高中物理教科书实验对比分析研究

邱文婷 张军朋

摘  要：实验是物理课程培养学生核心素养的重要途径，教科书中的实验是最基本的实验资源。以2019年版人教版和粤教版高中物理必修第一册教科书中的实验为研究对象，详细比较两版教科书在实验数量、呈现方式以及内容选择和处理上的差异，旨在为教师使用新教科书的实验资源提供参考。研究发现，在实验数量上，粤教版的实验较人教版丰富;在实验的呈现上，两版教科书均设有固定的栏目，呈现不同类型的实验，粤教版在实验的编排上侧重引导性，而人教版侧重自主性，两版教科书的插图都具丰富性、多样性;在实验内容上，两版教科书在实验内容选择上各有所长，人教版对现代化数字仪器的拓展更深。

关键词：教科书;实验;人教版;粤教版

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）6-0022-5

1    引  言

物理是一门以实验为基础的学科。《普通高中物理课程标准（2017年版）》[1]（以下简称新课标）明确指出，应注重物理实验，通过实验培养学生的核心素养，进一步强调了实验在物理课程育人功能中的价值。其中，教科书中的实验是最基础也是最主要的物理教学实验资源。因此，本文对人民教育出版社和广东教育出版社出版的2019年版普通高中教科书物理必修第一册（以下分别简称人教版、粤教版）的实验进行对比和分析，明确两版教科书实验的编写意图以及处理方式。

2    实验的分类

实验的分类有一定的标准，标准不同，分类也就自然不相同[2]。如表1所示，教科书中所设置的实验，按照实验的教学方式和操作者的呈现分为两类，分别为教师实验、学生实验。其中，教师实验主要指演示实验，学生实验按照实验目的又可细分为探究性实验、验证性实验、测量性实验、设计性实验4类。对各类实验的分类标准进行明确的界定，便于研究后面的操作性统计分析。

3    两版教科书的实验栏目与数量设置分析

两版教科书都根据实验的类型和实验的目的设有固定的栏目。理清教科书中栏目设置的目的和特点，明确教科书中实验的类型及分布，是实验资源合理利用的基础。

考虑到习题和练习栏目的实验主要起巩固和考查作用，因此本文研究对象为教科书中习题和练习栏目以外的实验。

3.1    栏目设置

（1）人教版实验的栏目设置：

除去习题，人教版共设置了17个实验主题，实验在教科书中主要分布在5个栏目。“问题”栏目主要为趣味实验或贴近生活的小实验，旨在创设问题情境，导入新课;“实验”栏目主要为探究实验，旨在培养学生动手、动脑以及科学探究的能力;“演示”栏目主要为演示实验，旨在培养学生的观察和分析能力;“做一做”栏目主要为课后学生动手操作的小型实验，旨在引发学生思考、体验和感悟;“拓展学习”栏目主要为数字实验，旨在结合信息技术的使用，拓宽学生视野。还有一些实验单独成节，是新课标要求的学生实验，用于呈现完整的实验研究方法。

（2）粤教版实验的栏目设置：

除去习题，粤教版共设置了27个实验主题，实验主要分布在3个栏目。“实验与探究”栏目主要为探究实验，设有完整的探究过程，旨在培养学生的科学探究方法和科学探究精神;“观察与思考”栏目主要为教师演示实验，旨在锻炼学生观察、描述、分析物理现象的能力，并从中建立物理概念和物理规律;“实践与拓展”栏目主要为课后学生动手操作的拓展实验，旨在发散学生思维，在实践中培养学生的创新意识和自主实践能力。

3.2    各类实验的数量分布分析

对两版教科书的各类实验进行统计，统计结果如表2所示。 （1）人教版实验类型的设置较为局限，必修第一册中所设置的课后验证性实验和设计性实验的数量为0，没能为学生创造力和动手实践能力的发展提供机会。在所设置的三类实验中，探究性实验最多，可见教科书注重对学生科学探究能力的培养。

（2）粤教版各类实验均有设置，资源分布较为均匀，注重学生综合能力的发展。其中，演示实验资源最为丰富，教科书中的演示实验主要用于将抽象的概念形象化，有利于帮助学生更好地建立概念。

相比之下，粤教版所设置的实验比人教版丰富，且两版教科书所设置的实验资源集中在探究性实验和演示实验，主要用于帮助学生建立物理概念和物理规律。

4    呈现方式比较分析

科学的实验编排方式以及适当的实验插图，有利于教师和学生有针对性地使用教科书中的实验。因此，接下来主要从实验内容的编排和实验插图的选择两个方面来分析比较两版教科书中实验资源的呈现。

4.1    实验内容编排

两版教科书中各个栏目的实验，由于类型不同，呈现的内容以及编排特点也有很多不同。了解教科书中实验的编排，有利于教师进行实验教学设计和学生自主学习。

（1）人教版“问题”和“演示”栏目的演示实验，栏目内呈现简单的实验操作和问题思考，在实验栏目外描述现象并进行解释。“实验”栏目的探究性实验，栏目内呈现实验步骤、实验数据处理指导以及对实验结果的思考，大多数实验要求学生自主设计实验表格记录数据。例如，在“练习使用打点计时器”实验中，就要求学生自主设计表格用于记录时间和位移。对于单独成节的实验，教科书呈现的内容较为丰富，实验前设有实验思路和物理量的测量帮助学生设计实验，并以参考案例的形式发散学生思维，实验后设有详细的数据处理和分析。

（2）粤教版“观察与思考”栏目的演示实验，栏目内引导学生操作和观察实验，针对实验现象设有问题思考，帮助学生养成分析证据的思维习惯，并在栏目外描述实验现象和解释结果。“实验与探究”栏目的探究性和测量性實验，在实验操作前设有问题思考，以指引学生设计实验;实验中，设有详细的实验步骤和注意事项，以指导学生实验操作;实验操作后，设有实验记录表格、实验画图纸，以指引学生处理实验数据;在栏目最后设有问题现象思考，以指引学生总结规律获得结论。此外，教科书在部分探究性实验前还设有预实验。例如，在对“探究加速度与力、质量之间的关系”实验处理上，教科书在实验前设有预观察实验，以指引学生从预实验中形成假设。

总体而言，两版教科书在实验前均注重问题的提出，以明确实验目的并引出实验的开展。粤教版的编排侧重引导性，而人教版侧重自主性。对于高一学生，详细且具体的指引有利于帮助他们在高中物理学习的初期建立规范的实验习惯，掌握实验探究的方法。可见，粤教版的编排更符合高一学生的认知情况。而人教版强调自主性设计，为培养和考查学生的实验设计能力提供充足的机会。

4.2    实验插图

教科书的插图在点缀教科书、概括强化信息、促进学生理解、将抽象文本直观化等方面均具有独特的教育功能[3]。目前，教科书中的插图越来越受到人们的关注，插图也成为评价教科书的要素之一。两版教科书在呈现实验时均注重用插图进行辅助说明，但是插图的数量与类型上有所差异。

（1）人教版共有17个实验，除了“测量纸带的平均速度和瞬时速度”实验，其余16个实验均配有实验装置图，可见教科书插图的丰富性。除了呈现实验装置，有9个实验还在装置图中呈现出了实验现象。例如，“轻重不同的物体下落快慢的研究”实验中，就展示了有空气和真空情形下铁片和羽毛的下落情况（图1）。在数据分析上，教科书中仅有1个实验配有标注横、纵坐标的画图纸，要求学生作出数学图形，有2个实验配有已画好的数学图像，并结合文本对实验数据进行解释和推理。虽然教科书以文本的形式要求学生作出数学图像，进行数据分析，但是画图纸的缺乏会降低学生数据处理的积极性。因此，教师在教学时需要关注这个问题，辅以学案等形式为学生数据处理提供充足的机会。

（2）粤教版共有27个实验，除了“练习使用打点计时器”和“探究影响物体下落快慢因素”两个实验外，其余25个实验均配有实验装置图来辅助实验的呈现。其中，仅有9个实验呈现了实验现象，大多数实验仅呈现实验装置。在数据分析上，有5个实验配有标注横、纵坐标的画图纸，引导学生画数学图像进行数据分析，1个实验配有已画好的数学图像，体现了粤教版教科书注重对学生数据处理能力的培养与考查。

两版教科书的实验插图都体现了丰富性、多样性原则。相比之下，人教版对实验现象的呈现更为丰富，在缺乏实验条件的教学环境下，学生也有机会对实验现象进行分析和思考。而粤教版较少呈现实验现象，为实验的实施留足悬念，在实际教学中能够更好地激发学生进行实验的兴趣与好奇心。在数据分析上，粤教版对学生进行数据分析做了更明确的要求，指引性更强。

5    实验内容比较分析

5.1    数字化实验比较

新课标中明确提出要关注课程的时代性，重视教学中信息技术的应用。随着信息技术的发展，数字化实验凭借其精准度高和智能数字技术为物理实验教学开拓了新的领域[4]。教科书中数字实验的设置，为学生了解、学习和使用新技术提供平台。

（1）人教版设有4个数字化实验，主要分布在“拓展学习”栏目，此栏目是人教版的亮点之一。数字仪器涉及拉力传感器、DISLab位移传感器、智能手机、Pasco压力传感器。对于在“拓展学习”栏目内的数字实验装置，教科书有着详细的介绍，如“借助传感器与计算机测速度”实验中，教科书中通过文字和图片的形式详细介绍了实验的装置与原理。数字化实验在教科书中的作用主要有：一是放大细节，记录中间过程，例如为了更好观察静摩擦力的特点，增加了拉力传感器的实验;二是对实验方案的拓展，例如教科书在传统打点计时器测量速度实验的基础上，拓展了位移传感器测量速度的方案。

（2）粤教版设有5个数字化实验，主要分布在“实验与探究”栏目与传统实验一同呈现。数字仪器有DISLab拉力传感器搭配计算机，光电门搭配数字计时器。数字化实验在教科书中的作用主要有：一是方便测量，例如利用光电门测量速度，研究小球沿倾斜直槽运动速度变化的特点，简化了传统纸带法繁杂的计算;二是作为传统实验的补充，例如针对传统弹簧测力计难以观察运动时示数变化的缺陷，教科书设有拉力传感器研究相互作用力关系的实验。

相比之下，两版教科书均注重数字化仪器的使用与普及。虽然粤教版数字化实验稍多，但是人教版的数字化实验更为丰富多样，涉及DISLab和Pasco两个常见系统，且仪器不仅局限在计算机上，还开拓至智能手机。此外，对数字仪器的介绍上，人教版更为详细、具体，为学生深入了解和研究数字化仪器提供机会。

5.2    实验方案比较

对于同一主题的实验，不同的教科书有着不同的处理，接下来将从物理实验设计的原则分析、对比两版教科书对同一实验主题处理的差异和优劣，为教师对具体实验的处理提供参考。

（1）物理实验的目的性：

实验的开展不仅是为了获得某一次具体实验的结果，更重要的是为了达到教学目的。物理实验的选择、设计与实施都必须服从于教学目的，而非仅仅追求实验器材的新颖性、先进性。有时，从科学研究和实际生产的角度来看是先进的仪器与手段，从教学的角度看未必是最合适的。

例如，在“探究匀变速运动速度变化规律”的实验中，粤教版利用小球在斜轨道的运动，让小球做匀变速直线运动，并通过不断移动光电门C获得速度变化规律（图2）。人教版则直接利用打点计时器和纸带完成实验（图3）。虽然粤教版选择的光电门解决了计时准确性的问题，但是增加了实验操作与实验原理的复杂性，学生的精力集中在理解实验原理与实验过程上，从而削弱了研究匀变速运动速度变化规律这一教学目的的落实。

（2）物理实验的科学性：

实验方案的科学性对于渗透实事求是、严谨科学的态度具有重要作用。实验方案的科学性不仅体现在实验装置与实验原理的科学性，还体现在实验实施的科学性。然而，教科书中一些实验的科学性有待考究。

例如，在“研究滑动摩擦力”实验中，人教版利用弹簧测力计直接用手帶动木块做近似的匀速直线运动[图4（a）]。本实验方案在实施上难以确保物块的匀速直线运动，从而带来较大的实验误差，学生对实验过程与结果的科学性容易产生质疑。同时，弹簧测力计作为观察模块在不断移动，不利于观察。粤教版借助电动机制作了创新实验装置，用电动机确保小车的匀速运动，并将弹簧测力计稳定悬挂，准确测量和观察滑动摩擦力[图4（b）]。相比之下，粤教版的实验方案更具严谨性、科学性。

（3）物理实验的直观性：

物理实验的直观性一方面体现在现象的可见度高，易于观察。另一方面体现在将抽象的概念直观化，帮助学生更好地建立概念与规律，突破思维难点。

例如，在“牛顿第三定律”一课的学习中，学生往往能够理解接触且静止的两个物体之间相互作用力的关系，但是对于不接触以及运动的物体缺乏正确的认识。针对学生的这一情况，粤教版设有包括接触与不接触、静止与运动多个情形的物理实验，同时不仅研究相互作用力大小的关系，还研究相互作用力方向的关系。反观人教版研究的情形仅有两个物体接触下相互作用力的关系，对于不接触的情形，教科书则是在实验后以提问的形式提及。由于缺乏直观的实验现象，结论往往难以让学生信服。相比之下，粤教版在此实验的选择上更加丰富、严谨、系统（图5）。

6    小  结

本文通过分析比较2019年版人教版和粤教版普通高中物理教科书必修第一册中的实验，发现两版教科书都突出了实验在物理课程中的育人功能。栏目上，两版教科书都设有固定的实验栏目以呈现不同类别的实验，其中人教版的栏目设置更为细化。实验栏目的固定化使教科书中的实验目的与功能更加明确，极具引导性和启发性，有利于学生的自学和教师的教学。数量上，粤教版的实验资源较人教版丰富，且实验类型更为多样。在呈现上，粤教版对实验的编排侧重引导性，而人教版的编排侧重自主性。此外，两版教科书的实验插图都体现了丰富性、多样性原则。在实验内容上，人教版对现代化数字仪器的拓展更广、更具体，拓展学习中的数字实验也成了人教版的亮点之一。两版教科书对同一教学内容选择的实验有差异，对于同一实验的处理也有差异，教师也应当基于实验设计与实施的原则，将两版教科书充分结合，理解教科书的编写意图，选择最合适自身情况的实验教学方案，提高实验教学的质量。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]苏利霞.新課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.

[3]宋振韶.教科书插图的认知心理学研究[J].北京师范大学学报（社会科学版）， 2005（06）：22-26.

[4]王春梅. 数字化实验——物理实验教学的助推器[J].中学教学参考，2017（29）：55.

[5]张颖.新课程高中物理教科书呈现方式的研究[J].课程·教材·教法，2011，31（05）：76-81.

（栏目编辑    刘   荣）