杨英恺　张曾栋

摘   要：教科书结构对发展学生科学思维具有重要作用。对人教版高中物理必修三“静电场”主题的教科书结构进行了深度剖析。研究发现：教科书中的内容要素（物理知识、科学方法等）通过组织要素（节内标题、插图、栏目、例题等）来呈现，部分要素对在教学中发展学生科学思维大有裨益。为了更好地运用教科书发展学生的科学思维，提出了教科书的使用建议：关注教科书中有关思维发展的要素，在教学中呈现思维训练环节；针对教科书不同章节的结构，针对性调整科学思维教学思路；在教学中关注学生思维水平是否随着知识水平的提高得到相应发展。

关键词：科学思维；高中物理；教科书结构

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）3-0018-5

《普通高中物理课程标准（2017年版）》颁布以后，新版高中物理教科书也随之问世。在高中物理课程改革不断推进的大背景下，如何高效运用新版教科书进行教学也成为一线教师关注的问题［1-2］。本文以人教版高中物理必修三“静电场”主题为例，对教科书的结构进行研究。在研究教科书结构的基础上，考虑如何高效运用新教科书于物理教学之中，从而更好地发展学生的科学思维，提出了教科书的使用建议，以期为一线教师教学提供借鉴与参考。

1    教科书结构

在系统科学中，结构一词通常指的是构成系统的各要素间通过功能耦合而成的耦合网，亦可以理解为构成系统的各要素及要素之间的关系［3］。从系统论的角度解读，教科书可以看作是由要素构成的整体，构成教科书的各要素之间存在着一定的关系，而教科书的不同结构决定了教科书的不同功能［4］。对物理教科书而言，不仅有章节标题、节内标题、正文、栏目、插图、例题、习题等组织要素，而且有物理知识、科学方法等内容要素。其中，内容要素是通过组织要素来呈现的，如图1所示。因此，研究教科书的结构，要先了解教科书中的组织要素及其之间的关系，然后透过组织要素的关系，明晰内容要素是如何通过组织要素呈现的。在明确要素之间关系的基础上，分析教科书结构背后蕴含的教学功能。

2    人教版高中物理必修三“静电场”主题结构

“静电场”主题是学生在高中电磁学学习中接触到的第一个主题，其内容多且难度大。纵观整个主题，章与章、节与节间呈顺承关系，凸显该主题的教学逻辑。其中，每一节的节内标题、插图、栏目、例题的数量和排布情况均有不同，其组织要素统计如表1所示。在“静电场”主题中，共有节内标题26个，插图52幅，栏目26个，例题6道，习题68道［5］。

在“静电场”主题下的两章内，有一些节的教学内容关系较为紧密，故可将一节或若干节规划为一个小单元。单元作为章与节间的過渡，是连接宏观层面教学设计与微观层面教学设计的桥梁，在教科书结构中具有重要作用。按照“主题—章—单元—节”的顺序，整理“静电场”主题结构如图2所示。分析其结构，不难发现，从“静电场及其应用”到“静电场中的能量”，对静电场的研究从其力的性质过渡到了能量的性质。有部分单元横跨了两章，具有较为紧密的联系。例如，“单元：描述电场力的性质”“单元：描述电场能的性质”和“单元：电场能的性质与电场力的性质的关系”。这三个小单元的知识联系紧密、过渡连续，是对“静电场”这一大概念认识不断深入的过程。在知识发展的同时，亦伴随着思维的进阶。

3    典型单元结构与对应的科学思维

选取了“描述电场力的性质”“描述电场能的性质”和“电场能的性质与电场力的性质的关系”三个联系紧密的小单元，对教科书结构进行了深入剖析，提炼出对应结构下有助于发展学生科学思维的要点，并以这三个小单元作为学生思维进阶的“阶点”，挖掘教科书结构背后有助于发展学生科学思维的教学功能。

3.1    “描述电场力的性质”单元结构

在“静电场”主题中，学生学习库仑定律之后，“电场 电场强度”一节首次阐明了电场的概念，并初步介绍了电场的有关性质。虽然本单元只有“电场 电场强度”一节的内容，但本节的核心概念“电场强度”可以描述电场力的性质。因此，本节可单独作为一个单元。

本单元包括5个节内标题。其中，“电场”和“电场强度”两个节内标题包含本节的主要知识点，“电场”和“电场强度”这两个概念也是本节的核心概念，是展开其他知识的基础。从“电场”概念的认识运用了“分析方法”，到“电场强度”概念的建构运用了“比值定义法”（方法显性化），再到“电场线”运用了“类比方法”和“实验方法”。不同栏目集中在此一节，不同科学方法在本单元的教学中接踵而至，也突出了本节对学生科学思维发展具有的天然优势。此外，在“电场强度”概念的建构过程中，出现了“试探电荷”“电场线”这两个物理模型，可以引导学生学习建模的方法，为培养学生模型建构的能力奠定基础，图3为本单元的结构与对应科学思维的关系。

3.2    “描述电场能的性质”单元结构

第十章“静电场中的能量”第一节“电势能和电势”与第二节“电势差”都是描述电场力做功、电势能性质的相关内容。因此，这两节可以看作一个小单元，该单元的核心问题为“描述电场能的性质”。

首先出现的“静电力做功的特点”和“电势能”这两个节内标题下的内容，顺应必修二所学的重力做功的特点和重力势能的有关内容。而在此之后，在“电势”这一节内标题下给出的“电势”这一概念，正是该单元描述电场能的性质的核心物理量。电势前承静电力做功与电势能的关系，后启电势差和等势面的概念。在该单元中，“电势”这一节内标题也是连接这两节内容的关键。而在“电势差”这一节，则完全延续了上一节中“电势”这一概念的内涵，对电场中两点电势之差的物理意义进行了分析，并介绍了电势相等的点构成的等势面。从整体上看，本单元结构呈顺承关系，前后节内标题的联系可表示为单一的直线。

可以发现，本单元在概念的建构过程中，用到了抽象与概括、类比的科学方法。其中，尤为注重类比方法。不管是电势能、电势、电势差，还是等势面，都可以类比前面学过的有关内容，教科书也通过栏目和插图给出了类比的参考案例。类比是进行科学推理的重要途径，而本单元结构所揭示的以类比为主线的教学脉络对发展学生的科学推理能力具有至关重要的作用。单元结构与对应科学思维的关系如图4所示。

3.3    “电场能的性质与电场力的性质的关系”单元结构

在第十章的第三节“电势差与电场强度的关系”中，明确将描述电场力的性质的物理量（电场强度）和描述电场能的性质的物理量（电势）联系在了一起。因此，该节也可以单独为一个小单元，旨在阐述电场能的性质与电场力的性质的关系，亦是刚才两个小单元内容的进阶。

“电势差与电场强度的关系”是“静电场”主题下唯一没有节内标题的节，该节只有直截了当的正文部分和三个栏目、一道例题，更注重培养学生运用物理规律解决问题的能力。在例题前后的两个“思考与讨论”栏目中，通过巧妙的问题帮助学生完成对电场强度与电势差关系的认识，体现了物理教学的“整体性”思想，亦是学生进行科学论证的绝好机会。而在特定情境下推导出E=u/d这一表达式，也体现了科学推理的过程，能够借此机会培养学生的相关能力。虽然只有简单的一节，但本单元却是联系前面两个典型单元的重要纽带，是学生思维进阶的关键阶点。本单元结构与对应科学思维的关系如图5所示。

总的来说，这三个单元之间的知识呈明显的遞进关系。与此同时，随着知识的递进，学生思维也存在与知识递进对应的进阶阶点，这三个单元对应思维发展的关系如图6所示。

4    教科书的使用建议

教科书结构明确了教科书中的不同要素对发展学生核心素养的不同功能，这些要素之间不是孤立的，而是相辅相成、共同发展的。考虑到提升学生核心素养的教学目标与教科书结构、教科书教学功能之间存在关联，即教科书结构决定教学功能，而发挥教科书的教学功能是发展学生科学思维的重要途径，具体关系如图7所示。

在明晰了教科书结构、教学功能与发展科学思维关系的基础上，为更高效地运用教科书备课，高效使用教科书进行教学，提出以下教科书使用建议：

4.1    凸显教科书思维要素，设置思维进阶教学环节

教师有必要研究教科书结构，关注教科书中有关思维发展的要素及要素间的关系。在进行教学设计时，基于思维要素设置对应的教学环节，充分发掘教科书对发展学生科学思维的价值。相比知识的形成，思维的发展更注重学生学习过程的逻辑性。因此，建议以教科书思维要素间的关系为参考，将科学思维教学环节作为学生思维进阶的阶点，促使教学环节间的过渡更为流畅，为思维发展创造条件。

4.2    基于教科书结构特点，针对性发展学生思维

课程内容中不同模块的知识对科学思维的作用不尽相同，教科书在不同模块的结构亦有所差异。针对教科书呈现主题、章、单元的结构特点，应针对性地调整科学思维教学思路。教师可以在深度钻研教学内容的基础上，以教科书结构和知识特点为参考，在设计教学时针对性地调整发展科学思维的方法和策略，以促进学生在不同知识情境下思维水平的提升。

4.3    确保知识学习与思维发展并驾齐驱，强化思维训练

随着知识学习进程的逐渐深入，学生思考问题的深度和广度都应当得到加强。换言之，学生的思维水平应当与知识水平持平。如果思维水平跟不上，就会出现知识都理解了，但是不会解决问题的现象。教师应当关注学生的思维水平是否随着知识水平的提高而得到相应的发展，如果发现有思维水平跟不上的学生，可以在教学中强化思维提升的专项训练，以确保知识学习和思维发展并驾齐驱。

参考文献：

［1］张磊，周莉，尹悦．2019年与2004年版高中物理教科书科学探究活动设计比较研究［J］．教育理论与实践，2022，42（14）：34-40．

［2］李春来．指向深度学习的新教材二次开发和创新使用——以人教版高中物理教科书为例［J］．物理教学，2022，44（5）：6-8，19．

［3］刘俊荣．结构概念的再解读［J］．系统科学学报，2010，18（4）：15-18，22．

［4］侯前伟，张增田．基于功能—结构分析的教科书通用评价框架建构［J］．教育学报，2018，14（5）：37-46．

［5］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心．普通高中教科书物理必修第三册［M］．北京：人民教育出版社，2020：2-48．

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2022-10-31

作者简介：杨英恺（1996-），男，中学二级教师，研究方向为物理课程与教学论。