美国高中物理教材习题特点赏析，本文主要内容关键词为：美国论文,习题论文,高中物理论文,教材论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
习题是学生进行实践活动的一种重要形式，它既可以作为学生理解和巩固知识，提升科学素养，发展创新精神的重要载体，又可以作为物理与社会链接的文化桥梁。习题的编制是教材编制的重要组成部分，独具匠心的习题设计能体现一定的教育理念和方法。美国Prentice-Hall公司于2006年出版的《CONCEPTUAL PHYSICS》（《概念物理》）中的习题设计富有特色，对于我国物理教材的习题设计具有一定的借鉴意义。
一、《概念物理》教材中习题组成结构
《概念物理》共有四十章[1]，每一章的习题都以Chapter Assessment形式在该章末尾集中呈现，每节后面没有设置习题。《概念物理》真正意义上的习题包括五个部分：问题回顾(Review Question)、公式运用(Plug and Chug)、思考与解释(Think and Explain)、思考与问题解决(Think and Solve Develop)、活动(Activities)。问题回顾、思考与解释相当于我国的课后思考题，公式运用、思考与问题解决相当于我国课后的计算题，活动表现评价则相当于我国课后的实验与活动。这五个部分习题所承担的功能各不相同，“问题回顾”主要目的在于检查概念，它所提出的问题都是针对该章一些重要基本概念和定理，并且每道习题都注明章节出处，通过回答这些问题有助于学生理解与掌握基础概念和原理。如第三章“抛体运动”针对第一节“标量和向量”的问题回顾有二题：
【例1】标量与向量有什么不同？
【例2】为什么速率是标量而速度是向量？
“公式运用”部分主要目的在于检查学生对基本公式最基本的理解和运用，习题情景简单，大多经过人为抽象、简化、分解等加工处理，可直接套用公式，只需要一二步运算即可。如第十二章“万有引力”中“公式运用”的一题：
【例3】计算地球表面质量为1kg的物体所受的万有引力。地球的质量为
，半径为
。
思考与解释、思考与问题解决、活动这三部分习题约占习题总量的一半，与问题回顾及公式运用部分相比，这三部分习题更重视概念的应用与批判思维的培养，重视对活动的表现性评价。其中思考与解释主要是运用概念和原理解释自然、社会、生活中的实际问题，思考与问题解决主要是培养学生问题解决能力，而活动一方面可以培养学生的动手实践能力，另一方面通过活动对学生的表现进行评价。这三部分习题是《概念物理》习题的精华所在，也最能体现其习题编制的特色。
二、《概念物理》教材中习题特点
《概念物理》习题数量较大，第二章“直线运动”习题数量最多为53道，第十五章“狭义相对论——时间与空间”习题数量最少为29题。习题形式主要为问答题、计算题、动手活动题。这些习题在内容的选取、背景设置等方面具有以下几个主要特点。
1.文化背景浓厚，耐人寻味
教育实质上是文化的传递与创造，习题背景作为文化传承的重要载体，它可以为学生呈现广阔而浓厚的文化。《概念物理》习题注重文化背景的营造，它涉及人类学、民俗学、科幻等人文文化领域，作为物理与社会链接的文化桥梁，它确实发挥了重要作用。
【例4】如果人类起源于非洲并由非洲迁移到世界各地，若迁移速度为1km/y，则多少年后人类从非洲迁移到中国？（假设非洲与中国相距10000km）
解析：物理文化与人文文化都是人类文化的瑰宝，尽管两者形成的背景、关注的对象以及涵盖的内容不同，但在深层的价值取向上，则是相通、互补的。人类起源于非洲并由非洲迁移到世界各地是目前人类学的一个假设，还有待证实。本题作为思考与解决的一道习题，难度其实很小，但是该题以人类起源作为文化背景，无疑加强了学生对人类学的了解，通过该题，促使学生关注物理与人类社会的关系，了解物理学的文化价值，学会尝试运用物理学知识探究一些人文假说，增强物理文化与人文文化的联系。
【例5】科幻片中，超人在外空遇到小行星，超人以100m/s速度将它用力投掷，而超人岿然不动。从物理学的角度，超人后退的速度为每小时多少米？
解析：本题只需要简单运用动量守恒定律即可，知识要求不高。科幻中英雄一直是孩子们模仿的对象，本题以超人投掷小行星为文化背景，一方面是对在孩子中流行的科幻文化的响应，能激起学生的文化共鸣，另一方面也让学生学会运用物理知识重新评判科幻文化，认识到知识科学与科幻的区别。
物理文化是社会文化的组成部分，物理教育应将物理文化置于更广阔的文化背景之中，物理教育切不可采取“去文化”的简约方式。习题设计中应注意将它置于一定的文化背景之中，通过多种多样呈现方式（文字呈现、图片呈现、图表呈现）来向学生展示文化。
2.物理思想与方法并重，发人深省
物理思想与方法是物理文化的灵魂，也是物理课程的重要学习目标。《概念物理》在进行习题设计时非常注重对物理思想与方法的挖掘，学生通过解题加深对物理思想与方法的理解与领悟。
【例6】当物体越来越靠近地球时，我们认为它下落。地球表面曲率同卫星的轨道相似，沿圆形轨道运行的卫星没有越来越靠近地球，我们能否说卫星下落？（提示：将卫星的位置与没有引力时假想的直线的位置进行对比，卫星是否处在该直线之下）
解析：如图1，假设卫星做圆周运动的线速度为8km/s，不考虑引力的情况下，卫星1s做直线运动8km，考虑地球引力的作用，1s内卫星将下落5m（低于图1所示的直线），而在地球表面每8km弯曲5m，所以当卫星以线速度8km/s做圆周运动时，它落在地球曲面的同一位置上，没有靠近地球，也不会下落。几何学的性质既不是先验的，也不是独立的，它取决于物质和场的分布状况。引力几何化的思想是爱因斯坦建立广义相对论的关键之一，也是人类思想的瑰宝。本题运用几何方法来解释引力问题，可以认为是引力几何化思想的萌芽。
图1
3.强调科学判断与决策，突出证据思想
探索科学是一项人类的事业，未来社会需要善于推理、能决善断的人。证据在科学发展过程中起到关键的作用，它也是辨别科学与伪科学最重要的依据。《概念物理》有许多习题涉及科学判断与决策，要求学生寻找证据肯定或否定一些观点。
【例7】某厨房用品附有警告：本产品所带有带电粒子运动速度为每小时10000000km。这个警告合理吗？
解析：现代很多产品的广告或说明书上有意或无意出现科学错误，对人们产生误导。对生活中有违科学的广告、标识进行判别是具有科学素养的表现。本题中产品中带电粒子的漂移速度仅为0.01cm/s，电流的可怕之处不是带电粒子的移动速度大，而是它可能使人体内的电荷发生剧烈振动，破坏人的神经系统，使人体组织过热。《概念物理》共选用了5道类似的习题，通过这些习题的练习，可以促使学生能运用物理知识对实验方案、政策主张、社会的现象进行科学判断，对学生今后进入社会及将来个人决策产生较好的影响。
【例8】哪些证据能支持在太阳中存在铁元素？
解析：无论美国课程标准、还是教材都非常重视证据。本题非常简单，即太阳光谱就是支持太阳中存在铁元素的重要证据，但本题从证据的角度设问，表明教材对证据的重视，与课程标准及教材的正文一脉相承。《概念物理》类似的习题共有5道，通过这些习题，让证据的思想进一步深入人心。
4.开放性与原始性共存，催人创新
习题的开放性一般体现在条件开放、情景开放、结论开放，它往往能够激发人的创新思维。所谓原始问题，是指自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的典型现象。原始问题有助于拓展人们的视野，进一步增进人们对于物理本质的理解与认识，从而有助于真正实现物理教育的目的。《概念物理》既注意习题的开放性，又注意物理问题的原始性，能从不同侧面培养学生的创新能力和批判性思维。
【例9】地磁南北极转变过程中，若地磁场刚好为零，则地球表面宇宙射线的强度将会有哪些变化？对地球的物种有哪些影响？（根据化石证据，普遍的理论认为没有地磁场时宇宙射线对生命产生的影响就如同X射线对果蝇的影响）
解析：由于地磁场的存在，宇宙线在射向地面过程中发生偏转，从而使生灵免受宇宙线的辐射。有关地磁场的理论认为地球的磁场并不是稳定不变的，地球的磁极不断发生变化，甚至出现磁极反转的情况。虽然本题题干寥寥数言，但背景深远，涉及地磁理论、生命科学、证据思想、磁场对带电粒子的作用力等，但本题最大的亮点还是它的情景开放性，结论的开放性，因为宇宙射线对地球物种的影响没有唯一的结论，这本来也是较为前沿的科学问题。
【例10】若你站在空间站内，你的脚的线速度和向心加速度比头大，可以认为你的头和脚的重力加速度不同，这个差异使人很难受。研究表明，
的差别对人体不会产生不适的影响。相对你的身高，空间站的半径应为多大，使你的头和脚的重力加速度的差异仅仅为?
解析：本题只是对相关现象进行描述，没有对现象作任何程度的抽象，基本上是文字描述，隐含的变量、常量等需要学生自己去设置，对学生来说不是常规的，不能靠简单的模仿来解决。它的情境真实，具有趣味和魅力，完全符合上述有关原始问题的界定。学生解决本题时需要抽象出空间站的模型、空间站的运行原理，根据自身的身高，进行估算，它还蕴含了爱因斯坦广义相对论等效原理的思想（在空间站的局域参考系内，引力场与惯性力等效）。
5.活动器材简单，生动有趣
《概念物理》习题中共有40个活动，活动的器材有玻璃杯、木条、砖、米尺、停表、绳子、球、金属丝、皮带、铁锤、食品罐头、鸡蛋、水、盐、塑料瓶、汤匙、布、纸（或硬纸板）、金属棒、锅、橡胶管、绳子、弹簧、冰箱或烤箱的铁格子、线、白炽灯、牛奶、金属薄片、平面镜、珠宝或透明彩石、蜡烛、未曝光的胶片、放大镜、双筒望远镜、玻璃纸、幻灯机、水果、铜片、锌片。这些器材简单，成本低，学生取之容易。有些器材甚至在多个活动中被采用，如以杯子作为活动器材的活动有6个，以绳子、尺、纸为基本活动器材的活动也有多个，这些活动虽然器材简单，但却生动有趣。
【例11】站在平面镜前，让同伴在平面镜上标出你的头和脚的像所在处，比较你的身高与两标记的距离。如果只有小镜子，在小镜上标出你的头顶及下颌像所在处，比较两标记的距离与你的脸长。前后上下移动平面镜，思考要看到你的全身像至少需要多高的平面镜。
【例12】将褶皱的玻璃纸带放在极化材料上作为幻灯片，也可以将玻璃纸折成不同的角度，将幻灯片投影到大屏幕上或白墙上，使极化材料在幻灯机镜头转动，则可以看到五彩缤纷的颜色，若配上你喜爱的音乐，你就能实现声光放映了，详细描述你的活动。
解析：例11在我国习题中常作为作图题出现，难度很大，因为要找出最小高度的平面镜，平面镜放置的上下位置也很重要。美国教材将它作为一个活动题，让学生慢慢探究，通过比较、演绎最后探究出要看到人的全身像所需平面镜的最小高度。“从做中学”，学科学是学生主动积极地参与的能动的过程，学生在愉快的活动中化解了这一难题。
例12中，白光照射到褶皱的玻璃纸上，由于光的干涉，将出现五彩缤纷的颜色，使极化材料在幻灯机镜头转动，又使五彩缤纷的颜色强弱出现变化，配上音乐，确实能给人美的享受。该活动难度不大，所用原理也不复杂，通过该活动，学生一方面能学以致用，另一方面能感受成功的喜悦。
三、对我国物理教材习题建设的启示
1.将习题设计真正地纳入课程编制之中
《普通高中物理课程标准》提出要“优化练习和习题的选择”，认为“一道好的习题，就是一个科学问题”[3]，这无疑显示出国家教育部门对习题设计的关注。我国高中物理新教材的习题较过去教材有较大的改进，安排了不少探究性习题，题型新、形式多样，注意以自行车、脚踩式垃圾桶、电子秤、遥控玩具车、“温室效应”“热岛效应”“长江三峡水利工程”“城市建设”等为背景。但是，这样的习题占教材习题的分量还是过小，还存在大量多年前的偏题、旧题，可以说物理课程的“繁、难、偏、旧”现象在习题中仍有体现。现行教材中以某物作为背景习题虽然减少，但习题背景将某物改换为汽车、飞机、钢球，背景重复单调，与先前相比换汤不换药。大多数习题缺乏背景图，即使有，背景图也非常简单。习题则是把现象进行抽象、简化、分解，经人为加工的习题以复习、再现为主，主要目的是为了加深对概念与规律的理解，缺乏拓展性。标准对习题建设的重视并没有真正落实到教材的编制之中，习题设计的滞后势必对课程改革的顺利实施造成消极影响。
2.习题设计需要实现巩固双基与学生发展之平衡
“巩固双基”是我国习题设计的重要特色，我国现行教材的许多习题是针对同一概念或规律的同一侧面展开，这其实就是变相的“题海战术”。针对“巩固双基”的习题往往情景简单且被纯化，缺乏拓展性。过分地强调“双基”，过分强调认知性目标的练习设计，过于强调基本概念、基本规律及公式的简单运用，导致习题的背景知识和科学方法不足，练习设计缺少文化思考，使学生缺乏对物理文化内涵的体味，严重扼杀了学生学习物理的情感、创造、顿悟和审美情趣。因此，教材编制者要认真考虑如何保持我国“巩固双基”的特色的同时，又能实现学生物理思想方法、情感态度与价值观的全面发展。
3.习题应成为学生对物理文化认识的升华之源
物理文化内涵极为丰富，它包括物理学思想、物理方法、物理概念、物理定律、物理语言符号、价值标准、科学精神、物理仪器设备以及约定俗成的工作方法等。物理教材作为范例，不可能将所有物理文化的精髓呈现出来，作为教材重要版块，习题可以通过设置文化背景，融入物理学史、重要的物理思想方法、技术设备先进理念，展现先进的物理文化。物理文化萌发于更宽广的社会文化之中，设计者需注意将习题置身于广泛社会文化之中，实现物理文化与人文文化的融合。习题设计应努力克服教材原文概念规律的简单重复，要让学生在其中有物理美的享受，形象性、情感性和愉悦性的情景感受。正如台湾逢甲大学张慧贞教授所言，习题需要“包装”，更需要文化的包装。