李文婷 王較過

(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710119)

AP課程*AP是Advanced Placement的縮寫，中文一般翻譯為美國大學先修課程、美國大學預修課程.指由美國大學理事會(The College Board)提供的在高中授課的大學課程.美國高中生可以選修這些課程，在完成課業(yè)后參加AP考試，得到的成績在進入大學后可以轉換為相應課程的學分.的設置不但加強了高中與大學的合作，而且使學生有了合理過渡的課程[1].然而，我國AP物理課程存在教材匱乏的問題.那么，如何才能建設出我國本土的高質量的AP物理教材呢？筆者認為，美國比較成熟的AP物理教材[2]對我國AP物理教材建設是有積極參考價值的.本文以《Physics: Principles with Applications》*《Physics: Principles with Applications》是由Douglas C. Giancoli教授編著的.在美國物理學會從1987年開始的每6年一次調查的近兩次中，這本書在AP物理課程B教學中使用的廣泛率是居于首位的，教師對這本書的評價也最高.這本書從1980年出版以來，已經(jīng)再版了6次.[3](以下簡稱《原理與應用》)中的量子理論部分為例，分析其主要特色，以期對我國的AP物理教材建設提供參考.

1 量子理論部分的內容及其特點

1.1 注重從物理學史的視角引入課題

表1所示為量子理論部分的章節(jié)安排.該章從電子的發(fā)現(xiàn)講起，這是因為作者認為電子的發(fā)現(xiàn)是現(xiàn)代物理的標志，也是量子理論的先驅.由表1可見，《原理與應用》的編寫側重于從物理學史的角度重演科學前進的道路，讓學生像物理學家一樣經(jīng)歷認知的過程.

表1 量子理論部分的章節(jié)安排

1.2 注重科學哲學教育

由于物理學是一切自然科學中的基礎學科，一方面,物理學的重大成就總會直接推動哲學的發(fā)展,另一方面,哲學也給物理學家提供了思維的工具和準則，物理學上的重大突破往往來自思想上的突破[4].由于物理學與哲學的特殊關系，科學哲學在物理教學中具有重要的地位.通過對《原理與應用》的分析，發(fā)現(xiàn)其十分注重科學哲學的教育.下面通過實例，進一步探討《原理與應用》如何體現(xiàn)科學哲學教育.

在“電子的發(fā)現(xiàn)及其特性”一節(jié)介紹電子的發(fā)現(xiàn)時提出“科學中的發(fā)現(xiàn)”這一主題，探討科學中的“發(fā)現(xiàn)”和一般意義上“發(fā)現(xiàn)”的區(qū)別.作者通過提問：“第一個看見玻璃管放電的人應該被認為是發(fā)現(xiàn)電子的人嗎？或者是那個把玻璃管放電稱之為陰極射線的人？”并總結到這兩者都不是.由此提出：科學發(fā)現(xiàn)并不是一個清晰的物質的事實.雖然湯姆孫被認為是電子的發(fā)現(xiàn)者，但事實上他并沒有真正看見電子.并在這一節(jié)的末尾談到：羅素③*③ 伯特蘭·羅素(Bertrand Russell，1872—1970)是20世紀英國哲學家、數(shù)理邏輯學家、歷史學家，代表作品有《幸福之路》《西方哲學史》《數(shù)學原理》《物的分析》等.認為電子是一個“邏輯建設”，它是由一些我們可以測量的特性組成的整體.我們所畫的由一個小球體和一個負電荷的電子圖是沒有說服力的(現(xiàn)在看來是不正確的).同樣在“光的波粒二象性；互補性原理”中談到：波粒二象性是人類大腦的抽象.當我們想要試圖證明光到底是什么時，我們仍然是持有可見的圖式.沒有理由認為來自微觀世界的光子應該與某種模型(或可見圖式)一致.我們最好承認我們用來理解這些間接實驗的日常語言和圖像是有局限性的.作者借此告訴學生物理學是通過抽象的邏輯進行構建的，引導學生思考科學哲學問題，理解科學的本質.

科學研究的起點是科學哲學的重要問題，邏輯經(jīng)驗主義認為“科學研究始于觀察”, 美國科學哲學家亨普爾認為“科學研究始于假說”, 奧地利哲學家波普爾認為“科學研究始于問題”等基本觀點都有其合理之處.為了使學生思考這一問題，作者在《普朗克量子假設》中指出：“事實上，量子假說似乎是普朗克從數(shù)學的角度得到的正確答案，而不像牛頓那樣的發(fā)現(xiàn).在該假說提出之后，普朗克才為常量h的引入尋找了一個經(jīng)典的解釋.”由于在學習早期的量子理論之前，經(jīng)典物理學中，研究對象是宏觀可見的，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)往往起始于對物理現(xiàn)象的觀察，而微觀世界中我們很難觀察某一粒子的行為.由此，作者順利地滲透了量子理論的研究方法，同時誘導學生思考科學研究的起點問題.

尼耳斯·玻爾一生致力于物理學的研究中,然而海森伯卻說:“從根本上來說,玻爾是位哲學家而不是物理學家.” 可見哲學對物理學研究的影響是巨大的.在《原理與應用》中，作者在引入物理概念時，直接從物理學家的哲學觀入手.例如在引入光的波粒二象性時，作者直接以互補性原理為標題，指出研究光現(xiàn)象時，為了解釋某些實驗現(xiàn)象，我們有時候用波動理論，有時候用光粒子理論.如果我們想要對光有一個全面的認識，就要同時理解光波動性和粒子性兩個方面，每個方面都和另一方面是互補的.從而建立起了光的波粒二象性的概念.在介紹德布羅意波時，首先指出德布羅意持有自然界是對稱的自然哲學觀，所以他認為實物粒子也具有波粒二象性，與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波.這體現(xiàn)出物理學本身蘊涵著許多值得探討的科學哲學觀念，從而對學生進行顯性的科學本質觀教育.幫助學生更好地把握科學本質，使學生懂得科學究竟是什么，科學知識是怎樣產生的，科學在社會發(fā)展和進步中的作用，科學和科學方法的優(yōu)點與局限性等等，從而培養(yǎng)學生的科學精神和創(chuàng)新能力[5].

1.3 注重物理知識的實踐價值

《原理與應用》中介紹物理知識在實際中應用的實例多達341個，其中88個是生物和醫(yī)學中的應用，其余的253個為日常生活和科學技術中的應用.由于篇幅所限，表2列舉了量子理論的部分應用，除此之外，第9節(jié)用一節(jié)的內容介紹電子顯微鏡的應用，作者將實物圖和原理圖相結合，詳細地介紹了透射電子顯微鏡(TEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)各自的原理及其三者在應用方面的區(qū)別.

表2量子理論的部分應用實例及其原理

應用實例原理防盜報警器、自動門 光電效應：防盜報警器和自動門中裝有光電管回路，當一個人擾亂了光束，回路中突然斷開的電流起了一個開關的作用，通過電磁閥操作一個鐘或一個門骨質疏松的診斷 康普頓效應：伽馬射線在骨頭上散射，散射輻射的總強度正比于電子的密度，反過來也就正比于骨密度正電子發(fā)射型計算機斷層顯像(PET) 電子和正電子的湮滅：將放射性同位素注入人體，在人體內衰變放出的正電子與人體內的負電子相遇湮滅轉化為一對光子，被探測器采集后，經(jīng)計算機處理生成清晰圖像用于診斷和指導治療腫瘤、冠心病和腦部疾病等

這些應用實例的引介不僅讓學生看到物理知識在實踐中的價值，而且讓學生認識到一些儀器的制造反過來又可以為物理學的研究提供支持.同時，在相關應用的介紹中，普及了生活中的物理原理，如視覺的產生.這些應用實例均促進了物理學科與生物醫(yī)學、生產生活等相關領域的交叉融合，讓學生體會到物理學不光停留在思維的訓練上，它確實可以幫助人類更好的生活，提高了學生的科學素養(yǎng).

習題的設計注重背景設置和應用價值，計算依據(jù)真實的數(shù)據(jù)進行，其結果對認識生活中的一般事物具有指導意義.例如，在黑體輻射部分，要求學生根據(jù)星星的溫度解釋星星的顏色，估計人眼的輻射波長和視覺敏感性這樣的問題，這些題目不僅有物理學背景還有宇宙學、生物學等方面的知識，學生需要通過查閱資料建構物理模型來解決.可以看出這樣的題目更接近于原始物理問題，利于學生切身感受物理量的大小，將物理知識用于生活，培養(yǎng)學生抽象概括思維能力和解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)造性.

1.4 應用注釋減少閱讀障礙

《原理與應用》的作者在沿著自己的邏輯思路敘述的同時，實時地監(jiān)測學生的認知.站在學生的角度對學生可能遇到的問題進行假設，并用注釋的方式給予解釋.解釋的問題既有學生對某一概念的理解偏差導致的學習障礙，也有讀者對于作者編寫某一部分內容意圖的困惑.通過注釋的方式使讀者時刻保持清晰的思路，減少學習中遇到的障礙.例如在“早期原子模型”一節(jié)中，作者對編寫原子模型的建立過程的原因給出了這樣的注釋:“一些讀者可能會說，不要用過時的理論來擾亂我們，告訴我們現(xiàn)在的科學事實.這樣的方式會使我們忽略掉科學具有創(chuàng)造性的一面，給了我們錯誤的科學發(fā)展的印象.而且，沒有洞察是什么樣的觀點導致現(xiàn)在的原子模型建立，我們就不可能真正理解它.”這樣的注釋有利于讀者理清思路，清除學習中遇到的障礙.這就好像教師在課堂教學中允許學生隨時提問一樣，使學生與教師處在相同的思維情境，以保障課堂中教師與學生的互動實時有效.教材編寫時添加必要的注釋能夠使讀者的思維跟作者一致，實現(xiàn)平等、實時有效的對話.這樣的注釋增強了《原理與應用》的可讀性，引導并幫助學生的自主學習.

2 美國AP物理教材對我國教材建設的啟示

2.1 通過科學哲學教育培養(yǎng)學生科學核心素養(yǎng)

前已述及，美國AP物理教材的一個鮮明特點是注重科學哲學教育，通過科學哲學促進學生理解科學本質.目前，人們已經(jīng)達成共識，科學本質是科學教育的一個重要目標，也是學生科學素養(yǎng)的核心要素之一.在中學介紹如互補性原理、奧坎姆剃刀等關于理論的理論也更利于學生的學習.林崇德等對現(xiàn)行課程標準中核心素養(yǎng)的研究指出，物理教學缺乏價值觀培養(yǎng).而科學哲學教育恰好能彌補這一缺憾.因此，筆者認為，可以借鑒美國教材，在我國的物理教材中注重科學哲學的顯化滲透.具體可以借鑒美國教材的做法，通過簡單具體的典型事例引發(fā)學生深刻思考，再給出其中蘊含的普適的哲學原理，也可以借助物理學家的哲學觀點引出其物理學理論觀點.

2.2 AP物理教材編寫應加強學科融合

我國一直強調創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，但由于當前我國教育在目標定位、教育內容、教育方法等方面存在一定的不合理性,致使教育錯位難以培養(yǎng)出符合社會經(jīng)濟發(fā)展所需求的創(chuàng)新型人才[6].當前我國的中學物理教學仍然停留在習題的反復演練狀態(tài)，這雖對學生的思維能力提升有一定的作用，但是學生很難將學到的理論知識應用于生產生活實踐，解決生產生活中的實際問題，各學科之間的交叉融合也十分有限.這就使學生的頭腦里雖然裝滿了知識，卻很難轉化為成果輸出.因此，可以借鑒美國教材，注重學科的交叉融合.在教材編寫中注重物理學在相關領域的應用，并引介物理學前沿的研究，增強知識的時代性.讓學生體會物理知識如何轉化為現(xiàn)代技術，給學生提供實踐和創(chuàng)新的熏陶.讓物理教學從以解題為目的走向為社會發(fā)展而學習.

2.3 從習題走向實踐

美國AP物理教材在習題中設計的問題拉近了物理知識與學生的距離，用生活中常見的事物為問題背景，增加了應用物理于生活的機會，體現(xiàn)出了本書有關“應用”的理念.這可以為我國的習題編寫提供借鑒.另一方面，我國教材習題均注重學生對基本概念原理的理解，即學生經(jīng)歷“學習書本知識-習題演練理解知識-鞏固回歸書本知識”的封閉式學習回路.而美國AP教材習題的開放度比較大，不僅需要借助書本知識，還需要借助網(wǎng)絡等其他資源，實現(xiàn)解決現(xiàn)實問題的目的.這就為學生學習打開了一個窗口，使學習走向實踐且變成一個開放的狀態(tài)，為學生提供實踐的機會.我國的物理教材在課后作業(yè)的設置上應該考慮習題和問題的區(qū)別，增加基于生活的原始問題和基于實踐的活動項目，使學生從題海邁向實踐，使學習目的從做對題目轉變?yōu)榕囵B(yǎng)能力.

1 張笑巖. 美國AP課程述評. 基礎教育參考, 2010(9): 27～31

2 Casey Lang Tesfaye, Susan White. High School Physics Textbooks, Resources and Teacher Resourcefulness: Results from the 2012-13 Nationwide Survey of High School Physics Teachers. College Park: AIP Statistical Research Center, 2014: 1～16

3 Douglas C. Giancoli. Physics: Principles with Applications. London: Pearson Education, 2014: 771～802

4 宋麗艷. 論哲學與物理學的發(fā)展關系. 中山大學學報論叢, 2005, 25(04): 65～67

5 胡誠. HPS融入科學課程的研究：[學位論文]. 武漢: 華中師范大學, 2006.10～19

6 郭世田. 當代中國創(chuàng)新型人才發(fā)展問題研究：[學位論文]. 濟南: 山東大學, 2012.64～65