從美國主流教科書插圖看物理核心素養的滲透
——以“動量”為例

惠宇潔 陳 嫻

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

教科書是落實國家課程標準的最重要的舉措和手段,學生核心素養的發展,呼喚基于核心素養的教科書.[1]插圖是指教科書中具有直觀、形象特點的圖片、照片、圖像、圖表等儲存和傳遞教育信息的系統,能夠表達那些用文字難以言狀的空間和具體的細節.美國物理教科書市場競爭充分,教科書內容不斷與時俱進,其中的插圖也需反復斟酌和挑選,插圖的質量普遍較高.本文分析美國主流教科書插圖的特點及核心素養的滲透,希望提供一些啟示和建議.

1 教科書基本情況

1.1 主流高中教科書

美國高中物理課程是一門選修性質的課程,根據學生的學習水平和未來發展分為常規課程、概念課程、榮譽課程、先修課程、第一課程等幾種課程類型,學校根據不同的課程可自由選擇合適的物理教科書.

美國物理協會(AIP)統計研究中心對1987—2013年中高中物理教科書的使用情況所做的調查顯示(表1):[2]雖然《概念物理》(Conceptual Physics)、《物理原理與問題》(Physics:Principles and Problems)是美國20多年來的傳統物理教科書,即使近年來被《豪爾特物理》(Holt Physics)逐漸趕超,但總體而言目前這3本是美國高中使用率最高的物理教科書.

《概念物理》多用于概念課程或第一課程,課程針對今后不打算從事理科工作的學生,對數學運算的要求低,主要強調理解和運用與生活環境相關的物理概念,旨在提升學生學習的興趣和對物理探究的熱情.《物理原理與問題》和《豪爾特物理》則多用于難度較大的榮譽課程和先修課程,注重物理問題的解決和實驗的定量分析,面向有較強的理科功底并喜歡物理的學生.表1為1987—2013年美國這3本教科書使用情況比較.

表1 美國高中物理教科書使用情況的調查(1987—2013)

*表示少于10%;—表示沒有單獨涉及

1.2 “動量”插圖統計

筆者選擇“動量”這一章,從插圖的數量、類型、內容對《物理原理與問題》、[3]《豪爾特物理》、[4]《概念物理》[5]3個版本教科書的插圖進行編碼和統計分析(通過若干個過程來表達一個物理思想的組圖計為一個圖像單位,不存在重復計數).

1.2.1 插圖數量

表2 不同版本教材插圖數量統計

不同版本教材插圖數量統計如表2所示.由于3種教科書的定位有所不同,因此在插圖的使用量上差別明顯.《概念物理》的編寫意圖是突出對物理概念的本能或直覺的、充分的理解,[6]插圖較于文字更加形象生動,是概念建構的絕佳素材,因此《概念物理》的插圖密度遠遠大于另外兩個版本,平均每頁有2幅之多,而《物理原理與問題》和《豪爾特物理》則略顯遜色.

1.2.2 插圖類型

不同的類型插圖具有不同的教學功能.現按類型將插圖分為攝影圖、漫畫圖、示意圖、圖表.攝影圖是指用電子設備在某一時刻、某一地點拍攝的真實照片;漫畫圖是指用簡單而夸張的手法繪制而成的圖畫;示意圖是指大體描繪物體形狀、大小、運動狀態的圖片,相比前兩者形象程度和生動性更低;圖表則是指可直觀統計和挖掘信息屬性的圖形結構.

圖1 插圖類型統計

在插圖類型統計圖(圖1)中,我們可以發現3種教科書的攝影圖的比例均非常高,攝影照片還原了真實的生活場景,更容易帶給學生親切和共鳴感.在章首位置,3個版本均以攝影照片作為導入,甚至在《物理原理與問題》和《豪爾特物理》中,章導圖的面積大到占據了整個版面.除了攝影照片,《概念物理》還大量使用了漫畫插圖.漫畫詼諧幽默、生動形象,對于視覺化地呈現物理過程、表達物理規律起到四兩撥千斤的作用.示意圖和圖表為學生從復雜的情境中抽象出物理模型以及分析數據、使用數據而服務,因此對學生提出了更高的要求,從圖中數據來看它們的使用情況符合教科書的受眾定位.

1.2.3 插圖內容

根據“動量”這一章的特點,插圖內容可分為人物、體育運動、生活現象、科學技術、實驗、信息統計.其中信息統計與類型統計中的圖表相對應.

圖2 插圖內容統計

如圖2所示，在插圖內容上,體育運動、生活現象、科學技術的使用尤為明顯.大多數教科書的動量內容主要涉及交通碰撞、球體的碰撞等常見的生活現象,但美國教科書中更多地引入了體育運動,體育運動的插圖不僅數量多且類型多樣,涵蓋了拳擊、臺球、保齡球、橄欖球、曲棍球、乒乓球、足球、擊劍、滑冰、滑板、輪滑、自行車、擊劍、跳水14個項目.在物理教學中也滲透了美國崇尚體育的社會文化.科學技術的內容雖然不及體育項目豐富,但在3個版本的教科書中都不盡相同,從早期的水輪車到當代的安全氣囊、火箭升空等,切實地體現了時代的特色.“動量”這一章節的實驗并不算多,但教科書中每一張關于實驗的圖片都不是簡單的實驗儀器的呈現,而是學生或教師的實驗活動場景,因此實驗圖片中體現出的人物參與度是美國教科書的一大特色.

2 核心素養與插圖

核心素養是學生通過物理學習而內化的帶有學科特性的品質,主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面.[7]插圖作為教科書的重要組成部分,不僅僅是要發揮表征的功能,更應當滲透核心素養的理念,深入地為物理課程服務.

2.1 物理觀念:創設真實的物理情境

物理觀念是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎.在物理概念的教學中,關鍵是要創設體現概念本質特征的情境.而學生在學習物理概念之前,基于生活經驗形成了大量的經驗性常識,因此需要教科書在此基礎上完成經驗性常識向物理概念的轉變.美國高中物理教科書中的插圖大多為實際拍攝的攝影照片,真實生動且細節到位,內容上以美國人民喜聞樂見的體育運動為主要素材,為學生創設了真實可感、貼近生活的物理情境,從而推動學生思考問題、理解事物的本質,最終形成物理觀念.

例如，《物理原理與問題》在引入動量概念時首先展示了一幅曲棍球運動的照片(圖3),曲棍球是美國中學生受歡迎程度較高的體育運動之一,圖片中佩戴頭盔的保護措施告訴學生被曲棍球擊打到的嚴重性,這樣的生活經驗能夠自然而然地啟發學生思考為什么輕小的曲棍球如此危險,進而讓學生進入到動量定義的理性學習范疇.在角動量守恒中,圖4的花樣滑冰運動員雙臂分為張開和收攏,根據圖片中的臉部細節和生活常識可以判斷出運動員運動狀態的變化.通過分析圖片學生會在真實情境與轉動慣量、角速度的變化關系之間建立起物理聯系.這樣物理知識不再是脫離實際的純學術問題,而是有血有肉、易于理解的身邊之事.

圖3 曲棍球運動

圖4 花樣滑冰運動

2.2 科學思維:建立形象到抽象的橋梁

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式.教科書內容應啟發學生對物理問題進行科學推理、找出規律、形成結論,在不斷的訓練和強化中發展科學思維.漫畫圖的大量使用是美國物理教科書的一大特色,在《概念物理》中體現得尤為明顯.漫畫圖生動活潑,不僅符合學生的心理特點,有助于激發學生的學習興趣,而且其精妙的設計和夸張、有趣的表現形式往往具有形象化地呈現物理過程、表達規律的效果.學生在處理漫畫中的信息時,需要運用科學思維,經歷“形象—比較—概括—抽象”的過程.

沖量定理中力的作用時間不容易有顯性的體驗,因此對學生來說,感性認識和理性認識、生活經驗和科學概念仍處在分離狀態.圖5是拳擊運動員分別以不同的方式來應對擊打的情景,當拳擊手向后傾時他僅僅是略微感受到被擊打得疼痛,而當他迎面而上時他的臉部產生了十分夸張的形變,兩者對比,直觀的視覺沖擊讓學生強烈地體會到力的作用時間不同而產生的巨大差異.在漫畫的下方,設計者以公式中不同大小的“F”“t”來對應漫畫中的場景,非常巧妙地體現出了漫畫的物理思想.因此可以看出,漫畫為學生提供了更容易感知的感性材料,使學生有效地運用比較、分析、綜合的思維方法,對形象的事例進行思維加工,概括出抽象的物理規律.

圖5 動量定理示意圖

2.3 科學探究:強化人物的合作與參與

科學探究是指提出科學問題,形成猜想和假設,設計實驗與制訂方案,獲取和處理信息,基于證據得出結論并做出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.在“動量”這一章節,主要的定量實驗是利用導軌和打點計時器探究物體碰撞前后動量變化關系,這一部分與國內教科書不同,實驗插圖不是在已有實驗流程的基礎上向學生展示所用的實驗器材,而是僅僅呈現人物的實驗活動,附以器材的使用方法,讓學生自主設計實驗方案及流程,利用測量工具收集、并分析數據,考察學生的實驗探究能力.

除此之外,所有實驗插圖都會出現人物形象.國際上已經發現,學習者越來越多地被描述在教科書中,且圖像表現人物積極從事與科學有關的任務,有助于邀請觀察者參與科學活動.[8]圖6展現的是2位學生進行的實驗的場景,從動作上可以看出他們互有分工,從神情上可以看出他們在實驗過程中的熱情與愉悅,此時的讀者不是簡單的實驗觀察者,而會產生一種自我代入的心理圖像,能夠感同身受,體驗到合作與參與實驗的樂趣,從而萌生參與意識.圖7是氣墊導軌的發明者,

圖6 動量定理示意圖

圖7 氣墊導軌

通過提供一個科學家的工作形象,使得物理探究活動的重要性更加深入人心,也進一步提升了學生的參與意識.

2.4 科學態度與責任:樹立服務社會的理念

科學態度與責任是指在認識科學本質,理解科學·技術·社會·環境之間的關系基礎上,逐漸形成的對科學和技術應有的正確態度以及提升社會責任感.在“動量”這一章節,美國教科書中設置了許多科學技術的插圖,例如水輪車的發明,大大提高了當時社會的生產效率,節省了人力成本,安全氣囊的發明為人們的生命安全提供了保障,火箭的升空帶給了人類探索宇宙的無限可能.這些插圖不僅讓學生了解動量知識的應用,更是向學生展示了科學給社會發展、人類進步帶來的巨大成果,有助于學生理解科學、技術、社會之間的聯系.

圖8

圖8是具有強烈的時代特色的插圖,科學與技術的結合之下,人們的活動空間得以進一步拓寬,學生可以思考:這樣的噴氣式裝置除了作為我們的娛樂工具,是否有望成為日后的交通工具?還可以在哪些領域發揮作用?通過大膽的想象與思考,學生會深刻地認識到學習物理大有用處,而且潛移默化地培養起運用所學知識解決實際問題的意識,主動承擔將科學服務于人類社會的責任.

3 結束語

《概念物理》、《物理原理與問題》、《豪爾特物

理》3本教科書雖然定位不同,插圖的類型與內容有所差異,但都從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面滲透了核心素養的素養,并且別具特色.中美物理教科書的物理內容不盡相同,但插圖都應該在物理課程的學習和學生素質的培養上體現其應有的價值.美國主流物理教科書的插圖注重創設真實的物理情境、建立形象到抽象的橋梁、強化人物的合作與參與、樹立服務社會的理念,希望能夠對我國的教科書編制提供一些參考和借鑒.