中美高中物理教材實驗部分的對比分析

杜一

摘 要：本文選取近年來備受好評的美國高中物理教材《Holt Physics》和人教版高中《物理》教材作為樣本，首先從教材整體的體例結構出發(fā)，分析各自在實驗欄目上的特點。其次以“牛頓運動定律”專題為例，從教材的章節(jié)安排、實驗內(nèi)容編排方面著手進行分析，重點對比“加速度與力、質(zhì)量的關系”實驗的異同處。最后得到幾點結論，指出我國教材的可貴之處以及美國教材中值得借鑒學習的優(yōu)點。

關鍵詞：中美高中物理教材；對比；實驗；牛頓運動定律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）12-0019-5

物理學大廈的建成離不開物理實驗。實驗是科學探究的重要形式，既能有效提高學生的學習興趣，又對學生科學思維、科學態(tài)度與責任等物理核心素養(yǎng)的發(fā)展起著至關重要的作用，因此物理教師要格外重視物理實驗教學。教材是實踐教學的重要依據(jù)，為了應對競爭日益激烈的國際形勢，各國都對科學教材進行了針對性的更新和改革。鑒于美國的科學技術實力及科學教育的發(fā)達程度都位于世界前列，本文將通過內(nèi)容分析、對比研究等方法對中美兩國典型高中物理教材的實驗部分進行對比，以了解各自的編寫特色，并從中汲取有利于我國高中物理實驗教材不斷完善的精華。

1 研究對象選取

本文以我國人教版《物理》和美國《Holt Physics》（以下簡稱HP教材）為研究對象，著眼于“牛頓運動定律”主題下的章節(jié)內(nèi)容，對實驗部分進行比較研究。教材的具體信息見表1。

HP教材共22個章節(jié)，內(nèi)容涵蓋力、熱、電、光、原等物理學領域，適合美國常規(guī)物理課程，即主要面向今后打算從事理科相關職業(yè)的學生。教材主編認為物理學的研究方法極其重要，因此編寫過程中十分重視物理實驗，并通過設計一些研究性學習的專題來拓展知識的深度和廣度。HP教材在近年來的美國基礎物理教育中受到廣泛重視，從美國物理學會對高中物理教科書基本情況的調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，HP教材的使用率連年上升（2009年達到32%），成為美國最主流的三大物理教材之一，極具代表性。人教版高中物理教材是目前中國高中階段的主要教材，共分為必修系列和選修系列。必修系列的主要內(nèi)容是力學，是全體高中生必須學習的模塊。選修包括三個系列，其中選修三系列是理科生需要學習的內(nèi)容，旨在讓學生較為全面地學習物理學的基本知識，進一步掌握物理學的思想和方法。

綜上，本文選取美國HP教材與我國人教版高中物理必修系列、選修三系列作為比較對象，先從教材的體例結構入手，宏觀上對比兩套教材的實驗欄目分布，接著圍繞“牛頓運動定律”主題，對實驗內(nèi)容進行對比分析。

2 中美教材實驗部分宏觀對比分析

2.1 中美教材的體例結構

教材的體例結構指的是教材的編寫格式和組織形式。了解兩個版本高中物理教材的體例結構，能更直觀地把握教材的各個組成部分，從而進一步對教材整體的實驗欄目分布進行對比分析。HP教材和人教版教材的體例結構圖如圖1、圖2所示。

2.2 中美教材實驗欄目對比

由圖1、圖2的體例結構圖及對兩版教材的分析，實驗欄目情況如表2所示。

表2 中美教材實驗欄目對比一覽表

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2.2.1 HP教材實驗欄目概況

從表2可以看出，HP教材的實驗主要呈現(xiàn)在“基本實驗技能訓練”“快速小實驗”“探究實驗”“CBL實驗”這四大欄目中，共計43個。另外，在“章復習題”和“標準化測試”中會出現(xiàn)一些與實驗有關的開放性試題。更值得一提的是，教材在目錄之后、章節(jié)內(nèi)容開始之前穿插了兩個與實驗相關的部分——“安全標志”“實驗室安全”，共占據(jù)三頁篇幅，詳細列出9大安全標志和21條實驗室安全準則，旨在讓學生學習物理知識之前將其牢記于心，避免意外的發(fā)生。羅列出來的安全標志和注意事項也會具體附在各個相關實驗中。

“快速小實驗”共18個，穿插在每節(jié)內(nèi)容中，利用最簡單的生活用品進行操作便捷、效果明顯的小實驗，以便學生更透徹地理解教材中相關的知識點。

“基本實驗技能訓練”共15個，位于每章內(nèi)容之后的獨立模塊，要求學生在實驗室中根據(jù)教材中提供的操作步驟，利用專業(yè)器材對物理原理進行驗證或探究，在教材的指導下一步步得到實驗結論。該欄目通過一系列的實驗操作訓練，培養(yǎng)學生正確使用實驗儀器、分析處理數(shù)據(jù)的方法等必備實驗技能。

“探究實驗”共5個，位于每章內(nèi)容之后的獨立模塊，在探究實驗的標題下方會出現(xiàn)“design your own”的字樣，教材只給學生提供實驗必備器材以及操作提示，讓學生獨立思考具體的實驗方案，旨在培養(yǎng)基本實驗技能的基礎上，進一步訓練學生的科學思維，提高科學探究能力。

“CBLTM實驗”共5個，出現(xiàn)在所有章節(jié)內(nèi)容之后。CBL實驗室系統(tǒng)是一種新型教學儀器，可以通過特定的操作經(jīng)過傳感器采集數(shù)據(jù)，速度快，效率高。該實驗部分旨在讓學生開拓視野，有條件的基礎上提前接觸一些與大學接軌的物理知識和手段。

2.2.2 人教版教材實驗欄目概況

在人教版教材中涉及到實驗的欄目比較多，主要有“演示”“實驗”“做一做”“科學漫步”“問題與練習”“學生實驗”“課題研究”。

“演示”欄目是由教師在課堂中操作，學生觀察討論現(xiàn)象。“實驗”欄目大多是教材給學生提供參考器材、操作步驟，讓學生自主觀察現(xiàn)象，得到結論，從而引出下面的正文內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學生勤于觀察、勤于思考的意識，提高學生的觀察與推理能力?！白鲆蛔觥薄翱茖W漫步”欄目中呈現(xiàn)的實驗可以說是擴展性較強的，不是學生必做實驗，但是給學生介紹了很多與信息技術有關的實驗應用，例如，用相機估測曝光時間、用計算機繪制v-t圖等。除此之外，也有一些生活中的器材，可以讓學生隨時隨地取材，體驗物理。“學生實驗”在人教版教材中被編寫為一整節(jié)，要求學生在實驗室中定量地操作、處理數(shù)據(jù)、得出結論。“課題研究”欄目出現(xiàn)在人教版教材每本書的最后，每個模塊一個，這部分屬于擴展性的自主探究學習，要求學生查閱資料展開研究，在此過程中培養(yǎng)學生收集整理資料、科學探究等能力。

綜上，從整體上看兩版教材大同小異，不僅重視學生基本操作技能的培養(yǎng)，而且能夠站在學生的角度上力圖發(fā)展他們的科學探究素養(yǎng)。HP教材中的“快速小實驗”欄目與人教版教材中的“演示”“實驗”相近；“探究實驗”與“課題研究”相似；“基本實驗技能訓練”與“學生實驗”類似。稍有不同的是HP教材比較重視實驗室安全教育，這是我國教材中欠缺的。

3 中美教材“牛頓運動定律”實驗對比分析

3.1 中美教材“牛頓運動定律”章節(jié)安排對比

“牛頓運動定律”是動力學的核心內(nèi)容，從兩版教材的目錄中可以看到牛頓運動定律在教科書中的位置稍有不同。人教版教材將“牛頓運動定律”安排在必修一模塊的第四章，位于“直線運動”和“力”之后，“曲線運動”之前；而HP教材將“牛頓運動定律”和“力”共同放在全書的第四章，位于“一維運動”和“二維運動”之后，具體的章節(jié)安排也各有特點，如表3所示。

表3 中美教材“牛頓運動定律”章節(jié)安排對比

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3.2 中美教材實驗內(nèi)容編排對比分析

3.2.1 實驗概況對比分析（如表4所示）

表4 中美教材“牛頓運動定律”專題內(nèi)容實驗概況對比

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由表4的對比以及對教材的分析得到如下幾點說明：（1）從數(shù)量上看，兩版教材在“牛頓運動定律”部分的實驗數(shù)目并無顯著差異。（2）從知識點分布上來看，人教版教材“問題與練習”“實驗”欄目中出現(xiàn)的實驗分別涉及到了超重和失重、作用力與反作用力的知識點，HP教材有所欠缺，并未設計與這些知識點相關的實驗；HP教材中包含的有關慣性知識的“快速小實驗”，人教版中并未涉及。總體來說，人教版教材該專題中實驗涉及的知識點較為均衡。（3）從實驗類型來看，兩版教材有關加速度與力、質(zhì)量關系的實驗類型截然不同，HP教材是驗證性實驗，而人教版教材是探究性實驗。（4）從實驗的章節(jié)分布來看，HP教材中的“快速小實驗”分布在四節(jié)內(nèi)容的前兩節(jié)，后兩節(jié)內(nèi)容中并未涉及實驗；“CBL實驗”作為拓展內(nèi)容位于全書最后，以供學有余力的學生學習；“基本實驗技能訓練”作為專題內(nèi)容被編排在章末，人教版教材中與之內(nèi)容相似的學生探究實驗則是作為整體內(nèi)容呈現(xiàn)在本章第二節(jié)，旨在通過該實驗進一步過渡到牛頓第二定律的內(nèi)容。

3.2.2 實驗內(nèi)容呈現(xiàn)對比分析

由“牛頓運動定律”實驗概況看出，中美兩版教材都十分重視“加速度與力、質(zhì)量的關系”實驗，但在編排思路上卻大有不同。筆者首先將HP教材中的實驗流程整理如圖3所示。

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圖3 HP教材“加速度與力、質(zhì)量的關系”實驗流程圖

除此之外，從流程圖中可以看出，HP教材的編寫方式類似于我國實驗報告的形式，這個實驗屬于教材中的“基本實驗技能訓練”模塊，“快速小實驗”“探究實驗”都是按照這樣的模式來編寫的，結構清晰，條理分明。教材詳細陳述了實驗所需要的各項器材、每一步實驗操作、數(shù)據(jù)處理方法等，并配有相應的圖示，學生只需按照流程一步步走，最終可以完成實驗，通過數(shù)據(jù)來驗證牛頓第二定律的內(nèi)容。然而，在流程中最先映入眼簾的是“安全提示”，讓人耳目一新，因為這在我國的教材和實驗報告上鮮有出現(xiàn)，只有在實驗室里才會看到相關的安全注意事項，這一點顯然美國的教材做得更好。該實驗中的安全提示包含圖標和文字提醒，如圖4所示。

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圖4 HP教材中的安全提示

教材提醒學生在操作實驗過程中務必注意這樣兩點：（1）如果你是長頭發(fā)，請將其扎緊，并把身上佩戴的珠寶首飾等摘掉。請佩戴護目鏡。（2）對待重物請輕拿輕放，重物墜落可能會導致很嚴重的損傷。

與HP教材“陳述式”的呈現(xiàn)方式不同，人教版教材以“啟發(fā)式”呈現(xiàn)。具體內(nèi)容簡化為圖5。

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圖5 人教版教材實驗呈現(xiàn)方式

由人教版教材的實驗流程圖可知，教材以生活中的事實開篇。由生活現(xiàn)象觀察可知，競賽用的小汽車由于強大的發(fā)動機提供的巨大牽引力可以在短時間內(nèi)獲得高速，滿載的貨車加速起來比小汽車慢許多，由此得出加速度、力、質(zhì)量三者間的定性關系。然而精確的物理學需要探究定量的關系是怎樣的，于是開啟實驗正文部分，引導學生分別探究加速度與力、加速度與質(zhì)量間的關系，并思考在實驗過程中需要解決的兩大問題：一是如何測量加速度，二是怎樣提供合力，教材并未給出答案，而后給了兩個參考案例裝置圖及簡單的文字說明，要求學生確定探究方案，和同學交流并評估結果的可靠性。

在筆者看來，HP教材驗證性實驗內(nèi)容更多地傾向于訓練學生的實驗技能，而不在于知識間本身的邏輯關系和學生探究能力的培養(yǎng)。該實驗放在牛頓第二定律內(nèi)容之前采取探究的形式有利于學生科學思維的形成和科學探究能力的培養(yǎng)。讓學生經(jīng)歷“為什么探究加速度與力、質(zhì)量的關系”，到利用生活中常見的情境和已經(jīng)學過的知識猜想“三個物理量之間應該存在怎樣的定性關系”，再到“三個物理量之間到底存在怎樣的定量關系”的科學探究過程，并引導學生思考如何解決該實驗中遇到的一些問題，而不僅僅是學會操作該實驗。此外，還可以將牛頓第一定律、運動學的理論與牛頓第二定律的知識邏輯聯(lián)系起來。

4 結 論

通過對中美兩版教材“牛頓運動定律”部分實驗的重點對比分析，得到如下幾點結論：

（1）知識點分布不盡相同。就這個專題而言，HP教材中只針對牛頓第二定律和慣性部分設計了實驗，而我國教材中實驗涉及的知識點比較均勻，涵蓋了牛頓第二定律、作用力與反作用力、超重和失重等。筆者認為，在今后教材的編寫過程中應該繼續(xù)發(fā)揚該特點。物理學是以實驗為基礎的科學，每一個概念、定律的得出都離不開實驗的檢驗，因此讓實驗分散到盡可能多的知識內(nèi)容中、覆蓋整本教材可觀的板塊，不僅可以讓學生從心理上意識到物理實驗的重要性，同時對于教師的教學理念和方法的轉變會產(chǎn)生潛移默化的正面影響，此外能夠提高學生對物理知識的深度興趣，促進其對物理思想方法的深度理解。

（2）教材實驗設計理念存在差異性。針對“加速度與力、質(zhì)量的關系”實驗，兩版教材采用了不同的思路呈現(xiàn)，一個驗證性實驗、一個探究性實驗，各有千秋。國內(nèi)教材采用的探究式思路符合新舊知識間的邏輯關系，且有利于學生科學思維的形成；而HP教材中的驗證性實驗在訓練學生的基本實驗技能方面會產(chǎn)生更好的效果。這也反映了兩國在教材編寫過程中的理念和側重點不同。

（3）教材實驗編排結構有所不同。HP教材整體結構更加清晰，按照標題、實驗目標、實驗器材、實驗思路、實驗安全提示、實驗步驟的順序逐一呈現(xiàn)，無論是“快速小實驗”“基本實驗技能訓練”，還是“探究實驗”，都基本遵循這樣的結構順序，這種編排方式讓教材的閱讀者思路更加清晰，也比較適合學生課前預習或自學。因此，我國教材編寫過程中也可以酌情吸收這種方式中適合我國實情的部分。

（4）國內(nèi)教材的安全教育意識有待提高。HP教材在目錄之后就匯總了三頁篇幅的安全教育內(nèi)容，并且在教材每個實驗中都會附有針對該內(nèi)容可能涉及的安全隱患的小貼士，我國教材中對于提高學生實驗安全意識的內(nèi)容還有所欠缺，需要進一步改進。

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（欄目編輯 劉 榮）