中日高中物理教科书力学实验插图比较研究*

侯新杰 赵文钰

（1.河南师范大学物理学院，河南新乡，453007；2.郑州市第十一中学，郑州，450016）

插图是教科书的重要组成部分。图文结合的呈现方式可以提高学生阅读效率，还可以激发学生的学习兴趣。教科书中所设计的插图有照片、简笔漫画、示意图、数据图表等多种形式。教科书实验插图可以让学生更加生动形象地理解实验原理，让学生直观明了地观察实验装置设计，还可以向学生展示实验的步骤和结果，帮助学生顺利完成实验。不同版本高中物理教科书的实验插图有不同的特点。为了了解国外高中物理教科书实验插图的特点，本文对中日两国高中物理教科书的力学实验插图进行分析和比较，发现其异同，为我国高中物理教科书实验插图编写提供借鉴建议。

日本学生高中物理需要学习两本教科书，分别是《物理基础》和《物理》。本文选取的日本教科书是在日本较为广泛使用的东京书籍株式会社所出版的《改订新编物理基础》[1]和《改订物理》[2]两本教科书的力学部分。两本教科书都是根据日本《高中学习指导要领》的要求编写出版，通过日本文部科学省审定的教科书，是日本当前最新的高中物理教科书。我国高中物理教科书选取的是人民教育出版社2019 年出版的高中《物理》必修第一册[3]、第二册[4]、选择性必修第一册[5]力学部分，是根据《普通高中课程标准（2017 年版）》编写，通过国家教材委员会专家委员会审核的教科书，反映了新课标要求。参考苏蕴娜的研究[6]，按照从具体到抽象的递进关系，将插图类型分为实物图、示意图和数据图表三类。关于插图内容的分类，参考杜爱慧的研究[7]，除去数据表格外将插图分为实验原理图、实验器材图、实验装置图、实验操作图以及实验结果图五类。

一、中日高中物理教科书力学实验插图类型的比较

按照力学模块划分对两国教科书力学实验总数进行统计，人教版教科书共有力学物理实验71个，东京版教科书共有实验63 个。依照前文所述的插图类型对中日两国教科书力学实验部分的实验插图进行分类和统计得到表1 和图1、图2。

表1 中日两国力学实验不同类型插图数量

图1 中国力学实验不同类型插图分布

图2 日本力学实验不同类型插图分布

经过统计，我国教科书力学实验插图共有97幅，日本教科书力学实验插图共有106 幅。日本教科书力学实验总数少于我国，但是实验插图数量多于我国，说明日本教科书更加注重通过设置插图来向学生传递信息。通过图1 和图2 的比较我们可以发现两国教科书在插图的选择上示意图都占比最高，都占力学实验插图总量的74%。这是因为相较于其他类型的插图而言，示意图可以向学生传达更多的信息。示意图在向学生展示实验器材的同时，还可以向学生传达实验装置的设计、实验操作的重要步骤、实验中的物理现象等信息。这说明两国教科书都重视用插图给学生提供实验参考信息，帮助学生创设物理情境。

我们还可以发现，两国教科书力学实验插图实物图和数据图表的数量和占比明显少于示意图。数据图表的数量少是因为数据图表一般只出现在大篇幅学生实验的数据处理步骤当中，而教科书中所出现的演示实验和学生小实验都以实验的操作作为重点，在教科书上少有附带数据图表。实物图的数量少是因为实物图展示的是实验装置或相关生产活动的信息，学生在这两类插图中能提取到的信息要少于示意图。使用频率较多的仪器（如：打点计时器）往往在教科书知识点部分会进行专门的讲解，故不会出现在实验的内容中。实验内容中以实物图形式展示的仪器，大部分是该实验的专门仪器。例如在人教版教科书必修二第六章第二节“探究向心力大小的表达式”的实验中，就介绍了向心力演示仪的构造，如图3 所示。在人教版必修二课题研究部分向学生提供参考课题时，给学生展示了掷标枪选手的动作照片，如图4 所示，是与课题相关生产生活的实物图。东京版教科书物理第四章第一节“双重钟摆”实验中就向学生展示了钟摆拼接所需的器材，如图5 所示。在东京版教科书物理第二章的第一节“音波干涉”实验中就展示了实验所需的低频振荡器和示波器，如图6 所示。

图3 向心力演示器

图4 投掷标枪动作

图5 双重钟摆拼接所需材料

图6 低频振荡器和示波器

二、中日高中物理教科书力学实验插图内容的比较

在插图内容的分类上，除去数据表格外，将余下的插图分为实验原理图、实验器材图、实验装置图、实验操作图以及实验结果图五类。

实验原理图对学生进行的是实验原理的说明，例如对位移传感器测速度的原理进行可视化的处理。实验器材图展示的是进行实验所需的相关实验仪器，但不对学生进行装置设计或是实验操作等的展示，例如向心力演示器的实物图照片。实验装置图展示的是由实验仪器设计组装成的实验装置，就实验仪器的装配向学生起到了示范作用，例如自由落体运动的实验装置。实验操作图是对实验过程中的某一步操作或是实验现象进行展示，插图中包含实验员对实验进行操作的动作或是实验现象，例如测量静摩擦力的实验操作的照片。实验结果图所展示的是实验的最终结果，或是通过一系列的操作展示出实验的完整步骤及结果，例如牛顿管中羽毛和铁片的下落。

依照上述概念将中日两国力学实验的实验插图进行分类和统计得到表2 和图7、图8。

图7 中国力学实验不同内容插图数量占比

图8 日本力学实验不同内容插图数量占比

表2 中日两国力学实验不同内容插图数量

经过统计，除去数据表格外，我国教科书力学实验部分插图数量共有89 个，日本教科书力学实验部分插图数量共有82 个。除实验装置图和实验操作图外，其余三类插图数量占比我国均多于日本。

实验原理图相较于其他插图来说更加抽象，日本教科书力学实验部分没有实验原理图，说明日本教科书在力学实验的教学过程中更加注重对学生实验操作相关能力的培养。

从实验内容分布图的比较中可以发现，我国教科书不同种内容插图的数量分布相对均匀，而日本教科书的实验操作图要远多于我国教科书其他种类的插图。实验操作图中包含了实验仪器的选择以及器材的装配，并且在操作过程中也为学生进行了一些示范，所包含的信息要多于实验器材图、实验装置图和实验结果图。说明日本教科书注重通过操作图在向学生展示实验器材及装置的设计的同时，为学生进行操作示范或是展示实验当中可能出现的现象及结果。

三、中日高中物理教科书力学实验典型案例比较

在针对同一实验所设计的插图和同类型插图的内容设计上，中日两国教科书也不尽相同。下面通过案例进行说明。

案例一：在“自由落体”这一节内容中，两国教科书都在课外小实验中设计了“制作反应时间测量尺”这一实验。我国教科书中的插图如图9 所示，日本教科书中的插图如图10 所示。我国教科书在插图的呈现上选择了实验器材图，日本教科书在插图的呈现上选择了漫画形式的实验结果图。直尺是学生生活中常见的文具，我国学生从插图中能获得信息很少，而日本教科书直尺上的时间刻度可以进一步激发学生思考为什么长度的刻度可以变为时间的刻度。同时也为学生制作反应时间测量尺提供了样例进行参考，因此该实验中日本教科书的实验插图设置更加合理。

图9 中国“时间刻度尺”

图10 日本“时间刻度尺”

案例二：我国教科书必修一课题研究中“球形物体空气阻力与速度关系”这一实验中需要借助摄像机来进行录像或频闪拍摄。日本教科书研究“抛体运动的运动规律”这一节的实验中也需要使用摄像机来进行频闪照片的拍摄。我国教科书中的插图如图11 所示，日本教科书中的插图如图12 所示。两国教科书都选择了实验器材图，我国教科书只对铁架台的装配用简笔画的形式进行了展示，而摄像机的准备与使用只出现在文字内容中。日本教科书在进行实验装置的展示时，包括摄像机在内对实验场景进行了展示，完整实验装置的展示可以帮助学生对实验有更加全面的了解，提高学生的实验效率。

图11 中国“球形物体空气阻力”插图

图12 日本“抛体运动轨迹”插图

案例三：在实验操作图的呈现中，我国教科书所呈现的操作过程较为单一，基本只停留在双手对实验装置的操作，如图13 所示的是人教版必修一中的“测量静摩擦力大小随拉力变化”这一实验中的插图。除双手操作外，日本的操作图相较之下更加的多元化，如图14 所示的“抛体运动轨迹”实验中实验者对实验的操作，如图15 所示是“求功率”这一节实验中漫画小人对实验过程的示范。在日本的教科书中，真人实验员均身穿白色实验服，教师实验身穿衬衣，体现了实验和课堂的严谨性，漫画小人的设计在为学生进行课后小实验示范的同时也增添了实验的趣味。

图13 中国“测量静摩擦力大小”插图

图14 日本“抛体运动轨迹”插图

图15 日本“求功率”插图

四、教科书实验插图编写的建议

1.适当增加实验操作图数量，充分传达插图信息

通过对两国教科书的比较，我们可以发现日本教科书在使用插图时更侧重于使用实验操作图，这是因为实验操作图是反映实验环节的图片，不仅包括实验器材和实验装置，还包含了实验者的操作行为或是实验过程中相关的物理现象，可以向学生传达更多的信息。操作者的行为可以对学生的实验操作起到良好的示范作用，实验现象的展示可以让学生提前预知实验会出现的现象，如果实验过程出现问题可以被及时发现，提高学生的实验效率。

2.丰富课外实验插图内容，引发学生积极思考

日本教科书在学生课外实验中设置了较多的实验操作图和实验结果图，结果图的设计更可以引发学生思考应当如何设计实验才能达到插图中类似的效果。我国教科书在课外实验的插图设置上较多地使用了实验器材图，部分实验没有设置插图。课外实验插图应设置实验操作图或实验结果图等更加丰富的其他类型插图内容，没有设置插图的课外实验要设置合适的插图，进而引发学生在课外实验中积极地思考。

3.提高实验插图的趣味性，引起学生阅读兴趣

日本教科书在设置插图时，还大量使用卡通画小人绘画出实验的操作过程，增添了插图的趣味性。这样的设计可以丰富教科书的插图形式，提升教科书的趣味性，相较于对实验仪器简单的描绘，更可以引起学生的阅读兴趣。