AP課程（中美合作課程）中、美教材力學內容體系的對比

張延偉

摘 要 “AP課程（中美合作課程）”是指在一些國際高中或普通高中的國際部中所開設的課程，其目的是在中國學生的高中階段就可以同時接受中國式和美國式的教育，拿到美國大學學分，為學生申請美國大學打下堅實基礎。由于學生同時學習中方物理教材（人教版）和美國選修物理教材（A Custom Publication），因此，將這兩種教材進行研究、比較、取長補短、有機融合，是非常必要、重要，非常有意義的工作。

關鍵詞 AP課程 中、美教材 內容體系 對比

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.09.003

Abstract "AP Course （Sino-US Cooperative Course）" refers to the courses offered in the international departments of some international high schools or ordinary high schools. Its purpose is to enable Chinese students to receive both Chinese and American-style education at the high school level， and to receive American University credits， thus laying a solid foundation for students to apply to American universities. As students study both Chinese physics textbooks （People's Education Edition） and American optional physics textbooks （A Custom Publication）， it is very necessary， important and meaningful to study， compare， learn from each other's strengths and integrate them organically.

Keywords AP course； Chinese and American textbooks； content system； comparison

“AP課程（中美合作課程）”是指在一些國際高中或普通高中的國際部中所開設的課程，其目的是在中國學生的高中階段就可以同時接受中國式和美國式的教育，拿到美國大學學分，為學生申請美國大學打下堅實基礎。由于學生同時學習中方物理教材（人教版）和美國選修物理教材（A Custom Publication），因此，將這兩種教材進行研究、比較、取長補短、有機融合，是非常必要、重要，非常有意義的工作。將中方物理課程與AP物理課程有機融合是一項大工程，需要時間、精力、人才等各方面要素的緊密配合。本論文嘗試在中方物理教材（人教版）和美國選修物理教材（A Custom Publication）的力學內容方面進行初步的對比，以便相互借鑒、取長補短、有機融合。本論文嘗試在中方物理教材（人教版）和美國選修物理教材（A Custom Publication）力學內容體系方面進行初步的對比，以便相互借鑒、取長補短、有機融合。

1 中方教材（人教版）力學、運動學、動力學內容體系

人教版用兩本書（必修一、必修二）的容量來講解力學、運動學、動力學。其中必修一第一章：運動的描述、第二章：勻變速直線運動的研究，重點講解了在一維空間（坐標軸）上物體做勻速直線運動、勻變速直線運動的規律和描述。第三章：相互作用，重點講解了重力、彈力、摩擦力的特點，以力為代表的矢量的合成與分解的運算。第四章：牛頓運動定律講解了物體在一維空間運動的動力學以及力學單位制。必修一的最后部分是學生實驗、誤差和有效數字以及課題研究（橋梁的研究）和推薦的課外讀物。在第二章第五節自由落體運動的課后習題中，出現了幾道要求估算的題目，這也是整個人教版教材中為數不多的估算類題目。必修一的實驗基本是以打點計時器為主要實驗儀器的力學、運動學實驗。必修二第五章曲線運動中，首先講解一般的曲線運動（定義、條件、性質），運動的合成與分解；然后重點講解兩種典型的曲線運動：拋體運動和圓周運動，這兩種運動中重點介紹的又是平拋運動和勻速圓周運動；然后是生活中的圓周運動，既介紹了日常生活中常見的圓周運動（汽車過拱形橋、凹形橋，汽車轉彎、洗衣機脫水桶脫水），使同學對身邊的圓周運動有了更加科學的認識，又巧妙的通過將地球看成一個拱形橋解決了“圍繞地球飛行的汽車的最小速度”，實際上是解決了人造地球衛星繞地球飛行的第一宇宙速度問題，為下一章宇宙航行埋下伏筆。

第六章： 萬有引力與航天可看做在圓周運動知識的基礎上的內容拓展。第一節：行星的運動介紹了人們世界觀的變化，引出了第谷的觀察和開普勒三定律。第二節：太陽和行星之間的引力，在以太陽為圓形軌道的圓心、行星軌道可以簡化為圓軌道這兩個條件下，利用初等數學的知識推導出太陽與行星之間的引力滿足平方反比的關系式，此時該關系式僅適用于“太陽”和“行星”這兩個“特殊”的物體。在第三節：萬有引力定律中，介紹了牛頓通過月—地檢驗，將平方反比定律擴大到地球和月球，然后再擴大到所有有質量的物體，成為宇宙間的普遍規律。這是人類認識自然的一個里程碑，是人類不斷探索、解放思想的必然結果。第四節：萬有引力理論的成就，可以看做天上的“實驗”對牛頓理論正確性的驗證。第五節：宇宙航行介紹了第一、第二、第三宇宙速度，介紹了人類“征服”宇宙過程中所取得的成就和付出的代價，最后介紹了我國的載人航天工程和下一步的宇宙探索計劃。第六節：經典力學的局限性介紹了經典力學的適用范圍：宏觀、低速物體，向學生提出真理的相對性，認識有待深入，相對論和量子力學有待學習。第七章：機械能守恒定律，提出運動研究的另外一個角度：能量。這一章擴寬了做功的定義，推導出了重力勢能和彈性勢能的表達式，推導出了動能定理和機械能守恒定律，最后講解了廣義的能量守恒定律與能源，引發同學們的節能意識。必修二的實驗主要包括：平拋運動的實驗、動能定理的驗證實驗和機械能守恒定律的驗證實驗。必修二的課題研究是潮汐現象，主要探究它的成因、性質以及潮汐發電。同樣，課外推薦讀物羅列在必修二課本最后。

2 美國選修物理教材（A Custom Publication）力學、運動學、動力學內容體系

美國選修物理教材（A Custom Publication）用了七章（第二章到第八章）共計200頁的篇幅來講解力學、運動學、動力學。第二章：一維直線的運動共八節，分別講解了參考系和位移、平均速度、瞬時速度、加速度、勻變速直線運動及其應用、自由落體運動。這個和人教版必修一比較接近。第三章：二維直線的運動也是八節，分別講解了矢量和標量、矢量合成的畫圖做法、矢量的減法、矢量的正交分解法、平拋運動、平拋運動問題的解決、平拋運動的軌跡：拋物線、相對速度。第四章動力學：牛頓運動定律分九節，分別講授了力的定義、牛頓第一定律、質量的定義、牛頓第二定律、牛頓第三定律、重力（地球的引力）和正壓力、牛頓第二定律的應用、斜面上包含摩擦力問題的解決、牛頓定律解決問題的普遍方法。

第五章共10節，講述了圓周運動、重力，具體是勻速圓周運動的運動學描述、動力學問題、汽車在高速公路上的轉彎問題、變速圓周運動、向心力、牛頓萬有引力定律、地球質量的計算、人造衛星和失重、開普勒三定律和牛頓的總結、自然界中的四種基本作用力。第六章功和能共十節，分別是：恒力做功、變力做功、動能和功能關系、勢能、保守力和非保守力、機械能及其守恒定律、機械能守恒定律的應用、能量轉化與守恒定律、功率。第七章動量共10節，分別講授動量的定義、動量與力的關系、動量守恒定律、碰撞和沖量、一維平面的彈性碰撞、非彈性碰撞、二維平面和三維空間的碰撞問題、質心、人的質心、物體的質心。第九章剛體的轉動，共9節，分別講授角動量、角加速度、剛體轉動（無滑動）、力矩、轉動動能、角動量守恒定律、角動量的矢量性。

3 中方物理教材（人教版）和美國選修教材（A Custom Publication）力學內容體系的對比及給我們的啟發

對比中方物理教材（人教版）和美國選修物理教材（A Custom Publication）關于力學、運動學、動力學的知識體系，發現他們的編排大致相同，但也有細節處理和內容體系上的微小變化。人教版教材將相互作用單獨列為一章，集中講述了重力、彈力、摩擦力，四種基本相互作用。并且以力為代表矢量，講述了矢量的合成與分解的平行四邊形（三角形定則）。美國選修物理教材（A Custom Publication）對力沒有進行綜合講述，重力、彈力、摩擦力分別出現在第四章第六節和第八節中，是包含在牛頓第二定律的內容中。對重力和四種基本相互作用的更加深入的描述，是出現在第五章第七節和第十節。美國選修物理教材（A Custom Publication）對矢量的合成與分解的平行四邊形定則是以位移和速度為代表矢量進行講解，可能比用力作為代表矢量難度會降低一些，學生更容易接受。因為畢竟位移和速度對學生而言比力的概念更加具體一些。人教版教材是在講授了一維運動的運動學、相互作用、一維運動的動力學之后再講授二維運動（拋體運動和圓周運動），這可以使學生在內容體系上，從牛頓力學的角度來分析物體為什么可以做拋物線運動、圓周運動。

美國選修物理教材（A Custom Publication）在講授了一維運動的運動學描述后直接講授二維平面的平拋運動、圓周運動的描述，這個從體系上好像是順理成章的，但由于學生沒有學習牛頓運動定律，從而使學生對物體為什么會這樣運動感到迷惑，應該說加大了學生理解的難度。這部分的內容好像是硬生生擺出來讓學生記憶，缺乏了人教版教材用牛頓定律和運動的合成和分解來研究拋體運動和圓周運動的推導過程，所以這部分內容應該是人教版處理得更好一些。人教版第六章先提出開普勒三定律，再在此基礎上推導出牛頓萬有引力定律，雖然比較粗糙，但是條理上比較清楚。美國選修物理教材（A Custom Publication）在講述了圓周運動之后就將牛頓萬有引力定律直接拋出，后面才加上了開普勒三定律，邏輯上有些混亂，使學生不知道萬有引力定律的由來。美國選修物理教材（A Custom Publication）第七章是線動量的內容，這個內容人教版中是放在更后面的選修教材中。線動量作為另一個側面描述運動的物理量，應該放在更加優先的位置。所以這一點人教版應該向美國選修物理教材（A Custom Publication）學習，將線動量位置前移。美國選修物理教材（A Custom Publication）第八章出現的剛體轉動的知識，人教版無論必修還是選修教材都是沒有的。

總之，將兩版教材的力學內容體系進行比較，使得我們可以看到各版教材的優缺點、中外教材編寫者的智慧和對物理的思考，使得我們可以更好地理解教材體系，服務教學。