高中物理教材“實驗”模塊的比較分析

李麗燕 周少娜

摘? ?要：物理學是以實驗為基礎的一門自然學科，物理實驗是落實培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)、促進學生終身發(fā)展的重要載體?；谖锢韺W科的核心素養(yǎng)，從學生實驗內容調整、實驗技術改進、實驗探究性提升、實驗案例拓展和實驗思路引導五個維度對新舊人教版高中物理教科書的學生實驗進行了研究分析，并提出教學建議。

關鍵詞：高中物理;學生實驗;教科書比較分析;課程標準

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）12-0016-4

1? ? 引? 言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱為新課標）明確表明，學校應該充分利用已有的實驗器材，努力開發(fā)適合本校情況的實驗課程資源，盡可能讓學生自己動手多做實驗，提升學生的物理學科核心素養(yǎng)[1]。在新課標中，課程目標從“三維目標”向“學科核心素養(yǎng)”過渡。物理教科書的改編遵循新課標的理念，與時俱進，教學中“實驗”模塊的設計也發(fā)生相應的變化。因此，本文對教科書改編前后的“實驗”模塊進行比較分析，以期為物理教育工作者理解和使用教科書提供借鑒（以下將改編前后的人教版高中物理教科書簡稱為舊人教版、新人教版）。

實驗指學生自己動腦、動手操作的實踐活動[2]，即物理教科書中形成獨立小節(jié)的學生實驗以及“實驗”欄目的學生實驗。獨立小節(jié)的學生實驗需要學生分組進行，實驗數(shù)據的處理往往需要在課后進行，課時耗費較長?！皩嶒灐睓谀慷鄶?shù)在課堂上操作完成，這類實驗比前者簡單，用時較短。本文確定物理教科書中成獨立小節(jié)的實驗和“實驗”欄目的實驗為研究對象，從學生實驗內容調整、實驗技術改進、實驗探究性提升、實驗案例拓展和實驗思路引導五個維度對新舊人教版高中物理教科書的學生實驗進行比較分析。

2? ? 新舊人教版高中物理教材“實驗”模塊的對比分析

2.1? ? 實驗內容調整——新人教版對學生實驗進行歸納和精簡

舊人教版“實驗”欄目有30個，獨立小節(jié)的實驗有9個，一共39個實驗;新人教版“實驗”欄目有23個，獨立小節(jié)的實驗有11個，一共34個實驗。從實驗數(shù)量上，新人教版比舊人教版少5個實驗。從實驗內容安排上，新人教版將舊人教版的學生實驗進行了歸納和精簡（見表1）。實驗歸納表現(xiàn)為：新人教版把舊人教版中用多用電表測量小燈泡的電壓、用多用電表測量通過小燈泡的電流、用多用電表測量定值電阻的阻值、用多用電表測量二極管的正反向電阻四個實驗歸納在多用電表的使用實驗;游標卡尺的應用實驗歸納在導體電阻率的測量實驗;探究導體電阻與其影響關系的定量關系、探究導體電阻與材料的關系兩個實驗歸納為研究導體電阻與長度、橫截面積、材料的關系;將探究碰撞中的不變量改為研究小車碰撞前后動能的變化。另外，相比舊人教版，新人教版對實驗進行了精簡，刪除舊人教版中探究功與速度變化的關系、繪制小燈泡的伏安特性曲線、測量光照的強度、檢測發(fā)光二極管、觀察布朗運動、投硬幣體驗統(tǒng)計分布、兩個單擺觀察相位差、用肥皂膜做薄膜干涉等實驗。

綜上所述，新人教版對學生實驗的安排有較大的調整，不僅體現(xiàn)為對學生實驗進行了歸納，還表現(xiàn)為對實驗內容的刪減。另外，更細微的變化還體現(xiàn)在新人教版把舊人教版部分“實驗”欄目的實驗調整為獨立小節(jié)的學生分組實驗，增加了3個獨立小節(jié)的學生實驗，實驗安排更加妥當、干脆，重點實驗更加突出。

2.2? ? 實驗技術改進——新人教版學生實驗更加與時俱進

新舊人教版教材中均有“做一做”“拓展學習”等欄目?！白鲆蛔觥睓谀堪才判⌒偷膭邮植僮黝惢顒樱l(fā)學生思考、體驗和感悟;“拓展學習”欄目彈性地安排一些選學選做的內容，對學生實驗進行一個拓展延伸，借助傳感器、計算機、手機等設備自動記錄和處理實驗數(shù)據，供有條件的學校選用。對比舊人教版，新人教版在這些欄目中科普了更多的現(xiàn)代科學技術。比如，在探究小車速度隨時間變化的規(guī)律實驗中，通過WPS繪制v-t圖像;在研究自由落體運動規(guī)律的實驗中，用手機的加速度傳感器來測量自由落體的加速度;在探究平拋運動實驗中，用傳感器和計算機描繪平拋軌跡;在觀察電容器充、放電實驗中，用電流傳感器觀察電容器的放電過程;探究氣體等溫變化的規(guī)律時，使用氣壓傳感器;在雙縫干涉測量光的波長實驗中，運用光傳感器。

綜上所述，新人教版比舊人教版更多地使用現(xiàn)代科技手段，更加與時俱進。學生實驗往往會經歷繁瑣、枯燥的數(shù)據處理過程，在條件允許的情況下，教給學生一些借助電子設備或軟件進行數(shù)據處理的手段，通過簡單操作得到更加客觀、高效的分析結果。學生進行實驗的同時，還學會一些設備和軟件的操作技能，感受“化繁為簡”的過程。從“做實驗”升華到“做事情”的過程，不僅降低了實驗誤差，還能培養(yǎng)學生解決問題的技能，對學生來說是終身受益的。

2.3? ? 實驗探究性提升——新人教版學生探究性實驗增多

學生實驗分為探究性實驗、驗證性實驗、測定性實驗和基本練習性實驗[3]。高中生已經具備一定的知識基礎，其邏輯思維也在不斷發(fā)展，需要協(xié)調好各種實驗類型的比例，促進學生實驗能力的全面發(fā)展?？茖W探究作為學科核心素養(yǎng)之一，探究性實驗的地位有所提升。舊人教版的探究性實驗有11個，約占總實驗的28.2%;新人教版的探究性實驗有12個，約占總實驗的35.3%。新人教版將舊人教版中的一些非探究性實驗改為探究性實驗，比如將研究平拋運動改為探究平拋運動規(guī)律，用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式改為探究向心力大小的實驗。另外，新人教版把舊人教版的部分非實驗內容改成探究性實驗，例如探究彈簧彈力與形變量的關系，探究感應電流產生的條件。

科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[1]。探究性實驗是培養(yǎng)科學探究能力最直接和最有效的途徑，教師要合理設計探究性實驗的教學過程。比如，探究感應電流產生的條件實驗，教師通過演示感應電流“憑空”產生使燈泡發(fā)光的趣味實驗，激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望;再介紹實驗儀器讓學生分組探究“能產生感應電流的操作有哪些”，讓學生大膽猜想;接著探究“感應電流產生的條件”，從前面大量的實驗現(xiàn)象中分析和總結普遍性規(guī)律，得到科學的探究結論;最后小組討論后上臺展示實驗成果，培養(yǎng)學生交流和反思的能力?；谌私贪娼滩母木幥昂筇骄啃詫嶒灥淖兓?，可以看出新人教版教材更加注重學生的探究性實驗，更有利于培養(yǎng)學生“科學探究”的學科核心素養(yǎng)。

2.4? ? 實驗案例拓展——針對較高難度實驗拓展更多實驗案例

實驗的難度受實驗原理、涉及的物理概念、待測物理量數(shù)量、實驗儀器的調配及學生自身知識儲備等因素的影響。針對難度較大的實驗，新人教版鼓勵學生自行設計實驗方案的同時，提供了更多的實驗案例。探究加速度與力、質量的關系實驗中，新人教版介紹了兩個實驗案例，一是通過測量位移之比測量加速度之比進行探究實驗，二是用阻力補償法進行探究實驗;探究平拋運動的特點實驗中，其一是運用頻閃照相和錄制視頻的方法記錄物體在不同時刻的位置來研究平拋運動，其二是將平拋運動分解成豎直和水平方向，再逐一進行研究;驗證機械能守恒定律實驗中，提供物體做自由落體運動及沿光滑斜面下滑兩種實驗方案;電池電動勢和內阻的測量實驗中，既提供測量干電池電動勢和內阻的實驗案例，也不缺測量水果電池的實驗案例;驗證動量守恒定律實驗中，不僅安排氣墊導軌上滑塊碰撞的動量守恒，還設計了斜槽末端小球碰撞時動量守恒的實驗方案（見表2）。

學生的實驗能力具有差異性，在實驗教學的過程中我們必須重視學生之間的差異性，給實驗能力欠缺的學生提供幫助，也能為實驗能力較好的學生提供發(fā)展的空間，保障所有學生能在實驗課中學有所得。教科書的實驗案例是基于全體學生普適的角度，而新人教版提供了更多實驗案例，兼顧實驗能力發(fā)展有差異的學生，更適合面向全體學生。比如，在驗證機械能守恒的實驗中，教科書提供自由落體和沿斜面下滑物體兩個實驗方案。相比而言，自由落體法的實驗儀器傳統(tǒng)、操作簡單（鐵架臺、打點計時器、紙帶、重物），最后根據紙帶的信息計算實驗結果，大部分學生對此都不會感到陌生。斜面下滑法需要利用氣墊導軌和數(shù)字計時器，雖然操作簡單，但部分學生可能對這些儀器的原理和操作的熟悉程度不如打點計時器，對機械能守恒的理解難以達到期望的教學效果。因此，后者適用于實驗能力較強的學生。另外，有能力的學生還可以自行設計實驗方案，比如改進自由落體法案例，借助DIS系統(tǒng)進行實驗避免摩擦阻力造成的實驗誤差，還可以利用單擺和光電門等儀器驗證物體做曲線運動時的機械能守恒，利用朗威實驗器材驗證機械能守恒等。

2.5? ? 實驗思路引導——新人教版設置更多引導性問題

相比“實驗”欄目，獨立小節(jié)的學生實驗文字描述較多，篇幅較大，通常會介紹實驗思路、實驗原理、實驗過程、數(shù)據分析等過程。在獨立小節(jié)的學生實驗中，新舊人教版的安排有較大的區(qū)別。舊人教版中學生分組實驗的一個特點是“開門見山”，直接把實驗思路、實驗原理、實驗步驟、甚至數(shù)據處理都一一呈現(xiàn)。新人教版體現(xiàn)的是一種“迂回前進”的學習方式，更加注重引導學生思考和討論，讓學生在明確實驗目的的前提下設置引導性問題。比如，在探究小車速度隨時間變化的規(guī)律實驗中，新人教版在實驗思路中設置“你認為該如何設計此實驗？”“需要測哪些物理量？”“選用什么實驗儀器？”等問題引導學生思考。在探究加速度與力、質量的關系實驗里，新人教版安排了類似的問題串：“你認為該如何完成這個探究實驗？研究什么物體？如何測量該物體所受到的力？如何測量物體的加速度？怎么分析實驗數(shù)據？”無一例外，其他的獨立小節(jié)實驗均在實驗思路設計了引導性問題，供學生思考、討論，讓學生明確自己的實驗思路，確定自己的實驗方案。綜上所述，新人教版更加注重引導學生進行思考，鼓勵學生自行設計實驗方案，而不是按照教科書中的實驗步驟進行實驗操作?！皩W而不思則罔”，在實驗中有效地引導學生進行思考極其重要，不僅能促進學生對相關物理概念、規(guī)律的深度學習，也能培養(yǎng)學生的科學思維。

3? ? 教學建議

3.1? ? 提高教師對實驗教學的重視

物理學中概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和理論的建立等，都是以實驗為基礎。物理學離不開實驗，要學會物理就要做好實驗。然而，在國內許多學校對學生實驗重視程度不夠，許多老師用“講實驗”替代“做實驗”，圍繞高考考點，讓學生死記硬背[4]。這些普遍的應試教育讓大部分學生缺少實驗訓練，動手能力得不到發(fā)展，科學探究能力得不到培養(yǎng)。新課標明確規(guī)定21個學生必做實驗（必修課程12個，選擇性必修課程9個），其目的是強化科學實踐，提高學生科學探究的質量。因此，廣大教育工作者需要重視實驗教學，學校應當根據自身的實驗條件以及學生的知識儲備，為學生安排充裕的實驗課時，讓學生從“做”中學。

3.2? ? 鼓勵學生經歷實驗方案設計的過程

教科書中的學生分組實驗大多都已呈現(xiàn)完整、明確的實驗步驟，教師將知識點整合、歸納后按部就班地傳授給學生，雖然知識點安排詳盡細致，但是呈現(xiàn)的是一種以知識為本位、缺乏思考和創(chuàng)新的教學方式。在物理實驗教學中，應重視物理實驗方案設計，改變傳統(tǒng)的以教師單獨演示或教師提供固有實驗方法為主的教學模式。一個實驗可以有多種實驗方案，實驗前應當發(fā)散學生思維，鍛煉學生實驗設計的能力。比如，在必修三的“電池電動勢和內阻的測量”實驗中，可以通過限定實驗設備引導學生設計實驗方案：提供一個電壓表和一個電流表如何設計實驗？僅提供一個電流表或者僅提供一個電壓表又該如何設計實驗？以此讓學生經歷實驗設計的過程，更好地落實學生科學思維和科學探究能力的培養(yǎng)。

4? ? 結? 論

對比舊人教版，新人教版中學生實驗的安排有所調整和變化。具體表現(xiàn)在：在實驗內容上，新人教版對學生實驗進行歸納和精簡;在實驗技術上更加與時俱進;實驗探究性有所提升;針對較高難度的實驗拓展更多的實驗案例;在實驗思路上，新人教版設置更多引導性問題。教材改編體現(xiàn)了新課標理念，落實了學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，更有利于學生發(fā)展自行設計實驗方案和動手操作的能力。望廣大物理教育工作者能夠足夠重視物理實驗教學，鼓勵學生經歷自行設計實驗方案的過程，實現(xiàn)實驗教學的育人功能。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]彭前程，黃恕伯.普通高中課程標準實驗教科書（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2019：1.

[3]張德啟，李新鄉(xiāng)，陶洪，等.物理實驗教學研究[M].北京：科學出版社，2011：128.

[4]趙振宇，孫浩楠.學科素養(yǎng)下的物理實驗教學應注意的問題[J].物理教學，2019，41（01）：33-35.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）