物理教材分析的内涵与价值例谈_李飞跃

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1、Journal of Curriculum and Instrution课程教学研究2014年 第6期现 象 透 视Journal of Curriculum and Instrution课程教学研究“物理教材分析” 是我国物理教学工作的基础环节， 也是物理师范生培养中的一项重要的 “基本功”。 而根据我们多年的研究和教学实践， 发现教材上有一些东西学生不易搞懂甚至弄错。 做好物理教材分析， 明白其内涵和价值， 是教学的必要之举。一、课文分析：对太阳与地球大气层光谱的疑问物理教材的课文部分是整个教材的基本载体与支撑， 也是师生阅读教材、 学习教材的基本依托，其可读性、 逻辑性以及可理解性直接关

2、乎课文编写的基本质量。 教师的教材分析无疑需要从理解课文入手。 教学中我们发现， 近代物理部分的课文尤其容易出现理解困难。 例如， 人教社2002年版高中物理教材 “氢原子光谱” 部分中有这样一段话：19世纪初， 在研究太阳光谱时， 发现它的光谱中有许多暗线。 最初不知道这些暗线是怎样形成的， 后来人们了解了吸收光谱的成因， 才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。 仔细分析这些暗线， 把它跟各种原子的特征谱线对照， 人们就知道了太阳大气层中含有氢、 氦、 氮、 碳、 氧、 铁、 镁、 硅、 钙、 钠等几十种元素。对于这一段文字， 学生曾提出这样几个问题：既然太

3、阳光既穿透太阳大气层， 又穿透地球大气层， 那么为什么太阳光谱反映的是太阳大气层中的元素种类， 而不是地球大气层中的元素种类呢？ 地球大气层中的各种物质会对太阳光谱产生影响吗？这些问题对于课堂来说是棘手的。 我们通过查阅大量资料发现， 原来连续光谱必须通过游离态的原子时才能产生原子吸收光谱。 太阳大气层的温度虽然没有太阳内部的温度高， 但仍具有很高的温度， 处在其中的各种元素只能是呈现为游离的原子状态， 因此能产生原子吸收光谱。 而地球大气层的温度很低， 各种物质均处于单质分子或化合物分子状态， 太阳光穿透时不能产生原子吸收光谱。 因此， 太阳光谱反映的是太阳大气层中的元素种类，而地球大气层中

4、的元素对太阳光谱没有影响。 至此， 问题才得到了完整诠释。 这也说明物理教材有很多内容需要加以补充解释。二、插图分析：教材中电磁波“拉环模型”的取舍物理教材的插图通过规范、 典型且生动的图像， 辅助学生理解物理内涵， 发展形象思维。 但是， 值得强调的是由于物理学具有深刻、 丰富且微妙的 “物理意义”， 因此， 物理教材插图的选取必物理教材分析的内涵与价值例谈 *李飞 跃范 亚 颖 摘要立足对太阳与地球大气层光谱的疑问、教材中电磁波“拉环模型”的取舍、测温物质比热容问题的深思，讨论物理教材中的课文分析、插图分析、习题与教师用书分析等，由此总结了物理教材分析的深广度、分析方法等，促进教师合理地研

5、究教材，把握教材分析的内涵和价值。 关 键 词物理；教材分析；原子光谱；拉环模型；比热容 作者简介李飞跃，北京市第三十五中学高级教师；范亚颖，北京市第三十五中学教师资 源 纵 览80C MY K课程教学研究Journal of Curriculum and Instrution2014年 第6期现 象 透 视课程教学研究Journal of Curriculum and Instrution须以规范准确为第一义， 并且有必要辅以充分的物理解释。如图所示， 人教版高中物理教材中， 为了说明“电磁波是横波”， 给出了一幅插图， 图中电场和磁场的振动方向均与电磁波的传播方向垂直。1即“经典” 的电磁

6、波 “拉环模型”。 然而我们进一步发现， 图中电场与磁场的振动没有相差， 而在讲解电磁振荡时， 电场与磁场是交替产生的， 有四分之一个周期的相差。 是图像画错了还是另有原因？查阅了大学 电磁学 教材， 发现其中的图像也是如此。 北京市西城区的一次教研活动， 大家各抒己见， 最终也未成定论。 这一插图反映的 “拉环模型” 曾在教材中几进几出， 一直是师生理解的困难。 事实上， 对教材这一插图理解的复杂性与争议性正反映了中学物理教学对电磁波本身反映的层次。 近来有论者的研究为我们突破这一教材编写与教学困难提供了思路：“电磁波本身就是一个浑然一体的物理量 （包括电场和磁场） 在时间和空间变化形成的。

7、 之所以将其分为电场和磁场， 则是因为我们认识事物的顺序总是由简单到复杂。 由此观之， 教材中说变化的磁场产生电场， 变化的电场产生磁场， 其实就是照顾到我们认知顺序的一种说法而已。 真正的电磁波乃是一体， 其中包含的电磁场可以不分电和磁， 其实在四维时空里看它们就是一个电磁场张量，不过对于指导高中物理电磁波的教学而言， 我们理解到这里就够了。 ”2三、习题与教师用书分析：测温物质比热容问题的深思物理教材中习题的选取诚然体现了经典性， 然而， 这并不妨碍教材分析对其展开深入且有批判性的思考。 同时， 与教材配套的教师用书则体现了教材编写者的真正意图与思考深度， 这为教材分析提供了良好的素材与基

8、点。在北师大版八年级初中物理教材 “比热容” 部分有一道课后习题：“用温度计测温度时， 通常测温泡中的测温物质与待测物体间会有热传递发生，以使测温泡和待测物体达到相同的温度。 根据这一测温原理， 请你说明， 测温物质应选择比热容大一些的物质， 还是选择比热容小一些的物质呢？ 为什么？”3对该问题， 教材配套的 教师教学用书 给出的参考答案：“测温物质应选择比热容较小的物质， 因为吸收相同的热量， 比热容较小的物质升高的温度较多， 体积膨胀得较多， 在温度计玻璃外壳上划分刻度时， 间隔较大， 便于观察。”4对于 “测温物质应选择比热容较小的物质”， 我们没有异议；对于参考答案中关于 “为什么采用

9、比热容较小的物质” 的解答， 却有自己不同的看法。要真正弄明白这道题， 我们还是应该先从温标的建立入手。 一般说来， 任一物质的任一物理量属性， 只要它随冷热程度发生单调的、 显著的变化，都可以选用来标志温度。 最常见的是液体 （水银、酒精） 温度计， 这种温度计最大优点是使用方便，它是利用液体体积随温度作单调变化来测温的。除了液体温度计外， 还有：气体温度计 （定容）， 测温属性是压强；气体温度计 （定压）， 测温属性是体积；铂电阻温度计， 测温属性是电阻；热电偶温度计， 测温属性是温差电动势；光学高温计， 测温属性是热效应；辐射高温计，测温属性是辐射发射率。 算上液体温度计， 有七种常见温

10、度计， 只不过液体温度计是最常见的一种而已。这七种温度计根据各自的特点有自己不同的用途。 选择好测温物质和测温属性后， 还需要选定便于复现的恒定的标准温度点并规定其数值。 标准温度点是由某些物质在规定条件下达到相平衡时的温度所确定的。1954年以后， 国际上规定只采用一个定标点， 即选用水的三相点为定标点。 水的三相点是指纯冰、 纯水和水蒸气平衡共存的状态， 这个状态只有在一定压强 （610.1 Pa） 和一定温度下才能实现， 并严格规定这个状态下温度的数值为273.16K。 最后， 还要确定测温属性随温度的变化关系， 一般都规定为线形关系。这道题中所说的温度计， 很明显是指液体或气体温度计。

11、 在使用液体温度计和气体温度计 （定资 源 纵 览81C MY KJournal of Curriculum and Instrution课程教学研究2014年 第6期现 象 透 视Journal of Curriculum and Instrution课程教学研究压） 测量温度时， 采用的都是测温物质的体积随温度变化的属性。 下面就针对待测物体是恒温还是非恒温分别加以讨论。1.如果待测物体是恒温体， 即物体不会因为与温度计发生了热转移而使本身的温度发生变化， 那么， 采用比热容较大还是比热容较小的测温物质是没有多大差别的。 因为无论什么温度计， 都会从原来的温度变化到待测物体的温度。 它们温

12、度的变化是相同的， 不同的只是热转移的多少。 比热容越大的物质， 变化相同的温度， 转移的热量越多。 这样， 如果在测温物质与待测物体之间热传递的快慢差不多的情况下， 比热容越小的测温物质， 由于转移的热量少， 与待测物体达到热平衡所需要的时间就越短。 所以， 从达到热平衡所需要的时间上考虑， 采用比热容较小的测温物质会比较节省时间。在这种情况下， 不同的测温物质温度的变化相同，所转移的热量肯定是不同的， 当然也就没有了所谓“吸收相同的热量， 比热容较小的物质升高的温度较多” 的说法。2.如果待测物体是非恒温体， 即物体因为与温度计发生了热转移而使物体本身的温度发生变化，这时采用比热容较小的测

13、温物质的理由会更充分些。 因为当温度计与待测物体热接触并发生热转移时， 比热容越大的测温物质， 所需要转移的热量越多， 待测物体的温度变化越大， 这样就会使温度计测出的温度与未加温度计时待测物体的真实温度有明显差异， 使得测量误差增大。 因此， 只有采用比热容较小的测温物质， 才能减小温度计测出的温度与未加温度计时待测物体的真实温度之间的误差。在这种情况下， 采用不同的测温物质， 转移的热量是不同的， 温度的变化略有差异， 比热容较小的测温物质的温度变化会略大一些， 但也不会大出很多， 所以参考答案中的说法也就没有了什么实际意义。 另外， 在温度升高差不多的情况下， 也并不是比热容越小的物质体

14、积膨胀得越多， 这还与不同物质的热膨胀系数有关。根据以上两种情况的讨论来看， 之所以采用比热容较小的测温物质， 最主要的还是因为考虑到温度计与待测物体之间发生热转移， 比热容较小的测温物质做成的温度计会使待测物体的温度变化较小， 从而减小测量误差的缘故。四、物理教材分析工作的反思与启示物理教材分析工作在物理教学中扮演者基础性的地位。 这一工作的长期性与生命力在基础教育其他学科是鲜见的， 这反映了物理学以及物理教学不同于其他学科的特征。 某种程度上， 物理教材分析正反映了教师对物理教材的阅读需求， 是教师以教材为载体学习物理学的重要平台， 体现了 “教学相长” 的意趣。 在课程改革的背景下， 理

15、当对这一传统给以珍视和发展。首先， 物理教学应继承这一传统， 并提升物理教材分析的深广度。 课改以来， 不仅教材版本日益增多， 而且物理教学研究成果不断积累。 因此， 教材分析者应该广泛开发课程资源并积累教研资源，为教材分析工作构筑更加深厚的基础。 其次， 物理教师也应批判地发展教材观与教材分析方法， 将教材的分析与阅读结合起来， 发展阅读素养。 再次，教材编写者应同时关注学生与教师对教材阅读的不同需求和困难， 加强配套教师用书的研究编写力度， 尤其是与教材内容的匹配与衔接。 并着眼于教师专业发展， 在教师用书中辟专章介绍阅读教材、分析教材的方法。 以及对教师阅读教材、 理解教材开展持续深入的

16、培训。本文系中国教育学会物理教学专业委员会2013年2016年全国物理教育科研重点课题 “中学物理教师团队教学研究能力培养研究” 的研究成果参考文献：1 人民教育出版社物理室.全日制普通中学教科书物理（第二册）M.北京： 人民教育出版社，2003：243.2 潘恒星.浅谈电磁场的变化与产生J.物理教学探讨，2014，32（2）：3638.3北京教育科学研究院， 北京师范大学出版社.八年级物理 （全一册）M.北京： 北京师范大学出版社，2005：151.4北京教育科学研究院基础教育教学研究中心物理室.物理八年级教师教学用书 （全一册）M.北京： 北京师范大学出版社，2005：119.资 源 纵 览82C MY K