿整个课程。这样的例子在教科书中俯首皆是。例如,在前面用过的例子中,教师提出了问题,学生A说出的方法实际是一种猜想和假设,学生B、学生A及老师随后的发言则体现了分析论证、评估、交流与合作等要素。 

  在一节课或一个教学片段中,有一两个、两三个科学探究的要素,它就体现了科学探究的精神,不一定要七个要素一一具全,特别是没有实验的教学片断也可以体现探究精神。 

又例,在《必修1》第三章第1节,引入强相互作用之前有一个“说一说”:质子带正电,但质子却能聚集起来构成原子核。根据你的推测,原因可能是什么? 

  学生学到这里时会想到:是啊,我在初中时就知道原子核里面有质子,质子带正电,还知道“同性相斥、异性相吸”……老师提的这个问题我怎么没有想过?也许质子之间除了静电力之外还有…… 

  这里面有提出问题,有猜想和假设,有简单的分析……它体现了科学探究的精神。久而久之,学生会形成质疑的习惯,提高认识新事物的能力──科学探究的能力。 

  在《必修2》学过圆周运动之后有这样一个“思考与讨论”:地球可以看做一个巨大的拱形桥,桥面的半径就是地球的半径。会不会出现这样的情况:速度大到一定程度时,地面对车的支持力是零?这时…… 

  这个思考与讨论是在引入“航天器中的失重现象”前请学生做的工作。待解决的问题是教科书的编者提出来的,学生要根据拱形桥问题的经验,尝试提出自己的猜想和假设,进而应用牛顿运动定律和匀速圆周运动的知识进行分析论证,得出结论。如果学习失重时(以及稍后学习第一宇宙速度时)教师板着面孔平铺直叙地讲解一遍,教育效果就完全不一样了。编者在以探究的方式展示物理内容时,想到了印度哲学家菩德曼的一句名言:播种一种行为,收获一种习惯。一次一次这样做,时间长了,学生见到一件事情就会不由自主地提出疑问,遇到问题就会不由自主地做出简单的推测。这样一代新人的气质就与上一代不同了。教师是人类灵魂的工程师,我们的责任不只是传授知识,我们还在塑造人。 

在《必修1》学过重力加速度之后有一个表格,列出了从赤道到莫斯科的重力加速度,几十年来国内外几乎所有教科书都有类似的数据。然而新书比过去多了一个旁批:你从表中发现了什么规律吗?你能尝试解释这个规律吗?尝试解释就是做出假设和猜想。这个旁批在 鼓动 学生从习以为常的事物中发现问题并尝试做出解释。这是什么精神?这是科学探究的精神。至于重力加速度与纬度的关系及其产生原因,并非课程标准要求的内容,因而书上并未讨论,教师更不用讲解,甚至不必提及这个旁批。有一部分学生看到了这个旁批,程度不同地想了一想,编者的教育目的就达到了。 

  (二)科学探究也是学习内容 

  过去我们也曾探讨过“发现法”的教学,让学生通过研究自己发现科学规律。这种做法与现在所说的科学探究有相似之处,但那时只是一种教学法,而新课程中的科学探究不但是教学方法,同时也是学习的对象(还是一种精神,前面已经论述),即学生通过科学课程的学习要学会怎样进行科学探究。 

让学生自己进行探究是学习“怎样进行探究”的主要途径,但不是惟一途径。新教科书还展示了前人的探究过程,例如伽利略对自由落体运动的研究(《必修1》第二章),让学生从中领悟科学探究的方法。教科书指出了伽利略研究的线索:绵延两千年的错误逻辑的力量猜想与假设可检验的结论实验验证……,但这决不是科学探究的固定模式,科学探究没有一定的模式  

(三)科学探究的要素不能求全,科学探究不能搞形式主义 

课程标准给出了科学探究的几个要素,这些“要素”不是“环节”。环节缺一不可,链条缺了一个环节就要断裂,而要素只要存在一些就体现了科学探究的精神。 

多数探究活动都不会包括所有这些要素,例如,不一定都包括实验。谁都不会否认爱因斯坦的工作是科学探究,但谁能找出他亲手做实验的证据?我们说实验是物理学的基础,是说实验可以为物理学提出问题,而且物理学理论的正确与否最终必须接受实验的检验;但不是说每个物理学家都要做实验,更不是说高中物理的内容都要通过实验得出来。 

讲这个问题,目的是解放思想,更好地落实教学中的科学探究,避免形式主义。国外的科学课程有一种教学形式,叫做“做中学(hands on)”,科学知识几乎全部是让孩子在动手做中学到的,这有积极意义。但是,不能不分学科、不分学段地一味推行做中学,否则只能诱发形式主义,这不只对学科的学习不利,而且不利于学生对于科学的意义、科学方法的领悟。事实上,高中物理中的多数定律都不是,甚至不可能,由直接实验归纳出来,更不用说在中学课堂上做这件事了。它们之所以出现,是由于前辈科学家从不完整的事实中领悟了背后的道理;它们之所以正确,是由于从这些定律得出的推论与事实一致。 

四、增强实践意识,提供原始材料 

  我国几十年来的物理教育有一个优良传统──强调理论联系实际;但是学生解决实际问题的能力依然很低,这也是事实。原因在哪里?通过分析编者们看到,教科书、习题集以及试卷中的多数所谓实际问题,都是经过编者或者考试命题者咀嚼过的,学生看到的仍然是理想化的物理习题,实际情景只是附加的背景而已。学生所缺的“解决问题的能力”,本质上是把原始问题变成合适的物理模型的能力。 

编者在这方面做了尝试,在可能的情况下向学生提供原始的材料,使得“从实际问题中抽象出物理模型”这个工作由学生完成。以下是几个例子。 

(一)磁浮列车的加速度 

《必修1》第二章“匀变速直线运动”的章首图是上海磁浮列车的照片,图下有一段话:“……据报导,上海磁浮总长 33 km,一次试车时全程行驶了约 7 min 30 s,其中以430 km/h的最高速度行驶约 30 s。磁浮列车的行驶速度比汽车快得多,是不是它的加速度也很大?学过这一章后你会看到,根据报纸上的数据,再按照实际情况做些简化的假设,你自己就能估算它的加速度! 

这是读报时的一个活生生的问题,引用的数据对于读者来说是最原始的。我们要把它抽象为一个物理模型,才能用物理知识来解决,以满足我们关于磁浮列车的好奇心 

看到这个问题之后首先应该有个定性的估计:加速度不会太大,因为全程行驶时间7分多,中间匀速行驶时间只有半分钟。这实际上是在为评估做准备,如果以后算出来的加速度很大,可能有问题了。 

然后会想到,列车的加速、减速不会是均匀的,但我们只是估算,在中学阶段只好把这个问题当做匀变速运动来处理。 

第三,还会有不同的可能性。一种情况是,列车加速时的加速度很大,但减速时加速度(绝对值)比较小,也可能相反。如果是前一种情况,列车的动力会很强,对发动机的要求比较高,好像没有这个必要;后一种情况类似于急刹车,正常运行中似乎没有必要急刹车。于是我们假设列车匀速行驶的过程处于运行的中段,加速阶段和减速阶段所用的时间相同。 

这样,一个来源于媒体的真实问题就变成了理想模型:“某物体从静止开始做匀加速运动,在3.5 min的时间内速度达到430 km/h,求物体的加速度。”这个问题太简单了,几乎所有学生都不会有任何困难。计算结果是:列车加速时的加速度是0.57 m/s2 

这个结果使我们联想到什么?重力加速度大约是10 m/s2,列车的加速度大约是它的二十分之一,乘坐磁浮列车大概不会有什么异样的感觉,不能跟宇宙飞船的起飞相比,甚至不会有小汽车加速时乘客体会到的“推背”的感觉。有了这些联想,这道题的目的就达到了。 

其实,下面就会看到,用不同的假设可以建立不同的模型,运算结果也不一样。 

我们还假设列车的匀速运行区段处于线路的“中段”,但不是时间的中段而是路程的中段,也就是说,加速运行的距离与减速运行的距离相等。这样可以算出加速运行的距离是 

( 33 km430 km/h××0.5 h) 14.7 km 

知道了初速度与末速度,还知道运动的距离,计算加速度也很容易。结果是0.48 m/s2,与前一模型的结论相差无几。 

许多人对这个问题有疑问。 

一个疑问是,两种算法的结果不一样,怎么教?回答是:第一,这是个章首语,目的是启发学生思考,不必“教”;第二,如果有学生问到,可以原原本本地告诉学生──由于我们采用了不同的假设,建立的是不同的模型,所以结果有差异。哪个更接近实际?根据我们掌握的原始材料,无法判断。但有一点是确定的:两个结果都能满足我们的需要──预测乘坐磁浮列车时的感觉,而且预测结果是相同的。 

有的老师表示,根据实测,记者所给的数据不准确,实际匀速运动的时间不是30 s,而是接近50 s,改成50 s后两个模型计算结果的差异小得多。编者对此的回答是,不能改,因为公众在报纸上看到的就是30 s,这是真正的原始资料,谁能保证今后遇到的原始资料都可靠呢?何况这个问题中记者的误差并不影响我们关于乘车感觉的预测。 

另一个疑问是,题目所给的条件多了,应该删去一个。其实“条件多了”、“条件不够”都不可怕,因为现实问题中能够得到的资料就是这样,条件不够我们就要假设一些,条件多了可以相互印证(评估)。 

有的学生则问,两种计算哪个更准确。这个问题恐怕没有必要。因为假设列车做匀变速运动本身就是一个非常粗略的近似了。列车的速度越来越快,但发动机的功率不可能增加很多,根据PFv,加速过程中的牵引力肯定会越来越小,怎么可能在整个加速阶段的加速度不变呢? 

对于这样的问题,有人说太容易了,有人说太难了,两者都有道理。说太容易的是指用到的物理公式太简单;说太难的是指把实际的原始问题抽象为物理模型太困难。过去我们对前者过于重视,而实际上主要是后者影响了学生解决实际问题的能力。可喜的是,在物理教育界,已经有越来越多的人重视原始材料的使用,考试题也越来越多地出现“情境题”“信息题”等,这些都是好的苗头。 

(二)相机快门的曝光时间 

学过自由落体运动的规律后,在“做一做”栏目中安排了这样一个问题:“……从某砖墙前的高处使一个石子自由落下,拍摄石子在空中的照片如图……已知每块砖的平均厚度为6 cm,石子起落点距地面的高度约为2.5 m,怎样估算这个照相机的曝光时间?

石子下落的照片 

  编者提倡的解法如下。 

通过砖的层数估算A点的高度──60 cm,又通过砖的层数估算AB的长度──12 cm;石子从起落点到A点的高度是190 cm。由此算出石子经过A点的速度是620 cm/s。石子以这样的速度通过AB所用的时间是s0.19 s,即秒。 

有的学生认为用AB的长度除以石子在A点的速度不妥,因为石子在从AB的运动中仍在加速,应该用hgt2分别算出石子落到AB两点所用的时间,两者之差才是从AB所用的时间。 

  第二种解法当然是正确的,但是没有必要。一方面从原始材料看,我们通过砖的厚度获得的数据相当粗糙,计算也就没有必要那么精确;另一方面如果对摄影技术有所了解就会知道,曝光时间的少量偏差对照片的质量不会有什么影响,实际上即使标有快门速度的照相机,其标称值也不是很准确的。 

(三)计算平均速度 

  在《必修1》第一章学过速度概念后,教科书有一个练习题:右面是京九铁路某一车次运行的时刻表……列车由聊城站开出直至到达菏泽站,运行的平均速度是多少?…… 

T107            车次             T108

北京西

深圳

北京西

起公里

 

站名

北京西

深圳

20:30

 

0:24

32 

 

1:53

55

 

4:26

34

0 

 

350

  

 

528

 

 

853

 

北京西 

 

聊城

  

 

荷泽

 

 

阜阳

 

13:35 

 

36

9:28

 

07

8:05

 

40

5:32

北京西至深圳的某一车次的时刻表 

  这道题给出的是铁路局印制的时刻表,也是原始材料,学生要把它抽象成一个物理问题:某物体在1 h 21 min的时间内运动了178 km,计算它的平均速度。对学生来说这个计算极其简单,比较难的是从列车时刻表中得到时间和运行路程这两个数据,这道题锻炼的是学生获取信息的能力。 

  初中的课标教科书也有类似的题目,时刻表如图所示,要求计算列车从朱坡到老河口的平均速度。为什么高中与初中选用相同的题目?尽管两题的计算难度一样,但从原始材料中获取数据的难度不同:支线时刻表中对应于一个车站只给出一个时刻,乘客上下车之后车就离站;干线时刻表分别给出了到站时刻与离站时刻,要计算从聊城到荷泽的运行时间,就要弄清这一点。 

列车时刻表 某支线车次的时刻表

   (四)其他例子 

《必修147页第3题:……小石块从井口自由落下,经过 2.5 s 后听到石块击水的声音,估算井口到水面的距离。考虑到声音在空气中传播需用一定的时间,估算结果偏大还是偏小? 

  过去这类问题总是说:“不考虑声音传播所用的时间……”;现在的计算仍是这样要求,但学生做完之后还要做个评估──声音传播所用时间对计算结果的影响。 

再如,过去讨论抛体运动时总是说“不计空气阻力的影响……”实际上对于炮弹等高速运动的物体,空气阻力对轨迹的影响十分明显。《必修2》在“抛体运动的规律”一节的“说一说”栏目要求学生推测炮弹运动的实际轨迹,这些都是为了建立这样的意识:物理学研究的并不是世界的本身,而是它的模型。我们对模型的要求是,它既要在某一方面反应真实事物的本性,又要便于我们用已有的知识进行处理。 

 五、重视科学思想与科学方法 

  科学方法是高中物理三维课程目标的重要组成部分。 

物理学大厦有坚实的实验基础、严谨的逻辑体系,它的方法已经成为当今各门自然科学的典范。原原本本地把物理学学好,这是在物理课程中进行科学方法教育的最基本的途径。前面提到“落实三维课程目标的前提是学懂物理学”就包含了这层意思。引导学生以独立思考为基础,循序渐进地,条理清晰、层次分明地学好物理学,是落实科学方法教育的前提。 

然而,目前一方面存在着这样的倾向──教学中简化实验过程和理论分析,简单地把结论告诉学生,而后迅速进入解题教学;另一方面也存在着形式化的倾向,把丰富多彩的物理学过程归纳为××法、××法,让学生在学习中机械地背诵和套用。 

教科书的编者根据自己的研究,在以下几方面做了努力以突出科学方法的教育。 

(一)从特殊到一般的科学方法 

人类对于事物的认识都是从特殊开始的,但又有不止于具体的事物。 

1.匀速圆周运动的加速度的方向 

过去往往按下面的思路认识匀速圆周运动的加速度的方向。 

用细线系一个小石块,手握细线的另一端把它抡起,使它绕手做匀速圆周运动;石块没有沿切线方向飞出去,那是因为受到了细线对它的力,这个力指向圆心;石块运动的加速度的方向与力的方向一致,因此也是指向圆心的。由此得出结论:做匀速圆周运动的物体的加速度是指向圆心的。 

这个教学思路的问题是:从一个特例得到的结论没有进行分析就推广到一般情形了。如果经常这样处理,久而久之会使学生形成以偏盖全的思想方法。新教科书是沿以下线索展开的。 

先分析下图并仿照过去的思路得出结论:在这两种情形中加速度的方向是指向圆心的。然后用运动学的方法分析速度矢量的方向,得出一般性的结论。 

   

做匀速圆周运动的物体的加速度沿什么方向 

新教科书分析加速度的方向时不涉及任何石块、小球、地球等具体的物体,得到的是普适的结论,没有右图那样的实例同样可以得出结论。那么,实例在这里有什么作用呢?实例给了我们强烈的提示:“虽然没有十分的把握,但很可能是这样的!没有逻辑推理不可能得出普遍性的结论,而脱离实际的推理可能使我们迷失方向。这样做的目的之一是向学生展示科学的本来面目──科学是在猜测、分析与验证的过程中前进的。 

2.匀变速直线运动的规律 

在匀变速直线运动的教学中,编者也遵循了从特殊到一般的科学方法。 

第二章的第一节是“实验:探究小车速度随时间变化的规律”。在这一节,学生运用第一章学到的使用打点计时器的技能、利用图象研究运动的技能,以及速度、加速度等概念,研究小车在重物牵引下的运动。 

通过对小车运动图象的分析,学生会看到:自然界存在着这样一种运动──它的速度-时间图象是一条倾斜的直线!这是一个具体的事例,学到这里,第一节课的任务就完成了。 

第二节课对这个事例进行分析,于是发现,如果速度-时间图象是一条倾斜的直线,这个运动的加速度就是不变的。这样我们就能定义匀变速直线运动。从此以后教科书脱离了小车这种具体运动,进行匀变速直线运动的一般性研究,最后得到匀变速直线运动的几个量之间的三个关系式。 

这段教学始于对“小车在重物牵引下运动”这样一种具体运动的研究,结束于匀变速直线运动的普遍性规律。教学中不一定要把这句话告诉学生,但是教师心中应该明确,要清清楚楚地按这个思路去讲。久而久之,这种科学方法会自然而然地在学生头脑中生根。 

  (二)解决问题时强调规范化的方法 

在物理学中,不同的问题有不同的特点,解决起来要遵从不同的程序,也就是说有不同的规范。这也是科学方法的问题,编者在这方面做了一些努力。 

例:坐标在描述质点运动时的作用 

  物理学离不开数学,而要用数学描述和解决质点运动的问题,就要用到坐标系。教科书比过去强调了坐标系和质点的坐标,以使学生在刚刚开始高中物理学习的时候就能自觉地、规范地运用坐标系这个数学工具。 

这样做的结果是增加了还是降低了学习的难度?编者认为是降低了。例如,过去在教学中不明确区分矢量和矢量的投影,解决比较复杂的问题时学生经常困惑。现在主要在坐标系中讨论矢量,学生的精力放在投影正负号的确定上,剩下的只是代数运算,问题简单多了。 

具体地说,过去告诉学生,在直线运动中,加速度的正负号决定于速度是增加还是减小,新教科书则强调,速度、加速度(以及力和位移等各种矢量)的正负号都决定于它的方向与坐标轴的方向相同还是相反。这样,有了一个普适的、单一的准则,学起来、记起来就容易了。 

例:抛体运动 

原来的教学大纲对抛体运动的要求是“平抛运动(B”,这是一个干巴巴的知识点;课程标准的要求则是“会用运动合成与分解的方法分析抛体运动”,其中的“分析”、“用……方法”体现了对于过程与方法的要求。 

按照课程标准的精神,新教科书在抛体运动的教学中,展示了质点在平面内运动时解决问题的规范化的方法,教学层次如下。 

  (1)以红蜡块的运动为例,按下面的步骤介绍普遍性的方法。

●坐标与时间的关系:x = vxty = vyt 

●轨迹:消去t,得到 

●速度的大小和方向:tan θ =

红蜡块问题是由分速度求合速度及轨迹;接下来的是下面的例题,要由速度求它在互相垂直的两个方向上的分速度。 

(2)例题:已知飞机起飞时的速度和仰角,求它在水平方向和竖直方向的分速度。 

通过(1)和(2)要让学生悟出一个道理:物体在平面上的运动可以在相互垂直的方向上分别研究(或者相反)  

(3)把这个道理应用于平抛运动 

水平方向:力F = 0,初速度v0 = v,由此可以得到抛体在x方向的位移x = vt 

竖直方向:力F =重力,加速度= g,初速度v0 = 0,所以抛体在y方向的位移是y =gt2 

有了xy两个方向的坐标与时间的关系之后,仿照红蜡块问题的程序,可以得出抛体轨迹的表达式及速度的大小、速度的方向。 

(4)如果抛出时的速度不沿水平方向,那么…… 

学生按这个思路学习,不仅得到了平抛运动的几个结论,而且学会了解决这类问题的一般性方法:  

两个方向上的受力

两个方向上的运动方程

两个方向上的位置与时间的关系

平面中的运动轨迹(消去t

平面中速度的大小和方向(勾股定理、三角函数)…… 

《必修2》“抛体运动的规律”一节中的旁批把这个思想明确地写出来了: 

  在第四章牛顿运动定律的学习中我们已经体会到,已知物体受力情况而想知道它的运动情况时,要先对物体所受的力进行分析,然后应用牛顿定律得到物体的加速度,进而根据运动学的规律得到物体的位置与时间的关系。 

在研究抛体运动时,我们的思路完全相同…… 

有的老师提出,新教科书不仅要求平抛,而且要求斜抛,比过去难了。其实这里不仅不要求学生背诵斜抛的结论,甚至连平抛的结论也做了淡化处理:平抛轨迹只是在一个例题中做了讨论。从科学方法的角度看,解决平抛问题的方法与解决斜抛问题的方法没有区别。 

还有的老师提出,红蜡块的实验是多余的,直接通过平抛运动学习科学方法,可以一举两得。其实不然。教学活动的原则之一是分散难点,解决质点在平面中的二维运动的方法对学生来说是新东西,不很容易;抛体运动是新知识,也有一定的难度,两者合在一起就更难了。教科书这样分层次、搭台阶的处理比较好:从知识的角度讲,红蜡块的问题没有难度,学生可以把注意力放到方法上,通过简单问题认识方法,然后运用这个方法解决抛体的问题。教科书看起来好像在红蜡块上多做了一些文章,用了一些时间,但是“磨刀不误砍柴工”,整个抛体运动的学习时间并不比过去多。 

例:数据处理的方法 

教科书中数据处理方法的教学是以图象为中心展开的。这也是一个规范化的科学方法。

 在《必修1》第一章第4节,从高中物理的第一个学生实验开始,就要求用图象表示手拉纸带的速度与时间的关系,并提出用平滑曲线来“拟合”坐标系中所描的点的思想。拟合时对曲线的要求是“顺势”“平滑”,如果不能使所有的点都恰好落在曲线上,那么曲线两侧的点的个数要大致相同。 

在以后的学习中,学生将反复运用图象来处理数据: 

第二章第1节探究小车速度随时间变化的规律 

第二章第3节研究自由落体运动的小实验(“做一做”栏目) 

第三章第2节课后习题第4题(关于弹力) 

第四章第2节探究加速度与力和质量的关系的实验 

第五章第5节探究弹性势能的表达式

 第五章第6节探究功与速度变化的关系 

教科书特别指出了运用图象处理数据时的以下技巧。 

在通过实验探究加速度与质量的关系时,当然可以做出加速度随质量变化的图象,由图中曲线的形状判断两者的关系。但是实验得到的曲线的形状比较复杂,难以断定它的性质,而曲线是否直线就很容易判断。因此教科书指出了一个方法:不作a-m图象,而作a-图象,通过这个图象是否直线来判断a是否与m成反比。如果这个图象不是直线,再尝试a-或其他关系。 

这个方法在第五章第6节探究功与物体速度变化的关系时再次出现。在以后的选修课中也将多次运用。 

  3. 一些学科性的科学方法与科学思想 

高中物理中有一些科学方法与科学思想,只涉及物理学及与之相关的学科,但对学好中学物理及以后学好相关学科是至关重要的。这些科学方法与科学思想的教学,是“过程与方法”的重要组成部分。 

1.守恒的思想 

守恒的思想在物理学中一直起着重要的作用,近代物理学的发展更是伴随着对守恒量的追求。新教科书力求渗透这个思想。 

过去学习机械能守恒定律的时候,往往先学习重力势能、动能的表达式,然后分析一个实例,指出在这个过程中重力势能与动能之和保持不变;而新书这一章的第一节就是“追寻守恒量”,在学习势能、动能之前就通过伽利略的工作介绍了“守恒”的思想。这样做的目的是使学生体会到,在伽利略以后的物理学中,“守恒”或说某量在某个过程中“不变”,往往不是碰巧发现的,它是物理学家追求的目标。 

在选修3-5学习动量的时候也十分明确地体现了这样的思想。 

  2.通过做功研究能量的思想 

能量的概念十分抽象而功的概念比较具体,也容易量度,在物理学中人们总是通过做功了解能量的变化,从而认识能量。新教科书反复突出这个思想。 

以重力势能表达式的引入为例。《必修2》的“重力势能”一节有两条线索。首先,分析重力做功的特点,得知物体在h1h2两个高度之间移动时重力做的功是WG = mgh1mgh2,从中发现“mgh”可能具有特殊的物理意义。另一条线索是:通过对势能概念的分析,我们已经知道,物体的重量越大它的势能越大、物体的位置越高它的势能越大。从第一条线索得到的“mgh”与第二条线索一致,所以我们想到,物体的重力势能应该用“mgh”表示。 

在过去的教学中,我们说“物理学中规定……”说得比较多,其实“规定”总是有道理的,新书要讲一讲这个道理。发现规律、提出物理量的表达式,就像刑警在破案,我们不仅告诉学生结论,而且告诉学生结论是怎样得出来的,这就是重视科学过程的做法。 

动能表达式的得出是另外一个例子。教科书探索动能表达式的过程集中于“机械能及其守恒定律”一章的67两节,线索与重力势能相似,出发点也是做功与能量的关系。 

教科书首先指出,根据我们对于动能的初步理解,它的表达式除了应该与质量有关外,还应该与速度有关:速度越大,动能越大。另一方面,物体受力时力对物体做功,物体速度也会增加。这就是说,速度这个物理量联系了动能与力对物体做的功。编者因此设计了第6节的实验,研究力对物体做的功与物体速度的关系,以期从中获得动能表达式的一些信息。这个思路可以图示如下:  

动能的定性概念及力与速度变化的关系

↙   

动能与速度有关   动能与做功有关

↓      ↓

通过实验研究功与速度变化的关系

v2与做功的多少成正比

动能的表达式中可能包含v2这个因子 

 第7节则沿另一条线索展开:从牛顿第二定律和运动学的关系得到速度与功的关系W =mv22mv12mv2是个状态量,它在一个过程始末的差值等于力对物体做的功,其中又包含了v2,在与实验结果印证之后我们判断,它极可能是我们寻找的动能的表达式。 

新课程重视科学过程,这有两重意义。一重意义是要适当展示前辈科学家建立科学概念、发现科学规律的过程;另一重意义是在学生自己的学习中有根据、合逻辑地进行学习,了解知识是怎样得来的。要让学生体会:一个重要的科学结论不是几个实验或者几篇运算就能做到“板上钉钉”的,人们认识复杂事物时,直接经验与逻辑分析缺一不可,人的认识不是直线式的。 

  第五章第5节“探究弹性势能的表达式”的出发点同样是功与能量的关系,同样是通过对做功的定量描述来寻找弹性势能的表达式。 

在后面的选修教科书中,内能的引入、电势能的引入、焦耳定律、电源和电动势、闭合电路的欧姆定律……光电效应等,出发点都是做功与能量的关系。 

  3.“以不变的量代替变化的量”的方法 

  从两道高考题说起。 

第一题(大意):来自质子源的质子被直线加速器加速(加速器中电场均匀)。在质子束中,与质子源相距l4l的两处,各取一段极短的相等长度Δl的质子流,其中的质子数之比为 _______  

│←─────── l ──────→│

───────────────── ─

                                   

-e───------------------------        d

                                    

───────────────── ─  

第二题(大意):真空中速度为v = 6.4×107 m/s的电子束连续射入两平行极板之间,极板长度为l = 8.0×102 m,间距d = 5.0×103 m。两极板不带电时,电子沿两极板之间的中线通过。在两极板间加50 Hz的交变电压u = U0sin ωt。如果所加电压的最大值U0超过某一值Uc时,开始出现以下现象:电子束有时能通过两极板;有时间断,不能通过。求Uc的大小…… 

在第一题中,实际速度在Δl小区间中是不断增加的,但由于题目说明了Δl<<l,因此可以用质子在Δl一端的速度代表在整个小区间的速度(用一个不变的量代替变化的量)。这样,两个小区间中的质子数就可以用质子在两处的速度的反比来表示。 

在第二题中,尽管电子飞行时两板间的电场在变化,但变化的周期是0.02 s,在这段时间里电子会飞过1.28×106 m的距离!因此电子在区区宽度为8 cm的两极板间飞行时,电场的变化完全可以忽略。也就是说,完全可以应用学生熟悉的平抛运动的方法和结论。 

这两个问题都要用到“以不变的量代替变化的量”的思想,但是很多学生不敢用。为什么?因为学生不了解这个方法,即使有所接触,但是不知道什么时候可以用,什么时候不能用。 

要让学生掌握方法性的东西,不能靠灌输,只能靠学生的实践。只有学生多次接触这类问题,才能在以后见到时“掌握分寸”。下面是新教科书为这个方法的教学所做的系统化、结构化的设计。 

◆《必修1》第一章:平均速度和瞬时速度── 一个小区间里各点的瞬时速度可能不一样,但只要区间足够小,可以用这小段的平均速度来代替。 

◆《必修1》第一章:用打点计时器测速度──让学生在实验中亲手用平均速度来代表瞬时速度。 

◆《必修1》第二章第3节“思考与讨论”:已知相隔0.1 s的几个时刻的瞬时速度,估算这段时间中的位移。这里要用各点的瞬时速度乘以0.1 s,表示质点在这个时间间隔中的位移。 

◆《必修1》第二章:通过v-t图象导出匀变速运动的位移公式,这是前面思考与讨论中阐述的思想的发展。 

  ◆《必修1》自由落体运动之后的“做一做”:通过照片估算照相机的曝光时间。 

编者提倡的方法是:计算石子落到A点时的速度,AB距离与速度之比即为曝光时间。应用这个解法的前提是石子的速度在AB之间没有多大的变化,可以用一个不变的量(A点的速度),代替变化的量(实际上在变化的速度)。 

◆《必修2》“探究弹性势能的表达式”一节:计算变力做的功。随着弹簧的伸长,弹力在不断增加,但伸长的长度很小时,可以用一个不变的力代替这个变化的力。 

在这样多次接触中,学生将体会运用“以不变的量代替变化的量”的方法。方法的教学也像知识的教学一样,不求一次到位,而是要多次运用、逐渐领会。 

  (四)对于“科学定律是怎样建立的”的认识 

  前面说到的科学方法都比较具体,教师可以教,学生可以照着做,在做中体会。新教科书还涉及一种更深层次的科学方法,即建立科学定律的方法,它关系到人们认识新事物的一般性过程,包括认识日常生活中的新事物的过程。这种方法在教科书和教师的教学中只能渗透,学生只能去领悟 

  过去的教学容易造成一个假象,好像科学家做了“大量的”实验,得到“大量的”数据,把这些数据按一定的方法处理,于是就归纳出了某某定律。这个图景忽略了创造性思维中最活跃的因素:猜想与假设。 

  我们日常生活中对新事物的认识,与科学家对未知科学规律的认识,两者的模式其实是一样的:通过不完整的事实,经过不严谨的推理,得到带有猜想与假设性质的结论,而后以新的事实一次又一次地检验这个结论及它的推论,逐渐使我们的认识深刻化和确定化。这里的关键是能否做出相对符合实际的猜想与假设,比较聪明的人和比较愚钝的人,区别也就在此。 

  为了使学生领悟这种方法,教科书在多处做了与过去不同的处理。 

  在《必修1》最后的“学生实验”(相当于一章)第2节“怎样做好物理实验”中有这样一段话: 

……实验的结果往往不尽人意,得到的数据不那么完美。不过,不要气馁,更不能任意修改数据去适应书本上的结论。为什么会出现这样的差别?自然,中学物理实验器材的精密度不高,但是,也可能有更深层次的原因。 

  例如,在通过实验探究加速度与物体受力的关系时,我们根据现象的分析和粗略的数据,猜测加速度可能与物体所受的力成正比。这是一个猜测,需要实验的验证。于是我们做了几次实验,作出了几条直线。这些图象并没有完全验证我们的猜测,但它们强烈地向我们提示:这样的猜测很可能是正确的!你可能说,中学物理实验器材的精密度不够,用更好的仪器就能得到过原点的直线了。但是,如果用了更好的仪器,就要用更高的标准来检验这些直线,这时仍然会发现它们不过原点…… 

……物理学的规律不是通过有限的几个实验就可以“归纳”出来的,它们之所以正确,归根结底是因为由它们得出的无数结论都与事实一致…… 

  在《必修1》第一章研究小车速度随时间变化的规律的实验中,作出小车的速度-时间图象后,教科书写道:对于每次实验,描出的几个点都大致落在一条直线上。因此,可以有很大的把握说,如果是没有实验误差的理想情况,代表小车速度与时间关系的点真的能够全部落在某条直线上。有了这些考虑之后,我们就可以用一条直线去代表这些点…… 

  过去在类似的情况中总是说:“在误差允许的范围内……”但是,在我们的教学中,谁定量地分析了误差?谁说过多大的误差是可以容忍的?这样的说法除了培养学生说套话、说空话之外,没有任何作用!在新教科书中,编者恢复了事物的本来面目:这些粗略数据的作用不是自然而然地产生科学定律,而是给我们启发,使我们想到,真实的情况可能是…… 

第二章第5节“伽利略对自由落体运动的研究”有个旁批,说道:“后人在用伽利略的器材重复他的实验时发现:铜球沿斜面滚下,如果斜面倾角超过5?就很难准确计时。伽利略把他的结论外推到90?是需要很大勇气”。教科书介绍科学研究时说到“勇气”,这是第一次,体现了编者对于科学过程的本质的认识。 

 第四章第2节在探究加速度与力、质量的关系的实验中,教科书写道:“……如果这个猜想是正确的,那么,根据实验数据以a为纵坐标、F为横坐标,和以a为纵坐标、为横坐标作出的图象,都应该是过原点的直线。但是实际情况往往不是这样:描出的点有些离散,并不是严格地位于某条直线上;用来拟合这些点的直线并非准确地通过原点。这时我们会想,自然规律真的是吗?如果经过多次实验,图象中的点都十分靠近某条直线,而这些直线又都十分接近原点,那么,实际的规律很可能就是这样的。”这里用的是讨论的口气、试探的口气,目的也是为了展示科学的过程。 

第五章第6节通过实验探究功与物体速度变化的关系时,也是这样的思想使我们意识到可能存在的关系。这个思想也将贯穿到后面的选修教科书中。 

总之,教科书要传达一个思想:科学不是知识的堆砌,科学是人对自然的无尽的探索过程。科学家研究科学、学生学习科学,都像刑警在破案,要找出事件的真象。 

六、渗透情感态度价值观的教育 

(一)热爱科学

 通过科学课程的学习使学生热爱科学,这是情感态度价值观教育的重要组成部分。怎样使学生通过学习而热爱科学?编者认为最重要的途径是使学生的学习过程成为审美体验的过程。右侧的图片是教科书在介绍力与形变的关系时给出的,许多人说科学美体现在这里。的确如此,但远不止于此。漂亮图案所展示的更多的是外在的东西,物理课程中的科学美其实是让学生在学习中感到舒服、愉悦、痛快、振奋……

有机玻璃的形变 

当然,要做到这一点,最重要的还是要让学生学懂物理学。编者为此做了努力。 

例 万有引力定律的建立(《必修2》第七章) 

教科书的线索是这样的: 

神奇的行星运动(行星的逆行),第谷的观测数据

开普勒行星运动定律

太阳对行星的引力

行星对太阳的引力(作用力与反作用力)

太阳与行星之间的引力F = G 

虽然这个公式的形式与我们熟知的万有引力定律的公式相同,但它还不是万有引力定律。它来源于开普勒行星运动定律,而这个定律只适用于太阳系的行星,所以我们还远不能称它为“万有”的引力。 

牛顿的创造性工作是设想行星与太阳之间的引力跟地球与月球、地球与地面物体之间的相互作用力是同一种力,并且证明了这一点。不但如此,他还把这种力推广到一切物体之间。教科书接下来的线索则是 

观测数据支持“地球与月球的引力”、“地球与地面物体的引力”的猜想

推广到一切物体(万有引力定律)

测定引力常量(后人的工作)

称量天体的质量、发现未知天体、航天事业 

学生在了解到第谷为描述行星的运动积累了近万个观测数据的时候,会像所有人一样感到头疼;开普勒把这么繁杂的数据变成了简洁的三句话,这使人眼前一亮,豁然开朗。这时学生的体验是高兴、佩服和激动,这就是一种审美体验。开普勒一定也有这种体验,他自撰的墓志铭表达了他的满足:“我曾测量天空,现在测量幽冥,灵魂飞向天国,肉体安息土中。(《必修2》第七章第1节旁批)”  

然而,教科书并没有就此止步。在这一节的“科学足迹”中写道:“不过,开普勒并不知道,他所发现的三个定律还蕴藏着极其重大的‘天机’……”,这里说的“天机”,指的就是“指挥”行星运动的──万有引力。是牛顿揭露了这个“天机”,发现了万有引力定律。这个定律比开普勒定律更深刻(揭示了运动的原因)、更普遍(适用于一切物体)、更简练(一个公式),此外还有“自恰”。学到这里,学生的体验是更高兴、更佩服和更激动。教科书曾经引用一位英国诗人歌颂牛顿的诗句(《必修1》第四章章首):“自然和自然的法则在黑暗中隐藏,上帝说,让牛顿去吧,于是一切都被照亮。” 

教科书还抄录了一个“外行人”马克?吐温的话:“科学真是迷人。根据零星的事实,增添一点猜想,竟能赢得那么多收获!”杰出人物的心灵是相通的,这话虽然出自外行人之口,却道出了科学方法的真谛,那就是: 

不完整的事实(或不严谨的推理)

猜想与假设

可检验的结论

新事实的检验 

在发现万有引力定律的过程中,尽管第谷的观测数据成千上万,但那只是有关太阳系的行星的数据,因此只能算是“零星”的事实;把行星之间的引力推广到月球-地球之间、地球与地面物体之间,以至推广到一切物体之间,这是“猜想”;后来测得了万有引力常量G,于是根据万有引力定律得出了可检验的结论──对海王星的预言。海王星的发现和天体质量的测量则是马克?吐温所说的“收获”。 

新教科书在其他部分也着力体现这样的思想,选修3-4对于狭义相对论的介绍是另一个比较完整的例子。 

综上所述,按照教科书的线索,让学生从“怪异”的行星运动、繁杂的观测数据出发,越来越清晰、越来越深刻、越来越简洁地看到自然的规律,而后又进一步看到这些科学活动的伟大成就,这样愉悦的心理过程与欣赏一件艺术品的心理过程是一致的,这是一种审美体验。多次经历这样的体验,学生会产生对科学的亲近、热爱,以至“着迷”。 

这个例子再一次说明,情感态度价值观这个维度是科学本身所固有的,它不是人为地“贴”上去的。落实三维课程目标的前提是学生学懂物理学;或者说,与物理学本身脱节的、牵强的情感态度价值观的教育(以及牵强的过程与方法的教育)是不存在的。 

教科书为渗透情感态度价值观教育还做了其他努力。例如,在学到“万有引力理论的成就”时有这样一段旁批: 

有人问李政道教授,在做学生时,刚一接触物理学,有什么东西给他的印象最深?他毫不迟疑地回答,是物理学法则的普适性深深地打动了他。 

  物理学基本规律的简洁性和普适性,使人充分领略了它的优美,激励着一代又一代的科学家以无限热情献身于对科学规律的探索。 

  在学到“科学足迹──人类对行星运动规律的认识”时引用了这样一段话: 

西方现代科学肇端于文艺复兴时代,而文艺复兴的主要任务和最大的贡献却是美术。从表面看,美术是情感的产物,科学是理性的产物,互不相干。何以“这位暖和和的阿特(art)先生,会养出一位冷冰冰的赛因士(science)儿子?”究其原因,在于二者有共同的母亲,这就是“自然夫人”,即源自“观察自然”。 

── 梁启超  

教科书的编者认为,科学并非自然本身,它是人对自然认识的过程与产物,因此,编者希望在教科书中介绍的科学内容不再是独立于人生的冷冰冰的公式和法则,教科书要使学生通过科学内容看到其背后人的智力活动与人的情感。 

(二)质疑与求知,批判性思维 

质疑与求知的欲望是人的天性,是科学发展与人类进步的基础,各级教育都应该鼓励和发展这种天性,而不应摧残它,使它泯灭。前面“三、探究精神贯穿始终”中的例子都包含了提出问题的要素,其实这就是质疑精神与质疑习惯的培养。 

除了这些之外,教科书还在其他很多地方做了努力,下面是另外一些例子。 

《必修1》在学过参考系和运动的相对性后有一道题,引用了宋代诗人陈与义的诗句,其后问道:“……你对诗人关于“榆堤”、“云”、“我”的运动与静止的说法有没有不同的认识?”诗人认为“云与我具东”;有的学生则认为只有“我”在向东运动,而云尽管看起来在跟着人一起走,其实可能没有动或动得很慢,只是船上的人看到岸边景物飞快地后退,错以为云也在随人一起运动。但是,有的学生也会提出别的说法。这个问题不求统一的认识,只要学生敢想,不迷信书本,就达到目的了。 

《必修1》第一章在手持式GPS定位器照片的图下文说:“这个GPS定位器此刻处于我国哪个城市的什么部位?从显示屏中你还能获得哪些信息?”提出了问题,目的并非是要学生通过这个问题的答案再学到什么知识,而是通过“提问-寻找答案、提问-寻找答案……”的方式让学生逐渐形成质疑的习惯。 

  《必修1》在学过了速度的概念之后有一幅协和式客机的照片,图下文说:“……是惟一的超音速客机。但是,它的能耗太大,飞行和维护的成本太高,加之起飞和降落时的巨大噪声,以及安全隐患,所有协和式飞机于2003年10月已全部退出运营。近30年的“协和史”引发人们深思:有没有必要无限制地追求‘高速度’?”通常人们都认为交通工具越快越好,但这里提出一个相反的问题,引发学生思考。编者并非要让学生接受某个特定的观点,这段话的目的是引导学生对于习以为常的观点做出质疑,这是一种批判性思维。这类内容不需要教师去“教”,有一部分学生看了看、想了想,心里画了一个问号,编者的目的就达到了。这些文字的目的是使学生存疑,而不是为学生解惑 

除了在具体的问题上鼓励学生探索与思考之外,教科书还从更高视角展示人类对自然的永恒的探索。 

《必修2》在“宇宙航行”这一节引用了火箭飞行理论的创始人齐奥尔科夫斯基的名句:地球是人类的摇篮,但是人类不会永远生活在摇篮里。这一节里还有两幅照片,一幅是我国第一位航天员杨利伟,展示我国航天事业的成就;另一幅是已经牺牲的美国哥伦比亚号航天飞机上的七位航天员,以此衬托人类探索自然奥秘的永恒而悲壮历程。  

(三)实验是检验真理的最终标准 

  这个思想在展开全书所有内容时都有所体现,而在《必修1》最后相当于实验总论的“学生实验”中又做了集中的说明。 

首先,教科书举出了古代的例子──伽利略对自由落体、物体运动的原因等力学问题的实验研究。对此前面已有详述。 

然后举出了近代的例子:电磁学的发展。 

库仑、安培、法拉第等人对静电、电流、电磁现象的实验研究积累了大量资料,这使电磁学来到了大发展的前夕。这时出现了一个具有很好数学背景的物理学家──麦克斯韦,他把实验定律加工,添上自己的猜想与假设,于是电磁学的规律在他的手中变成一个几乎完美的理论,他由此预言了电磁波的存在。然而他的理论正确与否最终还要靠实践的检验,这就是赫兹关于电磁波的一系列实验。 

教科书的这段叙述是要展示这样的事实:大多数情况下实验对理论的验证并非对理论的原始表述的验证(过去教学中关于理论与实验关系的处理容易给学生这样的假象),而是要由理论得出“可检验的结论”,之后再通过实验检验这样的结论,以间接地检验理论本身。 

与过去的教学不同的是,新教科书注意到了要从近代和现代物理学的角度展示理论与实验的关系。中等以上文化程度的人大多知道杨振宁、李政道曾经获得诺贝尔奖,但是更多的事就不知道了。其实这是关于理论与实验关系的一个很好的实例。新教科书在“学生实验”的总论中,以通俗的形式做了简单介绍。书中指出,他们在分析了实验事实后开始怀疑“宇称守恒”这个当时所谓的定律,经过理论的研究,找出在哪些情况下宇称可能不守恒,并进一步指明实验检验的方向。不久,吴健雄等人通过实验找到了宇称不守恒的确凿事例。教科书引用这一事例还有一个目的:一方面,杨、李二人并没有亲自做实验,但谁也不能说他们的工作不是科学探究;另一方面,他们的课题是从对实验数据的分析中来的,他们的结论要靠实验来检验。这样就让学生看到了理论与实践关系的一个真实图景,避免肤浅的、形式主义的认识。 

教科书不仅介绍了古代的、近代的、现代的,还介绍了有待将来解决的问题:关于引力波的实验。这样做的目的是给学生一个印象:物理学是动态的、发展中的科学。 

七、学生实验的写法与过去不同 

过去的教学大纲列出了22个实验,并在“说明”栏目中指出了所用的器材和方法。不仅如此,由于当时教科书的惟一性,实验的操作实际上也被固定下来了。 

课程标准与此不同,它在“内容标准”中给出的是物理实验方面的能力要求,实验的数量比过去多,但对具体器材、方法、操作等的要求却是非刚性的。应该做的学生实验与其他教学内容结成一体,散落在各个模块中。 

因此,新教科书中的学生实验不能让学生“照方抓药”,而是做了以下改变。 

  (一)增加了探究性 

探究精神要贯穿于整个课程,包括学生实验在内。中学课程里的学生实验有探究性的、验证性的、测量性的(少数几个所谓实验用于技能训练,其实算不上“实验”),即使是验证性的实验,也要体现探究精神。 

例如,《必修2》中有一个实验“验证机械能守恒定律”,过去学生按教师的指示,一步一步地操作,得出结论就可以了;现在不同了,在简述了实验原理之后,教科书提出了以下几个“要注意的问题”。 

1)重物下落过程中,除了重力外会受到哪些阻力?怎样减少这些阻力对实验的影响? 

  (2)重物下落时,最好选择什么样的两个位置作为过程的开始和终结? 

  …… 

  这段课文是在“提出问题”,学生要做的是做出猜想、然后通过自己的操作或者逻辑分析得出结论。实际教学中有的学生就曾指出,空气阻力未必是最重要的,纸带与计时器的摩擦对实验的影响可能更大。学生还特意把打点计时器调得不再竖直,把这种情况下测得的下落速度与调直时的测量结果对比,以支持他的观点。这不就是在做科学探究吗? 

  前面谈过另一个学生实验“探究求合力的方法”(《必修1》第三章),那也是一个实例。那段课文没有像以前一样写明应该怎样操作、会看到什么现象、现象说明什么问题、最后得出什么结论,而是在简单介绍原理之后指出“探究时应该注意下面几个问题”。这几个问题实际上是对学生的指导,不过不是用灌输的方式,而是引导学生通过自己的思维活动,在独立思考的基础上获得知识。这样做不仅能使学生更好地学到这段知识,更重要的是使学生提高今后获取知识的能力,发展自己的独立人格。 

(二)突出科学思想 

与操作技能相比,实验中的科学思想与科学方法更重要。 

例如,过去用打点计时器测量瞬时速度时,强调的是:纸带上某两点间的平均速度等于时间中点的瞬时速度。现在强调的是:足够小的间隔中的平均速度等于其中任意一点的瞬时速度。为此,教科书第一个测量瞬时速度的实验不是测量重物牵引的小车的速度,而是测量手拉纸带这样无规则变化的速度(这时平均速度与时间中点的瞬时速度没有确定的关系)。这样做的目的是强化瞬时速度和平均速度这两个概念。 

又如,过去借助打点计时器测量加速度时总要利用公式,其实这个公式只能用于匀变速直线运动,没有普适性;用纸带测量加速度的这个方法,在进一步学习中、在技术中,都没有任何用处。新教科书测加速度的基本方法是在速度-时间图象里测量曲线的斜率。这个方法突出了加速度的物理意义,也能迁移到其他物理量的测量中去。 

再一个例子。《必修1》第三章有一个学生实验:“探究加速度与力、质量的关系”,这个实验也体现了编者在实验中对科学思想的重视。这段教学的线索如下。 

分析实例:大汽车与小汽车、一般客车与赛车,获得加速度与力、质量关系的感性认识

关于加速度与力的关系的实验,给出思路和数据处理建议

关于加速度与质量的关系的实验,给出思路和数据处理建议

协助学生解决两个操作问题

(加速度的测量、力的提供和测量,图4.2-4提供案例)

由实验结果得出结论 

这里贯穿的科学思想是:由经验做出猜测,做实验为猜测提供新的、半定量的佐证。需要强调的是,不能期望这个实验获得“aF成正比、am成反比”的确切结果,实际上也没必要存有这样的期望,因为科学定律本来就不是从有限的实验数据直接归纳出来的。 

  再看《必修2》中的一节:探究功与物体速度变化的关系。这节的逻辑线索如下。 

指导思想:能量与做功有关      感性认识:能量(动能)与速度有关

↓          

提出的问题:做功与速度的变化有什么关系?

解决的思路:更换橡皮筋,使做功加倍,用纸带测速度

操作技巧:使木板倾斜以做补偿

数据处理:分别作出各种图象

Wv?、Wv2?、Wv3?…… 

  这段教学不能满足于让学生按步骤操作,更不能使学生陷入操作的枝节问题,逻辑线索要在学生头脑中清晰起来。 

(三)加入了设计因素 

教科书注重实验原理,至于具体操作,鼓励师生因地制宜,自行设计。例如,《必修2》有个研究平抛运动的实验,课文着重讲实验原理,至于怎样获得平抛运动的样本,教科书提供了几个方案,供选择,师生也可以设计自己的方案。大多数学生实验都有类似的处理。 

与过去相比,上面的三项变化基于编者这样一个理念:大家常说的“实验技能”,主要指心智技能,而非手工技艺。分析历史上的著名实验可以看到,它们之所以著名,原因在于设计新颖,并不在于操作者的手工技艺多么高超。21世纪对于优秀技工的要求则是脑力劳动主导下的手脑并用,不但手要巧,心更要灵。 

(四)用信息技术改造原有的实验 

将信息技术与物理课程整合,特别是把信息技术应用到物理实验中,是课程标准的要求,教科书介绍了几个用传感器和计算机做的实验。鉴于各校的情况不同,这些实验放在了“做一做”的栏目中,也就是说不做这几个实验并不影响后续学习。但是,教科书中有这样的实验,表示了编者的倾向,在条件具备时应该让学生做一做。 

对于这样的实验,一种不同的意见认为有碍基本技能的训练。编者的主张是,基本操作技能是随时代而变的,手工纺纱织布的技能现在已经不重要;十几年前关于计算器是否会取代珠算的争议现在已见分晓。在各个学科中深入应用信息技术不仅有助于提高学生的技术水平,而且能使学生熟悉以后的职业环境;现在哪个行业能够离开计算机呢?减少了繁琐的重复性的操作和计算,由机器快速进行数据处理,这样就能在短时间内得到不同条件下的更多的实验结果,更有利于对科学结论的思考,更有利于物理内容的学习。 

编者反对所谓的虚拟实验,即用鼠标在屏幕上移动器材进行的“实验”。尽管这样的“实验”节省物资、节省时间,但它会在情感态度价值观方面产生负面的教育效果:学生失去了发现自然规律时的振奋感,更没有误操作损坏器材甚至伤害人身的担心──学生失去的是对自然和自然规律的敬畏!出于这些考虑,教科书中涉及计算机的实验都是真实的物理实验,而且大多数都是过去常做的,所不同的是,测量方法先进了、数据处理方法先进了。 

 八、其他问题 

(一)怎样处理课程标准中没有明确写出的知识点 

新教科书中的某些知识点没有明确地在课程标准中出现,应该怎样处理这些内容?这里以《必修2》中“探究弹性势能的表达式”一节为例,说明编者的意图。这节的逻辑线索如下 

通过弹簧等实例引入弹性势能的概念,提出本节任务

回忆影响重力势能的因素,推测影响弹性势能的因素

根据能量与做功的关系的思想指出:通过拉力做的功来研究弹性势能

拉力做功的特点:伸长不同时的拉力不同,但可认为一小段中的拉力不变

每小段中的功加起来,就是拉力做的总功

回忆计算匀变速运动位移的方法:图线以下的面积可以代表…… 

这节所需的知识准备是势能的基本概念、影响重力势能的因素、做功与能量变化的关系。所需的科学方法的准备同样包括做功与能量变化的关系,还包括“以不变的量代替变化的量”的方法、利用图象求和的方法(复习位移公式)。学习时还需要学生熟悉科学探究的要素,包括提出问题、猜想与假设、分析论证等。 

由此我们看到,学习这节所必需的知识、方法(含科学思想),以及对科学探究的认识,都是高中物理的基本内容;而探究的结论,即并不重要,所以它没有在课文中出现,课后也没有用它来解的题目,因此这个结论不需要记忆。教学中完全可以把它当做一节复习课、习题课,用以巩固高中物理的基本内容。学生做过那么多习题,难道都要把结论背下来吗? 

编者把这样的问题做习题课处理,是出于这样的认识:习题的物理情境应该是可实现的、有意义的,用本节的问题来使学生进一步学习基础知识、科学方法,熟悉科学探究,要比从臆想中来的题目好得多。 

必修和选修的教科书中都有少量知识点,在课程标准中没有明确出现,编者的意图与此相同,教学中可以同样处理。 

(二)符号和术语 

有的老师问:《必修1》研究直线运动时位移符号用的是x,而不是l,编者有什么考虑? 

首先要明确的是,教科书符号的使用是严格按国家标准执行的,例如力的符号一定要用F,不能用NT之类的字母,如果要区分不同的力,可以加下标。近年来几个版本的教科书都是这样做的。国家标准没有给位移规定符号,因此编者就有了一定的自由度。这就像一个矩形的边长,可以用ab表示,也可以用cd表示,还可以用x1x2表示,都没有问题。因此,新书用x表示位移是可以的。 

那么,为什么不再沿用ls等字母呢?在研究运动和力时,新书突出了坐标系的作用,所以质点沿着坐标运动时,它的位置、位移都用表示坐标轴的字母。这里隐含着“位移是位置变化”的意思。 

可能大家又会问,为什么到了《必修2》,研究做功的时候位移的符号又用ls了呢?原来尽管功是力与位移这两个矢量运算的结果,但中学物理计算功时,力和位移都是作为整体的矢量研究的,从来不做投影式的运算,这里反而不应该突出坐标系的作用。国家标准没有规定位移的符号,但是规定了“程长”的符号:ls,所以在计算的功的时候教科书采用了这两个字母表示位移。 

一般说来,教科书在突出坐标的作用时用xyz等字母表示位移,不打算突出坐标的作用时则用ls。当然,学生不这样用也不为错,而且用不着向学生说上面那些话,教师明白其中的缘由就可以了。 

一个新的问题是:既然x的本意是坐标,即表示质点的位置,现在又用它表示位移,它的大小是个长度,怎样区别这两种情况?答案是:看上下文。 

例如,在导出公式xv0tat2的过程中,我们是把x当做位移处理的,但这个位移是对于原点的位移,所以x同时也是质点的坐标。 

编者的观点是,不必拘泥于符号和术语,在具体运用中不发生误解就可以了。像速度和速率、平均速度和瞬时速度,以及物理课中的正负离子和化学课中的阴阳离子,都是这样。在《必修1》第一章中有一道习题,计算京九铁路中某一区间的平均速度。这道题引发了一场讨论,有的老师认为应该引入平均速率的概念。其实,大家都明白这里要计算的是哪个物理量。不仅日常生活中说到铁路运行时大家会说“平均速度”,在科学技术上这么说也不可能引起误解。教学中应该引导学生抓住科学本质,不要纠缠于符号、术语,反对学究式的讨论。 

(三)条件“不好”,怎样落实新课程? 

  新教科书的许多内容放在了“思考与讨论”这个栏目中,有的老师说,我的班额太大,七八十人,怎么进行讨论?实际上,设置这个栏目,是因为学到这里时容易出现几种可能的想法,教科书把它展示出来,以启发学生的思考。书里说的“讨论”,其实是指思想的交锋。极端情况下,教师在台上唱“独角戏”,同样可以体现思想的交锋,关键是教师要能够“解剖”自己,也就是把自己的思维展示给学生。教师可以自问自答,也可以提出可能的疑问、可能的尝试,留出几秒钟给学生自己去思考,做判断。关键是教师要放下教育者的架子,自己扮演学习者的角色,沿着初学者的思路,进行各种可能想法的试探,与学生共同学习。“思考与讨论”需要的不是形式,而是师生之间思维的活跃、心灵的沟通。 

  “我当老师多年,现在实行新课程,反而不会教书了。”这是一种误解。新课程并不神秘,多年来我们都在提倡“启发式”“以学生为主体”等多种理念,这些理念早已深入人心。新课程继承了这些理念,把它们肯定了、落实了,新的教科书更是把它们落实到文字上,把它们具体化了。 

也许有的老师过去对这些理念考虑得少些,也许有的学校的条件相对差些,这都没有关系,从现有的基础出发向前走就是了。新课程没有僵死的样板,它是一个方向、一种进步,任何条件下都要进步,从任何起点都可以进步。

 
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