课程标准高中物理教科书人教版.docx
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课程标准高中物理教科书人教版
课程标准高中物理教科书（人教版）
必修1、必修2编写思想
人民教育出版社物理室张大昌
自2003年初以来,编者以《普通高中物理课程标准（实验）》为依据,编写了全套《普通高中课程标准实验教科书?
物理》。
本文结合共同必修《必修1》和《必修2》两本书,谈一谈编者在落实新课程理念时的想法和所做的努力,希望能与老师、学生们交流,也希望更多地听到大家的意见。
一、循序渐进,步步登高
任何教学活动都要使学生学会所教的内容,对于高中物理课程来说,就是要学会物理学的内容,否则无论知识与技能还是过程与方法、情感态度价值观的教育都无从谈起。
落实三维课程目标的前提是学懂物理学!
要学懂物理学,有很多应该注意的事情,但有极其重要的一条,那就是循序渐进。
一个5米高的峭壁,没有专门的工具、没有经过专门训练的人难以攀登,而泰山高1524米,一般的人都能爬上去,这是因为泰山路上开凿了所有健康人都能接受的台阶。
教学也是这样。
凡是教学中的难点,一般说来都是新内容与学生已有的认知之间存在较大的落差。
正确分析这个落差,搭好合适的“台阶”,正是教学艺术性之所在。
教科书的作用之一是做好教师的助手。
编者在分析难点,帮助教师搭设教学台阶这方面做了很多工作。
1.矢量的教学
编者是通过以下几个阶段来引导学生学习的。
（1）通过位移初步接触矢量
几十年来,我国高中物理教科书既有从力开始的,也有从运动学开始的;国外教科书也是这样。
两种安排各有道理。
课标教科书从运动学开始,目的之一是使矢量的教学能循序渐进。
在高中阶段,对矢量的认识要突出两点:
方向性和加法法则。
对于高一学生来说,两者都不容易。
如果先学力,学了方向性后,几乎立即就要学习相加的法则,两个难点相距太近。
因此,新教科书先学位移,通过位移初步接触矢量。
在《必修1》第一章第2节说“像位移这样的物理量叫做矢量,它既有大小又有方向……”这里描述了矢量的一个特征,但不是下定义。
（2）通过思考与讨论?
领悟?
到矢量相加具有特殊的规律
《必修1》第一章第2节有个“思考与讨论”:
一位同学从操场中心A出发,向北走了40m,到达C点,然后又向东走了30m,到达B点……你能通过这个实例总结出矢量相加的法则吗?
这里并不要求学生完整地得出平行四边形或三角形的法则,但一定要让学生思考。
只要能够认识到最终的位移并不是把40m与30m相加就可以得到的,这就可以了。
教学中要设法让学生心里存疑。
新课程不是鼓励学生的探究精神吗?
存疑就是教师预先埋伏下的问题,探究的开始。
学生会不自觉地对这个问题做出或浅或深的猜想与假设……这对于后来的学习是很有意义的。
（3）通过实验探索矢量相加的法则
《必修1》第三章,学生通过实验了解了力相加的法则,为矢量的完整定义打下了基础。
（4）矢量的定义
在第三章,学过了力的合成、力的分解这两节之后,教科书才给出矢量的定义。
这里强调的是,并非所谓有“方向”的量都是矢量,矢量必须遵从一定的加法法则。
（5）通过?
说一说?
深化矢量相加的法则
知道了定义并不等于掌握了这个概念。
在知道了矢量的定义之后,教科书以速度矢量为例详细地讨论了在一条直线上的v1、v2与它们的变化量Δv之间的方向关系,为以后学习加速度的方向与速度方向的关系打基础。
在这样的讨论之后,“说一说”栏目又引导学生进一步讨论当v1、v2不在一条直线上时求它们的变化量Δv的方法。
到了《必修2》,研究做匀速圆周运动的物体的加速度方向时（小字）,又一次运用求矢量之差的方法。
经过这么几个台阶,学生对于矢量的认识才能达到较高的水平。
2.匀变速直线运动的教学
教科书关于匀变速直线运动规律的写法是循序渐进的又一个例子。
我们提倡素质教育。
什么人的科学素质比较高?
除了比较丰富的科学知识之外,一个重要的表现就是他应
该“说话有根据、说话有条理”。
后者实际上指的是逻辑思维的能力,讲述一件事时“一步一个脚印”地循序渐进,这是表现之一。
怎样能使学生的思维做到这样?
这不是靠“教导”能够解决的,要靠“示范”。
教科书、教师这样做,时间长了,学生也会这样做的。
在过去的教科书中运动学集中于一章,课标教科书把它们分在两章之中。
两章的分工是:
第一章学习基本概念（时刻和时间间隔、坐标系、位移、速度、加速度）、基本技能（用打点计时器测瞬时速度、用图象表示速度、从速度-时间图象获取有关运动的信息……）第二章则是利用第一章学到的基本概念和基本技能来研究匀变速运动的规律。
编者在这里及在整套书的编写中的指导思想之一是要做到“线索清晰、节奏分明”,这既是思维能力的基本功、交流能力的基本功,也是循序渐进原则的一种表现。
第一、二两章的教学节奏是这样的（中间的一排星号是两章的分界）:
时刻、时间间隔、位臵、位移、速度、加速度等基本概念
↓
用打点计时器测瞬时速度的技能（测手的速度）
↓
用图象表示速度和从速度图象获取信息的技能
****************************************************
实验:
探究小车速度随时间变化的规律
↓
通过实验发现自然界存在这样的运动:
v-t图象是一条直线（由学生作出）
↓
这样的运动叫做匀变速直线运动
↓
利用图象对匀变速直线运动做普遍性的分析（陆续得出三个公式）
在过去的教学中,第一次正式使用打点计时器时测量的就是匀变速直线运动,要用到测量的结果;新教科书则是测量手拉纸带速度,而且要作出手的运动速度与时间关系的图象。
这样做的目的是在教师和学生的心目中淡化物理规律,把注意力集中于打点计时器的使用技能和从图象获取信息的技能。
循序渐进的原则不仅适用于知识的学习,也适用于科学方法的学习和训练,后文还要涉及。
二、改变学习方式
高中学生正处于生理、心理发育的十字路口,这三年正是他们规划人生的阶段。
多数学生将来的职业不会与高中物理直接相关,其他课程也是如此。
所以,高中阶段教育的任务之一是:
培养学生终生学习的愿望和能力。
提高学生的学习能力是包括物理在内的所有高中课程的任务。
怎样提高学生的学习能力?
就像前面谈到的提高思维能力一样,不是凭说教,而是让学生按正确的方式去学习。
过去的学习方式基本是“老师讲,学生听,学生练”。
不应该全盘否定过去,今后老师还要讲,学生还要听、还要练;但是在讲、听、练的过程中我们提倡“独立思考,同伴交流,师生互动”。
教科书的作用之一是引导课程方向,包括对学习方式的引导。
下面是一个很好的例子（《必修1》第二章第3节“思考与讨论”）:
老师:
能不能根据表中的数据,用最简便的方法估算实验中小车从位臵0到位臵5的位移?
学生A:
能。
可以用下面的办法估算:
x=0.38×0.1+0.63×0.1+0.88×0.1+1.11×0.1+1.38×0.1=……
学生B:
这个办法不好。
从表中看出,小车的速度在不断增加,0.38只是0时刻的瞬时速度,以后的速度比这个数值大。
用这个数值乘以0.1s,得到的位移比实际位移要小。
后面的几项也有同样的问题。
学生A:
老师要求的是?
估算?
这样做是可以的。
老师:
你们两个人说得都有道理。
这样做的确会带来一定误差,但在时间间隔比较小、精确程度要求比较低的时候,可以这样估算。
要提高估算的精确程度,可以有多种方法……
此外,新教科书中的很多素材与过去完全一样,但写法不同,原因之一同样是要促进学习方式的改变。
关于平行四边形定则的学生实验的写法也是一个例子:
……要注意下面几个问题:
……怎样表述合力的大小、方向与分力的大小、方向的关系?
建议用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接,也许能够得到启示……
如果照过去那样一步一步详细地告诉学生“……在力F1和F2的方向上各作线段OA和OB,使它们的长度……以OA和OB为邻边作平行四边形。
量出这个平行四边形的对角线的长度。
可以看出,合力F……?
学
生按部就班地照着做就可以了,完全可以不动脑筋。
新教科书没有这样做,它让学生自己去研究,但又给学生指出了方向,让学生通过自己的思考而获得知识。
这样,学生不仅学会了知识,而且会逐渐习惯于以独立思考为基础的学习方式。
三、探究精神贯穿始终
科学探究是新课程的一个亮点,同时也是大家讨论的热点。
课程标准指出了教学中科学探究的几个要素:
提出问题、猜想与假设、设计实验、进行实验、分析与论证、评估、交流与合作。
1.科学探究是一种精神
编者认为科学探究是一种精神,它应该贯穿整个课程。
这样的例子在教科书中俯首皆是。
例如,在前面用过的例子中,教师提出了问题,学生A说出的方法实际是一种猜想和假设,学生B、学生A及老师随后的发言则体现了分析论证、评估、交流与合作等要素。
在一节课或一个教学片段中,有一两个、两三个科学探究的要素,它就体现了科学探究的精神,不一定要七个要素一一具全,特别是没有实验的教学片断也可以体现探究精神。
又例,在《必修1》第三章第1节,引入强相互作用之前有一个“说一说”:
质子带正电,但质子却能聚集起来构成原子核。
根据你的推测,原因可能是什么?
学生学到这里时会想到:
是啊,我在初中时就知道原子核里面有质子,质子带正电,还知道“同性相斥、异性相吸”……老师提的这个问题我怎么没有想过?
也许质子之间除了静电力之外还有……
这里面有提出问题,有猜想和假设,有简单的分析……它体现了科学探究的精神。
久而久之,学生会形成质疑的习惯,提高认识新事物的能力――科学探究的能力。
在《必修2》学过圆周运动之后有这样一个“思考与讨论”:
地球可以看做一个巨大的拱形桥,桥面的半径就是地球的半径。
会不会出现这样的情况:
速度大到一定程度时,地面对车的支持力是零?
这时……
这个思考与讨论是在引入“航天器中的失重现象”前请学生做的工作。
待解决的问题是教科书的编者提出来的,学生要根据拱形桥问题的经验,尝试提出自己的猜想和假设,进而应用牛顿运动定律和匀速圆周运动的知识进行分析论证,得出结论。
如果学习失重时（以及稍后学习第一宇宙速度时）教师板着面孔平铺直叙地讲解一遍,教育效果就完全不一样了。
编者在以探究的方式展示物理内容时,想到了印度哲学家菩德曼的一句名言:
播种一种行为,收获一种习惯。
一次一次这样做,时间长了,学生见到一件事情就会不由自主地提出疑问,遇到问题就会不由自主地做出简单的推测。
这样一代新人的气质就与上一代不同了。
教师是人类灵魂的工程师,我们的责任不只是传授知识,我们还在塑造人。
在《必修1》学过重力加速度之后有一个表格,列出了从赤道到莫斯科的重力加速度,几十年来国内外几乎所有教科书都有类似的数据。
然而新书比过去多了一个旁批:
你从表中发现了什么规律吗?
你能尝试解释这个规律吗?
尝试解释就是做出假设和猜想。
这个旁批在鼓动学生从习以为常的事物中发现问题并尝试做出解释。
这是什么精神?
这是科学探究的精神。
至于重力加速度与纬度的关系及其产生原因,并非课程标准要求的内容,因而书上并未讨论,教师更不用讲解,甚至不必提及这个旁批。
有一部分学生看到了这个旁批,程度不同地想了一想,编者的教育目的就达到了。
2.科学探究也是学习内容
过去我们也曾探讨过“发现法”的教学,让学生通过研究自己发现科学规律。
这种做法与现在所说的科学探究有相似之处,但那时只是一种教学法,而新课程中的科学探究不但是教学方法,同时也是学习的对象（还是一种精神,前面已经论述）,即学生通过科学课程的学习要学会怎样进行科学探究。
让学生自己进行探究是学习“怎样进行探究”的主要途径,但不是惟一途径。
新教科书还展示了前人的探究过程,例如伽利略对自由落体运动的研究（《必修1》第二章）,让学生从中领悟科学探究的方法。
教科书指出了伽利略研究的线索:
绵延两千年的错误→逻辑的力量→猜想与假设→可检验的结论→实验验证→……,但这决不是科学探究的固定模式,科学探究没有一定的模式。
3.科学探究的要素不能求全,科学探究不能搞形式主义
课程标准给出了科学探究的几个要素,这些“要素”不是“环节”。
环节缺一不可,链条缺了一个环节就要断裂,而要素只要存在一些就体现了科学探究的精神。
多数探究活动都不会包括所有这些要素,例如,不一定都包括实验。
谁都不会否认爱因斯坦的工作是科学探究,但谁能找出他亲手做实验的证据?
我们说实验是物理学的基础,是说实验可以为物理学提出问题,而且物理学理论的正确与否最终必须接受实验的检验;但不是说每个物理学家都要做实验,更不是说高中物理的内容都要通过实验得出来。
讲这个问题,目的是解放思想,更好地落实教学中的科学探究,避免形式主义。
国外的科学课程有一种教学形式,叫做“做中学（handson）”,科学知识几乎全部是让孩子在动手做中学到的,这有积极意义。
但是,不能不分学科、不分学段地一味推行做中学,否则只能诱发形式主义,这不只对学科的学习不利,而且不利于
学生对于科学的意义、科学方法的领悟。
事实上,高中物理中的多数定律都不是,甚至不可能,由直接实验归纳出来,更不用说在中学课堂上做这件事了。
它们之所以出现,是由于前辈科学家从不完整的事实中领悟了背后的道理;它们之所以正确,是由于从这些定律得出的推论与事实一致。
四、增强实践意识,提供原始材料
我国几十年来的物理教育有一个优良传统――强调理论联系实际;但是学生解决实际问题的能力依然很低,这也是事实。
原因在哪里?
通过分析编者们看到,教科书、习题集以及试卷中的多数所谓实际问题,都是经过编者或者考试命题者咀嚼过的,学生看到的仍然是理想化的物理习题,实际情景只是附加的背景而已。
学生所缺的“解决问题的能力”,本质上是把原始问题变成合适的物理模型的能力。
编者在这方面做了尝试,在可能的情况下向学生提供原始的材料,使得“从实际问题中抽象出物理模型”这个工作由学生完成。
以下是几个例子。
1.磁浮列车的加速度
《必修1》第二章“匀变速直线运动”的章首图是上海磁浮列车的照片,图下有一段话:
“……据报导,上海磁浮总长33km,一次试车时全程行驶了约7min30s,其中以430km/h的最高速度行驶约30s。
磁浮列车的行驶速度比汽车快得多,是不是它的加速度也很大?
学过这一章后你会看到,根据报纸上的数据,再按照实际情况做些简化的假设,你自己就能估算它的加速度!
”
这是读报时的一个活生生的问题,引用的数据对于读者来说是最原始的。
我们要把它抽象为一个物理模型,才能用物理知识来解决,以满足我们关于磁浮列车的好奇心。
看到这个问题之后首先应该有个定性的估计:
加速度不会太大,因为全程行驶时间7分多,中间匀速行驶时间只有半分钟。
这实际上是在为评估做准备,如果以后算出来的加速度很大,可能有问题了。
然后会想到,列车的加速、减速不会是均匀的,但我们只是估算,在中学阶段只好把这个问题当做匀变速运动来处理。
第三,还会有不同的可能性。
一种情况是,列车加速时的加速度很大,但减速时加速度（绝对值）比较小,也可能相反。
如果是前一种情况,列车的动力会很强,对发动机的要求比较高,好像没有这个必要;后一种情况类似于急刹车,正常运行中似乎没有必要急刹车。
于是我们假设列车匀速行驶的过程处于运行的中段,加速阶段和减速阶段所用的时间相同。
这样,一个来源于媒体的真实问题就变成了理想模型:
“某物体从静止开始做匀加速运动,在3.5min的时间内速度达到430km/h,求物体的加速度。
”这个问题太简单了,几乎所有学生都不会有任何困难。
计算结果是:
列车加速时的加速度是0.57m/s2。
这个结果使我们联想到什么?
重力加速度大约是10m/s2,列车的加速度大约是它的二十分之一,乘坐磁浮列车大概不会有什么异样的感觉,不能跟宇宙飞船的起飞相比,甚至不会有小汽车加速时乘客体会到的“推背”的感觉。
有了这些联想,这道题的目的就达到了。
其实,下面就会看到,用不同的假设可以建立不同的模型,运算结果也不一样。
我们还假设列车的匀速运行区段处于线路的“中段”,但不是时间的中段而是路程的中段,也就是说,加速运行的距离与减速运行的距离相等。
这样可以算出加速运行的距离是
21（33km-430km/h×60
1×0.5h）=14.7km。
知道了初速度与末速度,还知道运动的距离,计算加速度也很容易。
结果是0.48m/s2,与前一模型的结论相差无几。
许多人对这个问题有疑问。
一个疑问是,两种算法的结果不一样,怎么教?
回答是:
第一,这是个章首语,目的是启发学生思考,不必“教”;第二,如果有学生问到,可以原原本本地告诉学生――由于我们采用了不同的假设,建立的是不同的模型,所以结果有差异。
哪个更接近实际?
根据我们掌握的原始材料,无法判断。
但有一点是确定的:
两个结果都能满足我们的需要――预测乘坐磁浮列车时的感觉,而且预测结果是相同的。
有的老师表示,根据实测,记者所给的数据不准确,实际匀速运动的时间不是30s,而是接近50s,改成50s后两个模型计算结果的差异小得多。
编者对此的回答是,不能改,因为公众在报纸上看到的就是30s,这是真正的原始资料,谁能保证今后遇到的原始资料都可靠呢?
何况这个问题中记者的误差并不影响我们关于乘车感觉的预测。
另一个疑问是,题目所给的条件多了,应该删去一个。
其实“条件多了”、“条件不够”都不可怕,因为现实问题中能够得到的资料就是这样,条件不够我们就要假设一些,条件多了可以相互印证（评估）。
有的学生则问,两种计算哪个更准确。
这个问题恐怕没有必要。
因为假设列车做匀变速运动本身就是一个
非常粗略的近似了。
列车的速度越来越快,但发动机的功率不可能增加很多,根据P=Fv,加速过程中的牵引力肯定会越来越小,怎么可能在整个加速阶段的加速度不变呢?
对于这样的问题,有人说太容易了,有人说太难了,两者都有道理。
说太容易的是指用到的物理公式太简单;说太难的是指把实际的原始问题抽象为物理模型太困难。
过去我们对前者过于重视,而实际上主要是后者影响了学生解决实际问题的能力。
可喜的是,在物理教育界,已经有越来越多的人重视原始材料的使用1,考试题也越来越多地出现“情境题”“信息题”等,这些都是好的苗头。
2.相机快门的曝光时间
学过自由落体运动的规律后,在“做一做”栏目中安排了这样一个问题:
“……从某砖墙前的高处使一个石子自由落下,拍摄石子在空中的照片如图……已知每块砖的平均厚度为6cm,石子起落点距地面的高度约为2.5m,怎样估算这个照相机的曝光时间?
”
编者提倡的解法如下。
通过砖的层数估算A点的高度――60cm,又通过砖的层数估算AB的长度――12cm;石子从起落点到A点的高度是190cm。
由此算出石子经过A点的速度是62m/s。
石子以这样的速
度通过AB所用的时间是6212s=0.19s,即501秒。
有的学生认为用AB的长度除以石子在A点的速度不妥,因为石子在从A到B的运动中仍在
加速,应该用h=2
1gt2分别算出石子落到A、B两点所用的时间,两者之差才是从A到B所用的时间。
第二种解法当然是正确的,但是没有必要。
一方面从原始材料看,我们通过砖的厚度获得的数据相当粗糙,计算也就没有必要那么精确;另一方面如果对摄影技术有所了解就会知道,曝光时间的少量偏差对照片的质量不会有什么影响,实际上即使标有快门速度的照相机,其标称值也不是很准确的。
3.计算平均速度
在《必修1》第一章学过速度概念后,教科书有一个练习题:
右面是京九铁路某一车次运行的时刻表……列车由聊城站开出直至到达菏泽站,运行的平均速度是多少?
……
这道题给出的是铁路局印制的时刻表,也是原始材料,学生要把它抽象成一个物理问题:
某物体在1h21min的时间内运动了178km,计算它的平均速度。
对学生来说这个计算极其简单,比较难的是从列车时刻表中得到时间和运行路程这两个数据,这道题锻炼的是学生获取信息的能力。
初中的课标教科书也有类似的题目,时刻表如右图所示,要求计算列车从朱坡到老河口的平均速度。
为什么高中与初中选用相同的题目?
尽管两题的计算难度一样,但从原始材料中获取数据的难度不同:
支线时刻表中对应于一个车站只给出一个时刻,乘客上下车之后车就离站;干线时刻表分别给出了到站时刻与离站时刻,要计算从聊城到荷泽的运行时间,就要弄清这一点。
4.其他例子
《必修1》47页第3题:
……小石块从井口自由落下,经过2.5s后听到石块击水的声音,估算井口到水面的距离。
考虑到声音在空气中传播需用一定的时间,估算结果偏大还是偏小?
过去这类问题总是说:
“不考虑声音传播所用的时间……”;现在的计算仍是这样要求,但学生做完之后还要做个评估――声音传播所用时间对计算结果的影响。
再如,过去讨论抛体运动时总是说“不计空气阻力的影响……”实际上对于炮弹
等高速运动的物体,空气阻力对轨迹的影响十分明显。
《必修2》在“抛体运动的
规律”一节的“说一说”栏目要求学生推测炮弹运动的实际轨迹,这些都是为了建立这样的意识:
物理学研究的并不是世界的本身,而是它的模型2。
我们对模型的要求是,它既要在某一方面反应真实事物的本性,又要便于我们用已有的知识进行处理。
五、重视科学思想与科学方法
1参见邢红军,陈清梅“论原始物理问题的教育价值及其启示”,《课程教材教法》2005年第1期。
2参见秦克诚译《“外星人”学物理①》第4页,人民教育出版社。
科学方法是高中物理三维课程目标的重要组成部分。
物理学大厦有坚实的实验基础、严谨的逻辑体系,它的方法已经成为当今各门自然科学的典范。
原原本本地把物理学学好,这是在物理课程中进行科学方法教育的最基本的途径。
前面提到“落实三维课程目标的前提是学懂物理学”就包含了这层意思。
引导学生以独立思考为基础,循序渐进地,条理清晰、层次分明地学好物理学,是落实科学方法教育的前提。
然而,目前一方面存在着这样的倾向――教学中简化实验过程和理论分析,简单地把结论告诉学生,而后迅速进入解题教学;另一方面也存在着形式化的倾向,把丰富多彩的物理学过程归纳为××法、××法,让学生在学习中机械地背诵和套用。
教科书的编者根据自己的研究,在以下几方面做了努力以突出科学方法的教育。
1.从特殊到一般的科学方法
人类对于事物的认识都是从特殊开始的,但又有不止于具体的事物。
（1）匀速圆周运动的加速度的方向
过去往往按下面的思路认识匀速圆周运动的加速度的方向。
用细线系一个小石块,手握细线的另一端把它抡起,使它绕手做匀速圆周运动;石块没有沿切线方向飞出去,那是因为受到了细线对它的力,这个力指向圆心;石块运动的加速度的方向与力的方向一致,因此也是指向圆心的。
由此得出结论:
做匀速圆周运动的物体的加速度是指向圆心的。
这个教学思路的问题是:
从一个特例得到的结论没有进行分析就推广到一般情形了。
如果经常这样处理,
先分析右图并仿照过去的思路得出结论:
在这两种情形中,加速度的方向是指向圆心的。
然后用运动学的方法分析速度矢量的方向,得出一般性的结论。
新教科书分析加速度的方向时不涉及任何石块、小球、地球
等具体的物体,得到的是普适的结论,没有右图那样的实例同样
可以得出结论。
那么,实例在这里有什么作用呢?
实例给了我们强烈的提示:
“虽然没有十分的把握,但很可能是这样的!
”没有逻辑推理不可能得出普遍性的结论,而脱离实际的推理可能使我们迷失方向。
这样做的目的之一是向学生展示科学的本来面目――科学是在猜测、分析与验证的过程中前进的。
（2）匀变速直线运动的规律
在匀变速直线运动的教学中,编者也遵循了从特殊到一般的科学方法。
第二章的第一节是“实验:
探究小车速度随时间变化的规律”。
在这一节,学生运用第一章学到的使用打点计
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