中美高中物理教材中實(shí)驗(yàn)的比較研究
——以“拋體運(yùn)動(dòng)”為例

陸雪嬌

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210000)

1 引言

物理是一門(mén)理論與實(shí)踐并重的學(xué)科，楊振寧先生也曾說(shuō)過(guò)：“物理學(xué)科是一個(gè)多方面的學(xué)科，是現(xiàn)象的學(xué)科，不是一個(gè)死的學(xué)科，是一個(gè)新的學(xué)科，是一個(gè)跟實(shí)驗(yàn)非常接近的學(xué)科，而不是整天在公式內(nèi)打滾的學(xué)科”.實(shí)驗(yàn)作為物理教學(xué)中的重要內(nèi)容，其在教材中的呈現(xiàn)形式、內(nèi)容對(duì)物理教學(xué)有著重要的影響.因此，物理教材如何編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容至關(guān)重要.本文首先對(duì)中美兩種物理教材中實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行了比較，其次以“拋體運(yùn)動(dòng)”為例，對(duì)比分析了兩種教材中的物理實(shí)驗(yàn)，希望能對(duì)新課程改革中物理教材實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容的編寫(xiě)有所啟示.

本文選取的國(guó)內(nèi)教材是人教版高中物理教材，有必修系列2本，選修系列共10本，共涉及12個(gè)模塊，是我國(guó)應(yīng)用最為普遍的高中物理教材.美國(guó)高中物理教材是《物理：原理與問(wèn)題》(Physics:Principles and Problems)，它在美國(guó)的選用率一直處于較高的水平，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始一直廣受好評(píng).

2 中美教材實(shí)驗(yàn)形式對(duì)比

2.1 中國(guó)教材實(shí)驗(yàn)形式

我國(guó)人教版高中物理教材中的實(shí)驗(yàn)主要有“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”、“實(shí)驗(yàn)”、“演示”、“做一做”、“問(wèn)題與練習(xí)”5種形式.

“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”是用物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的器材做的定量實(shí)驗(yàn).這些實(shí)驗(yàn)要按照教學(xué)要求，由同學(xué)們分組進(jìn)行.在我國(guó)人教版高中物理教材中，一個(gè)“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”編為一節(jié)，標(biāo)題都有“實(shí)驗(yàn)”二字，可在兩個(gè)課時(shí)或一個(gè)課時(shí)內(nèi)完成操作，數(shù)據(jù)處理往往要在課后進(jìn)行.

“實(shí)驗(yàn)”在我國(guó)人教版高中物理教材中以欄目的形式出現(xiàn)，在課堂上由同學(xué)們自己操作完成.這類(lèi)實(shí)驗(yàn)比“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”簡(jiǎn)單，用時(shí)短，多數(shù)是定性實(shí)驗(yàn).

“演示”在課堂上由教師操作，同學(xué)們觀察、討論.有些演示的操作應(yīng)該有同學(xué)參與.

“做一做”欄目中實(shí)驗(yàn)的趣味性較強(qiáng).在“做一做”欄目中，有些是實(shí)驗(yàn)性的活動(dòng).這些實(shí)驗(yàn)中，有的要用到計(jì)算機(jī)，有的要用到生活中的器材，有條件要盡量多做.

“問(wèn)題與練習(xí)”中也有一些實(shí)驗(yàn)性的題目.這些題目中的器材也是容易獲得的，它們的難度比“做一做”中的低些，同學(xué)們都應(yīng)該完成.

2.2 美國(guó)教材實(shí)驗(yàn)形式

美國(guó)高中物理教材《物理：原理與問(wèn)題》中的實(shí)驗(yàn)主要有“物理實(shí)驗(yàn)(Physics Lab)”、“自行設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)(Design Your Own Physics Lab)”、“袖珍實(shí)驗(yàn)(Pocket Lab)”3種形式.

“物理實(shí)驗(yàn)”中的實(shí)驗(yàn)都是為了糾正普通學(xué)生在學(xué)習(xí)本章物理知識(shí)時(shí)的錯(cuò)誤理解而設(shè)置的.“物理實(shí)驗(yàn)”中的內(nèi)容能在一個(gè)課時(shí)內(nèi)完成，并且相對(duì)容易進(jìn)行.“物理實(shí)驗(yàn)”作為教材中的一部分內(nèi)容，其中的實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)成的，這將協(xié)助教師完成實(shí)驗(yàn)課的要求.由于該部分實(shí)驗(yàn)針對(duì)的是學(xué)生的一些普遍的錯(cuò)誤理解，因而它們?yōu)閷W(xué)生對(duì)概念的發(fā)展和重新學(xué)習(xí)提供了理想的動(dòng)手機(jī)會(huì).它們的設(shè)置也讓教師有了額外的機(jī)會(huì)來(lái)向?qū)W生指出物理原理的日常應(yīng)用.

“自行設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)”通過(guò)讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)來(lái)經(jīng)歷科學(xué)的探究過(guò)程.當(dāng)學(xué)生設(shè)計(jì)、進(jìn)行以及評(píng)估他們自己的實(shí)驗(yàn)時(shí)，這些實(shí)驗(yàn)將帶給他們前所未有的興奮感.學(xué)生通過(guò)親身感受將會(huì)發(fā)現(xiàn)，為研究問(wèn)題而設(shè)計(jì)一系列過(guò)程并不像他們想象的那么難.作為教師可以看到，學(xué)生通過(guò)自主進(jìn)行的“自行設(shè)計(jì)物理實(shí)”，在自信心和能力上不斷地成長(zhǎng).

“袖珍實(shí)驗(yàn)”是一些容易完成的微型實(shí)驗(yàn).它們?yōu)閷W(xué)生加強(qiáng)物理原理的概念化提供了額外的動(dòng)手、發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷.在物理課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，袖珍實(shí)驗(yàn)室包含的一系列額外的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì).

2.3 中美教材實(shí)驗(yàn)形式對(duì)比

首先，我國(guó)教材在實(shí)驗(yàn)形式的種類(lèi)上明顯多于美國(guó)教材，我國(guó)教材共有5種形式的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，種類(lèi)豐富，而美國(guó)教材只有3種.其次，美國(guó)教材的實(shí)驗(yàn)相對(duì)于中國(guó)教材來(lái)說(shuō)操作起來(lái)更加簡(jiǎn)單，且耗時(shí)較少.不管是“物理實(shí)驗(yàn)”、“自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”，還是“袖珍實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生完成起來(lái)都相對(duì)容易.最后，美國(guó)教材的實(shí)驗(yàn)形式更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性，美國(guó)學(xué)生在各種實(shí)驗(yàn)中，都掌握著主動(dòng)權(quán).

3 中美教材實(shí)驗(yàn)對(duì)比——以“拋體運(yùn)動(dòng)”為例

本文選取了中美兩本高中物理教材中“拋體運(yùn)動(dòng)”部分的實(shí)驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行了比較.

3.1 我國(guó)教材“拋體運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)

《物理·必修2》第五章第3節(jié) “拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”之后，教材中呈現(xiàn)了一個(gè)“做一做”的實(shí)驗(yàn).教材為學(xué)生提供了參考圖片及實(shí)驗(yàn)方法：用小錘擊打金屬片，讓一個(gè)球沿水平方向被拋出，同一時(shí)間，松開(kāi)同一高度的另一個(gè)小球.實(shí)驗(yàn)要求是讓學(xué)生用觀察或“聽(tīng)”的方法判斷哪一個(gè)小球先落地，完成一次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生還需要改變兩個(gè)小球距離地面的高度以及小錘擊打金屬片的力度，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，反復(fù)觀察和“聽(tīng)”兩個(gè)小球落地的先后，最后思考、回答實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明的問(wèn)題.

3.2 美國(guó)教材“拋體運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)

在《物理：原理與問(wèn)題》第六章第2節(jié)“拋體運(yùn)動(dòng)”中共有3個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn).

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是“袖珍實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)名稱叫做“在邊緣”.實(shí)驗(yàn)方法是讓兩個(gè)小球分別從等高的桌面以相同的速度水平飛出，要求學(xué)生預(yù)測(cè)哪一個(gè)小球先落地，哪一個(gè)小球落地時(shí)距離桌面更遠(yuǎn)并解釋原因.其中一小球的質(zhì)量是另一小球的兩倍.實(shí)驗(yàn)完成后要求學(xué)生進(jìn)一步分析總結(jié)：球的質(zhì)量影響它的運(yùn)動(dòng)嗎？質(zhì)量存在于任何拋體運(yùn)動(dòng)的方程中嗎？

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)依舊是“袖珍實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)名稱叫做“球從何處反彈”.畫(huà)面中出現(xiàn)一個(gè)人手中抓著一個(gè)高爾夫球，從側(cè)面伸展開(kāi)手臂使球位于肩高位置.實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生將球釋放，讓搭檔在球打到地板時(shí)用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，下一次球落地時(shí)停止計(jì)時(shí).學(xué)生以穩(wěn)定的速度行走，預(yù)測(cè)球?qū)⒃谀睦锫涞?，思考球從落地到完成第一次反彈是否?huì)花費(fèi)相同的時(shí)間.

第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是“自行設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)名稱叫做“壘球運(yùn)動(dòng)”.首先提出問(wèn)題：中場(chǎng)手如何將球扔給本壘處的捕手才能使它在跑壘者之前到達(dá)？你能給中場(chǎng)手提供什么建議？然后引導(dǎo)學(xué)生建立假設(shè)：利用已知的水平和垂直方向的拋體運(yùn)動(dòng)的知識(shí)制定假設(shè)，向中場(chǎng)手提出建議，考慮影響球到達(dá)本壘所用時(shí)間的因素.實(shí)驗(yàn)器材包括：秒表、壘球、足球場(chǎng)或有預(yù)定距離的大型開(kāi)放場(chǎng)地.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是：首先，小組討論確定要測(cè)的變量，思考水平和垂直速度如何影響射程；其次，確定誰(shuí)來(lái)投球，如何確定射程，射程是一個(gè)常量還是變量；再者，制作一個(gè)表格記錄所有投擲和計(jì)算的數(shù)據(jù)；最后，檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確保教師批準(zhǔn)后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)完成后學(xué)生需要進(jìn)行分析總結(jié)：確定每次投擲壘球vx和vy的初始值，計(jì)算壘球的初速度v0；所有人投擲的射程是否一樣，投擲的初速度是否一樣；壘球的投擲角度是否影響射程和落地時(shí)間；驗(yàn)證假設(shè)，思考中場(chǎng)手在投球時(shí)應(yīng)該增大vx還是vy.最后，教材還以提問(wèn)的方式讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用：為什么足球在開(kāi)球時(shí)要以一定的角度而不能踢懸空球？

3.3 中美教材“拋體運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.3.1 實(shí)驗(yàn)性質(zhì)

在實(shí)驗(yàn)位置的安排上，中國(guó)教材關(guān)于拋體運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都位于“拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”這一節(jié)課的內(nèi)容之后，是在學(xué)生對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律有了一定的了解之后進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)性質(zhì)偏向于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn).而美國(guó)教材中的3個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中有兩個(gè)都是位于拋體運(yùn)動(dòng)規(guī)律講授的過(guò)程之中，課后的實(shí)驗(yàn)也是與生活相關(guān)、學(xué)生需要自主進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)性質(zhì)更加偏向于探究性實(shí)驗(yàn).

3.3.2 實(shí)驗(yàn)器材

美國(guó)教材中3個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材更加多樣，有小球、高爾夫球、壘球等.相對(duì)來(lái)說(shuō)，中國(guó)教材中實(shí)驗(yàn)器材的選擇較為單一，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)選取的主要實(shí)驗(yàn)對(duì)象都是鋼球.當(dāng)然在獲得物體平拋運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，學(xué)生還可以選擇水流形成軌跡，但考慮到簡(jiǎn)單、方便等原因，多數(shù)情況下，教師可能只要求學(xué)生選擇用鋼球進(jìn)行實(shí)驗(yàn).從實(shí)驗(yàn)器材的選擇上我們也能看出，美國(guó)教材中的實(shí)驗(yàn)更加簡(jiǎn)單、貼近生活.高爾夫球和壘球都是體育活動(dòng)中常見(jiàn)的物品，這在某種程度上也更能吸引學(xué)生，激發(fā)學(xué)生探究的興趣.

3.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

除了“袖珍實(shí)驗(yàn)”中的實(shí)驗(yàn)，美國(guó)教材在設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)都會(huì)有一個(gè)完整的思路，一般路徑為：?jiǎn)栴}—假設(shè)—實(shí)驗(yàn)器材—實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)—分析總結(jié)—應(yīng)用.這有助于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)的探究過(guò)程，表明美國(guó)教材注重培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力.中國(guó)教材中實(shí)驗(yàn)的設(shè)置就較為簡(jiǎn)單和直接，一上來(lái)就“開(kāi)門(mén)見(jiàn)山”，學(xué)生可以直接按照教材上的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此缺少自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行科學(xué)探究的過(guò)程.

3.3.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

相比較而言，中國(guó)教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程和一些注意事項(xiàng)交代得都較為具體.例如，在第一個(gè)“做一做”實(shí)驗(yàn)中除了讓學(xué)生觀察還提醒學(xué)生通過(guò)“聽(tīng)”的方式判斷小球落地的先后，而在后面的實(shí)驗(yàn)中，為了讓學(xué)生獲得物體做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，提供了3個(gè)詳細(xì)的參考案例.這會(huì)使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加順利，而美國(guó)學(xué)生在進(jìn)行探究類(lèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)可能就會(huì)遇到較多的問(wèn)題.美國(guó)教材除了在實(shí)驗(yàn)器材的選擇上更加生活化，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇上也更加生活化，“壘球運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)的選擇就十分貼近學(xué)生的日常生活.由美國(guó)教材實(shí)驗(yàn)設(shè)置中的“應(yīng)用”環(huán)節(jié)可以看出，美國(guó)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所更加多樣，教材也更加注重相關(guān)原理、規(guī)律在實(shí)際生活中的應(yīng)用，而中國(guó)教材中的實(shí)驗(yàn)一般只限于在教室或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)完成.

3.3.5 其他

除了上述差異，相較于美國(guó)教材，中國(guó)教材更多地關(guān)注實(shí)驗(yàn)中圖像的獲得和數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理.美國(guó)教材在呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)更具創(chuàng)意，教材中的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都被賦予了名稱，這在某種程度上能更多地吸引學(xué)生的注意.在實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?guī)范化、實(shí)驗(yàn)過(guò)程活動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)方案微型化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容人性化、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)行為化等方面，中國(guó)教材都還有待加強(qiáng).

4 總結(jié)

教材是教師進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的主要依據(jù)，也是學(xué)生進(jìn)行物理學(xué)習(xí)的重要工具.而通過(guò)本文的比較，發(fā)現(xiàn)與國(guó)外教材相比，中國(guó)教材中對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置雖然有其自身的獨(dú)特性和優(yōu)點(diǎn)，但還是存在著較多的不足.編者在改進(jìn)物理教材時(shí)需要向國(guó)外教材多加學(xué)習(xí)，不斷地優(yōu)化我國(guó)的物理教材，特別是實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容的呈現(xiàn)，完善教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，充分展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中的基礎(chǔ)性地位.通過(guò)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特魅力，讓學(xué)生感受到物理學(xué)習(xí)的趣味性的同時(shí)，了解到物理本身的科學(xué)性.

參 考 文 獻(xiàn)

1 李雪瑩,高嵩.人教版教材與美國(guó)《物理原理與問(wèn)題》教材的比較研究 ——以“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)為例.物理通報(bào),2017(05):127～129

2 祁映宏.中美2套高中物理教材學(xué)生實(shí)驗(yàn)的比較與研究.物理實(shí)驗(yàn),2006(11):24～27

3 陳嫻,梁玲,梁寒冰.從改革后的新教材看美國(guó)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì).課程·教材·教法,2007(04):92～96

4 李蘭.中美高中物理教材實(shí)驗(yàn)部分設(shè)置的比較研究：[碩士學(xué)位論文].長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué),2013

5 戚靜芳.中美高中物理教材中物理實(shí)驗(yàn)的比較研究：[碩士學(xué)位論文].武漢：華中師范大學(xué),2013

6 孟芳,鄭修林,劉春蘭. 人教版與滬科版兩種高中物理教材比較淺析——以“萬(wàn)有引力與航天”的內(nèi)容為例.硅谷,2009(22):155