張煥笛 蘇玉成

(中央民族大學(xué)理學(xué)院,北京 100089)

課程標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)定某一學(xué)科的課程性質(zhì)、課程目標(biāo)、內(nèi)容目標(biāo)、實(shí)施建議的教學(xué)指導(dǎo)性文件．2013年,美國頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(The Next Generation Science Standards,NGSS,以下簡稱《新課標(biāo)》)[1]重視教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程的的整合性,同時(shí)強(qiáng)調(diào)課程設(shè)置的連貫性、學(xué)科課程與實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性以及教育目的的人本性,具有一定的科學(xué)性和先進(jìn)性．郭玉英,姚建欣,彭征對美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》探究分析得到其整合理念對我國理科課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂和教育研究具有重要啟示．[2]劉興然對美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的編制框架與特點(diǎn)進(jìn)行分析,探究了整合科學(xué)與數(shù)學(xué)、人文之間的關(guān)系,并以新的學(xué)習(xí)理論作為修訂標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)思想,這些經(jīng)驗(yàn)均是值得我們學(xué)習(xí)的．[3]通過對中美物理課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較研究,將從多角度更好地了解我國課程標(biāo)準(zhǔn)所具有的特點(diǎn),同時(shí)根據(jù)我國現(xiàn)階段教育特點(diǎn)有選擇借鑒他國課程標(biāo)準(zhǔn)以助于我國科學(xué)教育理念與實(shí)踐的發(fā)展．

能量的守恒定律是自然界的最基本、最普遍規(guī)律之一．高中階段學(xué)習(xí)的有關(guān)能量的內(nèi)容與各學(xué)科、社會(huì)生產(chǎn)以及日常生活之間都息息相關(guān)．同時(shí),能量部分內(nèi)容對于學(xué)生形成可持續(xù)發(fā)展觀以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他科學(xué)技術(shù)至關(guān)重要．本文以高中階段的能量內(nèi)容為例,將《新課標(biāo)》與我國2017年新出版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱我國《課標(biāo)》)[4]進(jìn)行比較研究．

1 概況簡介

《新課標(biāo)》中將科學(xué)教育分為3個(gè)維度,分別為實(shí)踐工程實(shí)踐(Science and Engineering Practices)、跨學(xué)科概念(Crosscutting Concepts)和學(xué)科核心概念(Disciplinary Core Ideas),并將這3個(gè)維度結(jié)合在每一條課程標(biāo)準(zhǔn)中,又在所有課程標(biāo)準(zhǔn)之間設(shè)置了連接,期望通過3個(gè)維度的整合發(fā)展學(xué)生的知識(shí)與能力．《新課標(biāo)》旨在提高美國基礎(chǔ)教育階段中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),并通過提高未來勞動(dòng)力的實(shí)踐能力來滿足美國未來的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展需求．

我國2017年由教育部出臺(tái)的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)是對其2003年出臺(tái)的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)稿)進(jìn)行修訂,以貫徹“立德樹人”根本任務(wù)為指針．該《課標(biāo)》從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，并為學(xué)生終身發(fā)展考慮,使其具有應(yīng)對現(xiàn)代社會(huì)和未來發(fā)展挑戰(zhàn)的能力．

2 高中階段能量內(nèi)容的比較研究

美國《新課標(biāo)》高中階段的能量內(nèi)容主要分為以下4個(gè)板塊: (1) 能量的定義; (2) 能量的守恒和轉(zhuǎn)移; (3) 能量和力之間的關(guān)系; (4) 日常生活中的能量．我國《課標(biāo)》中高中階段的能量內(nèi)容主要涉及: (1) 機(jī)械能及其守恒定律; (2) 靜電場; (3) 電磁場; (4) 能源與可持續(xù)發(fā)展; (5) 動(dòng)量與動(dòng)量守恒定律; (6) 熱力學(xué)定律; (7) 物理學(xué)與新能源等7個(gè)板塊．下面將以美國《新課標(biāo)》的4個(gè)板塊劃分維度為依據(jù)與我國《課標(biāo)》中相關(guān)要求進(jìn)行比較研究．

2.1 中美課標(biāo)關(guān)于能量的定義的比較

能量的定義是高中物理中的基本概念,其貫穿于高中物理知識(shí)的各個(gè)部分．對于能量定義的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生從能量角度分析并解釋現(xiàn)階段問題,促進(jìn)學(xué)生能量觀念的形成．能量的概念是一較為抽象的概念,中美課標(biāo)中對于能量的定義這部分內(nèi)容都進(jìn)行了相關(guān)要求,其具體比較分析見表1．

表1 中美課標(biāo)關(guān)于能量的定義比較

由表1分析比較可知,美國《新課標(biāo)》中給出能量的定義為“能量是一個(gè)系統(tǒng)的定量屬性,它依賴于物體的運(yùn)動(dòng)和物體的相互作用”．我國《課標(biāo)》是從“功”的角度來引入能量的概念,時(shí)學(xué)生通過對能量的量度功以及功率的學(xué)習(xí)來理解能量．美國《新課標(biāo)》中指出學(xué)生宏觀的角度上了解能量存在形式,并要求在此基礎(chǔ)上舉例幾種能量存在的具體形式．中國《課標(biāo)》在這一基礎(chǔ)概念上并未對其進(jìn)行具體要求．美國《新課標(biāo)》中提出構(gòu)建并使用模型來理解機(jī)械能是物體動(dòng)能與勢能的結(jié)合并說明構(gòu)建模型可以包括圖標(biāo)、描繪以及模擬等形式．通過這些可以看出,美國《新課標(biāo)》中對于能量的定義這部分學(xué)習(xí)要求重點(diǎn)在于對相關(guān)概念的理解以及相關(guān)模型的建立,并未對能量部分相關(guān)計(jì)算有較高要求．中國《課標(biāo)》中則重點(diǎn)要求理解功、功率的大小與意義、動(dòng)能與動(dòng)能定理以及重力勢能與重力做功的關(guān)系,其重點(diǎn)在于對能量量度功的理解與功率的計(jì)算,要求學(xué)生理解并應(yīng)用動(dòng)能定理和重力勢能與重力做功的關(guān)系,并通過舉例要求學(xué)生利用牛頓第二定理對動(dòng)能定理進(jìn)行推導(dǎo)驗(yàn)證．中國《課標(biāo)》中側(cè)重點(diǎn)在于定理概念的理解與推導(dǎo)并未強(qiáng)調(diào)通過建立模型理解能量的定義．

2.2 中美課標(biāo)關(guān)于能量的守恒與轉(zhuǎn)移的比較

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是物理學(xué)中重要的基本規(guī)律之一，它揭示了電、熱、光、機(jī)械、化學(xué)等各種運(yùn)動(dòng)形式之間相互聯(lián)系以及相互轉(zhuǎn)化的統(tǒng)一性.它不僅是自然科學(xué)的一條基本規(guī)律，更是檢驗(yàn)一個(gè)科學(xué)理論是否正確的基本準(zhǔn)繩之一.中美課標(biāo)對于該部分內(nèi)容提出了相關(guān)要求，見表2.

表2 中美課標(biāo)關(guān)于能量守恒與轉(zhuǎn)移比較

由表2分析比較可知，美國《新課標(biāo)》與中國《課標(biāo)》在能量守恒定律都進(jìn)行了具體說明.美國《新課標(biāo)》要求學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)模型來計(jì)算在已知部分能量流動(dòng)情況下，系統(tǒng)內(nèi)能量變化的情況，并限制模型建立涉及兩到三個(gè)系統(tǒng)、基本的代數(shù)運(yùn)算以及研究范圍.相比中國《課標(biāo)》要求通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能量守恒定律并要求利用能量守恒定律解釋生活、生產(chǎn)中常見的問題.美國《新課標(biāo)》要求重點(diǎn)傾向于模型設(shè)計(jì)與物理原理的理解，中國《課標(biāo)》要求重點(diǎn)傾向于利用所學(xué)原理與實(shí)際生活的聯(lián)系與應(yīng)用.對于熱力學(xué)第二定律，美國《新課標(biāo)》要求設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)攤就分析熱力學(xué)第二定律，并要求課程的重點(diǎn)在于分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)以及培養(yǎng)學(xué)生定量研究的數(shù)學(xué)思維和利用概念性語句描述實(shí)驗(yàn)原理的能力.對于實(shí)驗(yàn)對象也做了相應(yīng)的限制，要求學(xué)生利用容易獲得的物體或材料進(jìn)行探究.其課標(biāo)要求的重點(diǎn)在于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)以及科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)，使學(xué)生可以利用定量研究的方法獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)定理.中國《課標(biāo)》要求通過從宏觀角度理解能量轉(zhuǎn)化的方向性來理解熱力學(xué)第二定律的原理.其課標(biāo)的要求重點(diǎn)傾向于物理原理在實(shí)際生活中的應(yīng)用，注重科學(xué)知識(shí)與的實(shí)踐性以及建立物理學(xué)中的守恒觀念.

2.3 中美課標(biāo)關(guān)于能量和力之間的關(guān)系的比較

能量貫穿于各物體間相互作用.在電場和磁場中，能量相關(guān)定律是分析問題、解決問題重要原理之一.中美課標(biāo)中對于電場、磁場中力與能量間關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)要求，見表3.

表3 中美課標(biāo)關(guān)于能量和力關(guān)系比較

由表3分析比較可知，對于能量與力關(guān)系部分，美國《新課標(biāo)》主要對電場和磁場中能量進(jìn)行了課程要求.美國《新課標(biāo)》要求學(xué)生需要通過構(gòu)建兩個(gè)物體模型，探究在電場和磁場中兩個(gè)物體間受到相互作用的力與能量之間的變化關(guān)系.其課標(biāo)中對于模型建立進(jìn)行了具體限制，要求模型種類可以包括繪畫、圖標(biāo)以及文本3種形式，并舉例說明可以繪制兩個(gè)異種電荷在相互靠近時(shí)能量變化關(guān)系.對于實(shí)驗(yàn)調(diào)查也進(jìn)行了具體要求，其規(guī)定學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)施的實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生協(xié)同作業(yè)或者獨(dú)立完成并得到可靠數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證理論支撐基礎(chǔ).對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的類型、數(shù)量和準(zhǔn)確性也有相應(yīng)的要求.中國《課標(biāo)》，其關(guān)于電場和磁場中有關(guān)能量部分要求學(xué)生學(xué)習(xí)了解楞次定律以及法拉第電磁感應(yīng)定律，通過定律的角度認(rèn)識(shí)電場與電磁場中物體能量變化關(guān)系并通過要求學(xué)生對電功、電功率以及焦耳定律的理解掌握電路中能量守恒與轉(zhuǎn)換.相比美國《新課標(biāo)》并未對該部分進(jìn)行相關(guān)要求.中國《課標(biāo)》要求重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生利用原理解釋現(xiàn)象的能力，加深對科學(xué)原理的理解與應(yīng)用.

2.4 中美課標(biāo)關(guān)于日常生活中的能量的比較

美國《新課標(biāo)》中注重跨學(xué)科概念，在能量部分中對能量在其他學(xué)科與實(shí)踐方面應(yīng)用提出了相關(guān)要求.相比于我國《課標(biāo)》，在能量相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用上也進(jìn)行了相應(yīng)的要求，具體比較分析見表4.

表4 中美課標(biāo)關(guān)于日常生活中的能量比較

由表4分析比較可知，美國《新課標(biāo)》中要求學(xué)生設(shè)計(jì)、構(gòu)建或者改進(jìn)一個(gè)能量裝置模型，要求該模型可以將一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式，并對模型的類型提出了具體說明.中國《課標(biāo)》在此部分的要求了解利用水能、風(fēng)能、太陽能和核能的方式并初步了解核裂變與核聚變.同時(shí)要求了解可再生能源和不可再生能源的分類，認(rèn)識(shí)能源的過度開發(fā)和利用對環(huán)境的影響.美國《新課標(biāo)》對于日常生活中能量部分的學(xué)習(xí)重視學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建以及對原有實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生建立一套完整的科學(xué)思維.鼓勵(lì)學(xué)生以日常生活中可接觸到的實(shí)例進(jìn)行分析探究，從而進(jìn)一步提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力.中國《課標(biāo)》側(cè)重于要求學(xué)生了解目前物理能源各種具體來源方式，與現(xiàn)階段我國物理能源科技發(fā)展相結(jié)合.同時(shí)側(cè)重于要求學(xué)生對日常生活中可再生能源和不可再生能源的區(qū)分，強(qiáng)調(diào)能源的開發(fā)與利用對環(huán)境的影響，符合現(xiàn)階段我國發(fā)展基本國情.

3 總結(jié)與建議

根據(jù)高中物理能量部分的比較研究，筆者提出以下建議：

(1) 能量概念是整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)，對于高中物理能量部分相關(guān)概念與定理的認(rèn)識(shí)，也是學(xué)生是否可以從能量角度分析問題、解決問題的關(guān)鍵.同時(shí)，能量觀念是物理觀念重要組成部分，而物理觀念是物理核心素養(yǎng)的重要維度之一.建立扎實(shí)的能量觀念將有助于提高學(xué)生分析問題、解決問題能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng).

(2) 物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒂兄谙嚓P(guān)物理知識(shí)、定律的理解與學(xué)習(xí).在能量部分課標(biāo)要求中，對于相關(guān)理論模型建立的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、適用條件應(yīng)提出具體要求.

(3) 在力與能量間關(guān)系相關(guān)要求中，不僅僅從楞次定律與法拉第電磁感應(yīng)定律角度探究電場與磁場中能量守恒與轉(zhuǎn)移，同時(shí)應(yīng)增加相關(guān)模型的建立，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神.