编排特点和启示1
——基于对美国《物理：原理与问题》教材的分析
●骆波*
摘 要：本文结合全美主流理科教材《物理：原理与问题》新版中跨学科实践栏目的编写特点进行分析，
借鉴该教材的优点，联系我国物理课程实际，对我国物理教材中跨学科实践内容的编写提出建议：增加跨
学科实践活动的编排数量，扩大选择空间，完善编排体系；引入科技前沿知识和最新技术成果，同时注重 与多学科的有机融合；渗透科学态度与责任，彰显学科教学的育人价值。
关键词：物理综合实践活动 跨学科实践 物理教材 编排特点 美国物理教育 跨学科实践活动与日常生活、工程实践及社会热点问题密切相关，是发展学生物理核心素养的重要途径之一。《义务教育物理课程标准（2011年版）》在“教学建议”中明确指出：“通过开展阅读资料、观察调查、实践体验等课外实践活动，加强物理学与生产、生活的联系。” 随着义务教育课程标准2011年版修订工作的逐步推进，新物理教材修订工作也即将展开。为更好地在教材中体现综合性和实践性，加强与生产生活的联系，笔者以钱振华教授等翻译、浙江教育出版社出版的美国理科教材——《物理：原理与问题》第二版为研究文本，简析本套教材中跨学科实践栏目的编排特点及对我国物理教材建设的启示。
1本文系江苏省教育科学“十三五”规划青年专项重点自筹课题“基于单元设计理念的初中物理综合实践活动研究”（立项编号：C-b/2020/02/52）的研究成果。
* 骆波，江苏省锡山高级中学实验学校教师。
一、美国物理教材的变化背景
美国麦格劳-希尔（McGraw-Hill）教育出版公司出版的《物理：原理与问题》是全美主流理科教材，其第一版于1987年出版。随着1996年美国《国家科学课程标准》及2013年《新一代K-12科学教育标准》的颁布，倡导综合和重视实践成为科学教育的改革方向。据此，该教材进行了大幅改编。新版[1]（以下简称“美国物理新教材”）的显著变化是每章后重新撰写了一个“物理学前言”或“生活中的物理学”等新科技小品，并在每个科技小品之后布置了“进一步探索”的综合实践活动。这些活动多为跨学科实践，具有综合开放等特点。
（一）教材中增加跨学科实践活动的背景《美国国家科学教育标准》明确指出：“不建议在规定的课堂时间内进行调查研究活动，不建议使用演示实验和验证实验来进行科学内容的学习，推荐在课堂时间外继续延续对知识的调查和研究，强调探索和分析来解决科学问题”。[2]
图1 科学学习的三个维度：
实践、跨领域概念和核心概念
《K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念》中将“实践”纳入课程内容，成为课程的三个维度（图1）之一，强调以实践为途径建构并深化对核心概念、跨领域概念的理解。同时将“实践”界定为：描述科学家在研究和建构有关自然世界的模型及理论时的行为，以及工程师们在使用设计搭建模型和系统时一系列关键的工程实践。具体而言，“实践”包含以下要素：提出问题和明确需解决的难题、建立和使用模型、设计和实施调查研究、分析和解释数据、利用数学和计算思维、建构解释和设计解决方案、基于证据的论证、获取、评估和交流信息。[3]
（二）活动编排的主题分布
全套教材共设30个实践活动，其主题类别及分布见表1。
从表1可知，与“深入思考”有关的活动内容编排比例最大，这符合“以综合实践为途径深化对核心概念的
理解”的课程主张。比如，《运动的描述》一章编排了实践活动“你了解时间吗”，通过研究高速运动的GPS卫星上时间的修正，形成对“时间的相对性”的初步认识，体现运动描述的进阶实质就是时空观的进阶。
另一大主题特是“物理工作者”的引入，回应了“从物理学习者到物理工作者”“学习为未来生活”的教育呼声。比
如，《二维力》一章编排了实践活动“建筑
域外教育
师”，引导学生通过分析“密苏里州圣路易斯市地标——拱门”各处受力的情况，感受力学在建设设计中的重要应用。
（三）活动编排的体例
每个活动编排遵循以下体例：导入性情境+指导性材料+实践任务布置。“导入性情境”通常基于真实问题，图文结合导入活动的主题。其所创设的情境既与核心概念高度关联，又趣味性十足，易于调动学生的实践欲望。“指导性材料”则根据实践需要提供了术语解释、原理说明、应用介绍等辅助材料。“实践任务布置”给出了实践的具体内容与成果形式，在任务分解、实践步骤等方面未作说明，体现较大的开放性。
以教材中《加速运动》一章“游乐车”实践活动为例，我们来感受其编排体例。
导入性情境：当你从100m的高度突然下落时，你的胃就会感觉很不舒服。当过山车通过弯道时，游客会有紧张刺激的感觉。（另附摄像照片，展示过山车通过弯道和海盗船摆动的情境。）
指导性材料：加速度、自由落体运动
实践任务：在网络上查设计游乐车的原理。自己设计游乐车，向同学们展示你的设计，并说明在游乐车运动的过程中，哪些地方游客会加速。
二、教材编写特点分析
（一）跨学科实践活动内容丰富、数量多在美国物理新教材中，综合不仅体现在单元间的综合、经典物理与现代物理的综合，更体现在跨学科综合。笔者对全套教材中实践活动项目所涉及的学科数量和各学科所涉及的项目数量分别统计如图2、3
所示。
图2 跨学科融合项目占比
表1 《物理：原理与问题》（第二版）综合实践活动主题统计主题类别主题名称
深入思考①你了解时间吗？②黑洞 ③天空中的火球④穿戴假肢跑步⑤引力透镜⑥静电的危害⑦手机 ⑧生物磁性检测⑨智能电网⑩太空探测器
物理学前沿①超音速跳伞②替代能源③寻系外行星④蝴蝶的翅膀⑤量子触摸屏⑥发光纳米粒子⑦核聚变
工作原理①高速离心机②弧线球③抗震建筑④自动体外除颤器⑤磁卡读卡器生活中的物理学①三维动画②游乐车③剧场声学④3D电影
物理工作者①建筑师②行人动力学③赛车手④电工
由图2可知，跨学科项目占比过半（53%），且多为两个学科（物理+X）的融合，这反映了学科融合的课程趋势。以《电流》一章“智能电网”活动为例，来感受其如何用多学科知识、方法或思想解决现实问题（表2）。
表2 “智能电网”活动的学科融合分析
学科拟解决的问题
物理根据智能电网的需求，进行电路的设计或改进
数学分析影响发电、输电及用电成本的因素，构建智能电网评价的数学模型
（二）实践活动有较大的开放性
当前，转变学生的学习方式是课程与教学改革的关键。在传统的物理学习中，往往理论探析偏多而实验探究较少、习题训练多而实践应用少。重视实践、加强实践已成为共识。跨学科实践在目标、过程、评价等环节都呈现出很强的开放性，为师生自主选择活动和创造性地设计、组织、实施、评价活动留下了必要的空间。[4] 因此，增强实践的开放度是转变教学方式，提升学生动手实践及创新能力的关键。
美国物理新教材中的跨学科实践活动，在开放性的设计上表现出以下两个特点：
1.实践过程不是按方抓药，实践方案自由度大、生成性强。比如，《热能》的关键术语是“热力学”，综合实践活动“行人动力学”就需要仿照热力学思想建立“社会力”模型。可将人视作一个多粒子系统，运用均质气体中的粒子运动方程来描述和预测人的运动。活动要求学生在建构人行为模型的基础上，研究学校的疏散计划，并提出改进建议。无论是原始问题的表征与建模，还是问题解决方案的选择与评估，均留给学生很大的生成空间。
2.实践形式多样化、选择空间大，有力促进学生综合素养的培育。教材中的实践形式包括设计制作、调查探究、访谈辩论、信息检索等多种实践形式，其中部分活动学生有选择性。比如，《转动》一章设置了综合实践活动“高速离心机”，学生可以“采访”一位大学病理学实验室的教师，也可以在该实验室实际“操作”离心机分离样品，还可以从该实验室获取资料深度“探究”离心机的工作原理。
（三）选题紧跟科技发展前沿，时代感强
1.反映现代物理学的迅速发展，实现经典时空观念的修正。比如，几何光学《折射和透镜》一章，在学习“透镜使光发生折射，并形成了像”后，设置了综合实践活动
“引力透镜”。学生通过资料检索，了解到图3 跨学科所涉及项目数量
域外教育
“远处物体发出的光在靠近巨大的物体时，会发生弯曲，近处的物体就如同引力透镜一样”，以迁移和演绎的视角去感知现代物理，并在实践中体悟物理思想的巨大张力和内在美感。
2.反映物理学相关技术在现代生活中的广泛应用，为创新素养的培育搭建平台。比如，声学是物理学中一门古老而又不断与时俱进的分支，美国物理新教材中设计的综合实践活动“剧场声学”就体现了这一特。首先通过学生自主探查，分析古希腊埃皮达鲁斯剧场的神秘现象——没有话筒但最后一排观众也能
听见演员的声音；而后的实践任务是“制作一张家庭影院声学系统的海报，解释应该如何摆放音响”。活动设计指向了学生在现代生活实践中创造性地解决问题的能力培养。
（四）重视信息素养的培育
信息素养是备受全球关注的21世纪核心素养。[5]美国物理新教材中对信息素养的重视成为其跨学科实践的特之一。教材中多项实践活动都需要依托互联网等资源开展信息的检索和深度加工。比如，《反射和平面镜》一章在学习“所有表面都反射光，但是光滑的表面能产生像”之后，设置了综合实践活动“寻系外行星”。具体的实践任务是：“访问美国国家航空航天局（NASA）开普勒太空望远镜的网站，研究最近发现的系外行星；总结其特点以及有机体在这些行星上生存下来的特征。”
（五）强调科技写作能力的培养
在物理教学中重视科技写作，对学生综合素养的提升大有裨益：一方面，为学生的整体思考和完整表达创造了机会，有利于养成良好思维习惯和发展批判精神[6]；另一方面，“沟通与合作素养”“科技素养”和“语言素养”被纳入多个国际组织或国家的核心素养框架，科技写作是促进上述素养落地的有效载体。
在美国物理新教材中的实践活动，如按成果形式分类如表3所示。
表3 实践成果分类表
成果形式成果体例活动数量科技写作
小论文、实验报告、意见
书、辩论稿等
21
作品制作
模型制作、海报制作、网
页制作等
5其他
访谈记录、信息收集、样
品采集等
4由表3可见，科技写作的成果形式占比高达70%，无论是实验探究还是调查研究，最终都需要以科技写作的方式来表达成果，并在同伴间交流与展示。科技写作训练有助于学生从“探究”迈向“研究”，并掌握一些基本的学术规范。比如，《功、能量和机械》一章在形成“对一个系统做功改变了这个系统的能量”的观念后，设置了综合实践活动“穿戴假肢跑步”。该活动对成果类型做了明确说明：“围绕体育赛事中，一些参赛者穿戴假肢比赛引起的争议，对假肢的能
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