中美高中物理科学探究实验教学的对比分析

【摘要】科学探究是物理学科核心素养中重要的组成部分，也是与物理实验结合最紧密的。本文通过分析美国明尼唐卡高中关于“机械能守恒定律”的探究性实验课，来比较中美中学物理教学中的实验教学差异。通过对比分析，总结出中美课程设计的四点不同，并分析美方教学设计的优缺点，进而提出我国相关课程设计的改进建议。

【关键词】物理实验 对比研究 科学探究 美国高中 机械能守恒定律

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2024）10-0145-03

一、研究意义与背景

（一）科学探究与物理实验教学

物理学科核心素养中，科学探究最为强调理论与实践的结合，贯穿了物理教学的全过程。科学探究的过程需要物理实验来承载，物理实验也需要科学探究的流程来支撑[1]。物理实验通过将理论应用到现实场景中，将枯燥乏味的物理理论立体化、趣味化，让学生能看到、听到、感受到，进而加强对理论知识的理解，是物理教学中重要的一环，是实现“科学探究”要求必不可少的拼图。

（二）中美中学物理教学的差异

中美两国的科学教育存在显著差异。我国的物Ag4ihpnPserD2AW1W0Hl5AEn4fC4z0IyZ71YFvHwWrI=理课堂多以教师为中心，注重理论的学习和推演，学生多是被动接受，对实验、应用和动手能力关注不够；相较而言，美国物理课堂以学生为中心，更加侧重实验和动手能力，学生主动学习、主动思考的能力更强，但是在基础教育中的理科教育水平明显低于中国。

本文以物理教学中“机械能守恒定律”的探究性实验教学为研究对象，选取了一节美国高中的探究性实验课，与我国相应教学内容进行了对比分析。

（三）美国中学研究对象情况简介

明尼唐卡高中是一所四年制公立高中，位于美国明尼苏达州明尼阿波利斯—圣保罗西郊的明尼唐卡地区。明尼唐卡高中是明尼苏达州第二大高中，2023年共有在校学生3540名（9～12年级）。明尼唐卡高中被美国教育部认定为“国家优秀学校”，并被明尼苏达州教育部部门评为“五星”级，同时还被 Niche.com、《美国新闻与世界报道》《新闻周刊》和《华盛顿邮报》评为美国最好的高中之一。从2011年开始，明尼唐卡高中就推出了1∶1 ipad计划，为每一位学生配备ipad，并为所有教室都配备了智能面板，以促进教师和学生的技术教学。

二、关于机械能守恒定律的实验探究

（一）课程背景和目标

作者于明尼唐卡高中旁听并参与了一节主题名为Our inquiry-based Lab：A Whopping“Popper” of A Good Time（探究性实验课：与Popper的美好时光）的物理课程。该课程为明尼唐卡高中的日常课程，没有提前约定听课并做准备和设计，因而这节课展现的是最原始的美国课堂。本节课具体情况如表1所示。

表1 明尼唐卡高中物理实验课程情况

本节课实验的对象，是一个叫做“Popper”的橡胶玩具，如图1所示。Popper呈半圆形碗状，将Popper的底部由内侧顶上来后，玩具由于形变具有了弹性势能。将翻上来的Popper从一定高度自由落体扔到地面上后，由于地面冲击使得Popper形变恢复，从而释放弹性势能，使Popper跳起到比初始下落处更高的高度。在整个实验过程中，涉及重力势能、弹性势能和动能之间的转化。通过Popper跳起高度与释放高度间的变化，可以求得释放的弹性势能。再通过测量Popper相关尺寸参数，进而可以估计Popper弹性系数。

整个探究实验围绕着一个看似简单的Popper玩具，将重力势能、弹性势能、动能以及机械能守恒的相关知识真切地展示出来，并让学生通过自己的努力，测量和计算得到弹性系数。这样的实验设计过程有趣生动，让学生有强烈的参与感，能更切身感受到物理的魅力所在。

图1 Popper的外形

（二）课程安排与要求

课程开始后，教师在给学生们演示了Popper玩法之后，带领大家简单地回顾了能量的知识，并引导大家来分析Popper能够跳得更高的原因。进而给出了本节课的实验探究目标——测量和计算Popper弹性系数k。

随后，教师发放了实验报告，报告上包括简单的实验步骤提示和数据记录表格。教师简要地讲解了实验步骤，并约定下节课各组来展示自己的实验过程、数据处理过程和实验结果，随后就进入到学生自由分组进行实验的部分了。

以上整个讲解大约在20分钟左右，而学生自主实验时间长达40分钟。在学生自主实验的时间里，教师负责随时解答同学们实验中遇到的问题。

（三）详细实验过程

整个实验主要包括实验测量、数据处理和结果计算三部分。

Popper运动位移和时间的测量是通过录制视频和图像处理软件来进行的。一名同学在竖直放置的米尺旁边进行实验，同时另一名同学采用ipad进行录像。之后将录制成功的视频导入“Logger Pro”软件进行数据处理，得到位移-时间数据序列。

应用软件的v-t图和x-t图的绘制功能，得到所需要的数据并计算得到弹性势能Ek。采用刻度尺测量Popper形变大小x，由公式Ek=1/2kx2来估算得到弹性系数k。

三、中美物理教学实验设计的对比与分析

通过这样一节实验探究课程，窥一斑而知全豹，作者认为在落实科学探究这一核心素养时，美国中学物理教学与国内有着以下区别。

（一）实验目标侧重不同

我国实验设计意图，往往更加倾向于以科学定律的归纳和验证为目的。比如同样是机械能守恒的探究实验，国内常用的探究实验一般包括以下几种[2]。

1.通过单摆摆动高度的不变性，归纳重力做功下的机械能守恒。2.通过水平或竖直弹簧振子，振动幅度的不变性，归纳弹性力做功下的机械能守恒。3.学生分组实验：应用打点计时器，测量自由落体运动的速度与位移关系，来验证机械能守恒定律。4.学生分组或演示实验：通过运动传感器或打点计时器，测量倾斜气垫导轨上滑动小车的速度和位移，验证机械能守恒定律。

我国实验探究过程更加注重学生科学思维培养，注重归纳和验证的逻辑演绎过程，在理论性上具有很高的造诣[3]。但结合实际生活应用进行测量计算的实验却非常少。

美国高中物理实验则更多地贴近生活、注重应用[4]。本节课的实验就是应用理论知识和实验技术，来解决生活中的具体问题。这样的实验中，没有过多的标准化实验器材与流程，其实验过程训练更加贴近工程应用，也更加能够体现物理的实际意义。

（二）实验手段的更新程度不同

本节课的实验中，测量部分采用了摄像和图片处理手段，整个测量和计算过程大部分依赖于电子设备和软件来进行。此类实验技术已十分成熟，实际研究中也经常采用类似的手段进行实验研究，不仅体现了物理实验的实用性，也大大提高了学生的实验效率，增强了学生进行科学探究的成就感。

对比来看，目前我国绝大部分中学物理实验室提供的学生实验测量方式，还主要停留在纸质绘图、手动计算的阶段[2]。比如，测量速度和位移，一般局限于打点计时器；绘制平抛运动曲线，采用逐点测量记录；绘制伏安特性曲线，采用方格纸手绘拟合，等等。这些测量仪器和测量方式能够在一定程度上锻炼学生的实验能力，加强学生对物理规律的理解。然而，这些实验测量手段大多并不具有实用性。当学生进入本科或者研究生阶段，开始进行更高标准的科学研究时，往往需要重新学习实验手段，比如高速摄像、激光测振仪等。这种初级的研究手段让学生“还未学会，就已过时”，增加了重复学习的成本，不利于物理教学的长久发展。

当然，我们的实验手段近年来也在不断更新换代[5-6]，但是许多先进的实验方式还停留在教师演示阶段，真正地普及给每个学生尚需时日。随着电脑和智能手机的普及，我们有条件更多采用现代化实验手段，让我们的实验探究更加灵活实用。

（三）课堂结构不同

通过与美国教师交流，作者得知，美国物理课堂通常只有1/3～1/2的时间是教师讲课时间，而其余时间全部是学生自主实验探究时间。从这样的课堂结构中可以看到，美国中学物理教学对于学生自主探究的重视与培养。现阶段，我国中学教学也愈加重视学生物理核心素养的培养，重视科学探究的过程与方法。但相比较来看，我国的课堂还是以教师讲授和演示实验为主，学生实验仅仅占据较小的比例。

（四）教师与学生的互动方式不同

同样是进行实验探究课程，美国课堂的教师采用了更加“随意”的方式，仅提供基本的实验思路，并不会很具体地讲解每一步实验操作、实验注意事项。而我国的实验教学，则更加注重细节，教师往往要将实验器材、实验目的、实验步骤、实验注意事项、实验结论一项项讲明白，然后才让学生动手操作。美国高中的物理实验教学更像是“牧羊犬式教学”，由教师划定大概的范围，并在教学推进中不断互动，调整范围与路线；而我们的物理实验教学则是“领头羊式教学”，由教师划定具体路线，学生只需循迹而行即可，确定性提高了，但是灵活性较低。

四、美方实验教学方式的不足

美国高中物理的科学探究实验教学，总体看来具有灵活、创新、实用、与时俱进等特点。但从多角度分析，此种教学方法也有弊端。

1.课堂深度难以保证，课堂效果因人而异，差异性大。美国课堂采用“少讲课、多自主探究”的形式，非常依赖于学生的自学能力和动手能力，也依赖于学生的自觉性和悟性。同时，由于讲课时间的限制（仅20分钟），教师很难对实验探究过程进行详尽的总结和归纳，从而容易使探究过程流于表面，难以深入。2.课堂效率低，对课堂人数限制严格。美国课堂采用的时间结构安排与互动方式，决定其只能进行小班教学。本文案例中提到的课程中，学生数量仅在20人左右，但教师在整个40分钟的实验探究部分，都在不断地指导学生和与学生讨论，教师时间已经被充分利用。由此可见，该类教学模式不太可能容纳更多的学生参与教学。这种“小班制”教学带来的人力成本和设备成本都是巨大的，而相应的课堂效率却并没有那么高。结合我国的教育资源现状，完全照搬美国的探究式课堂是不实际的。

五、建议

结合这节探究式课堂以及对两国教学特点的思考，作者认为在培养学生科学探究能力的教学上，我们可以有如下的改进。

1.在注重理论归纳与验证的基础上，进一步加强理论与应用的结合。结合生活实际，设计解决生活应用的实验，让物理探究实验更加“实用”和“实际”。2.结合地区和教学实际情况，优化实验仪器和实验技术。适当地加强学生现代化的实验技术的培养，从而提高实验效率和复杂度。3.适当优化教师授课和学生实验探究的课时比例安排，能够有更加充裕的课时来更好地培养学生的科学探究能力。

通过对比中美两国物理教学中的实验教学，一方面，我们要找差距、补不足，决不能故步自封吃老本，要学习美国中学物理教学中的精华之处，为我所用，对我国的物理课改乃至基础科学教育的发展都大有裨益。另一方面，我们也要结合我国基础教育的基本现状，因地制宜、因时制宜，不能一味照抄照搬国外的教育教学模式，取其精华，去其糟粕，用辩证的方式科学发展物理教育教学方法，围绕物理学科核心素养的四点要求推进工作，不断探索，不断实践，不断努力。

参考文献：

[1]陆佳娜.基于新课改背景下初中物理实验教学的有效实施路径与思考[J].广西物理，2023，44（2）：78-80.

[2]刘轩维.浅谈高中物理机械能守恒实验的设计[J].中国教育技术装备，2018（19）：127-128+133.

[3]戴耀东.基于学习进阶的高中物理实验教学设计——以“探究加速度与力、质量的关系”为例[J].物理教师，2023，44（9）：13-16.

[4]郭芳侠，何琳，韩丽梅.中美高中主流物理教材实验难度及探究水平的比较[J].物理实验，2022，42（12）：52-59.

[5]王锦华.Phyphox软件辅助中学物理实验研究[D].通辽：内蒙古民族大学，2023.

[6]王唯杰.VR技术在高中物理实验教学中的应用研究[D].贵阳：贵州师范大学，2023.