杜一

摘 要：本文選取近年來備受好評的美國高中物理教材《Holt Physics》和人教版高中《物理》教材作為樣本，首先從教材整體的體例結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析各自在實(shí)驗(yàn)欄目上的特點(diǎn)。其次以“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”專題為例，從教材的章節(jié)安排、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排方面著手進(jìn)行分析，重點(diǎn)對比“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的異同處。最后得到幾點(diǎn)結(jié)論，指出我國教材的可貴之處以及美國教材中值得借鑒學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：中美高中物理教材；對比；實(shí)驗(yàn)；牛頓運(yùn)動(dòng)定律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）12-0019-5

物理學(xué)大廈的建成離不開物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要形式，既能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又對學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理核心素養(yǎng)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，因此物理教師要格外重視物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教材是實(shí)踐教學(xué)的重要依據(jù)，為了應(yīng)對競爭日益激烈的國際形勢，各國都對科學(xué)教材進(jìn)行了針對性的更新和改革。鑒于美國的科學(xué)技術(shù)實(shí)力及科學(xué)教育的發(fā)達(dá)程度都位于世界前列，本文將通過內(nèi)容分析、對比研究等方法對中美兩國典型高中物理教材的實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行對比，以了解各自的編寫特色，并從中汲取有利于我國高中物理實(shí)驗(yàn)教材不斷完善的精華。

1 研究對象選取

本文以我國人教版《物理》和美國《Holt Physics》（以下簡稱HP教材）為研究對象，著眼于“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”主題下的章節(jié)內(nèi)容，對實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行比較研究。教材的具體信息見表1。

HP教材共22個(gè)章節(jié)，內(nèi)容涵蓋力、熱、電、光、原等物理學(xué)領(lǐng)域，適合美國常規(guī)物理課程，即主要面向今后打算從事理科相關(guān)職業(yè)的學(xué)生。教材主編認(rèn)為物理學(xué)的研究方法極其重要，因此編寫過程中十分重視物理實(shí)驗(yàn)，并通過設(shè)計(jì)一些研究性學(xué)習(xí)的專題來拓展知識的深度和廣度。HP教材在近年來的美國基礎(chǔ)物理教育中受到廣泛重視，從美國物理學(xué)會對高中物理教科書基本情況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，HP教材的使用率連年上升（2009年達(dá)到32%），成為美國最主流的三大物理教材之一，極具代表性。人教版高中物理教材是目前中國高中階段的主要教材，共分為必修系列和選修系列。必修系列的主要內(nèi)容是力學(xué)，是全體高中生必須學(xué)習(xí)的模塊。選修包括三個(gè)系列，其中選修三系列是理科生需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，旨在讓學(xué)生較為全面地學(xué)習(xí)物理學(xué)的基本知識，進(jìn)一步掌握物理學(xué)的思想和方法。

綜上，本文選取美國HP教材與我國人教版高中物理必修系列、選修三系列作為比較對象，先從教材的體例結(jié)構(gòu)入手，宏觀上對比兩套教材的實(shí)驗(yàn)欄目分布，接著圍繞“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”主題，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行對比分析。

2 中美教材實(shí)驗(yàn)部分宏觀對比分析

2.1 中美教材的體例結(jié)構(gòu)

教材的體例結(jié)構(gòu)指的是教材的編寫格式和組織形式。了解兩個(gè)版本高中物理教材的體例結(jié)構(gòu)，能更直觀地把握教材的各個(gè)組成部分，從而進(jìn)一步對教材整體的實(shí)驗(yàn)欄目分布進(jìn)行對比分析。HP教材和人教版教材的體例結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。

2.2 中美教材實(shí)驗(yàn)欄目對比

由圖1、圖2的體例結(jié)構(gòu)圖及對兩版教材的分析，實(shí)驗(yàn)欄目情況如表2所示。

表2 中美教材實(shí)驗(yàn)欄目對比一覽表

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2.2.1 HP教材實(shí)驗(yàn)欄目概況

從表2可以看出，HP教材的實(shí)驗(yàn)主要呈現(xiàn)在“基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練”“快速小實(shí)驗(yàn)”“探究實(shí)驗(yàn)”“CBL實(shí)驗(yàn)”這四大欄目中，共計(jì)43個(gè)。另外，在“章復(fù)習(xí)題”和“標(biāo)準(zhǔn)化測試”中會出現(xiàn)一些與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的開放性試題。更值得一提的是，教材在目錄之后、章節(jié)內(nèi)容開始之前穿插了兩個(gè)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的部分——“安全標(biāo)志”“實(shí)驗(yàn)室安全”，共占據(jù)三頁篇幅，詳細(xì)列出9大安全標(biāo)志和21條實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)則，旨在讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識之前將其牢記于心，避免意外的發(fā)生。羅列出來的安全標(biāo)志和注意事項(xiàng)也會具體附在各個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中。

“快速小實(shí)驗(yàn)”共18個(gè)，穿插在每節(jié)內(nèi)容中，利用最簡單的生活用品進(jìn)行操作便捷、效果明顯的小實(shí)驗(yàn)，以便學(xué)生更透徹地理解教材中相關(guān)的知識點(diǎn)。

“基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練”共15個(gè)，位于每章內(nèi)容之后的獨(dú)立模塊，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中根據(jù)教材中提供的操作步驟，利用專業(yè)器材對物理原理進(jìn)行驗(yàn)證或探究，在教材的指導(dǎo)下一步步得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。該欄目通過一系列的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生正確使用實(shí)驗(yàn)儀器、分析處理數(shù)據(jù)的方法等必備實(shí)驗(yàn)技能。

“探究實(shí)驗(yàn)”共5個(gè)，位于每章內(nèi)容之后的獨(dú)立模塊，在探究實(shí)驗(yàn)的標(biāo)題下方會出現(xiàn)“design your own”的字樣，教材只給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)必備器材以及操作提示，讓學(xué)生獨(dú)立思考具體的實(shí)驗(yàn)方案，旨在培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，提高科學(xué)探究能力。

“CBLTM實(shí)驗(yàn)”共5個(gè)，出現(xiàn)在所有章節(jié)內(nèi)容之后。CBL實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是一種新型教學(xué)儀器，可以通過特定的操作經(jīng)過傳感器采集數(shù)據(jù)，速度快，效率高。該實(shí)驗(yàn)部分旨在讓學(xué)生開拓視野，有條件的基礎(chǔ)上提前接觸一些與大學(xué)接軌的物理知識和手段。

2.2.2 人教版教材實(shí)驗(yàn)欄目概況

在人教版教材中涉及到實(shí)驗(yàn)的欄目比較多，主要有“演示”“實(shí)驗(yàn)”“做一做”“科學(xué)漫步”“問題與練習(xí)”“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”“課題研究”。

“演示”欄目是由教師在課堂中操作，學(xué)生觀察討論現(xiàn)象。“實(shí)驗(yàn)”欄目大多是教材給學(xué)生提供參考器材、操作步驟，讓學(xué)生自主觀察現(xiàn)象，得到結(jié)論，從而引出下面的正文內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生勤于觀察、勤于思考的意識，提高學(xué)生的觀察與推理能力?！白鲆蛔觥薄翱茖W(xué)漫步”欄目中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)可以說是擴(kuò)展性較強(qiáng)的，不是學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，但是給學(xué)生介紹了很多與信息技術(shù)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，例如，用相機(jī)估測曝光時(shí)間、用計(jì)算機(jī)繪制v-t圖等。除此之外，也有一些生活中的器材，可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地取材，體驗(yàn)物理?！皩W(xué)生實(shí)驗(yàn)”在人教版教材中被編寫為一整節(jié)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中定量地操作、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論?！罢n題研究”欄目出現(xiàn)在人教版教材每本書的最后，每個(gè)模塊一個(gè)，這部分屬于擴(kuò)展性的自主探究學(xué)習(xí)，要求學(xué)生查閱資料展開研究，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生收集整理資料、科學(xué)探究等能力。

綜上，從整體上看兩版教材大同小異，不僅重視學(xué)生基本操作技能的培養(yǎng)，而且能夠站在學(xué)生的角度上力圖發(fā)展他們的科學(xué)探究素養(yǎng)。HP教材中的“快速小實(shí)驗(yàn)”欄目與人教版教材中的“演示”“實(shí)驗(yàn)”相近；“探究實(shí)驗(yàn)”與“課題研究”相似；“基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練”與“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”類似。稍有不同的是HP教材比較重視實(shí)驗(yàn)室安全教育，這是我國教材中欠缺的。

3 中美教材“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”實(shí)驗(yàn)對比分析

3.1 中美教材“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”章節(jié)安排對比

“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”是動(dòng)力學(xué)的核心內(nèi)容，從兩版教材的目錄中可以看到牛頓運(yùn)動(dòng)定律在教科書中的位置稍有不同。人教版教材將“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”安排在必修一模塊的第四章，位于“直線運(yùn)動(dòng)”和“力”之后，“曲線運(yùn)動(dòng)”之前；而HP教材將“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”和“力”共同放在全書的第四章，位于“一維運(yùn)動(dòng)”和“二維運(yùn)動(dòng)”之后，具體的章節(jié)安排也各有特點(diǎn)，如表3所示。

表3 中美教材“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”章節(jié)安排對比

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3.2 中美教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排對比分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)概況對比分析（如表4所示）

表4 中美教材“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”專題內(nèi)容實(shí)驗(yàn)概況對比

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由表4的對比以及對教材的分析得到如下幾點(diǎn)說明：（1）從數(shù)量上看，兩版教材在“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)目并無顯著差異。（2）從知識點(diǎn)分布上來看，人教版教材“問題與練習(xí)”“實(shí)驗(yàn)”欄目中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)分別涉及到了超重和失重、作用力與反作用力的知識點(diǎn)，HP教材有所欠缺，并未設(shè)計(jì)與這些知識點(diǎn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)；HP教材中包含的有關(guān)慣性知識的“快速小實(shí)驗(yàn)”，人教版中并未涉及。總體來說，人教版教材該專題中實(shí)驗(yàn)涉及的知識點(diǎn)較為均衡。（3）從實(shí)驗(yàn)類型來看，兩版教材有關(guān)加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)類型截然不同，HP教材是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而人教版教材是探究性實(shí)驗(yàn)。（4）從實(shí)驗(yàn)的章節(jié)分布來看，HP教材中的“快速小實(shí)驗(yàn)”分布在四節(jié)內(nèi)容的前兩節(jié)，后兩節(jié)內(nèi)容中并未涉及實(shí)驗(yàn)；“CBL實(shí)驗(yàn)”作為拓展內(nèi)容位于全書最后，以供學(xué)有余力的學(xué)生學(xué)習(xí)；“基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練”作為專題內(nèi)容被編排在章末，人教版教材中與之內(nèi)容相似的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)則是作為整體內(nèi)容呈現(xiàn)在本章第二節(jié)，旨在通過該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步過渡到牛頓第二定律的內(nèi)容。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容呈現(xiàn)對比分析

由“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”實(shí)驗(yàn)概況看出，中美兩版教材都十分重視“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，但在編排思路上卻大有不同。筆者首先將HP教材中的實(shí)驗(yàn)流程整理如圖3所示。

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圖3 HP教材“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)流程圖

除此之外，從流程圖中可以看出，HP教材的編寫方式類似于我國實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式，這個(gè)實(shí)驗(yàn)屬于教材中的“基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練”模塊，“快速小實(shí)驗(yàn)”“探究實(shí)驗(yàn)”都是按照這樣的模式來編寫的，結(jié)構(gòu)清晰，條理分明。教材詳細(xì)陳述了實(shí)驗(yàn)所需要的各項(xiàng)器材、每一步實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理方法等，并配有相應(yīng)的圖示，學(xué)生只需按照流程一步步走，最終可以完成實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)來驗(yàn)證牛頓第二定律的內(nèi)容。然而，在流程中最先映入眼簾的是“安全提示”，讓人耳目一新，因?yàn)檫@在我國的教材和實(shí)驗(yàn)報(bào)告上鮮有出現(xiàn)，只有在實(shí)驗(yàn)室里才會看到相關(guān)的安全注意事項(xiàng)，這一點(diǎn)顯然美國的教材做得更好。該實(shí)驗(yàn)中的安全提示包含圖標(biāo)和文字提醒，如圖4所示。

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圖4 HP教材中的安全提示

教材提醒學(xué)生在操作實(shí)驗(yàn)過程中務(wù)必注意這樣兩點(diǎn)：（1）如果你是長頭發(fā)，請將其扎緊，并把身上佩戴的珠寶首飾等摘掉。請佩戴護(hù)目鏡。（2）對待重物請輕拿輕放，重物墜落可能會導(dǎo)致很嚴(yán)重的損傷。

與HP教材“陳述式”的呈現(xiàn)方式不同，人教版教材以“啟發(fā)式”呈現(xiàn)。具體內(nèi)容簡化為圖5。

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圖5 人教版教材實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)方式

由人教版教材的實(shí)驗(yàn)流程圖可知，教材以生活中的事實(shí)開篇。由生活現(xiàn)象觀察可知，競賽用的小汽車由于強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)提供的巨大牽引力可以在短時(shí)間內(nèi)獲得高速，滿載的貨車加速起來比小汽車慢許多，由此得出加速度、力、質(zhì)量三者間的定性關(guān)系。然而精確的物理學(xué)需要探究定量的關(guān)系是怎樣的，于是開啟實(shí)驗(yàn)正文部分，引導(dǎo)學(xué)生分別探究加速度與力、加速度與質(zhì)量間的關(guān)系，并思考在實(shí)驗(yàn)過程中需要解決的兩大問題：一是如何測量加速度，二是怎樣提供合力，教材并未給出答案，而后給了兩個(gè)參考案例裝置圖及簡單的文字說明，要求學(xué)生確定探究方案，和同學(xué)交流并評估結(jié)果的可靠性。

在筆者看來，HP教材驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更多地傾向于訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，而不在于知識間本身的邏輯關(guān)系和學(xué)生探究能力的培養(yǎng)。該實(shí)驗(yàn)放在牛頓第二定律內(nèi)容之前采取探究的形式有利于學(xué)生科學(xué)思維的形成和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。讓學(xué)生經(jīng)歷“為什么探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，到利用生活中常見的情境和已經(jīng)學(xué)過的知識猜想“三個(gè)物理量之間應(yīng)該存在怎樣的定性關(guān)系”，再到“三個(gè)物理量之間到底存在怎樣的定量關(guān)系”的科學(xué)探究過程，并引導(dǎo)學(xué)生思考如何解決該實(shí)驗(yàn)中遇到的一些問題，而不僅僅是學(xué)會操作該實(shí)驗(yàn)。此外，還可以將牛頓第一定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論與牛頓第二定律的知識邏輯聯(lián)系起來。

4 結(jié) 論

通過對中美兩版教材“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”部分實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)對比分析，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）知識點(diǎn)分布不盡相同。就這個(gè)專題而言，HP教材中只針對牛頓第二定律和慣性部分設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，而我國教材中實(shí)驗(yàn)涉及的知識點(diǎn)比較均勻，涵蓋了牛頓第二定律、作用力與反作用力、超重和失重等。筆者認(rèn)為，在今后教材的編寫過程中應(yīng)該繼續(xù)發(fā)揚(yáng)該特點(diǎn)。物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，每一個(gè)概念、定律的得出都離不開實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，因此讓實(shí)驗(yàn)分散到盡可能多的知識內(nèi)容中、覆蓋整本教材可觀的板塊，不僅可以讓學(xué)生從心理上意識到物理實(shí)驗(yàn)的重要性，同時(shí)對于教師的教學(xué)理念和方法的轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生潛移默化的正面影響，此外能夠提高學(xué)生對物理知識的深度興趣，促進(jìn)其對物理思想方法的深度理解。

（2）教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念存在差異性。針對“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，兩版教材采用了不同的思路呈現(xiàn)，一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，各有千秋。國內(nèi)教材采用的探究式思路符合新舊知識間的邏輯關(guān)系，且有利于學(xué)生科學(xué)思維的形成；而HP教材中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在訓(xùn)練學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能方面會產(chǎn)生更好的效果。這也反映了兩國在教材編寫過程中的理念和側(cè)重點(diǎn)不同。

（3）教材實(shí)驗(yàn)編排結(jié)構(gòu)有所不同。HP教材整體結(jié)構(gòu)更加清晰，按照標(biāo)題、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)安全提示、實(shí)驗(yàn)步驟的順序逐一呈現(xiàn)，無論是“快速小實(shí)驗(yàn)”“基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練”，還是“探究實(shí)驗(yàn)”，都基本遵循這樣的結(jié)構(gòu)順序，這種編排方式讓教材的閱讀者思路更加清晰，也比較適合學(xué)生課前預(yù)習(xí)或自學(xué)。因此，我國教材編寫過程中也可以酌情吸收這種方式中適合我國實(shí)情的部分。

（4）國內(nèi)教材的安全教育意識有待提高。HP教材在目錄之后就匯總了三頁篇幅的安全教育內(nèi)容，并且在教材每個(gè)實(shí)驗(yàn)中都會附有針對該內(nèi)容可能涉及的安全隱患的小貼士，我國教材中對于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全意識的內(nèi)容還有所欠缺，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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（欄目編輯 劉 榮）