我國高中物理教材力學知識內容的變化及教學啟示

焦玉鳳，鄧 磊

西南大學科學教育研究中心，重慶 400715

物理教材是物理學科知識與學生間的橋梁，是教學系統的重要組成部分。從教材建設史的角度看，依據不同階段的歷史背景梳理高中物理的教材知識，探尋高中物理教材歷史演變進程中的內在規律，可以讓教師用發展的眼光正確看待教材的演變；從中學物理教學角度看，梳理出力學各版教材中的核心知識并以“牛頓第二定律”內容為例縱向對比知識內容，有助于教師對教材進行“二次開發”。

為此，本文對1949年至2020年的8版人民教育出版社編寫的高中物理教材中的力學知識進行了統計分析，通過力學知識點的數目及可視化知識圖譜分析變化情況及其趨勢，對“牛頓第二定律”內容深度縱向對比，深入挖掘教材的不同點，并提出對教師教學的啟示。

1 高中物理教材的遴選與力學知識分析

1.1 高中物理教材分析對象的遴選

本文研究1949年至2020年人民教育出版社編寫的教材，原因一是新中國成立后大部分時間全國中小學生統一使用人民教育出版社出版的教材，影響力深、輻射范圍廣；二是人民教育出版社足夠長的發展歷程下有詳實可靠的教材建設史料，對教材研究有重要意義［1］。

根據時代背景的特殊性與局限性，本文選取以下8個版本的教材進行對比分析：1955—1957年《高級中學課本物理學》第一冊、1979—1980年《全日制十年制學校高中課本（試用本）物理》第一冊、1983—1985年《高級中學課本（試用）物理（甲種本）》第一冊、1983—1984年《高級中學課本（試用）物理（乙種本）》上冊、1990—1991 年《高級中學課本物理》第一冊（必修）、2002年（審定）《全日制普通高級中學教科書物理》第一冊必修、2004年《普通高中課程標準實驗教科書物理》必修1、2019年《普通高中教科書物理》必修第一冊。

1.2 高中物理教材力學知識點數量變化

基于對以上研究資料力學部分的統計，對新中國成立后人民教育出版社編寫的8版高中物理教科書力學知識總數的具體統計結果如圖1所示。

通過圖1，可以清晰地看到這8版教材的力學知識點數量在不停地發生變化，總體呈“上升—下降—上升”的發展趨勢，數量保持在104個左右。其中，1983年版甲種本教材力學知識點數量為119個，是歷年來的最大值；2002年版教材力學知識點數量為91個，是歷年來的最小值。原因分析如下：

圖1 高中物理教材力學知識點數量變化

1983年版甲種本教材全名為《高級中學課本（試用）物理（甲種本）》，是為扭轉當時教育水平參差不齊的局面，考慮重點校師生的情況而編寫的知識面更寬、內容更充實的教材。1983年版甲種本力學部分聯系實際且單獨成節的內容增多，如離心現象、人造地球衛星、反沖運動等作為基本物理知識的應用講解的內容，如噪聲的危害和控制、超聲波等帶有介紹性的、要求較低的內容，1983年版甲種本教材力學內容的增加是符合重點高中教學需要的，但師生使用甲種本過程中發現了課本內容多、負擔重、初高中“臺階”大等問題［2］。

2002年版教材力學知識點數目最少，原因有以下幾點：一是該版教材更注重知識體系的完整，理論性更強，與生活相聯系的或最新科技發展呈現不足，如減小地球上物體所受重力的變化、生活中的圓周運動之圓錐擺和雜技節目“水流星”兩個實例、載人航天與太空探索等內容；二是對初中已經學習過的知識不再講解，如物體間的相互作用和二力平衡、聲源、樂音和噪聲、音調、響度、噪聲的危害和控制等。

1.3 高中物理教材力學知識變化趨勢分析

本文將8版人教版教材編寫發展過程中始終呈現的知識定為核心知識，它包括教材文本中關鍵性的概念、原理、規律及方法，是學科教學的主體內容與知識主干，在學科結構中處于軸心地位，具有持久性、適用性和遷移性［3］。利用Ucinet社會網絡分析軟件繪制8版教材中力學核心知識圖譜，如圖2所示。

圖2 高中物理教材力學知識圖譜

各版教材的名稱集中于知識圖譜內部，四周分布的是8版教材中均出現的知識，結合知識圖譜和統計結果可以看出，隨著時代發展還一直出現的力學知識是非常具有代表性的，系統性、引領性、生發性、遷移性更強。

2 高中物理教材內容的變化——以“牛頓第二定律”為例

8版教材的編寫在內容安排、導入方式、正文編排、實驗設置、例題、欄目、習題等方面都有變化。

2.1 8版高中物理教材內容安排的比較

“牛頓第二定律”相關內容在8版教材中的安排如表1所示。

表1 8版教材“牛頓第二定律”內容安排

在“牛頓第二定律”內容安排上，1955年版教材包括3小節和書末物理實驗；1979年版教材包括2節，除在正文講解實驗外，還在書末設置了驗證性的學生實驗；1983年版甲種本教材在“牛頓第二定律”一節之前采用在教師指導下學生隨堂做實驗的形式來研究，在教材末還設置了學生實驗，足以體現甲種本教材編寫者對實驗的重視；1983年版乙種本教材與1979年版教材內容安排基本一致，但不對牛頓第二定律進一步討論，這符合乙種本教材在繼承1979年版教材培養思維能力、實驗能力做法的基礎上，要根據教學綱要基本要求，降低理論程度而編寫的歷史背景［1］；1990 年版和 2002 年版教材最少，各包括 1節；2004年版和2019年版教材實驗部分也單獨呈現，與1983年版甲種本不同的是，這兩版教材中實驗由驗證性轉為探究性，突出了對科學探究能力培養的重視。

2.2 8版高中物理教材導入的比較

在“牛頓第二定律”一節中，8版教材的導入呈現方式有四種。1955年版教材為溫故知新的復習式導入，通過回顧勻加速運動與斜面的知識可知，在不變的力作用下物體做勻加速運動，從而引出正文。1979年版教材為聯系實際生活的實例導入，通過大小不同的力推同一輛車子和相同的力推動兩個質量不同的車子的實例引出正文。2019年版教材用實例和問題相結合的方式導入，通過賽車加速度大的事實設問，引發學生對物體的加速度a與它所受作用力F及自身的質量m的定量關系的思考。其余版本均為直接導入。對8版教材導入部分的比較可以得出，自1983年版甲種本教材開始，連續5版教材均采用直接導入的方式，易于教師教學，卻很難提起學生的學習興趣；1955年版教材復習式導入旨在從舊知識中引出新知識，增強了新舊知識間的聯系，但不適用如今的物理教學；2019年版教材導入方式為實例導入和問題導入相結合，在導入素材中還增加了插圖，既有利于達到營造物理情境、激趣促思的效果，又符合新課程標準中對學生理解牛頓運動定律、能用牛頓運動定律解釋生產生活中的有關現象、解決有關問題的要求。

2.3 8版高中物理教材正文的比較

在1955年版教材中，主要以實驗的方式呈現牛頓第二定律的得出過程，對牛頓第二定律的解釋卻非常簡短。1979年版教材用實驗分析加速度和力的關系、加速度和質量的關系，從而總結出牛頓第二定律的內容。1983年版甲種本教材除了介紹牛頓第二定律及公式外，還對力的獨立作用原理進行了詳細解釋。1983年版乙種本教材與1979年版、1990年版、2002年版教材正文編排一致。2004年版和2019年版教材正文編排一致。如表2所示。

表2 8版教材 “牛頓第二定律”正文編排情況

關于牛頓第二定律的表述，1955年版教材表述為“物體運動的加速度跟作用力成正比，跟物體的質量成反比”；1979年版教材表述為“物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質量成反比”；1983年版甲種本、1983年版乙種本、1990年版教材的表述均為“物體的加速度跟物體所受外力的合力成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同”；2002年版教材表述為“物體的加速度跟所受的合力成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同”；2004年版、2019年版教材的表述均為“物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的質量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同”。

從表述中可以看出，只有2019年版教材明確指出“加速度的大小”，體現了加速度的矢量性，包括大小和方向，此表述更為準確。1955年版、1979年版、2004年版、2019年版教材都未提及合力，其中蘊含著牛頓第二定律中力的獨立作用原理，即當物體受幾個力作用時，每個力各自獨立地使物體產生一個加速度，因此物體各個力產生加速度的矢量和等于合外力產生的加速度，合加速度與合外力成正比，教師在教學中應予以強調。1955年版和1979年版教材沒有在文字描述規律時提及加速度的方向與合力方向的關系，雖然用公式描述牛頓第二定律時標注為矢量式，但是在用文字描述規律時最好將加速度的方向與合力的方向講出來，這樣保證了用公式與用文字描述是等價的。

關于牛頓第二定律中力的單位問題，1955年版教材中力的單位是“達因”（使質量為1克的物體產生1厘米/秒2的加速度的力就叫作1達因），后續教材均引入國際單位制“牛頓”。此外，與其他版本教材最為不同的是，2019年版教材中用半頁篇幅闡述怎樣的結論才能稱之為“定律”，這對于學生物理觀念的培養至關重要，更是在教學中極容易被忽視的地方。

2.4 8版高中物理教材實驗設置的比較

通過比較發現，8版教材中均包含“牛頓第二定律”的實驗部分，共有三種實驗方案，第一種是在可改變斜度的長斜面上測小車加速度與力、質量的關系，第二種是通過帶滑輪的長木板用阻力補償法探究加速度與力、質量的關系，第三種是通過位移之比測量加速度之比。在1955年版和1979年版教材中，正文和書末都分別設置了演示實驗和（學生）實驗，8版教材實驗設置的裝置及環節如表3所示。

1979年版教材演示實驗和學生實驗分別從定性、定量的角度進行實驗，在實驗設置環節還增加了學生分組實驗，書末的學生實驗環節編寫方式變化后也更科學、合理。該版教材在第一章“學好物理知識”中便提出了要“做好物理實驗”，在加強學生實驗、培養學生思維方面非常重視。后面三版教材與之實驗設置內容相同，說明對此種實驗設置方式是極為肯定的。此外，該版教材在編寫中努力貫徹打好基礎、培養能力的指導思想。2004年版教材在講述如何為運動的物體提供一個恒定的合力時，通過案例的形式提供了定量的方法供學生選用。2019年版教材則提供了定量、定性兩種方法供學生選用，為學生自主設計實驗提供思路，避免讓學生按照教材的既定步驟進行“虛假”探究。

從表3中各版教材實驗裝置可以看出，人教版教材提供的實驗方案器材價格相對較低、容易取得，適合我國大部分地區學校的條件。但從操作角度來看，第一種方案誤差較大，第二種方案平衡摩擦力有一定的難度，但更有助于增強學生的合作意識。

表3 8版教材實驗設置的裝置及環節

2.5 8版高中物理教材例題設計的比較

8版教材中除1983年版甲種本和1983年版乙種本教材外，均有例題呈現。從例題呈現環節角度，1955年版教材有“已知、求解、答”的環節、1979年版教材只有“解”一個環節，其他版本教材有“分析”和“解”兩個環節。在例題內容方面，2004年版、2019年版教材的例題更貼近社會生活，在第一道例題的“分析”部分，2019年版教材語言更簡練，汽車受力情況圖用兩種顏色呈現，也更加清晰。這兩版教材第二道例題考查的知識相似，但2019年版教材用某同學在列車車廂頂部用細線懸掛小球的情境來激起學生的解題興趣，更重視物理與生活情境的聯系。

總體來說，舊版教材對通過例題的設置促進學生發展、提升學生學業質量水平以及啟發學生應用知識、培養能力和發展思維等層面的重視程度還不夠［5］，2019年版教材對例題情境的創設、內容的分析、解答的過程闡述得非常清晰，但學生需要讀懂題意，分析特定情境下的物理問題，對學生理解題意、分析問題的能力要求較高。

2.6 8版高中物理教材欄目設計的比較

教材欄目的內容和形式無不體現著深層次的教育理念，高中物理教材在欄目編寫方面不斷發展變化，從沒有設置欄目到2002年版教材有2個欄目、2004年版教材有3個欄目、2019年版教材有5個欄目，有關欄目的統計情況如表4所示。

表4 8版高中物理教材欄目統計表

從表4可以看出“牛頓第二定律”內容欄目設計的發展，前5版教材沒有設置欄目，2002年版教材將“實驗”用框圖標出，留出“旁注”的位置以進行科學方法的提示。2004年版教材將“旁注”轉為“旁批”，從學生角度出發加強了對正文內容的解釋，通過“說一說”中“質量不同的物體，所受的重力不一樣，它們自由下落時加速度卻是一樣的，你怎樣解釋？”引導學生開展小組討論式的學習活動，培養學生的合作意識與表達能力，“科學漫步”提供了一種測宇宙空間物體質量的動力學方法，有助于開拓學生的視野，加強對學生STS觀念的滲透。2019年版教材欄目類型更加豐富，通過“問題”引入，可激發學生興趣、促進思考，“思考與討論”同樣能夠引導學生開展頭腦風暴的討論式學習活動，“科學方法”中詳細介紹了在探究實驗時采用的控制變量法，體現對學生科學思維培養的重視。

總之，欄目設計在不斷發展的過程中越來越重視從學生的學習內容、學習方式和心理特點出發，為多樣化的學習活動創造條件，2019年版教材欄目設置最能反映教材多方面的教育功能，符合新課程標準所倡導的理念。

2.7 8版高中物理教材習題設計的比較

1955年版教材中習題共4道，均為計算題。1979年版教材習題共9道，包含3道簡答題和6道計算題，簡答題的編寫中體現出編者利用物理學史培養學生學習物理的興趣的理念，如亞里士多德將如何解釋上述現象？根據牛頓運動定律該怎樣解釋？1983年版甲種本教材習題共6道，3種題型，包括3道簡答題、2道計算題以及1道判斷題。1983年版乙種本教材習題共5道，3種題型，習題設置的順序與甲種本不同，1道簡答題、1道判斷題和3道計算題，題目層次清晰、難度逐層增加。1990年版教材習題數量最多，共10道，題型最豐富，除上述三種題型外還增加了2道證明題，加強對學生逆向思維、科學論證能力的培養。2002年版教材共8道習題，包括2道簡答題和6道計算題。2004年版教材習題量少，共5道，1道簡答題、4道計算題。2019年版教材共6道習題，1道簡答題、5道計算題，其中，與前幾版教材相同的第2題增加了補充條件（不考慮阻力），第3題與1983年版乙種本、1990年版、2002年版、2004年版教材中相同題目表述不同，將“需要施加多大的力”改為“它受到的合力是多大”，第6題不僅創設了裝滿石塊的貨車在平直道路上加速運動的情境，還通過圖片直觀呈現貨車中石塊的位置及受力情況，從而幫助學生更好地理解題意。1990年版教材的題目數量最多、題型最豐富，2019年版教材題量適中，表述更為嚴謹，增加圖片呈現生活情境，但要求更高，更注重對學生思維過程和分析能力的培養。

3 教學啟示及展望

根據對8版高中物理教材“牛頓第二定律”內容的縱向比較，結合新課標對物理學科核心素養的重視，總結了高中物理教材內容的變化對我國中學物理教師教學的啟示，并展望未來發展趨勢。

3.1 合理把握教材邏輯進行教學設計

通過對教材內容變化的研究，設計出符合學科邏輯、教學邏輯和認知邏輯的教學［6］，有助于提高教學效率和質量。

首先，要基于學科邏輯構建知識體系。從宏觀與微觀角度系統地了解不同版本教材的物理學科邏輯，關注知識的生成過程，清楚“為什么要教這部分內容”“知識的內在邏輯是什么”，從而選擇更符合該物理知識體系的構建過程進行教學，這有利于學生更系統化地接受新知，提高教學質量與教學深度。

其次，教師應從教材的可教性出發關注教學邏輯。選擇符合學生學習邏輯和教師教學邏輯的知識呈現順序為邏輯主線，運用清晰的脈絡進行教學；在探究實驗的設計中將實驗內容的邏輯層次顯性化，帶領學生循序漸進地進行探究；注重將知識的邏輯層次細膩化，全面而有深度地剖析每一個細節、把握關鍵字句的深層含義，從而幫助學生透徹地理解知識；還應關注教材中欄目設置情況，充分利用欄目設計開展多樣化的學習活動等。

最后，教師要將邏輯層次認知化，注重學生的認知邏輯。重點關注學生“學了多少、掌握如何”，教師可以通過學情分析設計恰當的邏輯起點，用問題導入、情境導入的方式開展教學，用學生熟悉的事物引入概念性強的知識，引領學生從生活到探究的認知過程，保證課堂節奏符合學生的認知邏輯；根據學生的認知規律采用循序漸進的方式開展探究實驗，重視實驗的邏輯性，提供不同類型的實驗方案，為學生自主設計實驗提供思路，從而培養學生的科學探究能力。

3.2 重視從多角度“二次開發”物理教材

教材編寫并不能完全滿足每位學生的學習需求。因此，教師應努力把“教材”轉化為“學材”，對教材進行“二次加工”和再創造，即在課程實施過程中依據課程標準對教材內容進行適度增刪、調整和加工，使之更好地適應物理教學情境和學生學習需求［7］。可以從教學內容的調整、教學模式的補充、教學資源的挖掘等角度開發［8］，例如教師結合對教材習題的研究，通過靈活處理已有習題，控制好習題的數量和難度，對知識點層次單一的習題進行篩選，整合更具情境化、思維性強的或融入物理學史的習題等方式，獲得習題的最優化效益，使教材真正走向學生。

3.3 積極開發與利用低成本物理實驗

人教版教材中的實驗編寫部分涉及的器材價格相對較低、容易取得，適合我國大部分地區學校的條件。這啟發物理教師在教學過程中要積極地開發低成本的創新物理實驗，隨手取材、自制教具，也要鼓勵學生善于利用生活中的常見物品來自主制作儀器，簡化復雜的實驗裝置，增加實驗的趣味性和學生的自主性，既可以有效解決器材不足的問題，也可以在潛移默化中全面培養學生的創新思維和動手操作能力，培養學生的核心素養。