中日高中物理教材中实验内容的比较分析及其启示

王娅楠 黄致新 李成丰

(华中师范大学物理科学与技术学院,湖北 武汉 430079)

·国外教育·

中日高中物理教材中实验内容的比较分析及其启示

王娅楠 黄致新 李成丰

(华中师范大学物理科学与技术学院,湖北 武汉 430079)

日本在经过教育改革之后,基础教育有了长足进步,不断培养出高素质人才,使其科技迅猛发展,一跃成为经济强国,因此其基础教育的开展值得借鉴．本文通过文献分析、内容分析和比较研究等方法,对比分析了中日两国高中物理教材中实验部分的内容,旨在客观评价我国物理教材中的实验内容,从中探索两国在物理教育理念等方面的差异,为完善我国高中物理实验教材提供一定的参考．

中日;高中物理教材;实验;比较研究

物理实验是一种活动,在此活动中,物理工作者们有目的、有计划地利用实验室中的仪器和设备,在可控条件下使物理现象反复再现,从而进行观测研究．它是一种科学实践,是整个物理学形成和发展的基础．[1]本文通过文献分析、内容分析和对比研究等方法,对比分析了中日两国高中物理教材中实验部分的内容,其目的不仅为客观评价我国物理教材中的实验内容,亦为从中探索两国在物理教育理念等方面的差别,并提取可不断完善我国物理实验教材及物理课程的有效信息,将其运用到教学改革之中,以进一步提高基础物理教学质量．

1 实验教材的比较分析

1.1 研究对象选取

本次研究的对象为中日两国高中物理的主流教材．中国教材选取为人教版普通高中物理课程标准实验教科书理科系列,共有7册,分为必修1、必修2和选修3系列,内含实验171个;日本教材选取为实教出版社株式会社出版的高中物理新订版教材,共有3册,分为理科综合A、物理Ⅰ和物理Ⅱ,以供对理科感兴趣的学生学习使用,[2]内含实验115个．

1.2 对比分析

(1) 两国教材中的实验呈现.

中国教材中的实验多在“学生实验”和教材小栏目及课题研究中．“学生实验”以独立章节的形式出现,主要为学生自主实验,多为定量试验;实验所占篇幅较大,内容较为具体．

教材小栏目分为“实验”、“演示”、“做一做”、“科学漫步”、“科学足迹”,“问题与训练”等,实验内容紧密结合学生的学习内容,在教材中多以方框嵌入的形式出现,以多种颜色填充,较易分辨．“实验”栏目中多为定性实验,内容简洁,占据模块较小,用时较短;“演示”栏目中主要为较为简单的演示实验,大多是由任课教师在课堂上演示给学生观察,使学生能更加直观地进行物理知识的学习;“做一做”栏目中多是一些实验性的活动,所用器材较为灵活,趣味性较强,有条件的话可尽量多做;“科学漫步”栏目中会对所学知识进行深度和广度的扩张,具有针对性和科学性,较为前沿,但数量较少;“科学足迹”栏目主要是对学生的启迪,形式与“科学漫步”并无二异;“问题与练习”中多为一些实验性的题目,依从新角度新方法进行实验．

每册书的最后均会有课题研究,主要针对生活中的某一物质或某一物理现象为课题开展研究;此外,本书安排了很多探究性的学习活动,而这些探究活动往往是以实验的形式展开．

日本教材中的实验一般分散于 “实验”栏目、“探究活动”和“课题研究”中,但在教材内容中亦会适当添加一些实验,数量较少．“实验”栏目中的实验较为分散,紧随课程内容,占据教材的任意角块,内容较为简单,操作简便．“探究活动”和“课题研究”较为集中．“探究活动”一般集中在每章的最后,其要求较为严谨,难度较大．而“课题研究”一般则处于每册书的最后部分,有时会出现在章节之后,如物理Ⅱ中的第一章和第二章,其内容难度更大,针对性高,多数为具体的前沿物理研究,甚至是专业的研究课题,需耗时耗力,主要锻炼学生的科研能力．

两国教材中的实验栏目分布如图1，2.

图1 中国教材中实验栏目分布比例

图2 日本教材中实验栏目分布比例

(2) 两国教材中的实验结构.

两国教材实验可从纵向结构和横向结构两方面进行对比研究．纵向结构方面,两国均采用“章-节”式结构,中国教材可分为24章147节,日本教材可分为13章128节．[3]

横向结构方向,可按照物理学分类进行研究,分为力学、电磁学、热学、光学和近代物理5方面．我国新版教材中,规律性较为明显:力学内容占据首位,随后是电磁学、热学、波与光和近代物理,近代物理中亦包含了相关方面的内容,章节分类较为集中,教材内容层层深入,内置实验,布局稍有偏颇,但其规律性强,符合中国学生的心理认知及其生活经验;[4]日本教材未有较为明显的规律可循,每一章节均会出现多种物理学内容,分布较散,但其所有实验内容均为从基本入门,简单易懂,易操作,随后所有实验的难度和广度开始层层递进．两国教材中结构分布如表1.

表1 中日两国高中物理教材中实验结构的分布情况

日本教材中的两个未能分类的综合性实验分别为物理Ⅱ主题13:物理观察生活(生活中的物理)和主题15:物体变大、变小的研究．

(3) 两国教材中的实验类型.

两国均可分为7种类型进行比较,即为“演示实验”、“训练型实验”、“验证型实验”、“测定型实验”、“探究型实验”、“课外实验”和“课题研究”．其中,“训练型实验”、“验证型实验”、“测定型实验”和“探究型实验”可统称为分组实验．其分布如表2.

表2 中日两国高中物理教材中实验类型的分布情况

其分布比重如图3，4.

图3 日本教材中实验类型的比重分布

图4 中国教材中实验类型的比重分布

(4) 两国教材中的实验器材.

实验器材可分为专业实验器材和非专业实验器材,专业实验器材即我们在做实验时实验室专门配备的仪器和工具,非专业实验器材为学生自己寻找或自己制作的较为简易的工具,多数是学生在生活中经常使用的日常用品．

对比分析两国教材中的主要实验仪器,不难发现:中国教材中的实验多为正式正规的实验,特别注重基本仪器的使用,所运用的实验器材亦多为基础和专业,如力学部分主要运用米尺、游标卡尺、气垫导轨、螺旋测微器、天平、秒表、打点计时器、小车、弹簧、弹簧秤和各种力传感器等;电磁学部分主要使用电流表、电压表、变阻器、多用电表和示波器、验电器、平行板电容器、电源、电压表、电流表、多用电表、滑动变阻器、电阻、磁铁、线圈和各种电磁传感器等;热学部分主要使用温度计和气压表、活塞、打气筒和传感器等;光学部分主要使用激光器、光源、平面镜、双缝干涉演示仪、偏振片和光屏等;原子物理学和近代物理学中所应用到的专业仪器则更为精密．此外,亦有少部分的非专业器材,如塑料瓶、硬币、豆子、羽毛、玩具和各种家用电器等．其在教材中的基本分布如表3.

表3 中国教材中实验器材汇总

日本教材中的“探究活动”模块和“课题研究”模块当中亦多为正规且难度较大的实验,器材也大致为一些专业实验器材．经常使用的器材多为一些基本的物理实验仪器和现代化的实验仪器,如激光发射装置、太阳能电池、医疗器械、液氮、光栅、超导体、CDS、霍尔元件、氯化乙烯管、高压储气瓶、搅拌机、马尼式金属检波器、手机和各种现代化的器具制品等,另外还会有一些高新技术的运用,如信息技术等,实验过程中将两者相互融合．此外,在教材中分散分布的实验多为兴趣类的实验,实验简单,器材也较为简单,生活中亦随处可见,如鸡蛋、床单、硬币等．具体的分布如表4.

表4 日本教材中实验器材汇总

两国教材中实验器材的分配比重如表5.

表5 中日两国教材中实验器材的使用情况

具体实验器材的使用情况已有前人研究,并已将其制作成表格直观表达,这里作者就不再赘述．

(5) 两国教材中实验的方式方法.

中国教材中,实验从3大方面呈现,包含实验栏目、“学生实验”和课题研究;日本教材中,实验亦从3大方面呈现,包含“实验”、探究活动和课题研究．

中国教材中的实验栏目与日本教材中的“实验”方式相同,均为模块嵌入的形式出现,但两国教材中的具体实验相差较大．中国教材中的实验普遍较为常规,趋向理论．而日本教材中的实验贴近现代生活,多以引导的方式出现,强调简短性,主要目的为锻炼学生的主体性和自主性,如理科综合A第211页第6章实验4“试试利用太阳能电池发电”、物理Ⅰ第159页第3章实验12“丹尼尔·赛格尔电池的制作”和第4章实验23“人工夕阳”等．对于相同实验亦是如此,以“牛顿第三定律”为例,中国教材必修1第4章第81页“实验”栏目探究作用力与反作用力的关系的实验即为验证牛顿第三定律,实验中所配图片为两个弹簧测力计,文字说明配图内容和实验过程:“把A、B两个弹簧测力计连接在仪器,B的一端固定,用手拉测力计A……”;日本教材理科综合A第4章第148页实验5作用力与反作用力相关的实验中,配有4张图片及简短的4句话语将整个实验过程描述完整．

中国教材中的“学生实验”与日本教材中的“探究活动”间的大致风格相似,均是以严格的实验格式进行,但两者间的实验格式并非完全相同．以“机械能守恒定律”实验为例,中国教材必修2第7章第79页实验:验证机械能守恒定律中描述的即为有关机械能守恒定律的实验的格式和内容,首先以文字表述引出实验正式内容,随后按照试验方法→要注意的问题→测量的速度的格式进行实验,实验过程按照七步骤中的设计实验→进项实验→分析论证→得出结论→评估交流,运用打点计时器、纸带、夹子和重物等工具,实验配图即为其工具组合的实验原理图．而在日本教材物理Ⅰ第2章第138页探究活动6:力学能量守恒定律描述中,首先是以问题引出实验,随后按照假设→准备→方法→处理→考察→拓展的格式进行实验,实验过程亦按照七步骤或根据具体情况具体实施,日本教材中的探究活动实验基本与其相同,整个实验非常严谨．

将两国教材中的课题研究进行对比,中国教材中的课题研究出现在每册教材的最后部分,首先会第一册教材的最后简短介绍课题研究的说明,随后会选取某一物体或物理现象开展研究．研究过程会按照课题的得来→课题的规划→课题的实施或其中一部分进行,其中课程的实施分为两部分,第一部分围绕课题目标的相关表述进行实施前的资料收集,第二部分围绕课题的具体实施自制装置并实施或撰写研究报告,每册教材仅有一个研究课题．如必修2中的研究课题:桥梁的研究即为按照上述形式进行．

日本教材中,课题研究集中出现,专门开展一章内容．首先亦会在第一册教材中简单地介绍课题研究,随后选取内容开展研究,后面教材中不再介绍,直接选取课题进行研究．教材中所选的课题多为与现代生活高新科技相关或与前沿物理研究相关的课题,难度较大,但要求较为广泛,不会有太大的限制．课题研究之前,会介绍相关的主题实例,随后让学生参照主题例子设定自己的课题进行研究、发表．如理科综合A的“放射性”研究、“医疗器械”研究和“宇宙开发”研究等．[5]

2 结论

2.1 实验呈现对比结论

两国都是采用多种实验栏目协调发展,不同数量的实验分布在不同的实验栏目中,使学生能从多方面、多角度认识实验,理解实验．但中国教材中的实验栏目较多,种类繁复,实验的分布不均,且差距较大;而日本教材中的实验栏目较为简易,只有“实验”、“探究活动”和“课题研究”3种,其实验虽也分布不均,但其数量的差距不大．

2.2 实验结构的对比结论

两国教材纵向方向均是采用“章—节”式的实验结构,具体的实验穿插其中．横向方向亦均从物理学分类角度进行,两国均注重基础实验,力学实验比重较大,随后为电学,然后按照热学、光学、原子物理学和近代物理学的循序递减．其实验的依据点也均十分相似．

不同之处主要在于两国教材中的实验侧重不同,物理学方面,中国教材中的力学实验数量上虽比日本教材多,但比例上还是比日本的要小一些,中国教材中的力学实验约占整体实验的38.6%,而日本的约占41.4%;中国教材中的电学实验基本上和力学实验占有同样的比重,热学和光学所占比重相同,而日本教材中的电学实验比起力学实验要少一些,光学和原子物理学占有相同的比重,热学比其要多一些,日本教材中还有两个未能对其进行分类的综合性实验．

此外,两国的实验结构在其纵向和横向两方面的分布亦不相同,中国教材中的每一类实验结构均集中展现,可分为连续的章节,此后即转为另一类结构内容;而日本教材中的实验结构分散,每一章节内蕴含多种结构的实验,此后在“探究活动”与“课题研究”栏目中重复出现．这与两国的教材结构特点相关．

2.3 实验类型的对比结论

两国的实验均为7种实验类型,且其目标及设定十分相似,在此方面,两国的差距不大．此外,两国教材中的演示实验比重均为最高,分组实验中则主要侧重探究型实验,验证型实验和测定型实验方面相差无几,同时亦都注意到课外实验的重要性．

不同之处亦为各种实验类型的比重不同,中国教材中的实验分布十分不均,而日本教材中的实验分布差别较小．中国教材中的演示实验较之其余实验,比重过大,约为62.0%,占据了教材中实验的半壁江山;而日本教材中的演示实验只有29%．探究型实验和课外实验方面日本教材中的侧重更为明显,特别是课外实验方面,中国教材中的课外实验比重较小．训练型实验方面,中国教材中设定了独立的实验以供学生练习,在其它实验中亦有所体现,但相对会减轻其侧重;日本教材中则未有开设专门的训练,而是体现在具体的实验过程之中．两国在课题研究类实验方面差距较大,日本教材中的课题研究更为系统,更为成熟．

2.4 实验器材的对比研究

两国教材中的实验均使用了大量的正规实验器材和非正规实验器材,两类实验器材交错使用,使学生都能更好地学习知识以及掌握知识;而在这些实验器材的使用中,正规实验器材均得到了较大程度的应用,两种器材相互结合,结合运用到实验的数量也基本相同．

不同之处在于两种实验器材的使用比例,中国教材中的实验器材更倾向于正规的实验室器材,特别是一些基本实验室器材的使用十分频繁;而日本教材中的非正规器材使用频率相比于中国来说高出较多,尤其是日常生活中经常观察到的材料,其中有很多是一些废弃材料的再循环使用,且两类器材的融合度更高．此外,日本教材中的很多实验材料均结合了现代化的科学技术,可应用到现代化的高科技生活当中,而我国教材中的实验器材虽也有一些利用了现代化技术,如计算机、传感器等,但仍有很多依然承袭先前传统的风格,与现代生活有些脱轨,无法使学生将所学知识与其进行完美地融合,亦未能使学生深入接触及掌控高新的技术．

2.5 实验方式方法的对比结论

在此方面,相同之处为:实验均分为3大类进行．中国教材中的实验栏目和日本教材中的“实验”在方式设置方面相近,均是结合图片、文字和实验器材进行,实验内容皆是紧密结合教材内容;“学生实验”和“探究活动”相似,均是严格按照实验格式并依据实验步骤研究,实验内容和难度都较高;两国的课题研究的表述和研究过程均为相似,均为学生自己搜集资料进行研究,最后均是按照研究结果自制装置展示或发表报告．

不同之处为:实验方式上,日本教材中的“实验”表述更为简洁明了,配图和文字契合度更高,亦更有趣味性,更贴近现代科技;探究活动中的实验更为严谨,更具完备性;课题研究范围广,数量多,深度和难度要求更高,更具现代化和系统化．实验方法上,两者在一些相同的实验中所采取的方法并不完全相同．

3 启示

3.1 应协调各种类型实验的比重

据研究表明:现今我国教材中各种实验类型的比重严重不均,演示实验所占比例过大,而探究型实验和课题研究的比例相对来说较小,尤其是课题研究的比例,学生无法更加深入地解决物理问题,甚至是物理课题,其可致使学生在步入更深的物理知识之前会有很长时间的调理期,过度跨越过大．

3.2 应增加非正规实验器材的比重,提高实验器材与现代科技生活的衔接度,提高正规与非正规器材的融合度,刷新新一轮器材改革

经研究发现:我国的实验器材仍多为正规和传统的实验器材,学生多数只能在实验室中进行实验,对于日常生活中的相关实验束手无措．此外,实验中的正规与非正规实验器材的使用相对独立．致使学生未能学以致用,做到教材与客观世界的灵活转化,不利于学生将课堂知识和日常生活联系在一起,亦不利于激发学生学习的兴趣,更不利于学生的未来发展．增加非正规实验器材的比重,将实验器材生活化,科技化,将实验器材与现代生活联系在一起,并且提高两类器材的融合度,可在一定程度上减少上述现象的发生．

3.3 适当采用新的实验方式和方法,实现实验方式方法的多样化发展

中国教材中的实验可适当借鉴日本教材或其它国外教材中的实验,采取更为灵活的方式和方法,将其汇总,可供给一类实验多类实验方案,学生可根据情况选取不同的实验方法进行实验,并分组对其研究过程和结果进行探讨、对比和分析,帮助学生掌握多种实验方法,使其养成思维拓展的良好习惯,进一步完善学生的逻辑思维和创新思维．

3.4 实验内容应适当“高新化”

经对比发现:相较于日本教材中实验内容而言,我国物理教材中的实验内容仍遵循传统路线,内容较为陈旧．我国应借鉴日本高中物理教材中的实验内容,将其与现代化高新技术结合,使学生能够将所学知识接轨现代化生活和高新技术,帮助学生更加熟练掌握高新技术手段,以便学生在步入社会之后能更快地融入现代社会,并将所学知识运用到现代社会之中．

总之,本次研究通过对中日两国物理教材中实验内容的对比分析,提取日本教材中最具价值和适合学生未来发展必备的内容,意欲将其运用到我国的教材当中,以供学生学习,形成更为有效和系统的实验内容体系．

1 阎金铎,郭玉英.中学物理教学论[M].北京:高等出版社，2005.

2 黄致新.解读日本高中物理教材所得到的若干启示[J].物理教学探讨,2012(12):1-5.

3 彭蜀晋,林长春.日本新修订高中学习指导要领与理科课程的新变化田[J].课程·教材·教法,2011(9):104.

4 袁博,张磊.对中美物理教材知识难度差异的分析与思考[J].物理通报:教材与书评,2011(10):119-122.

5 苏利霞.新课标下高中物理教材实验设置的分析与研究[D].济南:山东师范大学，2015.

2016-09-19)