常金燕 陳志華 林秀敏 黃艷紅

摘? ?要：以“超重和失重”為例，基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)視角對(duì)新舊人教版高中物理教材進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明新教材在物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任上都進(jìn)行了體現(xiàn)和深化。內(nèi)容呈現(xiàn)更豐富、編寫(xiě)思路更清晰，更有利于培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的需求。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);新舊教材;超重和失重

為落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（下稱(chēng)2017版課標(biāo)）提煉出學(xué)科核心素養(yǎng)并進(jìn)行水平劃分，此后各版本高中物理教材均以此為指導(dǎo)文件進(jìn)行了重新修訂。本文通過(guò)對(duì)比人教版新舊兩版教材中“超重和失重”的內(nèi)容，淺析新教材如何更好體現(xiàn)培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)——“物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的需求，幫助教師理解新教材的編寫(xiě)意圖，從而在教學(xué)中更好地運(yùn)用教材。

1? 新舊教材內(nèi)容對(duì)比

對(duì)比新舊教材差異之處，能幫助教師體會(huì)其改進(jìn)意圖，用好教材，把握教學(xué)側(cè)重點(diǎn)。本文選用人教版2019年和2010年出版的高中物理教材作為對(duì)比版本?！俺睾褪е亍弊鳛榱W(xué)部分的重要內(nèi)容，均安排在兩版教材的必修一中。但在新教材中，其所處章節(jié)及知識(shí)點(diǎn)的編排都做了相應(yīng)調(diào)整，如表1所示。

1.1? .欄目設(shè)置

欄目的形式和內(nèi)容是教科書(shū)課程目標(biāo)與教育理念的重要載體[ 1 ]。舊教材中，“超重和失重”僅以第四章第七節(jié)中的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)，圍繞一道例題展開(kāi)論述，未設(shè)置相關(guān)的其它欄目。而新教材將其重新規(guī)劃，擴(kuò)展為第四章中完整的一節(jié)，設(shè)置了以下欄目：?jiǎn)栴}、思考與討論、做一做、例題、練習(xí)與應(yīng)用。與舊教材相比，新教材的欄目設(shè)置更注重情境創(chuàng)設(shè)及情境的豐富性，更利于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng);問(wèn)題搭建更加符合學(xué)生由簡(jiǎn)到難的思維進(jìn)階過(guò)程，思路更加清晰，分析更加透徹，更能拓寬解決問(wèn)題的思維方式;而選擇貼近生活且借助嚴(yán)謹(jǐn)有效的器材進(jìn)行探究的物理實(shí)驗(yàn)，更能幫助學(xué)生科學(xué)態(tài)度的形成。

1.2? 教材內(nèi)容呈現(xiàn)

舊教材中，“超重和失重”所占篇幅較小，其定義由一道牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用例題引出。該例題討論了電梯加速上升、加速下降或減速上升時(shí)人對(duì)電梯地板的壓力，然后將該壓力與人的重力進(jìn)行大小比較，給出了超重與失重、完全失重的定義。在教材右側(cè)的高亮部分給出了生活中學(xué)生容易觀察到的超重或失重現(xiàn)象：人站在體重計(jì)上下蹲或起立過(guò)程中，體重計(jì)示數(shù)會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)強(qiáng)調(diào)了地球?qū)ξ矬w的實(shí)際作用在超重或失重現(xiàn)象中都是保持不變的。

新教材中，“超重和失重”所占頁(yè)面明顯增多，內(nèi)容更加豐富?！皢?wèn)題”欄目選用體重計(jì)示數(shù)變化來(lái)引入新課。正式教學(xué)以介紹兩種重力測(cè)量方法展開(kāi)，接著分析問(wèn)題：人在體重計(jì)上運(yùn)動(dòng)，體重計(jì)示數(shù)為何會(huì)變化？應(yīng)用牛頓第二定律和第三定律求解視重，比較視重與重力的大小，自然引出超重與失重的定義。在“思考與討論”欄目中，給出了人下蹲或站起時(shí)力傳感器示數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，讓學(xué)生根據(jù)曲線分析超重與失重。在“做一做”欄目中，讓學(xué)生在電梯中測(cè)體重，觀察體重計(jì)示數(shù)。隨后給出例題，同舊教材一樣計(jì)算電梯勻加速上升時(shí)人對(duì)電梯的壓力，不過(guò)新教材給出人的具體質(zhì)量和電梯加速度的大小，與“做一做”欄目緊扣，更直觀地分析了其中的超重與失重現(xiàn)象。最后描述完全失重狀態(tài)并拓展學(xué)生視野，并介紹其它領(lǐng)域的超重與失重現(xiàn)象。

2? 核心素養(yǎng)的具體體現(xiàn)

2.1? 呈現(xiàn)方式，凸顯物理觀念

從章節(jié)名稱(chēng)來(lái)看，舊教材必修一的第四章為《牛頓運(yùn)動(dòng)定律》，介紹了牛頓運(yùn)動(dòng)三定律，注重知識(shí)模塊的完整性;新教材第四章為“運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系”，只介紹牛頓第一定律和第二定律，其實(shí)更加關(guān)注物理觀念間的聯(lián)系。牛頓第三定律雖然也涉及力，卻與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，與本章主題不合;分析超重、失重現(xiàn)象就是在運(yùn)動(dòng)中分析力，與本章主題完全契合。因此，整合章節(jié)時(shí)，新教材刪去“牛頓第三定律”，單列一節(jié)“超重和失重”。顯然，新教材更突出體現(xiàn)了“運(yùn)動(dòng)與相互作用”之間的關(guān)系，意在提升學(xué)生應(yīng)用運(yùn)動(dòng)觀念和相互作用觀念描述和解釋自然現(xiàn)象的能力。

從情境呈現(xiàn)來(lái)看，新舊教材在引入超重和失重現(xiàn)象時(shí)，都結(jié)合了生活情境：體重計(jì)與電梯。但是舊教材以例題展開(kāi)，直接將生活情境抽象簡(jiǎn)化為具體物理習(xí)題，學(xué)生的思考完全按照習(xí)題意圖進(jìn)行：應(yīng)用牛頓第二定律解決物理問(wèn)題，缺少自我升華的過(guò)程。新教材則給予學(xué)生更多理解思考的空間，描述現(xiàn)象、提出問(wèn)題、搭建支架、逐步分析、歸納總結(jié)、類(lèi)比應(yīng)用。讓學(xué)生直觀地感受到體重計(jì)的示數(shù)變化是由于人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化，從而進(jìn)一步地思考運(yùn)動(dòng)和力之間到底是什么關(guān)系，培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。除了體重計(jì)，還創(chuàng)設(shè)了電梯、力傳感器等情境。當(dāng)然，分析這些情境時(shí)必然需要運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，但新教材的這種安排更強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)和由相互作用而產(chǎn)生的力之間的關(guān)系。

2.2? 內(nèi)容編排，利于培養(yǎng)科學(xué)思維

“科學(xué)思維”包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新[ 2 ]。

對(duì)比舊教材，新教材中超重和失重作為完整的一節(jié)內(nèi)容，其編排上有了較大改變，內(nèi)容呈現(xiàn)順序更符合學(xué)生接受新知識(shí)的思維過(guò)程，能夠更大限度地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。新教材為了自然引入超重與失重現(xiàn)象，增加了“重力的測(cè)量”這部分內(nèi)容，這屬于模型建構(gòu)過(guò)程。

“重力的測(cè)量”介紹了兩種測(cè)量重力的方法：一種是利用牛頓第二定律;另一種是利用力的平衡條件。根據(jù)力的平衡條件可知，當(dāng)被測(cè)物體靜止時(shí)，其所受重力等于測(cè)力計(jì)示數(shù);當(dāng)物體不處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，測(cè)力計(jì)示數(shù)與物體實(shí)際重力就不再相等。若測(cè)力計(jì)示數(shù)（即視重）大于重力，定義為超重現(xiàn)象;若示數(shù)小于重力，則定義為為失重現(xiàn)象。根據(jù)該依據(jù)去判斷、得出結(jié)論的過(guò)程，就是科學(xué)推理的過(guò)程。

此外，筆者通過(guò)閱讀與此章節(jié)相關(guān)的文獻(xiàn)和教輔參考書(shū)，多次看到這樣的結(jié)論：當(dāng)物體具有向上的加速度時(shí)，其處于超重狀態(tài);反之，當(dāng)物體具有向下的加速度時(shí)，其處于失重狀態(tài)[ 3 ]。這時(shí)，為了培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力，提出問(wèn)題：上述結(jié)論（以下稱(chēng)二次結(jié)論）是否具有普適性？教學(xué)中可以創(chuàng)設(shè)這樣一個(gè)情境：第四代戰(zhàn)斗機(jī)的加速度已經(jīng)達(dá)到7 g（g為重力加速度）以上，當(dāng)飛機(jī)以7 g的加速度向下加速時(shí)，判斷此時(shí)被固定在座椅上的飛行員處于超重還是失重狀態(tài)[ 4 ]。根據(jù)超、失重的定義，飛行員應(yīng)屬于超重狀態(tài);而根據(jù)二次結(jié)論，飛行員處于失重狀態(tài)，顯然在此情境中二次結(jié)論不適用。進(jìn)一步分析論證可知此二次結(jié)論成立的條件為：物體所受支持力（拉力）與重力方向相反。因?yàn)樾枰容^的是物體所受重力及支持力（拉力）的大小，而加速度方向只能表示物體所受合力方向。當(dāng)重力與支持力方向相反時(shí)，合力方向確實(shí)能表示二力的大小關(guān)系;但若二力方向一致，仍利用加速度方向來(lái)判斷二力大小，則為謬論。由此得出結(jié)論，物體處于超重或失重現(xiàn)象的判斷依據(jù)，需從物體所受重力及支持力（拉力）的大小進(jìn)行分析，不能僅根據(jù)加速度方向來(lái)判斷。飛行器這個(gè)情境的提出，不僅能促進(jìn)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力，更能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證的能力。

新教材教學(xué)內(nèi)容的最后，還有這樣一句話：“超重和失重現(xiàn)象在實(shí)際中還有許多，請(qǐng)你通過(guò)讀書(shū)、上網(wǎng)、請(qǐng)教專(zhuān)業(yè)人員等多種途徑進(jìn)一步學(xué)習(xí)和了解”[ 5 ]。這有意識(shí)地給學(xué)生打開(kāi)一個(gè)窗口，不將超重與失重現(xiàn)象局限于教學(xué)過(guò)程中所涉及的情境。教師可以充分挖掘這句話的含義，從多角度激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，啟發(fā)學(xué)生思考斜面上運(yùn)動(dòng)的物體、水平方向上運(yùn)動(dòng)的物體，是否存在超重、失重現(xiàn)象。同時(shí)，這種不對(duì)學(xué)生提出具體硬性要求、學(xué)生可根據(jù)自身情況自主學(xué)習(xí)課堂之外內(nèi)容的做法，更利于學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。

2.3? 倡導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)科學(xué)探究能力

眾所周知，物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。2017版課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此節(jié)內(nèi)容的要求也體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的重要性：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象[ 2 ]。舊教材也涉及探究能力的培養(yǎng)，提出人在體重計(jì)上運(yùn)動(dòng)時(shí)有超重、失重現(xiàn)象，但寥寥幾句未做更多的解釋。新教材中增設(shè)了思考與討論、做一做兩個(gè)欄目，給學(xué)生循序漸進(jìn)地理解超重和失重搭建了很好的支架。

隨著科學(xué)的發(fā)展，更準(zhǔn)確更先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法不斷呈現(xiàn)，新教材將其吸納，讓學(xué)生了解新事物。新教材的思考與討論欄目中，用力傳感器代替體重計(jì)，實(shí)時(shí)采集下蹲和站起過(guò)程中人對(duì)傳感器的作用力，并通過(guò)計(jì)算機(jī)描繪出力隨時(shí)間的變化曲線，如圖1所示，然后請(qǐng)學(xué)生分析其中的超重和失重情況。該問(wèn)題能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。由圖1學(xué)生根據(jù)牛頓第二定律和力的平衡條件可以判斷人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和視重與重力大小關(guān)系間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后再根據(jù)定義判斷失重或超重狀態(tài)，如表2所示。在整個(gè)探究過(guò)程中，可以采用分組討論的方式，對(duì)視重變化原因給出合理充分的解釋。本欄目可呈現(xiàn)出科學(xué)探究維度中問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流四大要素[ 6 ]。

而做一做欄目讓學(xué)生自行實(shí)驗(yàn)：在電梯地板上放一臺(tái)體重計(jì)。站在體重計(jì)上，觀察電梯啟動(dòng)、制動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中體重計(jì)示數(shù)的變化[ 5 ]。教師可通過(guò)讓學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式，檢查學(xué)生自行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，促進(jìn)學(xué)生提出問(wèn)題、收集證據(jù)、處理數(shù)據(jù)、理論解釋、合作交流、實(shí)驗(yàn)反思等能力。

2.4? 結(jié)合前沿科技，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任等要素[ 2 ]。

舊教材只分析了直線運(yùn)動(dòng)中的超重與失重現(xiàn)象，易給學(xué)生留下這兩種現(xiàn)象只在直線運(yùn)動(dòng)中存在的錯(cuò)誤認(rèn)知。而新教材在本節(jié)末尾列舉了其它領(lǐng)域的超重、失重現(xiàn)象，如火箭發(fā)射、航天器繞天體飛行等。既包含火箭的直線運(yùn)動(dòng)，也含有航天器的曲線運(yùn)動(dòng)，使學(xué)生清楚地知道超重與失重并不只局限于直線運(yùn)動(dòng)中，更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)超重與失重的科學(xué)本質(zhì)。新教材列舉的這些內(nèi)容與后續(xù)必修第二冊(cè)中的第六章第四節(jié)“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)，航天器中的失重現(xiàn)象”形成合理的銜接。此外，新教材中“超重和失重”的內(nèi)容安排從與日常生活息息相關(guān)的現(xiàn)象開(kāi)始，到航天前沿科技結(jié)束，可以讓學(xué)生更深刻地體會(huì)物理與自然及人類(lèi)社會(huì)之間的密切關(guān)系、物理對(duì)國(guó)家進(jìn)步和國(guó)家安全的重大作用，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)其為實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)而努力學(xué)習(xí)的擔(dān)當(dāng)和社會(huì)責(zé)任感。

3? 結(jié)果和討論

“重力的測(cè)量”內(nèi)容看似簡(jiǎn)單，但其實(shí)是必不可少的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，不僅能幫助學(xué)生正確理解超重和失重現(xiàn)象，更能使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)和力之間的關(guān)系。因此，新版人教版教材對(duì)于“超重與失重”此節(jié)內(nèi)容在頁(yè)面篇幅、內(nèi)容編排、欄目設(shè)置等方面的改動(dòng)較大。新版教材的呈現(xiàn)方式更利于教師正確把握“超重、失重現(xiàn)象的判斷依據(jù)”這個(gè)教學(xué)重難點(diǎn)，幫助學(xué)生建立正確的運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀;內(nèi)容編排上更符合學(xué)生接受新知識(shí)的思維過(guò)程，更利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維;新教材倡導(dǎo)學(xué)生自行實(shí)驗(yàn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力;此外，新教材注重結(jié)合科技前沿，利于培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任?？傊ㄟ^(guò)對(duì)人教版新舊兩版教材的分析可知，新教材更有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

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