基于STEAM教育的“牛頓第二定律”中美教材的對比

邱 婕，張谷令，鄒 斌

中央民族大學理學院，北京 100081

“STEAM”是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Mathematics）5門學科英文名稱首字母的縮寫。STEAM教育提倡使用多學科融合的思維和知識解決生活中的實際問題。

“牛頓第二定律”是物理學中動力學與運動學兩大部分的“紐帶”與“連接”，也是高中物理的重點和難點，具有重要意義。本節內容很好地融合了科學、技術、工程、數學、藝術各部分內容，十分適合進行STEAM教育的滲透。我們選擇人民教育出版社出版的2019年版高中物理必修一教材（以下簡稱“人教版教材”）與美國高中物理教材《物理：原理與問題》（第二版）（以下簡稱“美版教材”）進行對比研究，旨在為本節課STEAM課程的展開提供參考。

1 課標對比

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中要求，通過實驗探究加速度與物體質量、物體受力的關系。學生需要理解牛頓運動定律，能用該定律解釋生產生活中的有關問題；通過實驗認識失重、超重等物理現象；能根據牛頓第二定律設計一種可以顯示加速度大小的裝置。課程標準要求學生需要自主設計加速度測量裝置，體現了STEAM教育中技術與工程的融合。

美國《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standard）（以下簡稱“NGSS”）中描述的學生需要達到的預期表現為：分析數據，支持觀點“牛頓第二定律描述了一個宏觀物體所受的凈力、物體質量與加速度的數學關系”。NGSS中對科學與工程實踐方面的要求為：用工具、技術和模型（如計算模型、數學模型）分析數據，從而得出有效和可靠的科學觀點或一個優化的設計方案。不難發現，NGSS中要求學生不僅需要理解牛頓第二定律的數學關系，還需要自行利用工具和模型優化設計方案，這體現了STEAM教育理念的科學、技術、工程、數學等方面的融合，并且強調了科學與工程實踐方面的結合。

2 教材章節安排

人教版教材：本節內容是必修一第四章的第三節，在牛頓第一定律之后。人教版教材將牛頓第二定律安排在必修一第四章，學生在前面已經學習了運動學和相互作用的相關知識，形成相關的物理觀念，具備建立物理模型的思維能力，為牛頓第二定律的學習作準備。

美版教材：相關內容位于第四章第一節“力和運動”。美版教材將牛頓第二定律安排在運動學之后，以分析加速度和力的探究實驗展開。在這之前，教材解釋了力、合力、接觸力、凈力等相關概念，并且簡單介紹了一維合力的合成方法。

從兩版教材的章節安排可以看出，牛頓第二定律均位于運動學和力學之后，學生在具有一定的力學知識后，可以更好地理解力與加速度之間的關系。人教版教材將相互作用設置為第三章，與牛頓運動定律分割開來，對知識點的連貫性有一定的影響。美版教材將力學與牛頓運動定律安排為一個章節，較有利于知識點的呈現，但難度相較于人教版教材有所降低。

3 教材對比

3.1 引入部分

美版教材：先介紹力與合力的概念，讓學生對矢量以及力的合成與分解有一定的認識，再由實驗引入。采用實驗方法引入，首先用恒力拉動小車，繪制v-t圖，再改變力的大小并重復進行實驗，得到不同的v-t圖。通過分析圖像和數學思維得出加速度與力成正比關系。

對比分析：人教版教材由實驗引入，邏輯嚴密，符合建構主義中學生形成新知識的思維過程。美版教材由力學基本概念引入，為介紹牛頓第二定律的相關內容作準備。

3.2 知識點呈現順序

兩版教材中“牛頓第二定律”知識點呈現示意圖如圖1所示。

圖1 中美教材中“牛頓第二定律”知識點呈現示意圖

對比分析：圖1左側為人教版教材的知識點呈現順序，右側為美版教材的知識點呈現順序。相同點為都從探究實驗出發，對STEAM教育中“科學—技術”結合方面有一定滲透，并且比例系數值的確定都由力的單位進行推導。通過函數圖像，推導出牛頓第二定律的表達式，體現了數形結合的思想，融入了STEAM教育中“科學—數學”的結合。不同點為人教版教材中力學相關概念在本章并沒有涉及，但在實驗設置上更為嚴謹，增加了科學探究部分，在一定程度上體現了“科學—工程”的融合；美版教材加入了力學相關基礎知識，為牛頓第二定律的學習作鋪墊。

3.3 重點突破

教學重點：牛頓第二定律表達式F=ma的推導。

圖2 人教版教材對F=ma的推導思路

圖3 美版教材對F=ma的推導思路

對比分析：兩版教材都是通過擬合函數圖像的分析，得到物體加速度與物體受力、物體質量的關系，在數形結合方面有所涉及，推導過程都符合學生的邏輯思維，體現了STEAM教育理念中“科學—數學”結合的思想。教材的編寫重視學生的數學基礎，重視數學與物理跨學科銜接，避免出現跨學科知識的盲點。但兩版教材推導方式略有不同。人教版教材推導過程由比例式得到函數表達式，再通過力學單位制確定比例系數，推導過程邏輯呈直線型。美版教材由兩次不同的實驗得到兩個函數圖像，對圖像進行總結分析，解釋斜率，得到牛頓第二定律的表達式，推導過程邏輯呈并列型。

3.4 插圖對比

物理概念普遍比較抽象，學生理解上存在一定困難，一些趣味性的插圖可以起到很好的輔助教學的作用。

人教版教材：設置了9幅圖，其中實物照片2幅，物理模型6幅，函數圖像1幅。從物理模型圖可以分析出物體的受力情況。實物照片為賽車照片與太空測量質量照片，讓學生對牛頓第二定律的應用有直觀的感受。

美版教材：設置了10幅圖，其中實物照片2幅，物理模型5幅，函數圖像3幅。實物照片為實驗過程照片，讓學生有關于實驗的直觀感受，便于模仿實驗。物理模型圖主要展示受力分析圖，幫助學生了解力的相關概念。

對比分析：人教版教材設置了較為詳細的物理模型圖，包括受力分析圖。美版教材多為卡通圖畫，具有趣味性，在教學過程中可以提供輔助作用。兩版教材在插圖設置上都豐富有趣，都涉及到生活中的實際情境，體現STEAM教育中“科學—技術”相融合的理念，也為學生在生活中解決實際問題設計方案提供了方法，這表現出“科學—工程”融合的思想。

3.5 例題、習題對比

（1）例題方面

人教版教材：教材中例題以汽車制動和啟動問題為例，計算汽車制動時的阻力與以恒定牽引力啟動時的加速度，涉及到牛頓第二定律的使用。第二道例題為小球在加速的列車中有一固定的偏角，已知偏角的角度為θ，通過對小球受力分析，運用牛頓第二定律計算列車的加速度問題。例題設置針對牛頓運動定律，與實際生活有一定關系。例題的解題過程對受力分析有一定涉及，幫助學生加強對所學知識的運用。

美版教材：例題為兩人從不同的方向用大小不同的力拉枕頭，計算枕頭的加速度問題。例題設置較為簡單，運用力的合成與牛頓第二定律進行解題，與所學內容緊密結合。

（2）習題方面

兩版教材習題比較如表1所示。

表1 中美教材習題的比較

人教版教材：課后習題設置了6道題，題量較小，基本都以生活情境為基礎，內容涉及力的合成與分解、運動學，題目類型包括分析題和計算題。例如第1題為分析類習題，幫助學生理解牛頓第二定律的運用過程需要求解合力。第2至第6題都為計算類習題，包括已知物體受力求解物體的運動狀態與已知物體運動狀態求解物體受力兩類，能很好地幫助學生運用牛頓第二定律解決實際問題，符合課程標準的要求。

美版教材：“練一練”設置了11道題，其中包括作受力分析圖、求凈力、牛頓第二定律的使用等方面。增加了較多的作圖題，可以培養學生建立物理模型的能力。牛頓第二定律的使用包含已知物體受力情況求解物體加速度和已知物體加速度求解物體受力情況兩類題目。題目結合生活情境，難度較小。

3.6 注釋部分對比

注釋指的是教材側邊空白處設置的小段文字，注釋通常是對正文部分解釋或者補充，可以很好地輔助教師的教學與學生的學習。分析發現，人教版教材與美版教材均設置了注釋部分。

人教版教材：總共設置了三處注釋，前兩處位于第一小節“牛頓第二定律的表達式”部分，第三處位于第二小節“力的單位”部分。第一處注釋對實驗過程中對偏差的處理進行了解釋，體現了科學嚴謹的態度；第二處注釋強調物體所受力為合力，輔助學生理解牛頓第二定律；第三處注釋對力的單位進行解釋，填補學生在初中時對力的單位概念的空缺。從教材分析中發現，我國教材大多重視的是對科學知識的呈現，正文部分用大量篇幅介紹知識內容以及應用方式，對于科學知識的產生和認識過程、科學對社會的影響僅在非正文部分有所顯現。三處注釋都對教材中正文部分進行補充說明，讓知識的呈現更加豐富。

美版教材：總共設置了一處注釋，說明了一些常見力的大小。注釋部分列出了日常生活中常見的力的大小，讓學生對力的單位與大小有了感性的認識。力的概念在教材中是首次出現，注釋部分中的力的大小可以很好地將抽象的概念與日常生活的經驗結合起來，有助于學生的理解。

對比分析：人教版教材注釋的數量多于美版教材，注釋的文字更加通俗易懂。人教版教材在注釋中體現出物理學科嚴謹的態度，豐富了教材的內容。美版教材中的注釋輔助學生將抽象的力的大小與實際生活中的感性認識結合起來。兩版教材的注釋都能夠幫助學生建構知識，能夠輔助培養學生基于實際情境解決問題的能力，符合STEAM教育的理念。

4 對STEAM教育的體現

表2對中美教材在STEAM教育方面的體現進行總結對比，可以發現，兩版教材在各方面都存在不同程度的差異。在Science（科學）方面，美版教材增加了力的相關概念。在Technology（技術）的呈現上，兩版教材都涉及到實驗儀器的組裝與使用，但人教版教材使用的是打點計時器，美版教材使用的是彈簧測力計。在Engineering（工程）方面的呈現上，人教版教材選擇失重狀態下測質量的實例，設計利用動力學的方法測量質量的實驗，美版教材并沒有明顯的體現。在Arts（藝術）上兩版教材都插入了生動美觀的插圖，人教版教材還體現了人文科技思想。在Mathematics（數學）方面，兩版教材都融入了實驗數據的處理以及表達式的推導，美版教材利用了線性函數中斜率的意義解釋加速度，體現了數形結合的思想?？偟膩碚f，兩版教材都將STEAM教育的思想融入在教材當中，符合學科融合的教育理念。

表2 中美教材在STEAM教育中的體現

5 各自的特點

人教版教材：多從實驗出發，知識點結構聯系緊密，逐步加深。知識點的講解邏輯嚴密，對前面學過的知識也有所涉及，符合學生對新知識的建構邏輯，利于教師的教學。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。習題的設置較少，教師需要利用課外輔導資料進行補充。在實驗操作方面，人教版教材借助打點計時器計算小車加速度，實驗過程科學嚴謹，實驗結果較為準確。教材中對知識點的呈現從實際情境出發，教學過程中可以提升學生理論聯系實際、收集證據、處理信息的相關能力，利于培養學生的科學探究能力。

美版教材：從基礎知識概念出發，知識點的講解較為淺顯，知識點較為發散，覆蓋面廣。將力、受力分析、力與運動等知識點融合為一節，教師可以系統地進行教學，利于學生掌握知識點之間的聯系。實驗的設計更為簡單，與函數結合，訓練學生的數學思維能力，體現“科學—數學”的結合。美版教材在實驗操作方面采用直接用手拉的方式，難以保證恒力大小不變，不便于測量小車的速度，可能帶來較大誤差。

6 總結

通過對比研究，中美兩版教材在STEAM教育方面都有一定體現，但都重點表現在“科學—數學”結合方面。中美兩版教材在編寫時都有涉及實際情境，利于培養學生基于實際情境解決問題的能力，符合STEAM教育理念。強調科學、技術社會與學生原有經驗的聯系，并最大限度地把掌握的知識和研究方法與實際生活和生產相聯系，體現物理學在社會進步中的重要作用。如何在教材中滲透“工程設計”等方面，提升學生的自主探究能力，培養學生物理核心素養，還需要我們對資源進行多方面整合，進一步努力探索。