编写思路
《物理2》是全体高中学生共同必修的内容,是落实课程目标“进一步提高学生的科学素养”的重要部分,是学生选择和学习后续课程的基础。
《标准》规定《物理2》的内容有“机械能和能源”、“抛体运动与圆周运动”、“经典力学的成就与局限性”三个二级主题。根据《标准》的要求,本册教材分以下6章展开:
第1章 研究抛体运动
第2章 研究圆周运动
第3章 动能变化与机械功
第4章 能量与可持续发展
第5章 万有引力与航天
第6章 经典力学与现代物理
总结与评价 课题研究成果报告会
在传统教材中,机械能、抛体运动、圆周运动以及万有引力等内容, 基本上是采取直接叙述式的,关注的只是公式的推导与解题,基本上没有学生的探究活动,对于物理概念和规律的形成和发展,缺乏科学探究的经历和体验,因而学生只是机械地背公式解题。传统教材中内容的呈现也是孤立的,缺少实际的背景,因此学生不能将知识在相关背景下串接起来,致使物理概念的形成比较苍白,学生难以找到实际的联想对象,感到枯燥无味,这也是形成高中物理难教难学局面的原因之一。
关于经典力学的成就与局限性,在传统的教材中只是作为选学内容,而且介绍得很简单,教学中也都是轻描淡写。关于相对论和量子理论等内容基本没有涉及,显然,这对学生了解现代物理的成就,从而形成科学的世界观是不利的。
主要特点
本书编写时,力求全面落实《标准》的三维目标,将这部分内容与现代科技与现代物理学结合起来,让学生在探究过程中学习、体验,感受物理学的魅力。跟传统教材相比,主要有以下特点:
1. 让学生对高中物理有亲近感,使高中学生喜欢物理
主要做法是:
(1) 设计探究背景,以问题串、问题链的方式展开。
每一章都根据教学内容和学生的已有经验,围绕一个共同背景展开,这些背景都是学生生活中熟悉的、感兴趣的。
例如,第1章以飞机投弹为背景,让学生逐步深入地探究平抛运动和斜抛运动,最后让学生讨论:“假如有一天能在月球上开运动会,会是什么情况?”,让学生大胆地想像推测。第2章以车辆转弯和游乐场为背景,让学生探究圆周运动的规律。第3章以汽车行驶时的功能问题为背景,展示动能定理、功和功率。第4章以打桩机工作时的机械能转化为背景,展开对机械能守恒和能量守恒的探究。第5章以天体运动为背景,展示人类探索天体运动规律的历程。第6章以研究光速和时空观为背景,逐步展示从经典力学到狭义相对论到广义相对论、量子论的研究历程。
共同背景的设计,有利于激发学生探究的愿望和内驱力,使学生对物理产生亲近感,也有利于发展学生自主探究的能力。
在共同背景下,教材还广泛联系了运动会、游乐场、汽车运动、工地打桩、洗衣机等学生熟悉的事例,而加速器、人造地球卫星和飞船等高科技内容,又是学生喜爱谈论的话题,学生可以从教材中感受到时代发展的气息。
(2) 突出学生活动,让学生和教师在平等的气氛中共同研讨。
教材始终以学生的自主活动为主线,除通过了“科学探究”、“实验探究”、“分析论证”等活动进行较完整的探究活动外,在教材中及时通过“请思考”、“请讨论”、“请你推导一下”等亲切的语言,鼓励学生思考、讨论,让学生有平等、受尊重的感觉,对物理课程产生亲近感;和学生共同讨论的方式,也为学生开放了活动的空间,促使教材和课堂教学的单边活动向多边活动发展,变学生的被动接受为主动思考与探索。
例如,在斜抛运动中,有“请讨论:运动员在投掷铅球、标枪时,应把投射角控制……”;在万有引力中,有“请思考:假如有一天你能到火星上去旅行,你会感到自己的体重发生了什么变化?”在功和功率中有“请在下面写出你的推导过程(指P=Fv的推导)”等。
(3) 为学生提供丰富多彩的学习资源。
教材设立了多种栏目,向学生提供丰富的学习资源,以发展学生的学习、探究能力,扩大学生的知识面,培养学生的应用能力和创新能力。在全书的6章教材中,设有“信息浏览”18个,向学生介绍了“伽利略是怎样研究抛体射程的”、“九大行星数据”、“时间延缓效应的实验验证”、“爱因斯坦简介”等内容。全书有160多幅精美的照片和插图,既有原理性的,也有情境性的(如我国第1位航天员杨利伟在太空舱内展示五星红旗),使教材图文并茂,版面活跃,增强了教材的可读性。
教材还通过向学生介绍科普读物,让学生上网查询,调查研究等活动,拓宽学生的视野,发展获取信息的能力。
2. 落实《标准》三个维度的目标
(1) 重视基础知识的形成过程,重视基本技能的训练。
教材努力落实《标准》中关于知识与技能的要求,展示了抛体运动、圆周运动、天体运动与万有引力、机械功与能量、相对论时空观等物理学的核心知识,并将这些知识放在现代社会生活、现代科学技术的背景中展开,这样提升了知识的价值。
教材注重实验技能的培养,重视用常规仪器和身边的器材做实验,例如用水柱探究斜抛运动的射程,用细线拴软木塞做向心力的探究实验,用打点计时器研究机械能守恒等。教材还介绍了一些较新型的仪器,如气垫导轨、光电计时器、使用了能与计算机接口的“DIS实验室”的软硬件、尝试用计算机处理实验数据等,让学生体验到实验研究手段与社会技术的共进。教材将《标准》中相关的知识与技能的目标落到实处。
教材在练习计算方面与传统教材相比,在难度上有所降低,但在应用物理概念与规律分析问题的能力上要求提高了,这符合课改的理念。
(2) 强调科学探究,重视过程与方法。
教材注意让学生经历科学探究过程,发展自主学习能力,养成良好的思维习惯,能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题。全书共安排8个探究实验。在这些实验中,教材没有一包到底,而是让学生在实验设计、进行实验、收集证据等各方面的积极参与。
例如,“实验探究研究橡皮的运动”,器材只是学生的学习用品橡皮和直尺,实验的结果要学生自己分析。
“实验探究 用实验验证向心力公式”,在介绍了仪器后,课本只给了一个实验要求,其余的实验设计等都要学生自主进行,包括实验中的“控制变量”方法都要学生自己思考,充分培养学生学习的主动性和创造性。
“实验探究 机械能守恒定律”。实验方法、数据收集和分析论证都要学生主动进行,只是给予参考资料。
教材十分注重让学生尽量经历完整的探究过程。让学生对科学探究有整体的认识,并使探究能力得到发展。
例如,“实验探究 恒力做功与物体动能变化的关系”,这是科学探究过程较强的内容。教材让学生从理论推导出的动能定理思考,提出“能否在实验中得到验证”的问题,这不仅仅是进入科学探究,更是对学生科学认识观的培养。科学理论要有实验的检验。探究活动让学生经历了除“猜想与假设”之外的6个科学探究环节,不仅对做功与动能的变化有了较深的认识,而且对科学探究过程也有了较全面的认识。对科学探究的各个环节,教材只是引导学生思考分析,并不包办;对探究计划、实验方案的制定、数据的分析处理,教材只给出参考性的建议(如用旁批形式对探究计划的建议),或推荐的意见(如实验器材中的气垫导轨的建议),不加限定,使学生做到真正的自主,体现出探究性。
在“家庭作业与活动”中的8个实验和制作,如根据圆周运动和抛体运动的规律,设计制作洒水器等,都是让学生在课外探究的。
教材中部分结论要求学生自己总结,这一切都促使学生在学习本模块内容时,一直处于探究的情境中,形成自己的学习能力。
教材注重启发学生思考,注重方法的培养。
例如,你知道的描述圆周运动的方法还有哪些?
请你思考并讨论:在汽车启动的过程中分别有哪些力对汽车做功?哪些力对汽车做正功?哪些力对汽车做负功?
在研究斜抛运动时,教材引导学生用两种方案分解斜抛运动,还要学生思考其他的方案。
在本册教材的“课题研究报告会”中,提出了9个课题让学生选择,这些课题涉及多学科交叉领域、社会生产和生活中与物理学有关的问题,学生可以根据自己的兴趣和特长自主选择,也可以另选课题,因而能满足不同学生的不同发展需求。例如,“为神舟飞船设计一项搭载实验”就是课题之一。
教材十分重视将过程与方法作为教学内容。让学生经历建构知识的过程,领悟物理学的研究方法。
例如,第1章关于抛体运动的研究中,传统教材罗列了一大堆公式让学生解题,把学生搞得不知所措,而本教材则把重点放在分析二维运动的方法与过程上,教材首先展现了伽利略用几何方法对抛体运动的研究,然后让学生自己通过实验探究、分析论证,逐步掌握用运动的合成与分解的方法,建立坐标系,分析平面的二维运动的方法。
教材重视过程的分析与讨论,全书共有“分析与论证”栏目12个。
例如“分析与论证重锤下落中机械能是否守恒”,教材只是引导学生分析重锤下落中的几个位置,结论则要学生自己得出。
“分析与论证光电效应的解释”则是从实验出发,运用理论对光电效应的分析讨论。因为学生对这部分内容比较陌生,因此教材采用了启发式的叙述。
对于某些物理史上的重要史实或学生无法自己探究的内容,教材充分展示了人类的探索过程和方法,让学生随着前人探究的经历领略物理学的魅力。
例如,第5章的天体运动规律和万有引力定律,在中学是难以直接探究的。教材展现了从托勒密到哥白尼,直至第谷和开普勒对宇宙认识的三级跳,又展现了牛顿发现万有引力的过程。让学生从史实资料中获得对自然规律的认识,也是科学探究的重要途径。
第4章则带领学生从重力势能、机械能的探究开始,由动能与势能的转变和机械能守恒,再加以生活中的事例,引导学生进行综合、类比和推理,得出能量守恒和能量转化的方向性等认识。培养学生通过已有知识和资料,进行分析归纳的探究方法。
(3) 关注科学、技术与社会的关系(STS),渗透人文精神,提高学生的科学素养。
教材还在“信息浏览”、“STS”等栏目中介绍了物理学与技术、社会发展的互动关系,以及科学技术的发展对社会的正面效应和可能产生的负面效应,培养学生可持续发展的意识。
例如,教材在有关部分介绍了“公路上为什么要限制车速?”、“汽车的ABS系统”、“能源与可持续发展等问题”、“量子理论的应用”等。
教材中还介绍了爱因斯坦等一些科学家的事迹,以及名人警句,使学生知道科学家在科学探索道路上的执著追求、勇于实践和尊重事实的科学精神。
3. 把教材做得更开放些
《物理2》是共同必修的内容,为使学生在学习了必修的两个模块后,能基本体会物理学的特点和研究方法,了解自己的兴趣和发展潜能,为后续课程的选择和学习做准备,教材的编写注重开放性。例如,教材在编写过程中注意改变过去教材一包到底的做法,而是留给学生发展的空间。“分析与论证”是与学生讨论式进行的,教材讲一点,学生完成一部分。在近40个“案例分析”栏目中,对多数案例都只提供初步的分析,分析的结论则要求学生自己去完成。
在实验探究动能变化与做功的关系时,教材只是用旁批建议的方式给了两个探究计划让学生选用。在实验探究机械能守恒时,也是给了两个实验方案,让学生根据条件自选。这些都是为了培养学生的自主学习能力和教学的开放性。
为让不同的学生学习到不同的物理,教材设立栏目“多学一点”,对相关内容进行适当的拓宽和加强,以满足不同学生的发展需求。全书共有“多学一点”栏目10个。
例如,“圆周运动的速度”、“过程量与状态量”、“重力势能的相对性”、“破解重力变化之谜”、“广义相对论”等都是“多学一点”的内容。
总之,教材加强了理论联系实际,介绍了最新科学技术的发展,并加强了科学技术发展史的教学,有利于培养学生辩证唯物主义和历史唯物主义世界观。
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