中美2套高中物理教材学生实验的比较与研究

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来源： 科学教育研究中心

作者： 祁映宏
                        

摘要：通过对中美高中物理教材中学生实验的统计，比较研究两国教材中学生实验的特点，提出学生实验设计的认识观和学习观。最后得出几点启示特别是美国教材的一些可借鉴之处，对我国物理教材学生实验的反思与期待。

关键词：高中物理教材；物理实验；教学改革

1　引言

   学生实验在物理教学中占有重要的地位，一方而是因为物理学本身是建立在实验基础上的学科，另一方面实验教学对培养适应21世纪的创新人才起着重要的作用，它既是物理教学的基础，也是物理教学的内容、方法和手段。随着新课程改革在全国各地的普遍开展，新物理教材己经取代了老版教材。虽然在新课程标准的物理教学中倡导学生自主学习、研究性学习、加强科学探究，但学生实验部分的改进不是十分明显，与国外流行的物理教材中的学生实验相比有一定的差距，本文通过中美2套物理教材中学生实验的比较研究，分析比较中外物理教材的各自特点及其差异。期待对课程改革实践中的物理教学有所启示。

2　教材介绍

    国内普遍采用的教材是教育部基础教育司“八五”，“九五”重点课题“高中物理课程改革与实验”课题组研究成果，原名《高中物理学习讲》[1].

美国9－12年级(高中)物理教材是《物理：原理与问题》( Physics: Principles and Problems) 。此教材是美国麦格劳希尔公司( The McGrawHill Companies. Tnc.)出版的高水平9一12年级(高中)物理教材。作者是美国密执安迪尔伯思大学的著名物理学教授保罗·齐策维茨博士。教材一经面世，即风行于世界，为许多国家选作教材或教学参考书,后经过多次修订，至今仍长盛不衰。本教材体现了美国国家科学课程标准的精髓，即科学的本质、作为探究对象的物理学、科学与技术、从个人与社会视角所见的科学。教材共3册，除了讲述了物理学基础理论内容外，每章都有学习目标、例题讲解、课后习题和物理实验室，为了扩展学生的知识领域，激发学生学习物理的兴趣，还开辟了袖珍实验室、物理学与社会、物理学与技术、小资料、问题解决策略、连接等小栏目 [2] 。

本文选择上面2套教材作为中外物理教材学生实验的比较对象，试图通过认真分析，研究不同教材的学生实验的各自特点，期待得出某些结论性启示，进一步对新课程改革实践中的物理教学有所帮助特别是学生实验的选择与设置。

3　实验统计

1)中美教材实验数目见表1－2。










    关于表1的几点说明：

    a.验证性实验和探究性实验的数目是指教材中的“物理实验室”( Physics Labs)的分类统计。在编排特点上，美国的这套物理教材是具体的章节和教学内容形成有机的统一整体，其实这也是作者的别具匠心之处，实验教学和其他教学环节是相互连贯的，如果单独放在后而，会导致实验教学和其他课堂教学脱节。

    b.小实验数目是指教材中的“袖珍实验室”( Pocket Labs)的统计。此栏日是该教材的一个显著特点，对实验的选择与设计紧扣教学内容，具有较强的趣味性、易操作性和易取材性。

    关于表2的几点说明：

    a.验证性实验和探究性实验是对教材后所列学生实验的简单分类，由于实验目的和过程的特点，分类的界线其实是难以划分的，有些实验介于验证性和探究性之间，或者同一实验的一部分似乎是验证性的，而另一部分则表现为探究性。

    b.表2中的小实验在教材中并不是对小实验的统计，由于教材的“小探究”也属实验性质，在统计时则都归结到小实验中。

2)中美实验器材的比较见表3.



4 统计分析


对表1—2的分析，可以得出如下几点初步比较。

1) 2套物理教材中“学生实验”都以力学和电磁学部分的实验为主，分别占到实验总数的71 %和89%。从内容分布来看，我国物理教材中的“学生实验”则过少集中。“原子物理”部分则没有学生实验,而美国的教材则有4个。分析其原因，或许与中美两国高中物理教学的实验条件差异有关，我国高中物理教学在传统上就没有原子物理部分的实验，绝大部分中学根本没有这方而的实验设备。另外，从实验分布也可以反映出教材对现代物理学进展的内容设计。我国的教材内容基本属于经典物理学知识，而美国的物理教材则明显的体现了教材的发展性。

2)美国教材中所列的实验明显比我国教材中实验多。传统意义上的学生实验美国教材为31个，中国教材则为18个，差距近乎一半。如果把小实验和实验室实验的总和进行比较，差距更大，美国教材的数目达到130个，而中国教材则为49个。对比统计表就会发现差距主要表现在“原子物理”部分，通过实验数目的这种显著差异我们会进一步得出，我国物理教材对现代物理知识的介绍略显不足。进一步对教材中现代物理知识的统计会发现，美国教材中现代物理知识的页数比例约为16.9%，我国的教材中现代物理知识的页数比例约为13.5%，但其中有4%左右是阅读材料和打“*”的内容(但从目前情况来看，这部分内容教师和学生关心的都不够)[3]。

3)研究教材对学生实验的设计思路后会发现，中美物理教材的编排结构也有一定差异，美国教材对验证性实验的设计思路一般为：问题一实验器材一实验步骤一分析并得出结论一应用。中国教材对学生实验的设计思路一般为：学习要点一实验器材一实验原理一实验步骤一实验指导一问题思考与讨论。

其实设计思路也反映了认识观和学习观的问题。美国教材中的实验其实在训练学生如何发现问题和解决问题，更加注重对学生的科学素质训练，体现了认识观。例如教材中的“船如何过河”、“在爆炸时，比较不同质量的物体是如何受力和改变动量的”等实验问题非常明显的特点就是提出问题，让学生通过实验解决问题，体验科学研究的过程，训练学生的科学精神和将来从事科学研究或者其他日常工作的基木思路和素质。

再看我国教材对实验的安排思路，集中体现的是学习观。例如“用油膜法估测分子的大小”，实验中，开门见山就是“学习要点”：学习一种估测分子大小的实验思想和方法，学习估测不规则面积大小的一种方法，学习估测液滴体积(或质量)的一种方法。显然，实验主要想让学生学习到什么，对知识的期待更加强烈。

一句话，中美两国物理教材的实验编排思路的主要差别在于美国的教材反映了认识观，而中国的教材则体现了学习观。

4)两国的实验设置相比较，美国的学生实验具有明显的开放性，而中国物理教材中学生实验的设置比较封闭，在两类实验中，验证性实验是完全封闭的，学生要按部就班地完成实验，而探究性实验是开放的，但又不是完全开放，它为学生搭建了脚手架一一告诉学生要做什么.具体怎么做，则由学生自己决定.以探究性实验“你的功率”实验为例，首先在“问题”栏中提出问题：你能估计出你在爬楼梯时的功率吗?既指明了实验目的，又引发了学生思考。在“假设”栏中要求学生建立一个能把可测量和功率联系起来的假设而不是给定了公式，不同的学生就可以有不同的答案。在“可能的材料”栏里要求学生告诉教师所需要的实验器材。在“制定实验计划”栏要求学生：确定独立量与非独立量;描述实验步骤;建立数据表;写出计算所需的方程;将计划给教师检查。在“分析与结论”栏目则要求学生对实验结果进行分析、比较与交流。可以看到：在整个实验过程中教材始终是个引导者一一把策略告诉学生，具体行动则由学生自己决定体现了实验的开放性[4]。

5)由表3可以看出，两国在实验器材的选取和使用有一定的差异，美国教材中学生实验所用的器材非常生活化、便捷化、经济化、简单化。如地板砖、普通纸张、硬币、玩具弹簧、普通丝线、普通直尺、咖啡罐、厨房用具等，把这些日常用具看作物理实验器材，而没有用到像气垫导轨、示波器、打点从计时器等精密仪器。

在我国由于学生实验设计的思路以及实验数目的较少缘故，开设了一些传统意义的物理实验(有些实验多少年来就没有改变)，使用了一些较为精密的仪器，有些仪器的原理大部分学生不理解。例如“练习使用示波器”的实验就是非常典型的实验设置，在教学实践中就会发现，学生在具体实验过程中，只是对一些旋钮盲目的旋转与调节，根本没有弄清楚示波器的原理和用途。

5　几点启示

1)由实验少向实验多转变：物理学是一门实验科学，物理定律的形成和发展建立在对客观自然现象的观察和研究的基础上，并以实验结果作为检验理论正确与否的唯一尺度。教材应该设计一定数量的各种类型的学生实验，除了增加实验室的实验外，还应该设计户外物理实验，更应该像美国物理教材学习，设计大量的袖珍实验，也就是所谓的小实验，期待在新课程改革实验的基础上，结合我国基础教育的实际情况，以后对教材改进再版时明显改变实验数量偏少的问题。通过一定数量实验的训练培养适应21世纪科学技术的发展及其社会对人才的需要。

2)由学习观向认识观转变：借鉴美国物理教材对实验设计的理念，逐步改变我国教材在实验设计时过分强调对知识点的学习与掌握，通过提出问题和解决问题的思路，让学生通过实验过程的体验，培养他们的认识观，回归与还原科学的本质，最好不要直接说明物理实验中学生应该学习哪些知识，而是提出需解决哪些问题，在解决问题的过程让学生潜移默化的了解与物理现象相关的知识。

3)由封闭型向开放型转变：将我国物理教材编排的实验与美国教材相比较，可明显看到美国教材设计的实验具有一定程度的开放性，而我国教材则是封闭性较强，虽然执行新课标的教材比原教材有明显改进，但是和物理学科的性质特别是培养创新人才的要求则有不小差距。期待后面对教材再版时有所改进，充分发挥学生的主体性，通过开发有趣味的实验引导学生喜欢物理。因此学生实验特别是探究性实验应适当增加开放性。

4)由确定性向非确定性转变：确定性是指实验的器材、实验的步骤、实验的主要思路、实验的结论等方而是没有选择性的，也可以理解为封闭性;非确定性是指实验的各个方而有多种选择，特别对探究性实验来说，实验基本没有提供其他选项。比较中美的实验设计可以明显看出美国教材提供的实验更具备非确定性，我国教材则具有确定性。显见，非确定性实验对启迪学生的思路，培养解决问题的能力比较有益，确定性实验则不利于发挥学生的主观能动性，对培养创新人才是不利的。我们对实验的设计要更多借鉴美国教材的思路，由确定性向非确定性转变。

5)由经典型向现代型转变：经典型也可以理解为传统型，我国教材的实验多年不变，如电池电动势和内阻的测量、验证机械能守恒定律等传统实验，教材虽然不断更新，但是实验设计则没有什么变化。现代型是指与科技进展结合精密的实验，美国教材中的学生实验则很好的体现了这种精神。例如，“你如何设计一个电路，使其在电流方向改变时，改变点的发光二极管?”“原子中的绝大部分是空的，那么击到原子核而产生原子散射的可能性有多大?”科学在不断进步，教材亦应与时俱进，实验设计应该反映物理学的新发展。

6　结束语

21世纪对人才更加注重个性和创造性，注重全球意识和合作精神，注重通才教育，注重培养受教育者的思维活力和实际运用能力[5]。因此，要培养现代人才的良好素质，首先要确立新时期的人才质量观，特别是要改变以前过分强调知识而忽视能力培养的人才观念。实验教学对培养创新人才起着非常主要的作用，正如中学物理教学大纲规定的，中学物理教学应以实验教学为基础。为了培养学生的创新能力，就必须加大实验教学的质量与数量，在这种要求下，物理教材如何设计学生实验显得尤其重要。

参考文献：

[1]教育部基础教育司“高中物理课程改革与实验”课题组.全日制普通高级中学教科书·物理(必修加选修)[M].北京:北京师范人学出版社，2004.

[2]保罗·齐策维茨.物理:原理与问题[M].仲新元译.上海：上海科技出版社2005.

[3]何征宁.中美高中物理教材现代物理知识的比较研究[J].中学物理教学参考2003，32（12）：53—55.

[4]沈俊妮，周延怀.美国高中物理教材的学生实验分析与借鉴[ J].学科教育2004(12)：46—49.

[5]杨慧敏.美国基础教育[M].广州：广东教育出版社，2004.