中美高中物理教材：实验类型的比较及优化探讨

各版教材都为实验教学提供了丰富的选择，同时各版教材的实验设置都有各自的特色。首先我们来介绍一下各版教材中物理实验的类型和格式编排。

《物理：原理与问题》的学生用书、教师用书和实验手册中都提供了大量的实验。此教材一共包括30章，在每章的开头、中间、结尾固定设有导入实验（Launch Lab）、迷你实验（Mini Lab）和物理实验（Physics Lab）；而教师用书又额外提供了快速演示（Quick Demo）、附加迷你实验（Additional Mini Lab）、实验活动（Activity）和课题研究（Physics Project），穿插在教学当中；配套的实验手册中还提供了实验指南（Laboratory Manual）、数字化实验（Probeware Lab）和法医学实验（Forensics Lab）。

·导入实验顾名思义就是导入一章的学习，设置在每一章的开头，用一种简单有效的方式来介绍这一章的相关内容。导入实验可以是学生操作或教师演示，共有30个。

·迷你实验和附加迷你实验就是学生微型实验、小实验，用一种简单易操作的活动来帮助学生对物理概念原理的理解，穿插在教学环节中进行。迷你实验有30个，附加迷你实验有36个。

·物理实验是一个完整的学生实验，目的是通过实验让学生加深对本章学习的理解和应用，固定安排在每一章的结尾。学生实验在单独的实验课上进行，建议课时为1～2个课时。物理实验有常规实验、实验设计和网络实验三种类型。对于每一个物理实验，教师用书都提供了一个探究型实验的版本作为参考，教师根据情况可以适当替换。物理实验共有30个。

·快速演示就是教师演示实验，频繁穿插在教学中用以辅助教学，共有70个。

·实验活动是一个分小组进行的学生小实验活动，学生之间、学生与教师之间会有一些互动和相互配合。实验活动也穿插在教学中进行，共有33个。

·课题研究是课后布置给学生的实验活动，它可以是实验设计或调查报告，学生自备材料，有的是独立完成，有的是小组合作，之后要在班级进行展示。课题研究共有33个。

·实验指南提供了40个完整的学生实验供教师选择使用，每个实验最后还有一个延展性的问题，包括实验改进方法设计或一个相关实验的设计。

·数字化实验是指使用各种先进技术或仪器的实验，如Labpro界面、CBL界面、各种传感器、图形计算器等。数字化实验共有12个。

·法医学实验则把法医学和侦破整合进物理实验，让学生学会如何将物理知识应用于真实世界。法医学实验共有10个。

人教版《物理》提供了学生实验、实验、演示、做一做、问题与练习、课题研究等几种类型的实验。

·学生实验是完整的学生实验。与其他教材不一样的是，人教版的学生实验独立编为一节，需要1～2课时，由学生分组完成，多为定量实验，学生在物理实验室完成实验操作之后，课后处理数据。学生实验共有11个。

·实验是随堂进行的小实验，也由学生完成，相对学生实验较为简短，多为定性实验。实验共有25个。

·做一做是扩展实验，需要根据学校提供的条件在教师指导下进行，趣味性较强。有的可以利用生活中的器材，有的则需要使用计算机等配套仪器及软件。做一做实验在有条件的情况下鼓励学生多做。做一做共有53个。

·演示为课堂上由教师操作的演示实验，学生同时观察讨论，部分演示操作需要学生共同参与。演示共有46个。

·问题与练习为课本中的问题，其中也有一些实验的题目，其器材较容易获得，难度比做一做的低，学生应该完成。问题与练习中实验题材的题目有15个。

·课题研究是让学生对自己感兴趣的一个现象或问题进行主动参与、积极探索，学生可以查资料、做研究，以自己认为合适的方式展开研究。人教版《物理》按照必修、选修模块等把教材分为很多册，每一册的最后有一个课题研究。笔者选择的必修1、2和选修3共有7个课题研究。

上海版《物理》提供了学生实验、DIS实验、探索研究、自主活动、学习包等几种类型的实验。

·学生实验为完整的学生实验，需要完成完整的实验报告。学生实验可以是DIS实验，也可以是探索研究。学生实验共有22个。

·DIS实验是运用现代信息技术手段进行的实验，共有20个。

·探索研究引导学生提出问题，设计方案（包括实验方案），进行科学探究。帮助学生建立物理概念，掌握物理规律，学习科学方法，感悟科学精神。共有13个。

·自主活动提供了简单的练习，或者一个小实验、小制作，要求学生在课内完成，希望学生通过体验和思考，更加有效地进行学习。自主活动共有29个。

·学习包是一个完整的学习过程，包括提出问题、查找资料、设计方案、进行实验和探究，最后进行小结、交流。要求学生发挥主动性和具备合作精神。学习包共有4个。

我们选择对比的上海版《物理》是在高一和高二开设的基础课程加拓展课程。人教版《物理》选择的是必修1、2和选修3，三年内完成。而美国高中各科目的课程不是平行进行，而是学分制（Block Schedule），先修完一个科目再修另外一个科目，因此学完美国教材的课时在中国相当于三年。

根据实验的规模、方式、功能、目的和手段的不同，将各版教材的实验类型统计如下。(www.xing528.com)

表1-6　中美高中物理教材实验类型比较

从以上表格中的数据我们可以看出以下几个特点。

1.从身边取材，实验微型化

各版教材对于实验的设置可谓丰富多彩，除了完整的学生实验，即包括完整的实验目的、实验过程、实验结论等，还在教学各环节穿插了大量各种类型的小实验，如上海版《物理》的“自主活动”、人教版《物理》的“做一做”、《物理：原理与问题》的“迷你实验”等，后两者微型实验数量的百分比占到了实验总数的70%以上。这些微型实验一般由100～150个文字或单词表述而成，篇幅短小精悍。微型实验同常规实验相比，具有仪器简单、材料少、省时省力、现象明显等特点。同时，由于微型实验的器材来源广泛，取材容易，可达到人手一套器材，从而能实现人人动手。

微型实验规模虽然小，但其教学功能仍定位在培养学生的科学探究基本技能和对科学探究的本质的理解。由于微型实验简便易操作，能极大地激发学生对物理学习的兴趣，有效地提高课堂教学的质量。且微型实验穿插于教学内容当中，是“做中学”的最好体现。例如《物理：原理与问题》第七章的迷你实验：失重的水。这个实验需要在室外操作，用铅笔在泡沫或纸杯的底部和侧面各戳一个小洞，用手指堵住洞口，让你的同伴往杯中倒入染色的水至约三分之二满。1.预测如果放手让杯子下落，里面的水会怎样；2.验证你的预测，放手让杯子下落，仔细观察；3.描述你的观察；4.解释所得实验结果。一个很简单的小实验，就让原本很难解释与理解的物理现象变得直观明了，效果事半功倍。

美国中学尤其提倡用低成本的、随手可得的东西做物理实验。《物理：原理与问题》的实验仪器趋于生活化、简单化、便捷化、经济化。本教材提供的学生实验大多不需要精密的实验仪器，如打点计时器、示波器、气垫导轨等仪器几乎很少用到，而直接从日常生活用品中取材。一支笔、一张纸、一本书、一枚硬币、一个可乐瓶……经过教师匠心独运的设计，就可以用来做各种实验。学生物理实验在潜移默化中培养了学生的动手能力，使他们知道物理学和生活、社会密不可分，使用最简单的东西就可以探索自然的奥秘，而不是必须使用精密的仪器，在专门的教室中才能进行物理学的研究。一本垫高的书就可以形成一个斜面，一个亮度可调的灯泡就可当做黑体辐射的光源。学生通过动手做实验和自制教具或学具，既训练了动手能力和创新能力，又增强了自信心；既体验了自主实验的成就感，又强化了实验的参与意识。

2.加强实验的探究性与开放性

从表1-6的数据可以看出，各版教材都加大了实验探究的力度，还原实验作为探究手段的本来面目，而不只是为验证某一个概念、原理或得到某一个测量值。《物理：原理与问题》的实验设计不过分强调原理的严谨性和测量的精密性，而是通过实验探究的过程，让学生不断地反思自己的观念和操作，在与经验世界的对话中建构自己的知识，充分调动其学习的主动性、能动性和积极性。从每章节开篇的引入实验让学生通过实验探究带着问题开始一个内容的学习，到教学内容当中的迷你实验，《物理：原理与问题》很少平铺直叙地为学生呈现一个原理或规律，而常常以问题的形式，让学生边观察边思考，通过动手主动获取知识，并渗透对探究方法的指导。对于完整篇幅的实验设计，教材以探究过程中的先后作为内容的编排顺序，将探究的一般过程和策略隐含于程序中，如提出问题、假设、制定实验计划、对数据进行分析与论证、评估、交流与合作等；通过实验加深学生对科学知识的理解，经历科学发现的过程，在潜移默化中建立学生科学认识论和方法论的“认知结构”，以培养学生的科学素养。学生在动手操作时，无意识中学习了这些探究的技能，并应用到其他问题的解决中去。同时，教材在前后各章所设置的探究实验中，注重一定的梯度变化，所给的操作步骤由详到略，实验过程也从部分探究逐步走向全部。

进入高年级后，学生的知识和探究经验逐渐丰富，教材根据学生的知识水平和实验能力，把握探究的程度，设计出不同层次的探究实验；提出假设、制定计划也由半开放逐步走向开放。这样，学生的主体性不仅得到了发挥，而且对实验的积极性也提高了；由浅入深，让学生逐步掌握各种探究能力、学会研究的科学方法。

常规性实验的内容常常是封闭的，教材给出详细的实验步骤、任务要求，实验仪器也事先由教师准备好，学生只需按部就班地完成。而开放性实验则给学生提供了更为自由的发挥空间，可以是条件开放、仪器开放、方法开放或结论开放等。《物理：原理与问题》设计实验时，注重封闭性和开放性相结合，并渗透对探究方法的指导。如第二十章静电所设的实验——带电物体：提出问题，让学生探寻不同材料的物体倾向于带正电还是带负电，然后列出不同材料带正负电荷的顺序；给出学生可能需要用到的材料，如丝线、塑料尺、橡胶棒、玻璃棒、铜管、羊毛、保鲜膜、蜡纸、锡箔等；给出实验必要的一些指导，用悬挂的塑料尺来判断材料摩擦后带电的种类，然后引导学生自行设计实验具体方法及步骤；列出实验现象收集表格；分析实验现象，解释实验结果出现的原因；结论与应用，解释日常生活中的静电现象；延伸部分，让学生自制一个验电器，然后重做这个实验；最后点出与真实世界的联系，让学生解释为什么卡车后面常常拖着一根橡胶带或铁链子。本实验属于一个半开放式的实验，教材为学生搭建好了框架——告诉学生要探究什么，具体怎么做则由学生自己决定。有的实验也没有固定的结果，或者说实验目的并不侧重于结果，而侧重于学生经历了探究的过程，不仅加深了学生对知识的理解，而且通过学生间的相互交流与合作也增强了物理学习的趣味性和亲和力。

3.真实实验与模拟实验相结合

根据人们的认知方式可以将物理实验划分为两大类——真实实验与模拟实验。真实实验是指实验所研究的对象为客观存在的真实物理现象或过程；模拟实验是指设计与原型（物理现象或过程）相似的模型，并利用该模型间接地研究原型规律的实验方法。

在学习的过程中，要让学生形成正确的物理概念和物理规律，首先需要学生拥有一定的感性认识。这种感性认识可以来自生活环境，也可以来自实验提供的现象和事实。各版教材采取了真实实验与模拟实验相互结合的方法，真实实验所占比例达到90%以上，让学生通过直接观察来研究事物的真实现象或变化过程。而对一些超出人们活动范围的物理问题，如宏观天体的运行规律、微观粒子的运动变化等，通常学生无法在实验室通过真实研究来建立概念和认识规律，并且学生的知识水平还受到了相应的限制。因此，仅通过单一的实验模式来使学生认知物理概念和规律有时会遇到很大的困难，但运用模拟实验则可以弥补以上的不足，能够帮助学生通过建立模型、采用类比的方法来对物理事实获得明确、具体的认识。

如在天体物理部分，《物理：原理与问题》用图钉、铅笔和细线来绘制行星运行的椭圆轨道，较好地帮助他们对抽象的万有引力规律获得清晰的认识。上海版《物理》用一个气球来模拟宇宙，用记号笔在气球表面画点来代表星球，随着气球的膨胀，我们发现所有的点都会远离彼此，很好地诠释了宇宙膨胀的现象。

如分子运动论部分，人教版《物理》设计了一个用豆粒代替分子的模型来演示气体压强产生的机理，大量豆粒随机敲打在测力秤上，对秤产生力的作用，因此产生压强。《物理：原理与问题》在“现代物理”中也用了较多的模拟实验，帮助学生积累丰富的表象认识，以促进物理知识的学习；用两颗钢珠和斜轨道来模拟光电效应，从不同高度释放的钢珠来模拟不同颜色的光子，而位于轨道底部的钢珠则模拟金属内部的电子，从而研究两者间的相互作用；用磁场对作圆周运动的钢球轨道的影响模拟质谱仪中电荷的运动状况等。

教学中合理地运用模拟方法，通过模拟实验的仿真功能，再现“物理变化”，能有效地帮助学生对物理中的抽象事物获得明确、具体的认识，促使正确概念和规律的形成。各版教材在设计模拟实验上开展了有意义的探索。实验通过虚拟的物理情景，让学生动手操作“仿真”的物理过程以获得丰富的感性认识，并促成了理解物理知识和提高实验能力的教学目的。

4.使用传统实验器材为主，适当使用现代信息技术

通过对比我们发现，各版教材所设置的实验使用到的器材仍然以传统的简单器材为主，表1-7列举了部分常用器材。

表1-7　教材中常用的实验器材

高中物理学习的大多是物理学的基本原理，因此大部分的实验只需要用到较为简单的器材，就能揭示物理的基本规律。比如摩擦力，仅用一个小木块、一个弹簧秤、一块木板、一条毛巾，就能让学生了解到摩擦力的存在、最大静摩擦力与滑动摩擦力的比较，甚至能测出不同表面的摩擦系数，简单明了。物理是生活中的科学，我们甚至可以利用生活中随处可见的物品来做实验，达到同样的效果。比如一杯水，可以演示自由落体、浮力、大气压、流体的连续性等一系列的实验，简便易行，而且会让学生体会到物理无处不在，拉近学生与物理学科的距离。

高中学生实验的理念是培养学生的科学素养，侧重于让学生对问题展开思考，设计出有效的方案，通过收集基本信息，分析判断得到结论，而不过分追求实验器材的精度。如果实验结果与理论值偏差较大，则要分析影响因素，提出有效的改进措施。

在高中阶段需要适当使用现代的数字化测量仪器。传感器的利用使得很多实验变得简单易行，如利用运动传感器可以非常方便地绘制运动图像，使得一些复杂运动如平抛运动、简谐振动等运动特点变得直观易懂，使得牛顿第二运动定律、圆周运动的研究也变得容易操作。有了传感器，学生的研究领域也能得以拓宽，如使用电流传感器可以观察电容的充放电过程，使用电压传感器可以绘制电场的等势线，变定性为定量，变抽象为具体，把一些以前只能模糊描述的问题清晰直观地向学生呈现。某些实验还可以使用数字化的仪器与传统的手段进行对比，如光学实验部分，先大致观察激光产生的干涉、衍射、光栅图案，再进一步用光强传感器扫描，用电脑软件得到光强图像，得到三者的显著区别，同时让学生感受现代科技的作用。近代物理部分的研究对象常常是微观世界的例子，因此用常规实验手段无法做到。利用模拟的方法固然能达到预期效果，但在有条件的情况下，恰当地使用一些先进的仪器能更好地展开研究，如利用盖革计数器来研究放射性等，也让学生学会安全使用危险仪器，培养自我保护意识。

这里值得一提的是，人教版《物理》和上海版《物理》在运动实验部分还专门介绍了几种测量仪器的结构及工作原理，如打点计时器、运动传感器、光电门，让学生不但要会使用，还能知其然并知其所以然，了解仪器能精密测速的原因。适当向学生普及各种现代技术仪器的工作原理，有利于让学生展开思考，同时体会物理学的发展。