高中物理教材實(shí)驗(yàn)欄目的對(duì)比分析與使用建議
——以人教版和粵教版教材選擇性必修二為例

鄭柔純，李德安

華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）明確指出將科學(xué)探究作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，體會(huì)科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力［1］。教材中的實(shí)驗(yàn)欄目是培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)的主要載體，其重要性不言而喻。因此，本文以高中物理選擇性必修二為例，從對(duì)比層面剖析粵教版教材的“實(shí)驗(yàn)與探究”欄目與人教版教材的“實(shí)驗(yàn)”欄目的設(shè)計(jì)意圖與處理特點(diǎn)，基于此提出了使用實(shí)驗(yàn)欄目的教學(xué)建議，以期幫助教師更好地把握該欄目的編寫理念，有效落實(shí)科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 兩版教材實(shí)驗(yàn)欄目的對(duì)比分析

對(duì)比分析兩版教材在實(shí)驗(yàn)欄目上的圖表呈現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)等方面的編寫特點(diǎn)與內(nèi)容優(yōu)劣，有利于教師更好地把握該欄目的編寫意圖。

1.1 圖表呈現(xiàn)

在圖表的呈現(xiàn)上，兩版教材均有效地利用了生活實(shí)物圖、實(shí)驗(yàn)原理圖等各種圖像呈現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，均重視用表格呈現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)關(guān)系，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教育理念。在教學(xué)中，可以結(jié)合兩版教材中的各種圖表，給予學(xué)生更直觀的認(rèn)識(shí)。但分析可知，兩版教材在部分圖像與表格的選擇與取舍上側(cè)重點(diǎn)有所不同。

（1）粵教版更重視流程圖的使用。例如，在“探究影響感應(yīng)電流方向的因素”實(shí)驗(yàn)中，粵教版采用了基于問(wèn)題設(shè)計(jì)的流程圖的形式展示實(shí)驗(yàn)方案（圖1），更好地幫助學(xué)生厘清實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路。

圖1 實(shí)驗(yàn)探究方案流程圖

（2）人教版更注重考查設(shè)計(jì)表格的能力。例如，在探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，粵教版直接展示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，而人教版則通過(guò)文字描述引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，更有利于學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，從而提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)、科學(xué)探究的能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

1.2.1 兩版教材均強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)前做好鋪墊

兩版教材在實(shí)驗(yàn)前的文字表述的共通點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：（1）抓住新舊知識(shí)的邏輯或者創(chuàng)設(shè)物理情境展開(kāi)；（2）通過(guò)提問(wèn)設(shè)疑的方式引導(dǎo)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)探究目的?？傮w而言，兩版教材在引入實(shí)驗(yàn)欄目?jī)?nèi)容前均做了很好的鋪墊，大部分表述符合學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和認(rèn)知發(fā)展，教師可以結(jié)合兩版教材互相參考。

然而，兩版教材在“探究影響感應(yīng)電流方向的因素”實(shí)驗(yàn)前的文本表述的跳躍層次有所不同。粵教版將“具體影響因素的呈現(xiàn)”歸類在欄目中，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)一步猜想與假設(shè)，而不采用人教版在欄目前直接呈現(xiàn)的方式。相對(duì)而言，粵教版通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究引導(dǎo)學(xué)生一步步得出影響感應(yīng)電流的因素，環(huán)節(jié)間的跳躍、過(guò)渡更符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，更有利于學(xué)生科學(xué)思維能力和探究意識(shí)的發(fā)展。

1.2.2 兩版教材均注重利用問(wèn)題、留白引領(lǐng)探究

兩版教材中的欄目設(shè)置均呈半開(kāi)放式［2］，并不直接給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而是有意識(shí)地在關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)操作或現(xiàn)象處提問(wèn)、留白，引導(dǎo)學(xué)生思考并討論。例如，人教版在“探究光敏電阻特性”實(shí)驗(yàn)中給出了4 個(gè)問(wèn)題：在室內(nèi)自然光的照射下，電阻約有多大？ 用手掌遮光時(shí)電阻又是多少？ 用陽(yáng)光直接照射呢？ 改用其他經(jīng)過(guò)處理的電阻重做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果相同嗎？ 利用4 個(gè)針對(duì)性的探究性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)把整體的探究活動(dòng)分解為一系列驅(qū)動(dòng)性任務(wù)的目的，促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)理解與思維發(fā)展。

又如，粵教版在“探究渦流的機(jī)械效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)中，在給出一個(gè)參考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生利用已有的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)出其他實(shí)驗(yàn)探究方案，這種拓展性留白有利于活躍學(xué)生思維，引導(dǎo)他們大膽猜測(cè)、親身實(shí)踐，促進(jìn)探究能力的發(fā)展。

1.2.3 兩版教材科學(xué)探究開(kāi)放程度存在差異

人教版在“實(shí)驗(yàn)”欄目設(shè)置了4 個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中“探究光敏電阻特性”“探究熱敏電阻特性”2 個(gè)實(shí)驗(yàn)均只提供了簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)操作及問(wèn)題引導(dǎo)，更側(cè)重鍛煉學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、自主分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)的能力，科學(xué)探究開(kāi)放程度較高?；浗贪嬖凇皩?shí)驗(yàn)與探究”欄目編排了9 個(gè)實(shí)驗(yàn)，整體花了較多篇幅呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及提供實(shí)驗(yàn)方法，側(cè)重于強(qiáng)化學(xué)生對(duì)探究過(guò)程的體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)探究的方法，總體來(lái)說(shuō)科學(xué)探究開(kāi)放程度較低。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

新課標(biāo)明確指出，應(yīng)重視數(shù)字實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式［1］。基于此，粵教版在“實(shí)驗(yàn)與探究”欄目中設(shè)置了“探究磁體的磁場(chǎng)分布是否隨時(shí)間發(fā)生變化”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，不僅為學(xué)生深入學(xué)習(xí)與研究數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提供機(jī)會(huì)，還能進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)概念的理解。

2 兩版教材實(shí)驗(yàn)欄目的使用建議

基于上述分析，具體提出高效使用實(shí)驗(yàn)欄目的教學(xué)建議，為教師更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知需求的探究情境

在探究實(shí)驗(yàn)前，教師應(yīng)有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知需求的物理情境，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲，為后續(xù)研究問(wèn)題提供必要的知識(shí)準(zhǔn)備。教師可從以下幾方面創(chuàng)設(shè)情境：第一，從學(xué)生的日常生活中挖掘鏈接新知識(shí)的教學(xué)資源，促使他們?cè)诔浞掷靡延薪?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識(shí)；第二，從對(duì)學(xué)生已有知識(shí)的分析引申和邏輯展開(kāi)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，喚醒學(xué)生的認(rèn)知沖突，促使學(xué)生將已有知識(shí)遷移、應(yīng)用到新知識(shí)的問(wèn)題解決中；第三，借助生動(dòng)有趣的物理學(xué)史實(shí)或故事，設(shè)置激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與求知欲望的問(wèn)題。

例如，在“探究洛倫茲力方向”實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)“旋轉(zhuǎn)的液體”魔術(shù)創(chuàng)設(shè)物理情境（圖2），引導(dǎo)學(xué)生觀察導(dǎo)電溶液在磁場(chǎng)作用下發(fā)生的神奇的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，促使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，為引入洛倫茲力方向的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

圖2 旋轉(zhuǎn)的液體

2.2 巧用思維地圖展示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)脈絡(luò)

思維地圖作為一種知識(shí)可視化工具［3］，能直觀地展示思維過(guò)程，呈現(xiàn)知識(shí)螺旋上升的脈絡(luò)，有利于幫助學(xué)生發(fā)展對(duì)比分析、邏輯推理、發(fā)散思維的學(xué)習(xí)能力。在探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師可以利用流程圖、樹(shù)狀圖等思維地圖展示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)脈絡(luò)，從而讓學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有宏觀上的理解與掌握。

例如，在“探究影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素”實(shí)驗(yàn)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，畫出流程圖（圖3）。

圖3 流程圖

2.3 增設(shè)實(shí)驗(yàn)表格設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)

表格具有簡(jiǎn)潔直觀、數(shù)據(jù)集中、通俗易懂的優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行表格設(shè)計(jì)時(shí)，教師應(yīng)以填空的形式引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容填補(bǔ)待用表格中的關(guān)鍵信息，幫助其明確表格中各信息間的內(nèi)在聯(lián)系，促使學(xué)生在設(shè)計(jì)表格的過(guò)程中提升數(shù)據(jù)記錄、對(duì)比、分析、綜合的能力，同時(shí)強(qiáng)化學(xué)生基于證據(jù)的歸納推理能力的發(fā)展。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.4 設(shè)置指向明確的探究性問(wèn)題

好的物理課堂應(yīng)該是師生共同提出、分析、討論并解決問(wèn)題的多邊互動(dòng)過(guò)程［4］。因此，教師需在厘清學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和知識(shí)能力的基礎(chǔ)上，深入研究并設(shè)計(jì)指向明確、環(huán)環(huán)相扣的探究性問(wèn)題，從而激發(fā)探究欲望，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)推理與質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維能力的發(fā)展。

例如，在“探究渦流的機(jī)械效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵，引導(dǎo)學(xué)生觀察鋁框的運(yùn)動(dòng)（圖4）。在分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，設(shè)計(jì)如下問(wèn)題串：“鋁框運(yùn)動(dòng)起來(lái)說(shuō)明其受到力的作用，該力是誰(shuí)施加的？ 這是個(gè)什么力？ 這個(gè)力是怎么產(chǎn)生的？ 既然磁鐵對(duì)鋁框施加了力，鋁框?qū)Υ盆F也必然施加了力，那磁鐵受到的力是動(dòng)力還是阻力？”利用層層推進(jìn)的問(wèn)題串，促使探究逐步深入，學(xué)生在問(wèn)題引導(dǎo)下深入理解電磁驅(qū)動(dòng)規(guī)律的同時(shí)，思維能力也得到了發(fā)展。

圖4 鋁框的運(yùn)動(dòng)

2.5 運(yùn)用“留白”藝術(shù)啟迪思維

將“留白”藝術(shù)合理地運(yùn)用在教學(xué)上，不僅能給學(xué)生留下更多思考、探究、創(chuàng)新的發(fā)展空間，還能促使學(xué)生學(xué)習(xí)能力階梯式提升。常用的留白方式有以下幾種：第一，在關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)操作、原理處設(shè)置探究性留白，促使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究完成“補(bǔ)白”的任務(wù)；第二，在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法處設(shè)置啟發(fā)性留白，有效地鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，敢于推測(cè)，主動(dòng)嘗試分析并解決問(wèn)題；第三，在易忽略的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)處設(shè)置計(jì)劃性留白，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注細(xì)節(jié)、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)；第四，在解難答疑處設(shè)置拓展性留白，鼓勵(lì)學(xué)生課后思考，獨(dú)立解決問(wèn)題。

例如，在“探究安培力方向”實(shí)驗(yàn)中（圖5），有學(xué)生認(rèn)為教材中的實(shí)驗(yàn)裝置不夠嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)體棒向外擺動(dòng)可能受到了斜向上、斜向下等方向的力，這并不能直接證明安培力、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流三者方向兩兩垂直的結(jié)論。針對(duì)學(xué)生的質(zhì)疑，教師應(yīng)肯定學(xué)生的想法，并引導(dǎo)學(xué)生在課后自行設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案。通過(guò)設(shè)置課后拓展留白，給予學(xué)生更多展示自我、自主發(fā)揮、深入研究的機(jī)會(huì)。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 結(jié)語(yǔ)

總之，人教版和粵教版選擇性必修二中的實(shí)驗(yàn)欄目均很好地發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的育人功能。兩版教材在圖表呈現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)方案上的選擇各有側(cè)重，對(duì)同一實(shí)驗(yàn)的處理也有所差異，教師應(yīng)在充分理解教材編寫意圖的基礎(chǔ)上，對(duì)比并汲取兩版教材中實(shí)驗(yàn)設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況選擇適合的教學(xué)方案，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。