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中美物理教材学史内容的比较研究祁映宏

【专题名称】中学物理教与学
【专 题 号】G36
【复印期号】2007年04期
【原文出处】《外国中小学教育》(沪)2006年12期第37～41页
【作者简介】祁映宏　北京科技大学科技技术与文明研究中心

    从20世纪80年代以来，随着知识经济的到来，各国为了抢占21世纪的制高点，普遍对本国的基础教育进行全方位的改革。众所周知，课程改革是基础教育改革的核心，教材的编写集中体现课程改革的理念。就物理教材而言，如何渗透物理学史的内容，使教材不光是知识点的堆积，还要体现教材的历史感成为反映教材的一个重要指标。基于这种思考，本文通过中美两种物理教材中物理学史内容的比较研究，分析比较中外物理教材在渗透学史内容的各自特点及其差异，期待对课程改革实践中的物理教学有所启示。
    一、教材介绍
    1.国内教材
    由北京师范大学出版社于2004年7月出版的《物理》，此教材是教育部（原国家教委）基础教育司“八五”“九五”重点课题《高中物理课程改革与实验》课题组研究成果，原名《高中物理学习讲义》。在北京市海淀区50余所中学（包括本人进行教学实践所在的北京市六一中学）；以及兰州市二中、二十七中、三十三中；哈尔滨市一中、哈师大附中、三中、九中等部分地区重点中学都采用此套《物理》教材，[1]进行教育改革。
    本人为完成学位论文，在北京某中学的教学实践活动中，完整地使用了第一、第二和第三册。对教材中涉及的物理学史进行了思考与研究，发现了许多课程理念和细节问题，为后面中美教材的比较打下了一定的基础。
    2.国外教材
    选择美国9-12年级（高中）物理教材——《物理：原理与问题》(Physics: Principles and Problems)。此教材是美国麦格劳—希尔公司(The McGraw-Hill Companies. Inc.)出版的高水平9-12年级（高中）物理教材，作者是美国密执安—迪尔伯恩大学的著名物理学教授保罗·齐策维茨博士。教材一经面世，即风行世界，被许多国家选作教材或教学参考书，经过多次修订，至今仍长盛不衰。本教材体现了美国国家科学课程标准的精髓，即科学的本质、作为探究对象的物理学、科学与技术、从个人与社会视角所见的科学。教材共三册，讲述了除物理学基础理论内容外，每章都有学习目标、例题讲解、课后习题和物理实验室。为了扩展学生的知识领域，激发学生学习物理的兴趣，还开辟了“袖珍实验室”“物理学与社会”“物理学与技术”“小资料”“问题解决策略”“连接”等小栏目。[2]
    本文选择上面两套教材作为中外物理教材中物理学史的比较对象，试图通过认真分析研究教材中介绍物理学史的各自特点，期待得出某些结论性启示，进一步对新课程改革实践中的物理教学有所帮助，特别是如何通过学史内容的选择与设置，有利于创新人才的培养。
    二、实验统计
    1.内容数量统计
    表1　美国物理教材物理学史的分布情况

类别　　　　　　力学　　热学　　光学　　电磁学　　原子物理　　内容数目　　总数            分期　　经典　　 8　　　 4　　　 4　　　　11　　　　12　　　　　43　　　　 55            　　　　现代　　 5　　　 0　　　 0　　　　 0　　　　11　　　　　12            详略　　详叙　　 4　　　 2　　　 1　　　　 4　　　　 7　　　　　18　　　　 55            　　　　略叙　　 9　　　 2　　　 3　　　　 7　　　　16　　　　　37

    2.内容分类统计
    表2　中国物理教材物理学史的分布情况

类别　　　　　　力学　　热学　　光学　　电磁学　　原子物理　　内容数目　　总数            分期　　经典　　 5　　　 2　　　 2　　　　4　　　　　4　　　　　 17　　　　26            　　　　现代　　 0　　　 0　　　 0　　　　0　　　　　9　　　　　　9            详略　　详叙　　 1　　　 1　　　 1　　　　2　　　　　2　　　　　　7　　　　26            　　　　略叙　　 4　　　 1　　　 1　　　　2　　　　 11　　　　　 19

    几点说明：
    (1)经典物理学是指于17世纪初——19世纪末建立和发展的物理学内容，以经典力学、热力学和统计物理学、经典电磁场理论为主要内容。 (2)现代物理学通常是指20世纪初发展起来的物理学，包括相对论、量子论、原子和原子核物理学、粒子物理学。(3)详叙是指比较完整介绍物理概念或者定律或者某一学说建立的历史演绎过程。例如，教材第八章万有引力一章的教学内容就是按照历史的脉络来编排：丹麦人第谷·布拉赫→开普勒定律→牛顿的万有引力→卡文迪许测量万有引力常量→天王星的发现→牛顿与卫星设想→法拉第与场的概念→爱因斯坦的引力理论……这种对物理学史的叙述定义为详叙。略叙是指简要从历史引入教学内容，内容引入后就主要介绍知识部分。例如，在牛顿定律一节仅仅这样叙述：20世纪早期，在牛顿时代后的200多年，物理学家发现，当物体速度接近光速时，或者在微观状态下，牛顿第二定律不再有效。然而，所有我们日常经历的事物都遵从这条300多年前形成的物理定律。在进行统计时，把这样简略叙述的物理学史内容归类为略叙。
    三、统计分析
    1.两套物理教材中“物理学史”都以经典物理学的内容为主，分别占到全部内容总数的79%和 65%。涉及现代物理学的学史内容则占全部内容总数的21%和35%。这与中学物理教材内容分布有一定的关系，进一步统计教材内容可以发现，美国教材中经典物理内容和现代物理内容分别为 81%和29%；国内教材这两部分内容分别为89%和 11%。两套相比较，美国教材中现代物理知识的页数比例约为16.9%；我国的教材中现代物理知识的页数比例约为13.15%，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得都不够）。[3]
    2.国内教材对学史内容的介绍明显少于美国的教材，教材内容对物理学史的限制，使得教材仅仅是知识点的堆积，似乎只有骨架，缺点血肉。恰恰相反，科学知识不是静态的真命题的集合，而是试探性的历史画卷。从内容分布来看，我国物理教材中的“物理学史”过于简单，详叙的内容非常少。例如，即便是叙述较多的万有引力部分也就涉及了哥白尼、托勒密、伽利略、开普勒和牛顿等著名科学家，所用文字的总数大约是1800字；美国教材涉及此部分的内容则用了4000字左右（注：字数基于翻译教材的结果）。同样，阅读两套教材后的体会是，美国的物理教材属“框架线条型”，国内的物理教材属“砖混整体型”。
    从国内教材的发展情况看，对物理学史内容的介绍还是在不断重视，见下表三。
    表3　国内不同时期教材学史内容统计[4]

　　　　　教材　　　　　　出版社　　出版年份　　学史总数            《物理》（乙种本）上册　　人教社　　 1995年　　　 15            《物理》（必修）第一册　　人教社　　 1998年　　　 17            《物理》（必修）第一册　　人教社　　 2002年　　　 39

    显然，2002年的教材中物理学史内容增加是十分明显的，书中有许多科学家的生平介绍和插图，已经开始重视物理定律形成的过程，在教材编写理念上渗透科学方法的教育。
    3.相比较美国教材对现代物理学的介绍更多一些，特别是以物理学史的脉络介绍物理学的最新进展。
    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、原子理论、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；美国教材则突出了这些知识在社会生活中的应用，另外，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，但这类知识主要是阅读材料和打“*”号的内容。[5]阅读教材后可以发现，美国的物理教材更“新”，国内的物理教材更“旧”；美国的物理教材注重科学的“过程”，国内的物理教材倾向科学的“结论”。
    四、几点启示
    1.物理学史与教材的结合问题是物理教学改革的一个重大问题。多年来物理学史专家和物理教育工作者主要致力于物理学史的教育价值，如何在教学过程渗透物理学史培养具有科学素养的人才。但是，一个关键的问题是如何在编写教材时渗透学史理念，为教学做必要的教学准备，这方面的工作似乎没有引起特别重视。究其原因，一是可能与我国的高考体制以及高考内容有一定的关系，高考使中学教学的注意力完全放在所设考试科目上，在“考什么便教什么学什么”的同时，造成“不考什么便不教什么不学什么”的弊病；二是教材编写人员与物理学史专家和教学工作者之间缺乏交流，设想如果他们之间有一定程度的互动，这方面的缺憾是完全可以避免的。
    2.如何科学地选取物理学史内容成为教材达到尽善尽美也是一个难题。《高中物理课程标准》明确提出，高中物理的课程目标是旨在提高全体学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，要做到四能：能理解科学，即科学的本质和科学的价值等；能了解科学发展的历史；能理解科学与社会的关系，即注重科学与社会、科学与人文、科学与技术等教学内容；能解释或解决问题。可见，重视物理学史在教材中的地位已经成为今后教材修改再版必须关注的问题之一。物理学史教育的意义不在于简单地介绍历史知识，而在于培养学生的科学素养与人文素养。物理学史进入物理教科书面临的首要问题是内容的选择，并非所有与课程内容相关的物理学史都有必要进入教科书。教科书的容量终归有限，而科学史的内容纷繁复杂，如何在物理教科书有限的空间内挖掘出科学史丰富的内涵呢？既要针对教材中的不同内容选取与其相关联的物理学史内容，又要考虑能够为学生所接受和具有促进学生深入理解物理学的作用。在保持真实性的前提下，需要由物理学史的史学形态向教育形态转化，使其融入教科书并能够为学生接受。[6]
    3.借鉴国外教材，通过插图等手段增加教材的欣赏性。插图是教材的有机组成部分，插图能突破时空的局限，把古今中外、宏观与微观、过去与现在的物理现象、物理过程、物理知识和科技成果生动形象地展现在学生面前。[7]插图不仅能帮助学生快速地掌握物理学知识，而且能激发学生热爱物理、喜欢物理的思想情感，培养学生良好的心理素质和审美意识，进而能陶冶学生的情操。人类在科学探究的漫长历史过程中留下了大量的图片资料，如何通过那些真实、幽默、风趣的图片资料，结合青少年的认知心理特点，使教材图文并茂、生动有趣，使其不仅仅是简单的教科书，更是学生爱不释手的通俗科学读物，成为教材编排急需解决的一个问题。例如，美国教材讲到“万有引力”时，引入了第谷等科学家的画像及其当年所使用的天文仪器图片，把学生带入历史探索的长河中去沐浴体验。总之，我国中学物理教材的改革正在逐步深入，教材改革中的问题有待在实践中解决。期待以后的教材更多地编排学史插图，体现教材的历史感，避免过分强调知识的系统化，提高可读性。相信内容生动活泼、图文并茂的物理教材一定有助于激发学生学习物理的志趣，通过赏析插图，从中学到知识，进而理解物理规律。
    4.创新已经成为我们这个时代极具感召力和使用频率最高的词汇之一。人类已经进入到了以知识经济为特征的21世纪，按照知识经济对基础教育的要求，培养学生的创新能力成为评价基础教育的重要指标之一。物理学史其实就是一部反映创新的历史画卷，设想没有那些激动人心的科学革命，科学也就停滞不前，也就无从谈及经典物理学和现代物理学。从这一层面看，物理学史在教材中的分量应该是毋庸置疑的。通过表一和表二的统计可以看出，美国教材有55处以物理学史为线索引导学生学习物理知识，而国内教材仅仅只有26处，仅为一半。可以肯定地说，国内教材对物理学史还没有给予高度的关注，还没有充分认识到物理学史在培养创新人才如何利用学史的价值。
    《物理课程标准》明确指出，应使学生“具有创新意识，能独立思考，勇于有根据地怀疑，养成尊重事实，大胆想象的科学态度和科学精神”。如何将创新观念的培养贯彻于教材以及具体的教学实践，使学生在体验科学探究的过程中，学习物理知识，培养创新意识，是摆在我国教材建设教育工作者面前的一个重大课题，是科学时代赋予教育工作者的责任和使命。
    五、结束语
    保罗·朗之万说过：“在科学教学中加入历史的观点是有百利而无一弊的。”在中学物理教材中物理学史应该有一定的分量，这样具体教学过程会自然重视物理学史的渗透，对培养一大批既掌握坚实基础知识，又能适应未来挑战的创造性人才有一定的益处。通过上面的统计分析，我们期待多向国外教材学习，不断改进和完善我国的物理教材，特别是如何重视物理学史在培养人才中的价值。通过学史内容独特的魅力，使物理教材既有骨架，亦有血肉。

【参考文献】
    [1]　教育部基础教育司，《高中物理课程改革与实验》课题组.中国中学物理教材《物理》全日制普通高级中学教科书（必修加选修）[M].北京：北京师范大学出版社，2004,7.
    [2]　仲新元等译.物理：原理与问题（共三册）[M].上海：上海科技出版社，2005,4.
    [3][5]　何征宇.中美高中物理教材现代物理知识的比较研究[J].比较教育，2003,(12),53-55.
    [4]　郑金裕.在高中物理教学中渗透物理学史[D]. 2004年北京师范大学硕士毕业论文，14.
    [6]　翁钢志，赵顺法.对高中物理教科书整合物理学史内容的探讨[J].中学物理教学，2006,(8).
    [7]　朱红.中国大陆与香港地区高中物理教材比较 [J].物理教师，2004,(4),47-48.
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