中美初中物理教科书中情境设置的比较——以“压强”内容为例

董博清 彭前程

（1.河北师范大学教育学院，河北 石家庄 050024；
2.人民教育出版社课程教材研究所，北京 100081）

近年来，许多国家及国际组织开展了核心素养的研究，我国2014年也开始了以培养学生核心素养为主要目标的课程改革.通过比较不同国家的课程设置，可见世界各国均将情境化设计理念作为课程落实核心素养的共同手段.教科书作为连接理想课程与现实课程的重要媒介，其情境设计的质量将直接关系到学生核心素养的培养.物理学是自然科学领域的一门基础学科，物理核心素养的发展呼吁基于核心素养的教科书编写，要求教科书要创设与现实关联紧密的情境.本文旨在分析与比较我国与美国初中物理教科书中情境的设置情况，以期为落实核心素养的教科书编写及课程改革提供参考.

1.1 物理教科书中情境的内涵

情境反映个体行为与现实环境之间的复杂关系.从认知的角度来讲，情境可以被看作是一种来源于现实世界的信息载体，呈现了个体认知活动的信息来源.从学生角度来讲，情境可以被视为学生进行学习活动、发生学习行为的背景或环境.情境理论认为，学习的实质是个体参与实践活动，与他人、社会等相互作用的过程.［1］在物理教科书中，情境指呈现给学生任务或问题的相关信息.这些相关信息能够使学生进行学习活动、产生学习行为，包括帮助学生理解学习任务或问题的文字说明、插图材料、相关事件、所处环境等.简言之，物理教科书中的情境指教科书中任务或问题所处的现实环境及背景信息.

1.2 物理教科书中情境的类型

物理学是一门与现实问题联系紧密的学科，不论物理概念、规律或定理，都有其产生的现实背景.本文将重点关注物理教科书正文中设置任务或问题的现实背景及其对学生学习的作用与影响.为此，笔者从情境与学生生活联系的远近程度出发，参考PISA2012测试中对于数学情境和科学情境类型的划分，［2］将物理教科书中的情境分为学生的日常生活情境、职业生活情境、社会生活情境和科学生活情境，具体类别和内容见表1.

表1 初中物理教科书中情境的类型

2.1 中国和美国教科书的选取

我国教科书选取2012年人民教育出版社出版的《义务教育课程标准实验教科书·物理》，是经全国中小学教材审定委员会审查通过、使用最广的初中物理教科书.美国教科书选取2013年浙江教育出版社出版的初中综合科学教科书《科学探索者》，是美国中学普遍选用的综合理科教科书，也是一套研究性的学习教科书.

2.2 教科书中情境分析的维度

本文主要从情境类型和情境作用两个维度来分析物理教科书中的情境.情境的作用主要从情境的生活性、适切性、应用性等方面来分析（见表2）.首先，学生熟悉的情境能够连接学生已有经验，为学生提供思维场所，激发物理学习动机.其次，与学生认知相适宜的情境能够激发大脑中与情境相关的概念，引发学生对于问题或知识的理解与建构.再次，与现实问题相关的情境，可以为学生提供应用物理知识和技能的机会，让学生真切感受到物理之于现实世界的应用价值.

表2 初中物理教科书中情境作用分析维度

2.3 教科书中情境分析的具体思路

基于教科书文本，首先整体分析中美两国初中物理教科书中压强的内容结构.然后，具体分析两个国家教科书压强内容每一部分具体情境的内容及含义，结合学生认知，总结教科书中不同类型情境及其不同特性对物理学习的作用.最后，比较中美教科书中情境设置情况，提出教科书编写建议.

我国教科书中压强部分的知识结构链为：压强→液体压强→大气压强→流体压强与流速的关系.本文分别分析了每一部分内容所设置的情境，结果如下.

3.1 压强部分设置的情境

这部分主要通过日常生活和社会生活中的情境，让学生理解压强概念及其实际应用.第1个情境，重力差不多的两个人在茫茫白雪中，一个深陷一个却没有.第2个情境，小小蚊子将皮肤刺破、重重骆驼却不会陷入沙漠.第1个情境让学生关注压力相当时，受力面积对压力作用效果的影响；
第2个情境让学生对比压力和受力面积都不同时压力的作用效果.通过情境设置，自然而然引发学生思考压力作用效果与压力、受力面积之间的关系.

关于压力作用效果与受力面积是否相关，学生缺乏感性经验.教科书设置常见的雪景、蚊子、沙漠情境，让学生在熟悉现象中感知压力作用效果.情境设置贴合学生认知，能够帮助学生理解.之后，教科书设置探究实验，让学生运用控制变量法，探索压力作用效果与压力和受力面积之间的关系.为了比较压力作用效果，教科书引入压强概念.如此设计让学生认识到压强概念引入是出于对自然现象认识的需要，进而感受物理与现实世界的联系.

紧接着，教科书设置社会生活中改变压强大小的情境，包括不使拖拉机陷进土里，将图钉按进墙里等.然后，教科书从生产、生活中常见的情境现象出发，让学生运用压强概念，解释推土机铲刃、篆刻刀刀口锋利、破窗锤做成锥形、铁轨下面放枕木等现象产生的原因.重点分析了货车超载重量的限制，锻炼学生应用压强概念解决现实问题的意识和能力.

3.2 液体压强部分设置的情境

液体内部存在压强吗？教科书设置家庭生活中与之相关的情境，让学生通过观察液体对物体产生的作用效果，感知液体压强.洗菜池装满水，要提起橡皮塞比较费力.此情境展现了水对橡皮塞强大的压强作用.情境的设计是在压强概念学习基础上，通过对液体压力作用效果的分析与观察，印证液体压强的存在，能够促进学生理解内容、建构知识.

液体内部不同方向均有压强吗？通过对社会生活中喷泉现象分析，让学生认识水向上有压强.之后，教科书陈述观点：液体具有流动性，液体向各个方向都有压强.接着，介绍测量液体内部压强仪器的工作原理，并让学生运用仪器测量液体内部压强，归纳液体压强大小的特点.进一步通过“平面”模型的建立与分析，推导液体压强公式.但是，仪器和模型分析较为抽象，学生不容易想象和思考.

然后，教科书引导学生比较潜水员在大海不同深处工作时所受压强；
分析潜艇的工作特点；
通过生活和科学中连通器的原理分析及运用，包括锅炉、三峡船闸等，让学生运用物理知识认识、理解并解释现象.但是，科学情境船闸与学生生活较远，增加了学习的陌生感.另外，潜艇和船闸的分析较为专业，这对于初学液体压强的学生来讲比较困难.

3.3 大气压强部分设置的情境

教科书设置日常生活中的情境实验，让学生分析大气压强在其中发挥的作用，感受大气压强的存在.例如，如果在厨房中挂厨具的塑料吸盘上戳个小孔，吸盘便不能贴在光滑的墙上.如果把悬空倒置的塑料管上端跟大气相通，水就不能留在管中.这部分的情境紧紧围绕学生日常体验，趣味性强，且学生比较熟悉、容易操作，能够激发探究与思考的欲望.

大气压到底有多大？教科书设置托里拆利实验，让学生认识测量大气压的原理.紧接着，让学生自制气压计，感受大气压在不同高度的变化特点.之后，设置科学和职业情境，通过珠穆朗玛峰大气压燃烧困难、研发高科技实现奥运火炬在海拔地区传递，战士在青藏高原地区只能用压力锅做饭，活塞式抽水机工作原理的分析等，让学生理解科学世界中大气压应用.但是，科学情境与日常生活较远，学生不熟悉、不易理解.

3.4 流体压强与流速关系部分设置的情境

流动气体的压强有什么特点？教科书通过日常生活中的操作，让学生归纳流体压强与流速的关系.学生口吹硬币，使其跳跃前面的木块；
向自由下垂的两张纸中间吹气，两张纸贴合.这些情境实验操作简单、现象直观、生动有趣，能够吸引学生注意力，激起学生操作意愿，启发学生猜想原因并进行实践验证.

之后，设置飞机升力产生原因的分析、运用传感器研究气体流速与压强关系的拓展性实验，在于进一步让学生认识物理知识对于现实世界的价值.但是，机翼模型的分析需要学生理解流体压强与流速的关系，并能够运用推理与论证思维进行解释，对学生要求较高.传感器分析比较专业，学生理解有难度.总体来看，压强部分设置情境见表3.

表3 中国物理教科书中压强内容的情境

美国教科书中压强部分的知识结构链为：什么是压强→流体压强→流体压强的变化→流体压强的传递→运动流体压强的变化特点.本文逐一分析了美国教科书中压强各部分所设置的情境.

4.1 压强概念部分设置的情境

美国教科书在“什么是压强”部分主要设置了与日常生活密切联系的情境，让学生思考生活中的大气压问题.第1个情境，对比两种情况下能否将空瓶子里的气球吹起来.直接将嵌入空水瓶的气球吹起来；
在瓶口与气球之间插入一根吸管后，再将气球吹起来.通过两种情况下学生感受的对比，让学生体验大气压的存在.

第2个情境，教科书让学生对比人和麻雀为什么在厚厚积雪中留下的痕迹不同.为了和小鸟一样站在雪地上而不下沉，可以怎么做？虽然不能拥有小鸟一样的体重，但可以改变受力面积.情境的设计不仅仅停留于学生感知人和麻雀对雪地产生的作用不同，还引导学生继续思考如何使得人和麻雀产生相同作用效果，逐步分析压力、受力面积和压强的关系.情境与问题融合，让学生在熟悉、真实的场景中理解概念、解决问题.

4.2 流体压强及其变化部分设置的情境

第1个情境，地球周围环绕着厚厚的流体，叫作空气，也就是组成地球大气层的混合气体，由于受到引力作用而产生重力，挤压着地球上的一切物体，产生气压或大气压.第2个情境，作用在手掌的压强如何被平衡？教科书设置与学生息息相关的情境，让学生分析大气压强产生原因、大气压强对身体器官的影响.地球是学生生活的家园、器官是学生身体的一部分，分析其中的大气压问题，可以让学生感受到物理与生活的紧密联系，激发学习动机.

随后，教科书引入不同情境，让学生分析流体压强变化的特点.为什么乘坐的电梯上升时耳边会啪啪作响？为什么飞机会有密闭舱？潜水员潜入海洋10 m处工作所受水压约为海平面大气压的10倍；
潜水器和吞噬鳗在海平面下2500 m所受水压是大气压的250倍.液体压强不易被学生感知，教科书用文字描述了液体产生压强的原因，并在以上情境分析的同时绘制图画，且每个图画旁都附有文字说明.情境和图画设计增强了教科书可读性，缩小了物理知识与现实世界的距离，可以帮助学生理解流体压强随高度和深度改变而变化的特点.

4.3 流体压强传递部分设置的情境

教科书设置相似情境，让学生感受流动液体压强的变化.让学生分别用左右手挤压装满水且密闭的瓶子，感受瓶子中液体压强变化.分析与装满水的瓶子类似的科学情境.水族馆海星的身体中有一个维管系统，管内充满了水，水在管内流动便产生使海星移动的压强.海星的维管系统和装满水的瓶子都是密闭的，改变密闭容器上任何一个位置的压强，它就会在整个容器中传递，且流体各部分压强将发生相同改变，这就是帕斯卡定律.

关于流动液体压强的传递，学生没有足够的生活经验.教科书设置易观察的情境，连接学生日常体验和物理规律学习，能够帮助学生形成液体压强传递特点的感性认知.之后，阐释液压机中液压系统的工作原理，巩固学生对帕斯卡定律的认识.接着，分析液压千斤顶、装卸车、反铲装载机等公共交通中的液压系统及工作原理，让学生认识帕斯卡定律在公共社会生活中的应用.但是，机械设备情境设置与学生个体生活较远，学生理解较为困难.

4.4 运动流体压强部分设置的情境

教科书设置日常生活中容易操作的情境活动，吸引学生注意力，激发学生动手欲望，进而让学生思考与认识运动流体压强随流速变化的特点.首先，让学生从自然下垂的纸的顶端向下吹气，观察纸的底端有哪些变化，思考纸张哪一端受到压强较小.让学生解释饮料被吸入口的过程中压强的变化；
在两个易拉罐中间快速吹气，观察易拉罐的运动.

之后，让学生思考莱特兄弟制造世界上第一架飞机的飞行原理是什么？怎样运用这些原理解释大型喷气客机的飞行？科学情境的设置让学生认识飞机产生的历史，可以激发学生学习的兴趣.之后，教科书呈现伯努利定律.接着，设置社会生活情境，包括飞机升力产生、烟囱里烟雾总是上升等，让学生认识现实生活中的伯努利定律.教科书以文字和示意图相结合的方式，帮助学生感受物理知识对于认识世界的意义.总体来看，美国教科书压强部分设置的情境见表4.

表4 美国物理教科书中压强内容中的情境

续表

总体来看，我国和美国教科书都设置了不同类型的生活情境，情境数量也相当.但是，压强内容设置略有不同，情境内容和作用也有差异.综合比较，得出教材编写的几点启示.

5.1 加强情境与日常生活的关联，帮助学生建立物理学习活动

从与学生生活的远近程度来看，两国教科书中日常生活情境数量最多，社会情境和科学情境次之，职业情境最少.具体来看，关于日常生活情境，中国教科书中有切菜、按图钉、吹硬币、吹纸张等；
美国教科书中有空气中的手掌、乘坐电梯、挤压装满水的塑料瓶、吹纸张和易拉罐、喝饮料等.相比而言，美国教科书设置的日常情境是学生个体在平时生活中经常操作的活动，学生更易捕捉和体验，不仅让学生感知现象，还让学生思考并解决情境中的问题，继而呈现概念和规律内容.中国教科书则是通过日常生活情境的分析，连接学生日常经验，让学生感知物理现象，为概念和规律的探究做准备.

关于社会情境，两国设置情境内容及作用完全不同.中国教科书中田间耕作拖拉机、推土机、货车超载、刀口锋利等，在于分析社会生活中改变压强大小的方法，巩固学生对压强概念的理解和应用.美国教科书设置重型机械设备利用液压系统工作、大卡车利用液压系统刹车的情境现象，在于让学生认识流体压强传递在社会生活中的应用，但与日常生活较远.关于科学情境，两国设置的机器构成及工作原理，学生不熟悉，也没有日常经验做基础.关于职业情境，两国设置内容相似、数量都最少，没有展现与物理学习相关的更多职业.

总之，情境的生活性越强，学生越熟悉，就越能激发学生的已有经验，帮助学生建构有意义的物理学习活动.首先，中国教科书需要选取与学生个体生活密切关联的情境，激发学生学习动机，关注学生对情境中物理现象的感知，也注重情境中问题的分析与解决，在问题解决中学习物理.再者，选取社会生活和科学生活中学生易接触、易观察的情境，缩小社会和科学生活与学生物理学习之间的距离，激发学生学习的兴趣.最后，增加职业情境设置数量，帮助学生认识物理专业学习与将来的职业选择，增强学生物理学习的积极性.

5.2 增强教科书情境的适切性，帮助学生理解并建构知识

从情境内容与学生认知的符合程度来看，两国教科书设置的社会情境和科学情境存在较大差异.关于社会情境，美国教科书针对液体压强传递设置，中国教科书主要围绕大气压强设置，并没有涉及液压传递内容.液体压强的传递规律也就是帕斯卡定律是学生理解液体内部有压强、液体对容器有压强、液体压强向各个方向传递等内容的基础.但是，关于液体流动性使得液体内部向各个方向都有压强的特点，学生并无认知也缺少日常生活经验.美国教科书通过社会公共生活情境的分析，让学生认识流体压强传递现象，进而呈现帕斯卡定律及在社会生活中的运用.比较而言，中国教科书可以充分考虑学生认知逻辑，增加流体压强传递的相关内容，设置日常生活情境，帮助学生理解液体压强的特点及其实际应用.

关于科学情境，美国教科书中设置地球周围大气压的分析、飞机设立密闭舱的原因分析、莱特兄弟制造第一架飞机飞行原理思考等，帮助学生分析大气压存在原因，认识大气压和海拔高度的关系，理解伯努利定律.情境设置与学生所学物理规律相融合，帮助学生理解.中国教科书设置三峡船闸连通器原理、活塞式抽水机的工作原理、用传感器研究气体流速与压强关系等，作为扩展阅读或扩展实验呈现，专业性和抽象性较强.对于压强理解，很多学生感到困难，也缺乏相关生活体验.为此，不宜设置较难的科学情境.为了增强情境的适切性，教科书需要考虑科学情境与所学内容之间的关联，充分关注学生的已有认知，围绕编写主题设置适当难度的科学情境，帮助学生理解情境、建构物理知识.

5.3 加强教科书情境的应用性，增强学生学习物理的认同感

整体来看，美国教科书所设置的情境紧密围绕编写内容，情境中问题的分析和解决为内容编写服务，可以帮助学生理解有关压强的现象和问题.之后，教科书呈现压强的概念和规律.中国教科书首先设置情境，让学生感知情境中的物理现象，然后通过实验或测量操作，让学生通过探究，归纳概念、发现规律.接着，再设置情境，让学生运用所学物理概念和规律，解释情境现象、解决情境问题.相比而言，美国教科书情境的应用性体现于整个编写过程.中国教科书情境的应用性在解决现实问题部分体现得较为明显.

物理学与现实问题紧密相连.素养是个人在现实情境中，调动认知与非认知的心理资源，成功满足复杂需要的能力.［3］核心素养是个体在面对复杂、不确定的现实问题时，能够发现问题、解决问题的综合品质.［4］物理核心素养伴随着情境中物理问题的解决得以生成与实现.物理核心素养的培养需要增强教科书情境之于现实问题解决的应用性.同时，物理是一门应用性非常强的学科，应用物理知识、技能和思维解决自然世界和科学世界中的实际问题，是学习物理最朴实的目的.我国教科书需要挖掘问题情境之于科学世界的应用性，让学生认识学习物理的价值，增强学生学习物理的认同感.