中美高中物理教材实验部分的对比分析

杜一

摘 要：本文选取近年来备受好评的美国高中物理教材《Holt Physics》和人教版高中《物理》教材作为样本，首先从教材整体的体例结构出发，分析各自在实验栏目上的特点。其次以“牛顿运动定律”专题为例，从教材的章节安排、实验内容编排方面着手进行分析，重点对比“加速度与力、质量的关系”实验的异同处。最后得到几点结论，指出我国教材的可贵之处以及美国教材中值得借鉴学习的优点。

关键词：中美高中物理教材；对比；实验；牛顿运动定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）12-0019-5

物理学大厦的建成离不开物理实验。实验是科学探究的重要形式，既能有效提高学生的学习兴趣，又对学生科学思维、科学态度与责任等物理核心素养的发展起着至关重要的作用，因此物理教师要格外重视物理实验教学。教材是实践教学的重要依据，为了应对竞争日益激烈的国际形势，各国都对科学教材进行了针对性的更新和改革。鉴于美国的科学技术实力及科学教育的发达程度都位于世界前列，本文将通过内容分析、对比研究等方法对中美两国典型高中物理教材的实验部分进行对比，以了解各自的编写特色，并从中汲取有利于我国高中物理实验教材不断完善的精华。

1 研究对象选取

本文以我国人教版《物理》和美国《Holt Physics》（以下简称HP教材）为研究对象，着眼于“牛顿运动定律”主题下的章节内容，对实验部分进行比较研究。教材的具体信息见表1。

HP教材共22个章节，内容涵盖力、热、电、光、原等物理学领域，适合美国常规物理课程，即主要面向今后打算从事理科相关职业的学生。教材主编认为物理学的研究方法极其重要，因此编写过程中十分重视物理实验，并通过设计一些研究性学习的专题来拓展知识的深度和广度。HP教材在近年来的美国基础物理教育中受到广泛重视，从美国物理学会对高中物理教科书基本情况的调查统计数据来看，HP教材的使用率连年上升（2009年达到32%），成为美国最主流的三大物理教材之一，极具代表性。人教版高中物理教材是目前中国高中阶段的主要教材，共分为必修系列和选修系列。必修系列的主要内容是力学，是全体高中生必须学习的模块。选修包括三个系列，其中选修三系列是理科生需要学习的内容，旨在让学生较为全面地学习物理学的基本知识，进一步掌握物理学的思想和方法。

综上，本文选取美国HP教材与我国人教版高中物理必修系列、选修三系列作为比较对象，先从教材的体例结构入手，宏观上对比两套教材的实验栏目分布，接着围绕“牛顿运动定律”主题，对实验内容进行对比分析。

2 中美教材实验部分宏观对比分析

2.1 中美教材的体例结构

教材的体例结构指的是教材的编写格式和组织形式。了解两个版本高中物理教材的体例结构，能更直观地把握教材的各个组成部分，从而进一步对教材整体的实验栏目分布进行对比分析。HP教材和人教版教材的体例结构图如图1、图2所示。

2.2 中美教材实验栏目对比

由图1、图2的体例结构图及对两版教材的分析，实验栏目情况如表2所示。

表2 中美教材实验栏目对比一览表

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2.2.1 HP教材实验栏目概况

从表2可以看出，HP教材的实验主要呈现在“基本实验技能训练”“快速小实验”“探究实验”“CBL实验”这四大栏目中，共计43个。另外，在“章复习题”和“标准化测试”中会出现一些与实验有关的开放性试题。更值得一提的是，教材在目录之后、章节内容开始之前穿插了两个与实验相关的部分——“安全标志”“实验室安全”，共占据三页篇幅，详细列出9大安全标志和21条实验室安全准则，旨在让学生学习物理知识之前将其牢记于心，避免意外的发生。罗列出来的安全标志和注意事项也会具体附在各个相关实验中。

“快速小实验”共18个，穿插在每节内容中，利用最简单的生活用品进行操作便捷、效果明显的小实验，以便学生更透彻地理解教材中相关的知识点。

“基本实验技能训练”共15个，位于每章内容之后的独立模块，要求学生在实验室中根据教材中提供的操作步骤，利用专业器材对物理原理进行验证或探究，在教材的指导下一步步得到实验结论。该栏目通过一系列的实验操作训练，培养学生正确使用实验仪器、分析处理数据的方法等必备实验技能。

“探究实验”共5个，位于每章内容之后的独立模块，在探究实验的标题下方会出现“design your own”的字样，教材只给学生提供实验必备器材以及操作提示，让学生独立思考具体的实验方案，旨在培养基本实验技能的基础上，进一步训练学生的科学思维，提高科学探究能力。

“CBLTM实验”共5个，出现在所有章节内容之后。CBL实验室系统是一种新型教学仪器，可以通过特定的操作经过传感器采集数据，速度快，效率高。该实验部分旨在让学生开拓视野，有条件的基础上提前接触一些与大学接轨的物理知识和手段。

2.2.2 人教版教材实验栏目概况

在人教版教材中涉及到实验的栏目比较多，主要有“演示”“实验”“做一做”“科学漫步”“问题与练习”“学生实验”“课题研究”。

“演示”栏目是由教师在课堂中操作，学生观察讨论现象。“实验”栏目大多是教材给学生提供参考器材、操作步骤，让学生自主觀察现象，得到结论，从而引出下面的正文内容，旨在培养学生勤于观察、勤于思考的意识，提高学生的观察与推理能力。“做一做”“科学漫步”栏目中呈现的实验可以说是扩展性较强的，不是学生必做实验，但是给学生介绍了很多与信息技术有关的实验应用，例如，用相机估测曝光时间、用计算机绘制v-t图等。除此之外，也有一些生活中的器材，可以让学生随时随地取材，体验物理。“学生实验”在人教版教材中被编写为一整节，要求学生在实验室中定量地操作、处理数据、得出结论。“课题研究”栏目出现在人教版教材每本书的最后，每个模块一个，这部分属于扩展性的自主探究学习，要求学生查阅资料展开研究，在此过程中培养学生收集整理资料、科学探究等能力。

综上，从整体上看两版教材大同小异，不仅重视学生基本操作技能的培养，而且能够站在学生的角度上力图发展他们的科学探究素养。HP教材中的“快速小实验”栏目与人教版教材中的“演示”“实验”相近；“探究实验”与“课题研究”相似；“基本实验技能训练”与“学生实验”类似。稍有不同的是HP教材比较重视实验室安全教育，这是我国教材中欠缺的。

3 中美教材“牛顿运动定律”实验对比分析

3.1 中美教材“牛顿运动定律”章节安排对比

“牛顿运动定律”是动力学的核心内容，从两版教材的目录中可以看到牛顿运动定律在教科书中的位置稍有不同。人教版教材将“牛顿运动定律”安排在必修一模块的第四章，位于“直线运动”和“力”之后，“曲线运动”之前；而HP教材将“牛顿运动定律”和“力”共同放在全书的第四章，位于“一维运动”和“二维运动”之后，具体的章节安排也各有特点，如表3所示。

表3 中美教材“牛顿运动定律”章节安排对比

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3.2 中美教材实验内容编排对比分析

3.2.1 实验概况对比分析（如表4所示）

表4 中美教材“牛顿运动定律”专题内容实验概况对比

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由表4的对比以及对教材的分析得到如下几点说明：（1）从数量上看，两版教材在“牛顿运动定律”部分的实验数目并无显著差异。（2）从知识点分布上来看，人教版教材“问题与练习”“实验”栏目中出现的实验分别涉及到了超重和失重、作用力与反作用力的知识点，HP教材有所欠缺，并未设计与这些知识点相关的实验；HP教材中包含的有关惯性知识的“快速小实验”，人教版中并未涉及。总体来说，人教版教材该专题中实验涉及的知识点较为均衡。（3）从实验类型来看，两版教材有关加速度与力、质量关系的实验类型截然不同，HP教材是验证性实验，而人教版教材是探究性實验。（4）从实验的章节分布来看，HP教材中的“快速小实验”分布在四节内容的前两节，后两节内容中并未涉及实验；“CBL实验”作为拓展内容位于全书最后，以供学有余力的学生学习；“基本实验技能训练”作为专题内容被编排在章末，人教版教材中与之内容相似的学生探究实验则是作为整体内容呈现在本章第二节，旨在通过该实验进一步过渡到牛顿第二定律的内容。

3.2.2 实验内容呈现对比分析

由“牛顿运动定律”实验概况看出，中美两版教材都十分重视“加速度与力、质量的关系”实验，但在编排思路上却大有不同。笔者首先将HP教材中的实验流程整理如图3所示。

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图3 HP教材“加速度与力、质量的关系”实验流程图

除此之外，从流程图中可以看出，HP教材的编写方式类似于我国实验报告的形式，这个实验属于教材中的“基本实验技能训练”模块，“快速小实验”“探究实验”都是按照这样的模式来编写的，结构清晰，条理分明。教材详细陈述了实验所需要的各项器材、每一步实验操作、数据处理方法等，并配有相应的图示，学生只需按照流程一步步走，最终可以完成实验，通过数据来验证牛顿第二定律的内容。然而，在流程中最先映入眼帘的是“安全提示”，让人耳目一新，因为这在我国的教材和实验报告上鲜有出现，只有在实验室里才会看到相关的安全注意事项，这一点显然美国的教材做得更好。该实验中的安全提示包含图标和文字提醒，如图4所示。

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图4 HP教材中的安全提示

教材提醒学生在操作实验过程中务必注意这样两点：（1）如果你是长头发，请将其扎紧，并把身上佩戴的珠宝首饰等摘掉。请佩戴护目镜。（2）对待重物请轻拿轻放，重物坠落可能会导致很严重的损伤。

与HP教材“陈述式”的呈现方式不同，人教版教材以“启发式”呈现。具体内容简化为图5。

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图5 人教版教材实验呈现方式

由人教版教材的实验流程图可知，教材以生活中的事实开篇。由生活现象观察可知，竞赛用的小汽车由于强大的发动机提供的巨大牵引力可以在短时间内获得高速，满载的货车加速起来比小汽车慢许多，由此得出加速度、力、质量三者间的定性关系。然而精确的物理学需要探究定量的关系是怎样的，于是开启实验正文部分，引导学生分别探究加速度与力、加速度与质量间的关系，并思考在实验过程中需要解决的两大问题：一是如何测量加速度，二是怎样提供合力，教材并未给出答案，而后给了两个参考案例装置图及简单的文字说明，要求学生确定探究方案，和同学交流并评估结果的可靠性。

在笔者看来，HP教材验证性实验内容更多地倾向于训练学生的实验技能，而不在于知识间本身的逻辑关系和学生探究能力的培养。该实验放在牛顿第二定律内容之前采取探究的形式有利于学生科学思维的形成和科学探究能力的培养。让学生经历“为什么探究加速度与力、质量的关系”，到利用生活中常见的情境和已经学过的知识猜想“三个物理量之间应该存在怎样的定性关系”，再到“三个物理量之间到底存在怎样的定量关系”的科学探究过程，并引导学生思考如何解决该实验中遇到的一些问题，而不仅仅是学会操作该实验。此外，还可以将牛顿第一定律、运动学的理论与牛顿第二定律的知识逻辑联系起来。

4 结 论

通过对中美两版教材“牛顿运动定律”部分实验的重点对比分析，得到如下几点结论：

（1）知识点分布不尽相同。就这个专题而言，HP教材中只针对牛顿第二定律和惯性部分设计了实验，而我国教材中实验涉及的知识点比较均匀，涵盖了牛顿第二定律、作用力与反作用力、超重和失重等。笔者认为，在今后教材的编写过程中应该继续发扬该特点。物理学是以实验为基础的科学，每一个概念、定律的得出都离不开实验的检验，因此让实验分散到尽可能多的知识内容中、覆盖整本教材可观的板块，不仅可以让学生从心理上意识到物理实验的重要性，同时对于教师的教学理念和方法的转变会产生潜移默化的正面影响，此外能够提高学生对物理知识的深度兴趣，促进其对物理思想方法的深度理解。

（2）教材实验设计理念存在差异性。针对“加速度与力、质量的关系”实验，两版教材采用了不同的思路呈现，一个验证性实验、一个探究性实验，各有千秋。国内教材采用的探究式思路符合新旧知识间的逻辑关系，且有利于学生科学思维的形成；而HP教材中的验证性实验在训练学生的基本实验技能方面会产生更好的效果。这也反映了两国在教材编写过程中的理念和侧重点不同。

（3）教材实验编排结构有所不同。HP教材整体结构更加清晰，按照标题、实验目标、实验器材、实验思路、实验安全提示、实验步骤的顺序逐一呈现，无论是“快速小实验”“基本实验技能训练”，还是“探究实验”，都基本遵循这样的结构顺序，这种编排方式让教材的阅读者思路更加清晰，也比较适合学生课前预习或自学。因此，我国教材编写过程中也可以酌情吸收这种方式中适合我国实情的部分。

（4）国内教材的安全教育意识有待提高。HP教材在目录之后就汇总了三页篇幅的安全教育内容，并且在教材每个实验中都会附有针对该内容可能涉及的安全隐患的小贴士，我国教材中对于提高学生实验安全意识的内容还有所欠缺，需要进一步改进。

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（栏目编辑 刘 荣）