中美高中物理教材实验题材的比较

从上一节的调查数据中我们可以看出，实验教学的重要性在中美教材中都得到了强调，接下来我们分析一下这几种教材提供的实验题材。

《物理：原理与问题》及其教师用书与实验手册提供了大量各种形式的实验，其中教师用书在每一节开头都有一个导入活动（Bellringer Activity），因为规模较小、数量较大，因此并未列入统计范围。表1-8和图1-1为此教材涵盖的知识内容与实验题材分布。

表1-8　《物理：原理与问题》知识内容与实验题材分布

图1-1　《物理：原理与问题》各部分知识内容比例与实验比例

人教版《物理》的必修模块及选修模块3也提供了较多实验。表1-9和图1-2为这套教材涉及的知识内容与实验题材分布。

表1-9　人教版《物理》（必修模块与选修模块3）知识内容与实验题材分布

图1-2　人教版《物理》各部分知识内容比例与实验比例

上海版《物理》高一、高二的基础课程与拓展课程，内容及实验数目相对少一些，因此比例比较能够客观反映实验分布。表1-10和图1-3为这套教材涉及的知识内容与实验题材分布。

表1-10　上海版《物理》（基础课程与拓展课程）知识内容与实验题材分布

图1-3　上海版《物理》各部分知识内容比例与实验比例

高中物理学各大板块知识内容本来就不均匀，我们对比各知识内容比例来进行分析。通过对比分析柱状图，我们发现以下特点。

1.实验题材格局均以经典物理学为主导

各版教材的实验选材仍然是以经典物理学为主导，以力学和电磁学为题材的实验超过实验总数的一半；其次是波动学与光学，比例略低于电磁学；以热学为题材的实验也占了一定比例；近代物理学实验偏少，上海版《物理》在这一部分只设置了一个小实验。(www.xing528.com)

在众多的实验中，各版教材仍然收录了大部分的经典实验，如：用打点计时器测量小车的速度、共点力的合成、研究加速度与作用力的关系、观察下方开孔装水塑料瓶的自由下落、摩擦系数的测量、圆周运动的研究、伏安法测电阻、电池感应电动势与内阻的测量、串并联电路的研究、研究感应电流产生条件等。

除了上述优秀经典实验，很多新开发的实验也在各版教材得到充分体现。如上海版《物理》的浮尘子实验，人教版《物理》的用反射镜观测桌面的微小形变、水平漏水容器的旋转、用玻璃管中的蜡块演示二维运动、观察灯泡亮度变化、体验自感、用铝框与条形磁铁演示电磁驱动、在磁场中旋转的通电液体、摇绳发电，《物理：原理与问题》中的用铅笔和纸板演示质心与稳定平衡的关系、通过增加倾斜角来测量平面静摩擦系数、探究血滴下落高度与滴痕半径的关系（法医物理学）、下落弹簧压缩距离与小球上升最大高度的关系、寻找斜抛物体射程与发射角及发射速度的关系、用传感器绘制下落物体v-t图以寻找终极下落速度、研究实心小球与空心小球的碰撞、引力质量与惯性质量的对比、用转椅演示角动量守恒、自制验电器、用悬挂的小铁钉演示电磁铁周围的磁场、观察摆动线圈在磁场中的运动、简易电动机的制作、自制变压器、用磁铁与小钢珠模拟质谱仪的工作原理等。

2.《物理：原理与问题》的实验选材分布相对较为均衡

《物理：原理与问题》按照内容分布均匀设置实验，实验数目与内容比例基本一致。由上一节的介绍可知，这版教材中的实验格式非常统一，每章在开头、中间和结尾固定设有实验，保证学生在对每一部分内容学习时，都能动手参与，且有直观的了解，而不完全是理论的学习。配套的实验手册中的实验用来供教师选做，也基本兼顾到各个章节的内容。

人教版《物理》也设置了为数不少的（157个）各种形式的实验，这与以前物理教学几乎全靠教师一支粉笔、几张插图的年代相比，无疑是一大进步。然而，人教版《物理》的实验虽然在总数上有明显增长，但题材分布还不够均衡，有些内容实验开发过多，有些内容则过少甚至完全没有设置实验。从柱状图上明显地可以看出，这版教材在波动学与光学部分设置了相对较多的实验，这可能是由于波动学与光学本来就建立在实验研究的基础之上，因此可供作题材的实验非常多，甚至同一个题材的实验可以有多种形式来进行。如波的干涉这一节内容，此版教材就提供了9个实验，其中包括4个演示实验：演示绳子上波的叠加、演示水波的干涉、演示单色光的双缝干涉、演示用白光做双缝干涉实验，1个学生实验：通过双缝干涉测量波长，4个扩展实验（做一做）：在操场上研究声波的干涉、用胶片或玻璃片观察灯丝的双缝干涉、用光传感器做双缝干涉实验、用羽毛做光栅实验。其中有使用实验室常规仪器进行的定性的观察、定量的测量，还有使用传感器和计算机等精密仪器的测量，也有学生可以在自己家独立进行的使用身边日常用品来操作的趣味小实验。

同样地，上海版《物理》实验选材分布也不均衡，有的知识实验比例过多，其他部分过少，如热学部分实验就偏少。《物理：原理与问题》从初中到高中采用的完全是螺旋式上升的结构，包括了热学全部的内容，有温度、热传导、比热、物态变化、分子运动论、气体、热力学和液体及固体的属性。而国内的教材则将热学的内容一分为二，把较简单的温度、热传导、比热、物态变化放到了初中，其余部分则在高中阶段着重学习。这一点人教版和上海版《物理》的做法是一样的，但人教版《物理》设置了20个实验，而上海版《物理》则只有7个。这部分内容确实不像初中的热学那样贴近生活，因此对实验设计的要求较高。我们来对比一下人教版《物理》和《物理：原理与问题》的热学部分实验设计。

比如分子运动论部分诠释的是微观世界的规律，因此比较适合用虚拟的方式来呈现。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，因此产生了压强。对于无法真实演示的实验，利用模型间接地来研究原型的规律，不失为一个好的方法。又如熵的概念，狭义的熵被定义为一个热力学系统中粒子的无序程度，而广义上又可以引申为任何事件的无序程度。为了让学生理解任何自然发生的不可逆事件都会引起熵增，《物理：原理与问题》采用了模型替代的方法，用一副纸牌来模拟系统中的例子，学生发现随着洗牌，纸牌的顺序变得越来越混乱，而要把纸牌重新排列所需的时间就越来越长。用这个方法还可以演示系统的熵随着系统中粒子总数增加而成指数级增加，比如：把学生分成四组，每组发一个花色的纸牌，记录把打乱的一种花色重新排序所需时间，第二轮实验每组发两个花色的纸牌，第三轮每组发三个花色，如此重复四遍，将记录的数据用图表呈现，学生就能清晰地找到规律。

研究理想气体的规律本身也是一个模型化的实验，因此还需要利用学校实验室提供的设备来操作，比如上海版《物理》设置了利用常规仪器研究等温气体的规律和利用传感器精确测量等温气体压强随体积的变化两个实验。此外，我们还可以尝试研究气体在等压情况下的规律和等容情况下的规律，最终总结得出理想气体的规律，这也是训练学生使用控制变量法的一个经典例子。气体、液体及固体的属性就直观多了，这属于生活中无处不在的现象，比如人教版《物理》安排了用水滴演示玻璃板和蜡层的浸润现象、分别观察气体与液体的扩散现象、观察重物压在沥青上一段时间之后的变化、用弹簧秤的拉力感受玻璃片与水面的分子间作用力、用针和棉纸比较水的表面张力等几个小实验，带给学生非常直观的感受。《物理：原理与问题》则让学生设计一个实验来测量、比较几种液体如食用油、酒精、水、洗洁精、润滑油的黏滞系数，这个实验笔者指导学生做过，学生的参与度和积极性都非常高，也体现了学生的各种创意；材料学利用固体、液体等的属性，使得工艺更加优化，使用更加合理，从而从各方面改善我们的生活，比如以材料研究为课题，让学生选择一种材料，从多方搜集资料，阐述它有何性能、有何优势、如何应用等，通过调查让学生直接认识到物理学对我们生活的帮助。

3.同一题材有不同展现形式

很多重要知识点各版教材都提供了不同形式的实验，各具特色。

比如圆周运动向心力这一知识点：上海版《物理》先用简单的器材让学生自制水流星，体验水在竖直平面内的圆周运动，再让学生解释瓷碗中小钢珠的圆周运动，引出向心力的概念及特点，最后再用两节课的时间让学生完成一个完整的DIS实验，用力传感器、运动传感器来探究影响向心力的因素；人教版《物理》则用一个小实验让学生粗略推导圆锥摆的向心力公式，然后让学生动手用绳子甩一个小沙袋，让其在水平平面内做圆周运动，通过改变绳子长短、沙袋速度来感受向心力的大小变化，虽然不是很精确，但可以让学生获得一个直观的感受，理解起来也更加容易；《物理：原理与问题》则是先让学生坐在转动的转椅上手持加速度计，获得在圆周切线方向和法线方向的加速度，让学生明白两者的区别，之后再用一个完整的学生实验来探究影响向心力的相关因素，与上海版《物理》不同的是用的是弹簧秤、秒表等普通的实验设备，但却能达到类似的效果。

比如摩擦力章节：上海版《物理》先让学生用手边的塑料尺与橡皮，利用塑料尺的倾角来估测摩擦系数，之后利用一节课进行DIS实验，精确探究摩擦力与压力的关系；人教版《物理》用弹簧测力计引导观测物体与桌面之间的最大静摩擦力，再让学生用手感觉桌面的摩擦力以及摩擦力随压力增大的变化；《物理：原理与问题》用一节完整的实验课让学生测量平面的摩擦系数，同时让学生课后完成物理课题（Physics Project），让学生独立查找资料，解释为什么摩擦力与接触面积无关、为什么表面变湿后摩擦力会变小，并提示学生从原子层面来解释这个问题，最终完成报告。

再比如热学部分三个版本的教材不约而同地采用了课外研究的方式：上海版《物理》采取的是学习包的方式，让学生用搜索资料的方式，调查研究开发和利用太阳能、生物质能、氢能的方法，以及新能源在生活中的应用；人教版《物理》采取的是课题研究，让学生研究如何提高燃气灶的烧水效率，为此学生不仅要考虑影响效率的各种因素，还要对各因素进行量化，用控制变量的方法对各因素一一进行测量，画出图表，最终找到相互关系，这个完整课题使得学生在探究各环节的能力得到了较好的锻炼；而《物理：原理与问题》采取的是物理课题的方式，让学生自己动手设计并制作太阳灶的模型，学生可以利用身边的普通物品如纸板、雨伞、锡箔纸、塑料杯、胶带等，这个太阳灶要能够收集太阳光并反射到盛水的塑料杯，并且通过测量一段时间内水温的上升，还可以算出此太阳灶的功率，此课题由小组进行，小组还需要向全班同学展示他们设计、制作以及测评的过程。

4.近代物理学实验设置的探讨

通过柱状图对比我们还可以明显看出，国内教材在近代物理学部分的实验非常缺乏，上海版《物理》甚至只有一个实验，而《物理：原理与问题》则设置了35个实验。高中近代物理学包括初等量子力学、原子物理和核物理，要设计出适合高中学生做的实验确实难度较高。我们发现《物理：原理与问题》主要通过以下4种方法来设计实验。

首先，虽然近代物理学大部分研究的是微观世界的规律，但我们可以想办法用常规的方法把它展现出来。比如黑体辐射的波长与温度的关系，《物理：原理与问题》就用了一个非常简单的方式来演示，用小灯泡、滑动变阻器和两节干电池连成一个串联电路，一开始将滑动变阻器置于电阻最大处，关闭电键后，移动滑动变阻器缓慢减小电阻，观察灯泡灯丝的变化，会发现灯丝的颜色从黑色变为暗红色，然后转变为红色、橘红色、黄色，最后发出耀眼的白光，这个简单的实验清楚地演示了随着电阻减小，电流增加，温度升高，灯丝发出光的波长逐渐减小。类似的还有利用发光二极管（LED）来测普朗克常量，同样用滑动变阻器、LED和干电池建立一个简单电路，移动滑动变阻器，当LED两端的正向电压达到其阈值电压时，LED半导体材料中的电子获得足够的电势能从而转化成光子，LED便开始发光，利用测得的阈值电压和LED发光的波长，便可以轻松得出普朗克常量。另外，还有用光栅和刻有狭缝的纸板来观察原子光谱，观察荧光物质吸收单色光之后的辐射现象等。这些实验都比较简易，操作轻松，却能够清晰地反映微观世界的规律。

第二，《物理：原理与问题》大量使用虚拟模型的方法来替代研究不能真实呈现的实验。近代物理学部分大多是原子、原子核层面的研究，无法在实验室真实再现，但如果仅凭理论上的学习，学生的认知和理解就会受到限制，而运用模拟实验则可以弥补以上的不足。通过模拟实验的仿真功能，如建立模型、采用类比的方法，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。《物理：原理与问题》大量地运用了模拟实验的方法，来帮助学生理解。如借助一个钩形轨道来模拟光电效应，让一枚钢珠从轨道高处滑下，滑到轨道最低点与此处另一枚钢珠碰撞，观察能否将这枚钢珠打出轨道另一端。用不同的下滑高度类比入射光的频率，用是否能把轨道末端的钢珠撞飞来类比是否能打出金属中的电子，学生很快就能发现能否发生“光电效应”取决于“入射光的频率”。只有当“入射光的频率”高于某一个阈值的时候，光电效应才会发生。而当采用不同的轨道时，这个阈值也会发生变化，同一轨道，阈值不变。又如研究衰变的规律时，采用硬币来模拟放射性同位素，取一堆（至少100个）同一面值的硬币，记录其总数，先把硬币在盒子里摇匀，然后倒在地板上，把面朝上（代表已经衰变的原子核）的硬币挑走并记录其数目，把剩下的硬币放回盒子，重复之前的操作五次（每次代表一个半衰期），然后把六次记录的数据与对应扔硬币的次数画成图像，便可以看到一条清晰的衰变曲线。再如模拟卢瑟福的α粒子散射实验，用概率来测量原子核的体积，取一个鞋盒用来模拟原子，用三个纸杯随意放在鞋盒内不同位置来模拟原子核（如果只用一个纸杯目标会太集中），然后在鞋盒上方随机倒下200个BB玩具枪的子弹，鞋盒底部要铺一块大的毛巾防止BB弹反弹，统计落在纸杯里的BB弹数目与落在鞋盒里的BB弹全部数目，然后量取鞋盒的底面积，用比例的方式获得纸杯的底面积，之后量取纸杯底部直径，计算纸杯底面积，与概率测量面积比较误差。通过这一实验，学生一方面能直观地想象α粒子与金原子核的相互关系与相互作用，另一方面又能了解概率的概念与应用。类似的还有用硬币称重来模拟密立根油滴实验发现基本电量的方法，用缠着双面胶带的饼状磁铁来模拟强核力和电磁作用力的关系，用叶片上描点的电风扇来模拟电子云，用计算阶梯重力势能来理解量子的概念等，这些方法都非常值得我们研究学习。值得一提的是，上海版《物理》在天体物理部分也采用了模型的方法，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。

第三，适当应用一些高端的仪器。与经典物理学不同，近代物理学研究的不再是身边随处可见的现象，而是一些看不见摸不着的东西，因此使用常规的实验设备可能无法展开研究。研究同位素的放射性时，《物理：原理与问题》多次使用了盖革计数器和学生用放射源，如研究空间的背景辐射，研究三种射线的穿透性、辐射强度与到辐射源的距离的关系探究等，还有利用云室与学生放射源来观察射线的轨迹。当然，在做这些实验时，教师要做好实验安全的宣传与监督工作，以免不当操作引起伤害。虽然实验本身的理念是设计的思路、探索的精神、随机应变的能力，高中阶段不应该追求高精尖的实验仪器，但随着科学技术的发展，学生有必要接触一些先进的设备，一方面为了学习研究的必要，另一方面也可以让学生开阔眼界，增强物理学习的兴趣与自豪感。

第四，对于一些知识性的内容，可以用布置课题的方式让学生展开自主调研，最后在班级里进行展示。如研究激光技术的应用，探讨激光技术如何改进旧的技术，应用激光技术如何开发新的领域；又如量子力学与经典力学的较量，让学生研究探讨两大力学的研究领域与相互延伸；再如自然界的四种基本相互作用力，鉴别自然界各种力的本质。学生在已经具备一定知识的基础之上，通过多种途径查阅资料的方式，筛选各种信息，自己习得一些拓展的内容。有的课题研究还可以分小组进行，组内与组间成员都可以相互分工合作。虽然课题研究不一定包括动手操作，但也能锻炼学生获取信息、判断甄别、交流合作、归纳总结、表达呈现的能力。人教版《物理》的近代物理部分就提出了一个研究建筑石材的放射性的课题，让学生查阅资料，或者到当地的地矿所、防疫站、环保局访问，了解三类建筑石材的控制标准，了解家庭装修使用这些石材应注意的问题；让学生到建材市场，了解经销商对他们自己对所经营石材的放射性的认识，了解建筑材料放射性污染的规定和建材市场上不同石材的放射强度；并让学生选取几种石材样本，用传感器和计算机对比几种石材的放射性，并与已知放射源的强度进行对比；最后写出调查研究的综合报告。