STEM視野下中英物理教材對比
——以“動量和動量定理”為例

曹 陽 張軼炳 蘇義梅

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021)

STEM教育源于美國,為科學、技術、工程、數學四個領域教與學的理論與實踐科目.隨著社會各行各業對人才整體質量要求的不斷提高,STEM教育已經成為了全球各地教育專家和學者們關注的熱點話題[1].

2017年6月20日,中央教科院發布了《中國STEM教育白皮書》[2],其中提出:“STEM 教育應該納入國家創新型人才培養戰略;STEM教育是一場國家終身學習活動;STEM教育是跨學科、跨學段的連貫課程群;STEM教育是面向所有學生的培養綜合素質的載體;STEM教育是全社會共同參與的教育創新實踐.”

STEM課程是實現STEM教育的基本途徑,物理學作為其他自然科學和工程技術的基礎,又是與生活生產息息相關的基礎學科,在物理中滲透STEM教育理念尤為適合.教育部于2017年頒布了《普通高中物理課程標準》[3],但與之匹配并滲透STEM教育理念的物理教材仍未出版,所以對于教育者來說需要整合多方資源進行設計教學.基于此,筆者選取了高中物理“動量”部分知識,并且針對中英兩國本部分知識基于STEM教育視野進行微觀對比,取其精華,希望為設計出真正意義上的STEM課程提供借鑒.

1 對比研究

1.1 研究對象

動量部分是高中物理教學中的重點及難點,且是聯系動力學由“宏觀低速”邁向“微觀高速”的橋梁,具有重要意義.本節課與科學、數學、工程及技術聯系密切,是一節典型的STEM課程,筆者現針對中國教材人教版高中物理選修3-5(以下簡稱中國教材),英國教材A Level Physics(以下簡稱英國教材)進行對比研究,旨在取長補短,為STEM課程有效開展提供參考.

1.2 教學目標對比

STEM教育倡導跨學科的整合教育,培養學生將所學知識應用于解決實際問題的能力,工程思維以及科學探究精神.STEM教育理念與兩國課

表1 中英對“動量”部分教學目標對比

程標準提出素養均有較大程度的符合.而從中國《普通高中物理課程標準》(2017)和英國《考試大綱》中對本節課的要求(表1)可以看出,中國教材教學目標更傾向于利用科學探究促進學生學科理解,而英國教材則更傾向于利用情境學習培養學生利用學科知識解決實際問題的能力.

1.3 中英教材對比

1.3.1 導入對比

英國:教材中將“動量”直接作為描述運動的另一種方法直接給出,即數學上將質量與速度的乘積定義為動量,用字母p來表示.

1.3.2 知識點及知識呈現順序

圖1 中國教材“動量”整章知識結構圖(虛線框內為“動量”一節的知識流程圖)

圖2 英國教材本節知識結構圖

1.3.3 重難點突破的方法

中國

實驗:教材中利用3個探究實驗探究物體碰撞前后的不變量,進而得到動量的定義及公式,并通過物理學史介紹了動量的發展歷程(圖3).

圖3 中國教材呈現的“動量”發展歷程

英國

首先,以牛頓第二定律的另外一種描述,并通過公式推導,引入沖量,并且在教材的一側選用較大篇幅附有牛頓相關表述的原文,讓學生親眼所見,親身所感.其次,利用例題突破難點,計算沖力.大量事實說明如何通過動量的變化及碰撞的時間計算沖力,理解沖力在日常生活中的很多有利及不利的應用.最后,通過實驗,利用傳感器測量不同時刻的動量,畫出時間和動量的曲線,計算不同時刻的力,驗證物體動量的變化率是物體受到的力.

圖4 英國教材章首知識與技能目標導圖

對于動量與沖量的關系,以高爾夫球從運動到靜止或者從靜止加速到一定的速度的生活情境,引導學生從另一方面考慮動量,即這一運動過程中,物體受到的力和力作用在物體上的時間.為了使物體從運動到靜止,需要轉移物體的所有動量,計算出物體靜止需要的沖量,知道力作用在物體上的時間,就可以計算沖力的大小,由此對沖力有進一步的認識.

碰撞時一維運動守恒.突破守恒條件,不受外力.解釋如果有外力,碰撞系統的動量還與外力有關.舉例說明豎直落向地面的球,球會碰撞反彈,但反彈幾次球最終會靜止在地面上因此動量不守恒.

二維運動動量守恒,講解幾個方向的碰撞.爆炸,類爆炸運動的動量守恒.水平方向沒有外力重力,因此動量守恒.但豎直方向重力會產生新的動量,與原動量p不守恒.

牛頓第三定律:相互作用力相等,但動量的變化率不相同.所以高空的球落向地面,而地球卻紋絲不動.

1.3.4 習題對比

中國:課后“做一做”欄目,要求用動能E導出動量的公式,意圖將動量與能量之間的密切關系應用于粒子的微觀研究,為后三章近代物理的學習奠定基礎.此外,課后習題共有6道,題型有選擇、計算與簡答.多采用“習題化”的語言,脫離真實問題情景,習題難度較低,與中國高考難度不相符,所以在實際教學中主要通過大量課外習題進行知識鞏固及學生知識掌握情況的反饋.

英國:課后習題共有12道,題型多樣,除計算外,還有簡答和問答題, 以生活中某個現象和事物為切入點,深入分析其中的物理過程和原理[5],且允許計算器的使用,與英國的高考銜接較緊密.

1.3.5 總結

首先,中國教材邏輯嚴謹,環環相扣,教材敘述理性客觀.但中國教材總怕超綱,很多東西不講,不講反而讓學生不知道來龍去脈,成了死記硬背,停留在知識記憶階段.其次,導入部分采用科學探究實驗,有利于通過學科探究走向學科理解,但該實驗也有一定的不合理之處,本節課探究運動過程中的不變量,可能的結論過多,且方案二與方案三實驗誤差較大,學生很難得到正確結論,科學探究應是具體情況而定,不可“新瓶裝老酒”,“為了探究而探究”.再次,例題、習題中的物理情景大多采用“理想化、習題化”的語言,脫離了真實的生活問題情境,不利于培養學生的問題解決能力.最后,教材給教師預留了很大的發揮空間以進行設計教學,較為注重計算能力的培養以及數學模型的建立,即科學、數學的培養,與生產生活實踐以及技術、工程聯系較少.

而英國教材知識廣度大,內容與生活實際聯系緊密,語言平實,娓娓道來,具有趣味性,利于學生自學.但邏輯性不夠嚴謹,概念分布較為發散,知識之間的相互聯系不強,缺少系統性.其次,教材中的兩個實驗均為驗證性實驗,缺少對學生科學探究能力的培養.再次,習題、例題均嵌入真實生活情境,有助于學生利用學習的物理知識解釋生活現象,解決實際問題.最后,教材中利用符號、數學模型表征物理知識的歸納思維較少,沒有充分利用數學知識在物理中的輔助作用.

2 本節課教材中涉及到的STEM教育理念

中英教材對STEM教育均有所滲透,但呈現方式及側重點均有所不同(詳見表2).

表2 中英物理教材“動量”部分STEM教育理念的滲透

3 各自的優勢與不足

中國教材的優勢:編排風格趨向于螺線型,對于核心概念、難點概念展開深度探究,注重知識間的有機聯系(圖1).語言邏輯嚴謹,理性客觀,注重科學性,善于建立簡單的數學模型表征復雜的物理概念,物理規律等,注重數學知識在物理中的應用.多處使用物理學史建構知識,同時起到培養學生的科學態度與責任意識.

中國教材的不足:習題、例題不基于真實的實踐情景,多以“習題化”的語言表述,脫離實際,不利于實現“學科世界與生活世界”、“學科實踐與生活實踐”的雙向融合.探究實驗不夠成熟,科學探究并不意味著“說”的越少就越貼近探究,我國教材沒有提供給學生適當的知識儲備,實驗步驟,缺少有效問題誘導學生進行知識建構,沒有數據記錄、定量分析、檢驗假設等過程,探究的重心更傾向于結果,不注重原因與過程.

英國教材的優勢:編排風格上更傾向于直線式,遵循一種連貫的、典型的學習路徑的描述,呈現為圍繞核心概念“動量”展開的一系列又簡單到復雜,相互聯系的概念序列(圖2).語言多以第一、二人稱為主,循循善誘,代入感強.以驗證性的實驗支撐理論,基于真實問題情景,促進學生經歷“動量”知識誕生過程,更加注重學科知識的生活意義,強調運用現代信息技術如電子表格、計算機輔助實驗,注重與工程之間的聯系.例題、習題作為運用物理理論知識解決生活實際的模擬形式出現.章首有章節知識與技能目標導圖(圖4),提前告知目標,通過圖示的方式更加直觀的建立起概念之間的有機聯系,使碎片化的知識整體化.

英國教材的不足:對于一些核心概念及重難點強化不夠,部分物理規律沒有進一步提煉成簡單的數學模型,部分公式也沒有采用簡便的符號表征.不夠重視通過數學學習來訓練和培養學生化簡、推理和歸納等思維和方法.

4 總結

通過對比可以發現,無論是中國還是英國的物理教材,滲透的STEM教育理念更多是關于“科學”“數學”的內容,“工程”與“技術”較少且停留在表面,如何在STEM課程中將科學和數學滲透到技術與工程的設計過程中,設計出基于真實問題情境,以工程設計為導向,數學作為輔助工具,應用學生正在學習的科學知識解決實際問題的STEM課程,還需要我們整合多方資源進一步努力探索.