求美国学生的物理书内容

【专家解说】：美国高中物理教材《Physics—Principles and Problems》之特色分析 ──从生活走向物理 江苏省苏州市田家炳实验中学　尹华 　　1 物理与生活 　　物理学起源于对自然界的观察和研究，自然界又是人类生活的环境，因而物理学与生活具有广泛的联系，物理来源于生活，又为生活服务，是一门地地道道的生活科学。而物理教育也应该构筑在生活的基础上。我国教育家陶行知先生教育思想的核心就是“生活教育”。美国教育家杜威也曾把教育的本质概括为“教育即生长，教育即生活，教育即经验的不断改造”。他认为“生活就是发展，而不断发展，不断生长，就是生活。”因此，认为最好的教育就是“从生活中学习”。 　　物理教学和生活紧密联系，一方面能够激发学生学习的兴趣，使学生爱学、乐学。“兴趣是最好的老师”，学生只要对学习内容产生极大的学习兴趣，学习过程对他们来说就不是一种负担，而是一种享受；另一方面，还能够使学生保持对自然界的好奇，保持对科学的探索兴趣，通过长期的探究实践形成良好的科学素养。 　　目前，世界各国的教育改革中都把“从生活走进物理，从物理走向社会”作为物理课程标准的基本理念。下面，我们通过美国物理教材《Physics—Principles and Problems》来介绍这一理念在国外教材中的体现。 　　2 美国高中物理教材中的生活元素 　　美国高中物理教材《Physics—Principles and Problems》是由美国密执安-迪尔伯恩大学的著名物理学家保罗?齐策维茨博士主持编写的。随着美国《国家科学课程标准》的颁布，本书经过修改力图体现课程标准中有关高年级（9-12）物理学习的精髓，即科学的本质、作为探究对象的物理学、科学与技术、从个人和社会视角所见的科学等。 　　本书的编者认为物理学远远不仅是一些方程和数字，物理学是关于你周围世界所发生的事情的科学。它涉及到彩虹的颜色、钻石的光泽和硬度，涉及行走、奔跑、骑车、驾驶和探索星际等活动。物理学的原理在玩具、球类活动、健身器材和发电机中都有应用。在教材的第一章《什么是物理学？》就提出“虽然可怕的原子弹是众多物理学家研制出来的产物，但造福人类的电子计算机和电视系统的集成电路芯片、用于制造吉它和高尔夫运动器材的还氧石墨材料、播放音乐的CD机、电子游戏机、录制及播放电影的激光视盘等，也都是物理学家研制出来的。”随后在“你将学到什么？”中，教材又告诉学生“若你能理解，甚至预见到你周围所发生的物理现象，你将产生一种满足感。”可见，这套教材力图将我们身边的物理引入到课堂中去，使学生能够用所学的知识去解决我们身边的物理问题。 　　2．1 引言中的生活问题 　　这套教材的突出特点之一就是各章的引言。每章开始的照片就是学生身边物理学的例子，并在展示照片的基础上提出相应的问题，并以此作为本章的一条学习主线。各章引言举例如下： 章节名称背景照片标题问题矢量知识登山望乡GPS接受器显示你的家在距你150km、北偏西40°的地方，但面前只有通往正北的路，若你沿这条路前进10km，那么你的家距你多远？在什么方位？能量、功和简单机械山地自行车运动员一种并不简单的机械为什么骑着变速自行车能在各种地形下最省力地运动？能量过山车猛冲下来啦过山车缓缓地爬上第一个山头，拉好你的帽子！过山车飞一般地掠过谷地，又开始爬下一个山头。第一个山头应是所有山头中最高的吗？光的衍射和干涉甲虫恰到好处的波长甲虫可能是花园中令你心烦的动物，但它们往往有着美丽的外表。日光下，甲虫的硬壳发出明亮而有金属光泽的绚丽色彩。光的什么性质能解释这种非同寻常的效果呢？静电闪电天空中跳跃的闪电在雷雨天气，莫莉和帕雷什观察了空中的闪电，帕雷什对闪电的图样留下了深刻的印象。莫莉问帕雷什：“为什么闪电能在云和地之间跳跃呢？” 　　和我国教材相比，这套教材各章节引言的标题非常具有艺术性，所选的问题背景又贴近学生的生活，能够以此问题为学生兴趣的出发点，引起学生继续探究的动机。而各章引言中的问题，在各章相应小节中都成为学生自主探究的问题，使学生的探究活动更贴近生活，使学生能够在学习物理的过程中获得更多的满足感。 　　2．2 教材内容的生活化 　　这套教材不仅在创设物理情景时大量使用了生活化的情景，而且在具体知识传授中，也十分注重利用学生的生活经验，帮助学生对物理知识的理解。 　　例如，在讲到相互作用力时，就借助于接球员接球时的情景，帮助学生理解。棒球在美国是一项非常流行的运动，很多学校内都组织有棒球队，绝大多数学生都有棒球运动的经验。借助于这一情景，就降低了学生学习牛顿第三定律的难度。而在讲完机械内容后，教材又指出：“人类也是用杠杆这种简单机械来行走和跑动的。……人在行走时，臀部作为支点成为脚运动圆弧的圆心，身体质量的中心作为阻力绕同种圆弧的支点运动，圆弧的半径，就是腿骨形成的杠杆的长度，竞走运动员就是通过向上摆动臀部来增大半径以提高速度的。……”人每天都在走路，是最平常不过的事情，可原来还蕴藏着丰富的物理原理。这一段内容安排在学生学过机械这一节后，开拓了学生的眼界，提高了学生对机械的认识。而在讲到能量这一抽象概念时，教材中还有这么精彩的一段：“钱当然可有多种形式：钱在银行中是存款，具有被花掉的潜在能力，即为“势”。无论是存钱还是从自动取款机上取钱都没有改变你所具有的钱的总数，只是从一种形式转变成另一种形式。”教材利用学生存钱、取钱的生活经验，形象地说明了“势”的含义和能量守恒的原理。这种建立在生活经验上的学习过程，会使学生感到熟悉和轻松，物理的学习变得不再枯燥乏味。 　　2．3 物理实验的生活化 　　物理是以实验为基础的自然科学，物理实验是学生获取知识、进行知识创新的重要手段，是培养学生科学兴趣、科学态度和提高学生终身学习能力的重要途径。这套教材中的实验非常注重生活化，实验内容向贴近学生的生活方向发展。 　　教材将实验分为两种类型：袖珍实验室和物理实验室。袖珍实验室顾名思义是随手可做的小实验，这些小实验通过简单易做的活动来帮助学生理解书中的原理。例如，当讲到光的反射时，书中就设置了这样一个袖珍实验室。它要求将一只网球掷到墙上使其能反射到你的搭档那里。预测将球击到墙上何处才能使球沿你要求的方向运动。这个实验仅仅利用了一只网球，让学生观察了反射原理，而且模拟出了光的粒子性。再如，在讲光的衍射的应用，提出显微镜用何种滤光片时，书中安排了这样一个小实验：晚上，远处汽车的两盏车灯好像混在了一起，通过你准备的红色或蓝色玻璃纸看车灯，用哪种颜色能较容易地分辨开两盏车灯？ 　　而物理实验室中的实验，所用器材也十分简单，往往取材于玩具、生活用品，且很多实验并没有现成的实验方案，需要学生自己设计。如力学部分，共有“纸塔”“谜点”“运动概念”“纸河”“小球追汽车”“乘电梯”“掷垒球”“轨道”“爆炸”“你的功率”十个实验。其中“谜点”“运动概念”“小球追汽车”“掷垒球”“你的功率”都需要自己设计实验。而“运动概念”“纸河”“乘电梯”“掷垒球”“你的功率”这些实验还需要在实验室外进行。这十个实验所需的器材有：白纸、透明胶带、剪刀、金属线、地砖、尺、天平、秒表、绳子、电动小车、量角器、纸带、弹子球、木块、坐标纸、弹簧测力计、垒球、图钉、夹子。我们仅看这些随手都能拿到的器材，很难想象用这些器材竟能做十个实验。而这些实验很多又以游戏的形式进行，使得学生兴趣盎然、积极参与，真正做到了寓教于乐。 　　2．4 教材中的生活化栏目 　　这套教材设置了多个栏目，其中“物理学与社会”“它是如何工作的？”“物理学与技术”这些栏目的内容大多取材自生活。如“物理学与社会”设置了“研究工作”“评估危险”“潮汐能”“预报地震”“你可以带着它”“用电子计算机帮助残疾人”“电磁场”“机器人领域的革命”八个内容。在“研究工作”中介绍了“研究经费谁来资助？”“怎样获取资助？”“谁将获利？”三个问题，并在最后要求开展辩论：“美国政府是应该资助空间科学研究计划，还是应将这部分资金用于更多的人道主义研究方面？”。而在“用电子计算机帮助残疾人”的内容中，要求学生找出所在社区里残疾人使用的工具并说出这些工具给他们带来了那些便利。这些似乎与物理毫无关系的问题，在我国的物理教材中是从未出现的，但这样的问题紧紧联系社会，让学生融入社会生活，从中也体现出了美国的人文精神。而在“它是如何工作的？”“物理学与技术”中介绍了许多生活用品的工作原理，如电子计算器、拉链、家里汽车内的全球定位系统、高技术含量的网球拍、DVD光盘等。 　　2．5 物理习题生活情景化 　　杨振宁教授说过：“很多学生在物理学习中形成一种印象，认为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的，绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。”物理学的根源是现象，而现象来源于生活。给学生的习题创设生活背景，也就是为学生创造了与真实生活“亲密接触”的机会，让学生感受到物理就在自己的身边，并且最终达到学以致用的目的。 　　《Physics—Principles and Problems》这套教材的复习题也体现了这一特点。尤其是其中的“批判性思考题”别具新义。如：当你日落时分在城里驾车出游，城里到处是装有玻璃幕墙的建筑物，你可能被反射过来的落日余辉搞得什么也看不见，你可用戴偏振眼镜的方法解决这一问题吗？又如：H．G．威尔斯写的一部名为《隐身人》的科幻小说中，人喝了一种药水后就变得看不见了，但他还具有其他功能。试说明为什么隐身人是不可能看见东西的。 　　而在“更深入一步”中有这样的任务：“当你在商店里打工时，要将货箱搬上离地12m高的阁楼。现有30个货箱，总质量为150kg，要你尽可能快地把它们搬上去，故你要考虑不能每次只搬一箱。但若你一次搬得过多，上楼的速度就非常慢，还要常停下来休息；若每次只搬一箱，你又要把大量的能量耗在提升自己重力方面。你身体可以提供的功率如图那样取决于你搬的箱子数。这种曲线既适用于人也适用于机械，求出最省时间的每次搬运的箱子数，你用多长时间来完成这一工作？（忽略下楼，搬起和放下箱子等时间）”美国的学生都有在假期打工的经历，或许这一问题的答案正是学生们迫切想知道的。 　　3 借鉴 　　新课程改革正在我国逐步实施，在高中物理课程标准中对物理教学与生活的关系有明确的描述。要求学生能尝试运用有关的物理知识和技能解释一些生活中的问题；尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产和生活相关的实际问题；有将物理知识应用于生产和生活实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。在这样的大背景下，借鉴国外教材的成功经验，在教材中将物理与生活更好得结合起来，就更具有现实意义。