中日高中物理教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)插圖比較研究*

侯新杰 趙文鈺

（1.河南師范大學(xué)物理學(xué)院，河南新鄉(xiāng)，453007；2.鄭州市第十一中學(xué)，鄭州，450016）

插圖是教科書的重要組成部分。圖文結(jié)合的呈現(xiàn)方式可以提高學(xué)生閱讀效率，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教科書中所設(shè)計的插圖有照片、簡筆漫畫、示意圖、數(shù)據(jù)圖表等多種形式。教科書實(shí)驗(yàn)插圖可以讓學(xué)生更加生動形象地理解實(shí)驗(yàn)原理，讓學(xué)生直觀明了地觀察實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計，還可以向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)的步驟和結(jié)果，幫助學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)。不同版本高中物理教科書的實(shí)驗(yàn)插圖有不同的特點(diǎn)。為了了解國外高中物理教科書實(shí)驗(yàn)插圖的特點(diǎn)，本文對中日兩國高中物理教科書的力學(xué)實(shí)驗(yàn)插圖進(jìn)行分析和比較，發(fā)現(xiàn)其異同，為我國高中物理教科書實(shí)驗(yàn)插圖編寫提供借鑒建議。

日本學(xué)生高中物理需要學(xué)習(xí)兩本教科書，分別是《物理基礎(chǔ)》和《物理》。本文選取的日本教科書是在日本較為廣泛使用的東京書籍株式會社所出版的《改訂新編物理基礎(chǔ)》[1]和《改訂物理》[2]兩本教科書的力學(xué)部分。兩本教科書都是根據(jù)日本《高中學(xué)習(xí)指導(dǎo)要領(lǐng)》的要求編寫出版，通過日本文部科學(xué)省審定的教科書，是日本當(dāng)前最新的高中物理教科書。我國高中物理教科書選取的是人民教育出版社2019 年出版的高中《物理》必修第一冊[3]、第二冊[4]、選擇性必修第一冊[5]力學(xué)部分，是根據(jù)《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》編寫，通過國家教材委員會專家委員會審核的教科書，反映了新課標(biāo)要求。參考蘇蘊(yùn)娜的研究[6]，按照從具體到抽象的遞進(jìn)關(guān)系，將插圖類型分為實(shí)物圖、示意圖和數(shù)據(jù)圖表三類。關(guān)于插圖內(nèi)容的分類，參考杜愛慧的研究[7]，除去數(shù)據(jù)表格外將插圖分為實(shí)驗(yàn)原理圖、實(shí)驗(yàn)器材圖、實(shí)驗(yàn)裝置圖、實(shí)驗(yàn)操作圖以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖五類。

一、中日高中物理教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)插圖類型的比較

按照力學(xué)模塊劃分對兩國教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，人教版教科書共有力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)71個，東京版教科書共有實(shí)驗(yàn)63 個。依照前文所述的插圖類型對中日兩國教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的實(shí)驗(yàn)插圖進(jìn)行分類和統(tǒng)計得到表1 和圖1、圖2。

表1 中日兩國力學(xué)實(shí)驗(yàn)不同類型插圖數(shù)量

圖1 中國力學(xué)實(shí)驗(yàn)不同類型插圖分布

圖2 日本力學(xué)實(shí)驗(yàn)不同類型插圖分布

經(jīng)過統(tǒng)計，我國教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)插圖共有97幅，日本教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)插圖共有106 幅。日本教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)總數(shù)少于我國，但是實(shí)驗(yàn)插圖數(shù)量多于我國，說明日本教科書更加注重通過設(shè)置插圖來向?qū)W生傳遞信息。通過圖1 和圖2 的比較我們可以發(fā)現(xiàn)兩國教科書在插圖的選擇上示意圖都占比最高，都占力學(xué)實(shí)驗(yàn)插圖總量的74%。這是因?yàn)橄噍^于其他類型的插圖而言，示意圖可以向?qū)W生傳達(dá)更多的信息。示意圖在向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)器材的同時，還可以向?qū)W生傳達(dá)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計、實(shí)驗(yàn)操作的重要步驟、實(shí)驗(yàn)中的物理現(xiàn)象等信息。這說明兩國教科書都重視用插圖給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)參考信息，幫助學(xué)生創(chuàng)設(shè)物理情境。

我們還可以發(fā)現(xiàn)，兩國教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)插圖實(shí)物圖和數(shù)據(jù)圖表的數(shù)量和占比明顯少于示意圖。數(shù)據(jù)圖表的數(shù)量少是因?yàn)閿?shù)據(jù)圖表一般只出現(xiàn)在大篇幅學(xué)生實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理步驟當(dāng)中，而教科書中所出現(xiàn)的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生小實(shí)驗(yàn)都以實(shí)驗(yàn)的操作作為重點(diǎn)，在教科書上少有附帶數(shù)據(jù)圖表。實(shí)物圖的數(shù)量少是因?yàn)閷?shí)物圖展示的是實(shí)驗(yàn)裝置或相關(guān)生產(chǎn)活動的信息，學(xué)生在這兩類插圖中能提取到的信息要少于示意圖。使用頻率較多的儀器（如：打點(diǎn)計時器）往往在教科書知識點(diǎn)部分會進(jìn)行專門的講解，故不會出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容中。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中以實(shí)物圖形式展示的儀器，大部分是該實(shí)驗(yàn)的專門儀器。例如在人教版教科書必修二第六章第二節(jié)“探究向心力大小的表達(dá)式”的實(shí)驗(yàn)中，就介紹了向心力演示儀的構(gòu)造，如圖3 所示。在人教版必修二課題研究部分向?qū)W生提供參考課題時，給學(xué)生展示了擲標(biāo)槍選手的動作照片，如圖4 所示，是與課題相關(guān)生產(chǎn)生活的實(shí)物圖。東京版教科書物理第四章第一節(jié)“雙重鐘擺”實(shí)驗(yàn)中就向?qū)W生展示了鐘擺拼接所需的器材，如圖5 所示。在東京版教科書物理第二章的第一節(jié)“音波干涉”實(shí)驗(yàn)中就展示了實(shí)驗(yàn)所需的低頻振蕩器和示波器，如圖6 所示。

圖3 向心力演示器

圖4 投擲標(biāo)槍動作

圖5 雙重鐘擺拼接所需材料

圖6 低頻振蕩器和示波器

二、中日高中物理教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)插圖內(nèi)容的比較

在插圖內(nèi)容的分類上，除去數(shù)據(jù)表格外，將余下的插圖分為實(shí)驗(yàn)原理圖、實(shí)驗(yàn)器材圖、實(shí)驗(yàn)裝置圖、實(shí)驗(yàn)操作圖以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖五類。

實(shí)驗(yàn)原理圖對學(xué)生進(jìn)行的是實(shí)驗(yàn)原理的說明，例如對位移傳感器測速度的原理進(jìn)行可視化的處理。實(shí)驗(yàn)器材圖展示的是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器，但不對學(xué)生進(jìn)行裝置設(shè)計或是實(shí)驗(yàn)操作等的展示，例如向心力演示器的實(shí)物圖照片。實(shí)驗(yàn)裝置圖展示的是由實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計組裝成的實(shí)驗(yàn)裝置，就實(shí)驗(yàn)儀器的裝配向?qū)W生起到了示范作用，例如自由落體運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)操作圖是對實(shí)驗(yàn)過程中的某一步操作或是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行展示，插圖中包含實(shí)驗(yàn)員對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作的動作或是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，例如測量靜摩擦力的實(shí)驗(yàn)操作的照片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖所展示的是實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果，或是通過一系列的操作展示出實(shí)驗(yàn)的完整步驟及結(jié)果，例如牛頓管中羽毛和鐵片的下落。

依照上述概念將中日兩國力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)插圖進(jìn)行分類和統(tǒng)計得到表2 和圖7、圖8。

圖7 中國力學(xué)實(shí)驗(yàn)不同內(nèi)容插圖數(shù)量占比

圖8 日本力學(xué)實(shí)驗(yàn)不同內(nèi)容插圖數(shù)量占比

表2 中日兩國力學(xué)實(shí)驗(yàn)不同內(nèi)容插圖數(shù)量

經(jīng)過統(tǒng)計，除去數(shù)據(jù)表格外，我國教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)部分插圖數(shù)量共有89 個，日本教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)部分插圖數(shù)量共有82 個。除實(shí)驗(yàn)裝置圖和實(shí)驗(yàn)操作圖外，其余三類插圖數(shù)量占比我國均多于日本。

實(shí)驗(yàn)原理圖相較于其他插圖來說更加抽象，日本教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)部分沒有實(shí)驗(yàn)原理圖，說明日本教科書在力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中更加注重對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作相關(guān)能力的培養(yǎng)。

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分布圖的比較中可以發(fā)現(xiàn)，我國教科書不同種內(nèi)容插圖的數(shù)量分布相對均勻，而日本教科書的實(shí)驗(yàn)操作圖要遠(yuǎn)多于我國教科書其他種類的插圖。實(shí)驗(yàn)操作圖中包含了實(shí)驗(yàn)儀器的選擇以及器材的裝配，并且在操作過程中也為學(xué)生進(jìn)行了一些示范，所包含的信息要多于實(shí)驗(yàn)器材圖、實(shí)驗(yàn)裝置圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。說明日本教科書注重通過操作圖在向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)器材及裝置的設(shè)計的同時，為學(xué)生進(jìn)行操作示范或是展示實(shí)驗(yàn)當(dāng)中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象及結(jié)果。

三、中日高中物理教科書力學(xué)實(shí)驗(yàn)典型案例比較

在針對同一實(shí)驗(yàn)所設(shè)計的插圖和同類型插圖的內(nèi)容設(shè)計上，中日兩國教科書也不盡相同。下面通過案例進(jìn)行說明。

案例一：在“自由落體”這一節(jié)內(nèi)容中，兩國教科書都在課外小實(shí)驗(yàn)中設(shè)計了“制作反應(yīng)時間測量尺”這一實(shí)驗(yàn)。我國教科書中的插圖如圖9 所示，日本教科書中的插圖如圖10 所示。我國教科書在插圖的呈現(xiàn)上選擇了實(shí)驗(yàn)器材圖，日本教科書在插圖的呈現(xiàn)上選擇了漫畫形式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。直尺是學(xué)生生活中常見的文具，我國學(xué)生從插圖中能獲得信息很少，而日本教科書直尺上的時間刻度可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生思考為什么長度的刻度可以變?yōu)闀r間的刻度。同時也為學(xué)生制作反應(yīng)時間測量尺提供了樣例進(jìn)行參考，因此該實(shí)驗(yàn)中日本教科書的實(shí)驗(yàn)插圖設(shè)置更加合理。

圖9 中國“時間刻度尺”

圖10 日本“時間刻度尺”

案例二：我國教科書必修一課題研究中“球形物體空氣阻力與速度關(guān)系”這一實(shí)驗(yàn)中需要借助攝像機(jī)來進(jìn)行錄像或頻閃拍攝。日本教科書研究“拋體運(yùn)動的運(yùn)動規(guī)律”這一節(jié)的實(shí)驗(yàn)中也需要使用攝像機(jī)來進(jìn)行頻閃照片的拍攝。我國教科書中的插圖如圖11 所示，日本教科書中的插圖如圖12 所示。兩國教科書都選擇了實(shí)驗(yàn)器材圖，我國教科書只對鐵架臺的裝配用簡筆畫的形式進(jìn)行了展示，而攝像機(jī)的準(zhǔn)備與使用只出現(xiàn)在文字內(nèi)容中。日本教科書在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的展示時，包括攝像機(jī)在內(nèi)對實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行了展示，完整實(shí)驗(yàn)裝置的展示可以幫助學(xué)生對實(shí)驗(yàn)有更加全面的了解，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率。

圖11 中國“球形物體空氣阻力”插圖

圖12 日本“拋體運(yùn)動軌跡”插圖

案例三：在實(shí)驗(yàn)操作圖的呈現(xiàn)中，我國教科書所呈現(xiàn)的操作過程較為單一，基本只停留在雙手對實(shí)驗(yàn)裝置的操作，如圖13 所示的是人教版必修一中的“測量靜摩擦力大小隨拉力變化”這一實(shí)驗(yàn)中的插圖。除雙手操作外，日本的操作圖相較之下更加的多元化，如圖14 所示的“拋體運(yùn)動軌跡”實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者對實(shí)驗(yàn)的操作，如圖15 所示是“求功率”這一節(jié)實(shí)驗(yàn)中漫畫小人對實(shí)驗(yàn)過程的示范。在日本的教科書中，真人實(shí)驗(yàn)員均身穿白色實(shí)驗(yàn)服，教師實(shí)驗(yàn)身穿襯衣，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)和課堂的嚴(yán)謹(jǐn)性，漫畫小人的設(shè)計在為學(xué)生進(jìn)行課后小實(shí)驗(yàn)示范的同時也增添了實(shí)驗(yàn)的趣味。

圖13 中國“測量靜摩擦力大小”插圖

圖14 日本“拋體運(yùn)動軌跡”插圖

圖15 日本“求功率”插圖

四、教科書實(shí)驗(yàn)插圖編寫的建議

1.適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)操作圖數(shù)量，充分傳達(dá)插圖信息

通過對兩國教科書的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)日本教科書在使用插圖時更側(cè)重于使用實(shí)驗(yàn)操作圖，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作圖是反映實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的圖片，不僅包括實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)裝置，還包含了實(shí)驗(yàn)者的操作行為或是實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)的物理現(xiàn)象，可以向?qū)W生傳達(dá)更多的信息。操作者的行為可以對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作起到良好的示范作用，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示可以讓學(xué)生提前預(yù)知實(shí)驗(yàn)會出現(xiàn)的現(xiàn)象，如果實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)問題可以被及時發(fā)現(xiàn)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率。

2.豐富課外實(shí)驗(yàn)插圖內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生積極思考

日本教科書在學(xué)生課外實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了較多的實(shí)驗(yàn)操作圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，結(jié)果圖的設(shè)計更可以引發(fā)學(xué)生思考應(yīng)當(dāng)如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到插圖中類似的效果。我國教科書在課外實(shí)驗(yàn)的插圖設(shè)置上較多地使用了實(shí)驗(yàn)器材圖，部分實(shí)驗(yàn)沒有設(shè)置插圖。課外實(shí)驗(yàn)插圖應(yīng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)操作圖或?qū)嶒?yàn)結(jié)果圖等更加豐富的其他類型插圖內(nèi)容，沒有設(shè)置插圖的課外實(shí)驗(yàn)要設(shè)置合適的插圖，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生在課外實(shí)驗(yàn)中積極地思考。

3.提高實(shí)驗(yàn)插圖的趣味性，引起學(xué)生閱讀興趣

日本教科書在設(shè)置插圖時，還大量使用卡通畫小人繪畫出實(shí)驗(yàn)的操作過程，增添了插圖的趣味性。這樣的設(shè)計可以豐富教科書的插圖形式，提升教科書的趣味性，相較于對實(shí)驗(yàn)儀器簡單的描繪，更可以引起學(xué)生的閱讀興趣。