中美高中物理教材现代物理知识的比较研究

中美高中物理教材现代物理知识的比较研究
面对当前迅猛发展的科学技术，初见端倪的知识经济，日趋激烈的国力竞争，为了培养适应21世纪社会科技和经济发展必备素质的国民，世界各国都在加快教育改革的步伐，而改革的一项重要内容就是教材的改革和现代化．为了适应这一发展趋势，我国已对中学教材作了多次修订，并制定了《学科课程标准》．物理学作为自然科学的基础和带头学科，在科学技术发展中起着越来越重要的作用，中学物理教材内容的改革和现代化势在必行．另外，统计显示，近几年的高考试题中涉及的现代物理知识也在逐年增加，显然是为了适应当前的课改趋势，实施素质教育．为了更好地适应新课改，把握中学物理教材的现代化趋势，笔者对我国现行的高中物理新教材和美国较为流行的一种高中物理教材《PHYSICALSCIENCE》中涉及的现代物理知识部分做了比较、分析，从中了解到中美物理教材在现代物理知识部分的差异，获得了许多有益的启示．现把笔者的比较方法、内容及获得的启示简述如下：
一、研究的对象和方法
进行比较的对象是：我国当前正在使用的新教材（必修加选修）高中一至三册，美国的是在该国较受欢迎的物理教材《PHYSICALSCI ENCE》共一册，有25章，其中物理占15章，其他内容为化学和生物知识．
比较方法是：先将现代物理知识的范围进行了大致划分，即分为经典物理知识（1900年前）和现代物理知识（1900年后）两部分．接着，采用统计的方法进行比较，将各种教材中涉及的现代物理知识，按其在教材中所占页数的比例进行统计，来确定各教材中现代物理知识的相对数量．同时还对教材中涉及的相关知识点进行统计，并做了比较．
二、中美教材中现代物理知识的概况
1.现代物理知识内容的相对数量
统计结果显示，美国教材中现代物理知识的页数比例约为16.9%．我国的新教材中现代物理知识的页数比例约为13.5%，但其中有4%左右是阅读材料和打“*”的内容（但从目前情况来看，这部分内容教师和学生关心的都不够）．比较后可以发现，单就教材中现代物理知识的相对比例看，美国大于我国．但从绝对数量来看，两国教材中现代物理知识的数量还是比较接近的．
2.教材中涉及现代物理的知识点
通过比较发现两国教材中涉及现代物理知识的内容存在一定差别．我国新教材主要介绍了原子结构、原子模型、量子理论、光的波粒二象性、物质波和狭义相对论、原子核的结构和放射性、原子核反应、裂变、聚变等内容，并且突出了这些知识在社会生活中的应用．另外在一、二册中还对激光技术、纳米技术、液晶材料、半导体、超导材料、通信技术、航天技术和宇宙星系等现代高科技知识作了介绍，但这些知识主要是阅读材料和打“*”的内容．
美国教材则主要涉及了原子和原子核的结构和放射性、原子核反应、裂变、聚变及其在社会生活中的应用，另外还介绍了激光技术、超导材料、半导体及其在电子技术领域的应用，并着重介绍了半导体材料在计算机的发展中的重要作用．但是该教材中没有涉及量子理论、光的波粒二象性、物质波和狭义相对论等内容．
相关知识点的具体情况如下表．
中美两国教材中涉及现代物理的各知识点统计表
3.两国教材中现代物理知识的呈现方式
两国教材的最大差异主要在知识的呈现方式上，我国的新教材主要以文字叙述为主，在文字叙述的同时充分应用类比方法帮助学生理解相关的现代物理概念和物理理论，涉及的理论推导相对较少．在介绍理论知识的同时还介绍了许多物理知识在社会生活中应用的实例，并且在少数章节中还穿插了一些趣味小实验，这些内容的介绍有利于拓宽学生的知识面，激发学生对现代物理知识的兴趣．美国教材则有所不同，从教材的呈现方式看，教材在编排上很有特色,每章内容的篇幅均在二十五页左右，其中彩色插图要占三分之一左右，真正以叙述方式出现的内容也占三分之一左右，小实验、辩论题和知识应用的介绍占三分之一左右．它不像我国教材那样有一个很严密的知识体系，它只对每个物理领域中的理论知识作简要介绍，理论推导极少，即使有，也很简单，许多知识只相当于我国初中教材中的知识，在介绍理论的同时，也介绍了各种知识在社会生活中的应用．但它的一个重要特点是，美国教材非常注重学生的参与和学生自己观点的表达，每一部分内容都设计有小实验和辩论题，它主要是通过学生在课堂上做一些活动或进行一系列的讨论来使学生掌握相关知识．
下面就以美国教材中“放射性和原子核反应”这一章简要内容为例介绍一下美国教材的具体结构和呈现方式．
《放射性和原子核反应》
（一）新课的引入由学生思考以下几个问题：
（1）你看过有关放射性材料处理的新闻报道吗？
（2）你知道放射性材料的放射性能持续多久吗？
（3）为什么有这么多问题与放射性材料有关？
（二）发现（Findout）
活动：将一只秒表、一只罐子和32颗弹子球放在桌面上，要求学生每隔一分钟将桌面上的弹子球数目的一半放到罐子里，做2次后让学生估计5分钟后桌面上还剩几个球．
（三）介绍放射性元素
以文字叙述的方式介绍了放射性元素的发现和放射性元素的特点．
（四）技术资料
简要介绍粒子加速器的工作原理．
（五）原子核的衰变、半衰期
详细介绍了α、β衰变和α、β、γ三种射线的特性，半衰期的计算，利用半衰期估测矿物的年龄等问题．
（六）问题的解决
题目：放射性闹钟
主要介绍了一个学生玛丽为了在晚上能看清闹钟上的时间，她便去图书馆查阅了相关资料，然后在闹钟的指针和数字上涂上了铀和硫化锌的混合物，于是晚上这只闹钟的指针和数字便能发光了．
问题：为什么涂上了硫化锌后指针会发光？
（七）放射性的检测
简要介绍了几种检测放射性的方法：云室法、沸腾法、电子显微镜和放射性计数器的工作原理．
（八）原子核反应
详细介绍裂变反应和聚变反应及其应用．
（九）放射性在医学上的应用
（1）用放射性同位素的射线杀死癌细胞
（2）示踪原子的原理和作用
（十）你的决定（Your Decide）
内容：放射性同位素在医学上应用时所产生的放射性废物对人体和环境的潜在危害会持续许多年，那么放射性同位素能否继续作为一种医疗手段在医学上使用？请解释你的立场．
（十一）活动
让学生利用橡皮泥制成氢、氘、氦的原子模型来模拟核聚变反应．（1）两个氢聚合成一个氘．（2）一个氢和一个氘生成一个32He．（3）两个32He合成一个42He．
实验后要回答下列问题：
（1）描述将氢转变成42He的必要步骤
（2）在此过程中失去了什么，留下了什么？
（3）多少个氢原子产生一个氦原子？
可以看出，美国教材所涉及的问题和内容比较贴近生活，其中的“发现、问题的解决、你的决定、活动”等几部分是很有特色的，如在“发现”部分中的取弹子球活动，就可以使学生对半衰期这一概念有了较深刻的理解，轻松突破教学中的难点；又如在“你的决定”部分通过对“放射性同位素在医学上应用和放射性废物对人体和环境的潜在危害”这一问题的讨论，使学生能真正体会“科学技术是一柄双刃剑”的含义．这些内容不仅对教师组织学生进行实验探究和讨论有重要的作用，而且有利于培养学生全面的科学素养，激发并满足他们对周围现象的好奇心，培养学生对科学问题的探究能力．这些对我国高中物理教材编写有重要的参考价值．
三、对我国高中物理教学的启迪
通过对两国教材的比较，给了我们许多有益的启迪，尤其是在加强高中物理内容现代化的设计及策略上，使我们受益匪浅．它既给我国
新课程标准理念下的教材改革提供了有益的借鉴，也给我们在课堂教学中如何更好地体现现代物理的科学探究思想、培养学生创新实践能力以启发．笔者认为在物理教材内容现代化的过程中，应考虑到如下几点：
1.在教材的内容上应注重科学性
教材设计应能反映现代物理知识的基本框架和总体内容，让学生通过教材能了解现代物理的发展概况，了解现代物理知识的一些基本模式和基本观念，如相对论的时空观、不确定性等．应把物理学家在研究中形成的科学思想方法和研究模式贯穿在教材和教学过程中，使学生在学习知识的同时能掌握科学研究的基本方法，受到人文精神的熏陶，培养科学精神．重视介绍现代物理知识在生产实践中的各种应用，使学生了解现代物理对生活和社会发展所产生的巨大影响，帮助他们建立学以致用的观念．让学生通过对教材内容的阅读、讨论和总结，提高科学阅读能力和科学写作能力，为学生的终身学习打下基础．
2.在教材的呈现方式上应体现多样化和趣味性
由于高中学生知识基础的限制，高中阶段对现代物理知识的介绍不能沿用大学物理教学中的一套，而应选择其中有重大影响的知识点进行介绍．介绍的形式可以是故事或科幻小说，也可以提供一些模拟实验或便于教师组织活动的相关材料，还可以结合相关内容的特点让教材图文并茂，或随教材提供一些科普性的录像和动画等电子资料，通过多样化的手段来丰富教材内容，以增强教材的趣味性和表现力．
3.在问题设计上要有趣味性和启发性
问题设计要富有情趣和吸引力，使学生感到在思索答案时有趣而愉快．充分调动学生内驱力，从而让学生积极地探求真理，使“要我学”升华为“我要学”，即爱学．例如在介绍现代物理中的流行观点时，也可以同时介绍一些在这些问题上的其他观点，让学生来讨论分析，发表自己的看法，使他们在比较、判断、争论中确立正确的物理知识概念，开阔视野．问题设计时还要适当设计一些“多思维指向、多思维途径、多思维结果”的问题，以强化训练学生的思维，培养他们的创造性思维能力．
4.在评价手段上应注意多样性
长期以来高中物理教学中对学生的评价模式十分单一，即以是否会做题和考试的成绩作为评价方式．这种评价模式严重限制了学生思维的开放性，扼杀了学生的创新能力，对学生学习现代物理知识极为不利．由于现代物理知识的特殊性，高中学生对现代物理知识的掌握情况根本无法简单地用考试成绩的高低来衡量，因此必须使评价模式多样化．例如，可以设计一些情景，让学生根据该情景发表自己的观点或进行小组辩论，或让学生撰写一些科普小论文等形式来评价其对物理知识的掌握情况．
参考文献
孙可平,邓小丽.理科教育展望.上海：华东师范大学出版社。