我国高中物理教材力学知识内容的变化及教学启示

焦玉凤，邓 磊

西南大学科学教育研究中心，重庆 400715

物理教材是物理学科知识与学生间的桥梁，是教学系统的重要组成部分。从教材建设史的角度看，依据不同阶段的历史背景梳理高中物理的教材知识，探寻高中物理教材历史演变进程中的内在规律，可以让教师用发展的眼光正确看待教材的演变；
从中学物理教学角度看，梳理出力学各版教材中的核心知识并以“牛顿第二定律”内容为例纵向对比知识内容，有助于教师对教材进行“二次开发”。

为此，本文对1949年至2020年的8版人民教育出版社编写的高中物理教材中的力学知识进行了统计分析，通过力学知识点的数目及可视化知识图谱分析变化情况及其趋势，对“牛顿第二定律”内容深度纵向对比，深入挖掘教材的不同点，并提出对教师教学的启示。

1.1 高中物理教材分析对象的遴选

本文研究1949年至2020年人民教育出版社编写的教材，原因一是新中国成立后大部分时间全国中小学生统一使用人民教育出版社出版的教材，影响力深、辐射范围广；
二是人民教育出版社足够长的发展历程下有详实可靠的教材建设史料，对教材研究有重要意义［1］。

根据时代背景的特殊性与局限性，本文选取以下8个版本的教材进行对比分析：1955—1957年《高级中学课本物理学》第一册、1979—1980年《全日制十年制学校高中课本（试用本）物理》第一册、1983—1985年《高级中学课本（试用）物理（甲种本）》第一册、1983—1984年《高级中学课本（试用）物理（乙种本）》上册、1990—1991 年《高级中学课本物理》第一册（必修）、2002年（审定）《全日制普通高级中学教科书物理》第一册必修、2004年《普通高中课程标准实验教科书物理》必修1、2019年《普通高中教科书物理》必修第一册。

1.2 高中物理教材力学知识点数量变化

基于对以上研究资料力学部分的统计，对新中国成立后人民教育出版社编写的8版高中物理教科书力学知识总数的具体统计结果如图1所示。

通过图1，可以清晰地看到这8版教材的力学知识点数量在不停地发生变化，总体呈“上升—下降—上升”的发展趋势，数量保持在104个左右。其中，1983年版甲种本教材力学知识点数量为119个，是历年来的最大值；
2002年版教材力学知识点数量为91个，是历年来的最小值。原因分析如下：

图1 高中物理教材力学知识点数量变化

1983年版甲种本教材全名为《高级中学课本（试用）物理（甲种本）》，是为扭转当时教育水平参差不齐的局面，考虑重点校师生的情况而编写的知识面更宽、内容更充实的教材。1983年版甲种本力学部分联系实际且单独成节的内容增多，如离心现象、人造地球卫星、反冲运动等作为基本物理知识的应用讲解的内容，如噪声的危害和控制、超声波等带有介绍性的、要求较低的内容，1983年版甲种本教材力学内容的增加是符合重点高中教学需要的，但师生使用甲种本过程中发现了课本内容多、负担重、初高中“台阶”大等问题［2］。

2002年版教材力学知识点数目最少，原因有以下几点：一是该版教材更注重知识体系的完整，理论性更强，与生活相联系的或最新科技发展呈现不足，如减小地球上物体所受重力的变化、生活中的圆周运动之圆锥摆和杂技节目“水流星”两个实例、载人航天与太空探索等内容；
二是对初中已经学习过的知识不再讲解，如物体间的相互作用和二力平衡、声源、乐音和噪声、音调、响度、噪声的危害和控制等。

1.3 高中物理教材力学知识变化趋势分析

本文将8版人教版教材编写发展过程中始终呈现的知识定为核心知识，它包括教材文本中关键性的概念、原理、规律及方法，是学科教学的主体内容与知识主干，在学科结构中处于轴心地位，具有持久性、适用性和迁移性［3］。利用Ucinet社会网络分析软件绘制8版教材中力学核心知识图谱，如图2所示。

图2 高中物理教材力学知识图谱

各版教材的名称集中于知识图谱内部，四周分布的是8版教材中均出现的知识，结合知识图谱和统计结果可以看出，随着时代发展还一直出现的力学知识是非常具有代表性的，系统性、引领性、生发性、迁移性更强。

8版教材的编写在内容安排、导入方式、正文编排、实验设置、例题、栏目、习题等方面都有变化。

2.1 8版高中物理教材内容安排的比较

“牛顿第二定律”相关内容在8版教材中的安排如表1所示。

表1 8版教材“牛顿第二定律”内容安排

在“牛顿第二定律”内容安排上，1955年版教材包括3小节和书末物理实验；
1979年版教材包括2节，除在正文讲解实验外，还在书末设置了验证性的学生实验；
1983年版甲种本教材在“牛顿第二定律”一节之前采用在教师指导下学生随堂做实验的形式来研究，在教材末还设置了学生实验，足以体现甲种本教材编写者对实验的重视；
1983年版乙种本教材与1979年版教材内容安排基本一致，但不对牛顿第二定律进一步讨论，这符合乙种本教材在继承1979年版教材培养思维能力、实验能力做法的基础上，要根据教学纲要基本要求，降低理论程度而编写的历史背景［1］；
1990 年版和 2002 年版教材最少，各包括 1节；
2004年版和2019年版教材实验部分也单独呈现，与1983年版甲种本不同的是，这两版教材中实验由验证性转为探究性，突出了对科学探究能力培养的重视。

2.2 8版高中物理教材导入的比较

在“牛顿第二定律”一节中，8版教材的导入呈现方式有四种。1955年版教材为温故知新的复习式导入，通过回顾匀加速运动与斜面的知识可知，在不变的力作用下物体做匀加速运动，从而引出正文。1979年版教材为联系实际生活的实例导入，通过大小不同的力推同一辆车子和相同的力推动两个质量不同的车子的实例引出正文。2019年版教材用实例和问题相结合的方式导入，通过赛车加速度大的事实设问，引发学生对物体的加速度a与它所受作用力F及自身的质量m的定量关系的思考。其余版本均为直接导入。对8版教材导入部分的比较可以得出，自1983年版甲种本教材开始，连续5版教材均采用直接导入的方式，易于教师教学，却很难提起学生的学习兴趣；
1955年版教材复习式导入旨在从旧知识中引出新知识，增强了新旧知识间的联系，但不适用如今的物理教学；
2019年版教材导入方式为实例导入和问题导入相结合，在导入素材中还增加了插图，既有利于达到营造物理情境、激趣促思的效果，又符合新课程标准中对学生理解牛顿运动定律、能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题的要求。

2.3 8版高中物理教材正文的比较

在1955年版教材中，主要以实验的方式呈现牛顿第二定律的得出过程，对牛顿第二定律的解释却非常简短。1979年版教材用实验分析加速度和力的关系、加速度和质量的关系，从而总结出牛顿第二定律的内容。1983年版甲种本教材除了介绍牛顿第二定律及公式外，还对力的独立作用原理进行了详细解释。1983年版乙种本教材与1979年版、1990年版、2002年版教材正文编排一致。2004年版和2019年版教材正文编排一致。如表2所示。

表2 8版教材 “牛顿第二定律”正文编排情况

关于牛顿第二定律的表述，1955年版教材表述为“物体运动的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比”；
1979年版教材表述为“物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比”；
1983年版甲种本、1983年版乙种本、1990年版教材的表述均为“物体的加速度跟物体所受外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同”；
2002年版教材表述为“物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同”；
2004年版、2019年版教材的表述均为“物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同”。

从表述中可以看出，只有2019年版教材明确指出“加速度的大小”，体现了加速度的矢量性，包括大小和方向，此表述更为准确。1955年版、1979年版、2004年版、2019年版教材都未提及合力，其中蕴含着牛顿第二定律中力的独立作用原理，即当物体受几个力作用时，每个力各自独立地使物体产生一个加速度，因此物体各个力产生加速度的矢量和等于合外力产生的加速度，合加速度与合外力成正比，教师在教学中应予以强调。1955年版和1979年版教材没有在文字描述规律时提及加速度的方向与合力方向的关系，虽然用公式描述牛顿第二定律时标注为矢量式，但是在用文字描述规律时最好将加速度的方向与合力的方向讲出来，这样保证了用公式与用文字描述是等价的。

关于牛顿第二定律中力的单位问题，1955年版教材中力的单位是“达因”（使质量为1克的物体产生1厘米/秒2的加速度的力就叫作1达因），后续教材均引入国际单位制“牛顿”。此外，与其他版本教材最为不同的是，2019年版教材中用半页篇幅阐述怎样的结论才能称之为“定律”，这对于学生物理观念的培养至关重要，更是在教学中极容易被忽视的地方。

2.4 8版高中物理教材实验设置的比较

通过比较发现，8版教材中均包含“牛顿第二定律”的实验部分，共有三种实验方案，第一种是在可改变斜度的长斜面上测小车加速度与力、质量的关系，第二种是通过带滑轮的长木板用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系，第三种是通过位移之比测量加速度之比。在1955年版和1979年版教材中，正文和书末都分别设置了演示实验和（学生）实验，8版教材实验设置的装置及环节如表3所示。

1979年版教材演示实验和学生实验分别从定性、定量的角度进行实验，在实验设置环节还增加了学生分组实验，书末的学生实验环节编写方式变化后也更科学、合理。该版教材在第一章“学好物理知识”中便提出了要“做好物理实验”，在加强学生实验、培养学生思维方面非常重视。后面三版教材与之实验设置内容相同，说明对此种实验设置方式是极为肯定的。此外，该版教材在编写中努力贯彻打好基础、培养能力的指导思想。2004年版教材在讲述如何为运动的物体提供一个恒定的合力时，通过案例的形式提供了定量的方法供学生选用。2019年版教材则提供了定量、定性两种方法供学生选用，为学生自主设计实验提供思路，避免让学生按照教材的既定步骤进行“虚假”探究。

从表3中各版教材实验装置可以看出，人教版教材提供的实验方案器材价格相对较低、容易取得，适合我国大部分地区学校的条件。但从操作角度来看，第一种方案误差较大，第二种方案平衡摩擦力有一定的难度，但更有助于增强学生的合作意识。

表3 8版教材实验设置的装置及环节

2.5 8版高中物理教材例题设计的比较

8版教材中除1983年版甲种本和1983年版乙种本教材外，均有例题呈现。从例题呈现环节角度，1955年版教材有“已知、求解、答”的环节、1979年版教材只有“解”一个环节，其他版本教材有“分析”和“解”两个环节。在例题内容方面，2004年版、2019年版教材的例题更贴近社会生活，在第一道例题的“分析”部分，2019年版教材语言更简练，汽车受力情况图用两种颜色呈现，也更加清晰。这两版教材第二道例题考查的知识相似，但2019年版教材用某同学在列车车厢顶部用细线悬挂小球的情境来激起学生的解题兴趣，更重视物理与生活情境的联系。

总体来说，旧版教材对通过例题的设置促进学生发展、提升学生学业质量水平以及启发学生应用知识、培养能力和发展思维等层面的重视程度还不够［5］，2019年版教材对例题情境的创设、内容的分析、解答的过程阐述得非常清晰，但学生需要读懂题意，分析特定情境下的物理问题，对学生理解题意、分析问题的能力要求较高。

2.6 8版高中物理教材栏目设计的比较

教材栏目的内容和形式无不体现着深层次的教育理念，高中物理教材在栏目编写方面不断发展变化，从没有设置栏目到2002年版教材有2个栏目、2004年版教材有3个栏目、2019年版教材有5个栏目，有关栏目的统计情况如表4所示。

表4 8版高中物理教材栏目统计表

从表4可以看出“牛顿第二定律”内容栏目设计的发展，前5版教材没有设置栏目，2002年版教材将“实验”用框图标出，留出“旁注”的位置以进行科学方法的提示。2004年版教材将“旁注”转为“旁批”，从学生角度出发加强了对正文内容的解释，通过“说一说”中“质量不同的物体，所受的重力不一样，它们自由下落时加速度却是一样的，你怎样解释？”引导学生开展小组讨论式的学习活动，培养学生的合作意识与表达能力，“科学漫步”提供了一种测宇宙空间物体质量的动力学方法，有助于开拓学生的视野，加强对学生STS观念的渗透。2019年版教材栏目类型更加丰富，通过“问题”引入，可激发学生兴趣、促进思考，“思考与讨论”同样能够引导学生开展头脑风暴的讨论式学习活动，“科学方法”中详细介绍了在探究实验时采用的控制变量法，体现对学生科学思维培养的重视。

总之，栏目设计在不断发展的过程中越来越重视从学生的学习内容、学习方式和心理特点出发，为多样化的学习活动创造条件，2019年版教材栏目设置最能反映教材多方面的教育功能，符合新课程标准所倡导的理念。

2.7 8版高中物理教材习题设计的比较

1955年版教材中习题共4道，均为计算题。1979年版教材习题共9道，包含3道简答题和6道计算题，简答题的编写中体现出编者利用物理学史培养学生学习物理的兴趣的理念，如亚里士多德将如何解释上述现象？根据牛顿运动定律该怎样解释？1983年版甲种本教材习题共6道，3种题型，包括3道简答题、2道计算题以及1道判断题。1983年版乙种本教材习题共5道，3种题型，习题设置的顺序与甲种本不同，1道简答题、1道判断题和3道计算题，题目层次清晰、难度逐层增加。1990年版教材习题数量最多，共10道，题型最丰富，除上述三种题型外还增加了2道证明题，加强对学生逆向思维、科学论证能力的培养。2002年版教材共8道习题，包括2道简答题和6道计算题。2004年版教材习题量少，共5道，1道简答题、4道计算题。2019年版教材共6道习题，1道简答题、5道计算题，其中，与前几版教材相同的第2题增加了补充条件（不考虑阻力），第3题与1983年版乙种本、1990年版、2002年版、2004年版教材中相同题目表述不同，将“需要施加多大的力”改为“它受到的合力是多大”，第6题不仅创设了装满石块的货车在平直道路上加速运动的情境，还通过图片直观呈现货车中石块的位置及受力情况，从而帮助学生更好地理解题意。1990年版教材的题目数量最多、题型最丰富，2019年版教材题量适中，表述更为严谨，增加图片呈现生活情境，但要求更高，更注重对学生思维过程和分析能力的培养。

根据对8版高中物理教材“牛顿第二定律”内容的纵向比较，结合新课标对物理学科核心素养的重视，总结了高中物理教材内容的变化对我国中学物理教师教学的启示，并展望未来发展趋势。

3.1 合理把握教材逻辑进行教学设计

通过对教材内容变化的研究，设计出符合学科逻辑、教学逻辑和认知逻辑的教学［6］，有助于提高教学效率和质量。

首先，要基于学科逻辑构建知识体系。从宏观与微观角度系统地了解不同版本教材的物理学科逻辑，关注知识的生成过程，清楚“为什么要教这部分内容”“知识的内在逻辑是什么”，从而选择更符合该物理知识体系的构建过程进行教学，这有利于学生更系统化地接受新知，提高教学质量与教学深度。

其次，教师应从教材的可教性出发关注教学逻辑。选择符合学生学习逻辑和教师教学逻辑的知识呈现顺序为逻辑主线，运用清晰的脉络进行教学；
在探究实验的设计中将实验内容的逻辑层次显性化，带领学生循序渐进地进行探究；
注重将知识的逻辑层次细腻化，全面而有深度地剖析每一个细节、把握关键字句的深层含义，从而帮助学生透彻地理解知识；
还应关注教材中栏目设置情况，充分利用栏目设计开展多样化的学习活动等。

最后，教师要将逻辑层次认知化，注重学生的认知逻辑。重点关注学生“学了多少、掌握如何”，教师可以通过学情分析设计恰当的逻辑起点，用问题导入、情境导入的方式开展教学，用学生熟悉的事物引入概念性强的知识，引领学生从生活到探究的认知过程，保证课堂节奏符合学生的认知逻辑；
根据学生的认知规律采用循序渐进的方式开展探究实验，重视实验的逻辑性，提供不同类型的实验方案，为学生自主设计实验提供思路，从而培养学生的科学探究能力。

3.2 重视从多角度“二次开发”物理教材

教材编写并不能完全满足每位学生的学习需求。因此，教师应努力把“教材”转化为“学材”，对教材进行“二次加工”和再创造，即在课程实施过程中依据课程标准对教材内容进行适度增删、调整和加工，使之更好地适应物理教学情境和学生学习需求［7］。可以从教学内容的调整、教学模式的补充、教学资源的挖掘等角度开发［8］，例如教师结合对教材习题的研究，通过灵活处理已有习题，控制好习题的数量和难度，对知识点层次单一的习题进行筛选，整合更具情境化、思维性强的或融入物理学史的习题等方式，获得习题的最优化效益，使教材真正走向学生。

3.3 积极开发与利用低成本物理实验

人教版教材中的实验编写部分涉及的器材价格相对较低、容易取得，适合我国大部分地区学校的条件。这启发物理教师在教学过程中要积极地开发低成本的创新物理实验，随手取材、自制教具，也要鼓励学生善于利用生活中的常见物品来自主制作仪器，简化复杂的实验装置，增加实验的趣味性和学生的自主性，既可以有效解决器材不足的问题，也可以在潜移默化中全面培养学生的创新思维和动手操作能力，培养学生的核心素养。

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