高中物理教科書實驗對比分析研究

邱文婷 張軍朋

摘? 要：實驗是物理課程培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑，教科書中的實驗是最基本的實驗資源。以2019年版人教版和粵教版高中物理必修第一冊教科書中的實驗為研究對象，詳細(xì)比較兩版教科書在實驗數(shù)量、呈現(xiàn)方式以及內(nèi)容選擇和處理上的差異，旨在為教師使用新教科書的實驗資源提供參考。研究發(fā)現(xiàn)，在實驗數(shù)量上，粵教版的實驗較人教版豐富;在實驗的呈現(xiàn)上，兩版教科書均設(shè)有固定的欄目，呈現(xiàn)不同類型的實驗，粵教版在實驗的編排上側(cè)重引導(dǎo)性，而人教版?zhèn)戎刈灾餍?，兩版教科書的插圖都具豐富性、多樣性;在實驗內(nèi)容上，兩版教科書在實驗內(nèi)容選擇上各有所長，人教版對現(xiàn)代化數(shù)字儀器的拓展更深。

關(guān)鍵詞：教科書;實驗;人教版;粵教版

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）6-0022-5

1? ? 引? 言

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]（以下簡稱新課標(biāo)）明確指出，應(yīng)注重物理實驗，通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，進一步強調(diào)了實驗在物理課程育人功能中的價值。其中，教科書中的實驗是最基礎(chǔ)也是最主要的物理教學(xué)實驗資源。因此，本文對人民教育出版社和廣東教育出版社出版的2019年版普通高中教科書物理必修第一冊（以下分別簡稱人教版、粵教版）的實驗進行對比和分析，明確兩版教科書實驗的編寫意圖以及處理方式。

2? ? 實驗的分類

實驗的分類有一定的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)不同，分類也就自然不相同[2]。如表1所示，教科書中所設(shè)置的實驗，按照實驗的教學(xué)方式和操作者的呈現(xiàn)分為兩類，分別為教師實驗、學(xué)生實驗。其中，教師實驗主要指演示實驗，學(xué)生實驗按照實驗?zāi)康挠挚杉?xì)分為探究性實驗、驗證性實驗、測量性實驗、設(shè)計性實驗4類。對各類實驗的分類標(biāo)準(zhǔn)進行明確的界定，便于研究后面的操作性統(tǒng)計分析。

3? ? 兩版教科書的實驗欄目與數(shù)量設(shè)置分析

兩版教科書都根據(jù)實驗的類型和實驗的目的設(shè)有固定的欄目。理清教科書中欄目設(shè)置的目的和特點，明確教科書中實驗的類型及分布，是實驗資源合理利用的基礎(chǔ)。

考慮到習(xí)題和練習(xí)欄目的實驗主要起鞏固和考查作用，因此本文研究對象為教科書中習(xí)題和練習(xí)欄目以外的實驗。

3.1? ? 欄目設(shè)置

（1）人教版實驗的欄目設(shè)置：

除去習(xí)題，人教版共設(shè)置了17個實驗主題，實驗在教科書中主要分布在5個欄目?！皢栴}”欄目主要為趣味實驗或貼近生活的小實驗，旨在創(chuàng)設(shè)問題情境，導(dǎo)入新課;“實驗”欄目主要為探究實驗，旨在培養(yǎng)學(xué)生動手、動腦以及科學(xué)探究的能力;“演示”欄目主要為演示實驗，旨在培養(yǎng)學(xué)生的觀察和分析能力;“做一做”欄目主要為課后學(xué)生動手操作的小型實驗，旨在引發(fā)學(xué)生思考、體驗和感悟;“拓展學(xué)習(xí)”欄目主要為數(shù)字實驗，旨在結(jié)合信息技術(shù)的使用，拓寬學(xué)生視野。還有一些實驗單獨成節(jié)，是新課標(biāo)要求的學(xué)生實驗，用于呈現(xiàn)完整的實驗研究方法。

（2）粵教版實驗的欄目設(shè)置：

除去習(xí)題，粵教版共設(shè)置了27個實驗主題，實驗主要分布在3個欄目?！皩嶒炁c探究”欄目主要為探究實驗，設(shè)有完整的探究過程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究方法和科學(xué)探究精神;“觀察與思考”欄目主要為教師演示實驗，旨在鍛煉學(xué)生觀察、描述、分析物理現(xiàn)象的能力，并從中建立物理概念和物理規(guī)律;“實踐與拓展”欄目主要為課后學(xué)生動手操作的拓展實驗，旨在發(fā)散學(xué)生思維，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和自主實踐能力。

3.2? ? 各類實驗的數(shù)量分布分析

對兩版教科書的各類實驗進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。 （1）人教版實驗類型的設(shè)置較為局限，必修第一冊中所設(shè)置的課后驗證性實驗和設(shè)計性實驗的數(shù)量為0，沒能為學(xué)生創(chuàng)造力和動手實踐能力的發(fā)展提供機會。在所設(shè)置的三類實驗中，探究性實驗最多，可見教科書注重對學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。

（2）粵教版各類實驗均有設(shè)置，資源分布較為均勻，注重學(xué)生綜合能力的發(fā)展。其中，演示實驗資源最為豐富，教科書中的演示實驗主要用于將抽象的概念形象化，有利于幫助學(xué)生更好地建立概念。

相比之下，粵教版所設(shè)置的實驗比人教版豐富，且兩版教科書所設(shè)置的實驗資源集中在探究性實驗和演示實驗，主要用于幫助學(xué)生建立物理概念和物理規(guī)律。

4? ? 呈現(xiàn)方式比較分析

科學(xué)的實驗編排方式以及適當(dāng)?shù)膶嶒灢鍒D，有利于教師和學(xué)生有針對性地使用教科書中的實驗。因此，接下來主要從實驗內(nèi)容的編排和實驗插圖的選擇兩個方面來分析比較兩版教科書中實驗資源的呈現(xiàn)。

4.1? ? 實驗內(nèi)容編排

兩版教科書中各個欄目的實驗，由于類型不同，呈現(xiàn)的內(nèi)容以及編排特點也有很多不同。了解教科書中實驗的編排，有利于教師進行實驗教學(xué)設(shè)計和學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

（1）人教版“問題”和“演示”欄目的演示實驗，欄目內(nèi)呈現(xiàn)簡單的實驗操作和問題思考，在實驗欄目外描述現(xiàn)象并進行解釋?！皩嶒灐睓谀康奶骄啃詫嶒?，欄目內(nèi)呈現(xiàn)實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)處理指導(dǎo)以及對實驗結(jié)果的思考，大多數(shù)實驗要求學(xué)生自主設(shè)計實驗表格記錄數(shù)據(jù)。例如，在“練習(xí)使用打點計時器”實驗中，就要求學(xué)生自主設(shè)計表格用于記錄時間和位移。對于單獨成節(jié)的實驗，教科書呈現(xiàn)的內(nèi)容較為豐富，實驗前設(shè)有實驗思路和物理量的測量幫助學(xué)生設(shè)計實驗，并以參考案例的形式發(fā)散學(xué)生思維，實驗后設(shè)有詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理和分析。

（2）粵教版“觀察與思考”欄目的演示實驗，欄目內(nèi)引導(dǎo)學(xué)生操作和觀察實驗，針對實驗現(xiàn)象設(shè)有問題思考，幫助學(xué)生養(yǎng)成分析證據(jù)的思維習(xí)慣，并在欄目外描述實驗現(xiàn)象和解釋結(jié)果。“實驗與探究”欄目的探究性和測量性實驗，在實驗操作前設(shè)有問題思考，以指引學(xué)生設(shè)計實驗;實驗中，設(shè)有詳細(xì)的實驗步驟和注意事項，以指導(dǎo)學(xué)生實驗操作;實驗操作后，設(shè)有實驗記錄表格、實驗畫圖紙，以指引學(xué)生處理實驗數(shù)據(jù);在欄目最后設(shè)有問題現(xiàn)象思考，以指引學(xué)生總結(jié)規(guī)律獲得結(jié)論。此外，教科書在部分探究性實驗前還設(shè)有預(yù)實驗。例如，在對“探究加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系”實驗處理上，教科書在實驗前設(shè)有預(yù)觀察實驗，以指引學(xué)生從預(yù)實驗中形成假設(shè)。

總體而言，兩版教科書在實驗前均注重問題的提出，以明確實驗?zāi)康牟⒁鰧嶒灥拈_展?；浗贪娴木幣艂?cè)重引導(dǎo)性，而人教版?zhèn)戎刈灾餍?。對于高一學(xué)生，詳細(xì)且具體的指引有利于幫助他們在高中物理學(xué)習(xí)的初期建立規(guī)范的實驗習(xí)慣，掌握實驗探究的方法?？梢?，粵教版的編排更符合高一學(xué)生的認(rèn)知情況。而人教版強調(diào)自主性設(shè)計，為培養(yǎng)和考查學(xué)生的實驗設(shè)計能力提供充足的機會。

4.2? ? 實驗插圖

教科書的插圖在點綴教科書、概括強化信息、促進學(xué)生理解、將抽象文本直觀化等方面均具有獨特的教育功能[3]。目前，教科書中的插圖越來越受到人們的關(guān)注，插圖也成為評價教科書的要素之一。兩版教科書在呈現(xiàn)實驗時均注重用插圖進行輔助說明，但是插圖的數(shù)量與類型上有所差異。

（1）人教版共有17個實驗，除了“測量紙帶的平均速度和瞬時速度”實驗，其余16個實驗均配有實驗裝置圖，可見教科書插圖的豐富性。除了呈現(xiàn)實驗裝置，有9個實驗還在裝置圖中呈現(xiàn)出了實驗現(xiàn)象。例如，“輕重不同的物體下落快慢的研究”實驗中，就展示了有空氣和真空情形下鐵片和羽毛的下落情況（圖1）。在數(shù)據(jù)分析上，教科書中僅有1個實驗配有標(biāo)注橫、縱坐標(biāo)的畫圖紙，要求學(xué)生作出數(shù)學(xué)圖形，有2個實驗配有已畫好的數(shù)學(xué)圖像，并結(jié)合文本對實驗數(shù)據(jù)進行解釋和推理。雖然教科書以文本的形式要求學(xué)生作出數(shù)學(xué)圖像，進行數(shù)據(jù)分析，但是畫圖紙的缺乏會降低學(xué)生數(shù)據(jù)處理的積極性。因此，教師在教學(xué)時需要關(guān)注這個問題，輔以學(xué)案等形式為學(xué)生數(shù)據(jù)處理提供充足的機會。

（2）粵教版共有27個實驗，除了“練習(xí)使用打點計時器”和“探究影響物體下落快慢因素”兩個實驗外，其余25個實驗均配有實驗裝置圖來輔助實驗的呈現(xiàn)。其中，僅有9個實驗呈現(xiàn)了實驗現(xiàn)象，大多數(shù)實驗僅呈現(xiàn)實驗裝置。在數(shù)據(jù)分析上，有5個實驗配有標(biāo)注橫、縱坐標(biāo)的畫圖紙，引導(dǎo)學(xué)生畫數(shù)學(xué)圖像進行數(shù)據(jù)分析，1個實驗配有已畫好的數(shù)學(xué)圖像，體現(xiàn)了粵教版教科書注重對學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)與考查。

兩版教科書的實驗插圖都體現(xiàn)了豐富性、多樣性原則。相比之下，人教版對實驗現(xiàn)象的呈現(xiàn)更為豐富，在缺乏實驗條件的教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生也有機會對實驗現(xiàn)象進行分析和思考。而粵教版較少呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象，為實驗的實施留足懸念，在實際教學(xué)中能夠更好地激發(fā)學(xué)生進行實驗的興趣與好奇心。在數(shù)據(jù)分析上，粵教版對學(xué)生進行數(shù)據(jù)分析做了更明確的要求，指引性更強。

5? ? 實驗內(nèi)容比較分析

5.1? ? 數(shù)字化實驗比較

新課標(biāo)中明確提出要關(guān)注課程的時代性，重視教學(xué)中信息技術(shù)的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化實驗憑借其精準(zhǔn)度高和智能數(shù)字技術(shù)為物理實驗教學(xué)開拓了新的領(lǐng)域[4]。教科書中數(shù)字實驗的設(shè)置，為學(xué)生了解、學(xué)習(xí)和使用新技術(shù)提供平臺。

（1）人教版設(shè)有4個數(shù)字化實驗，主要分布在“拓展學(xué)習(xí)”欄目，此欄目是人教版的亮點之一。數(shù)字儀器涉及拉力傳感器、DISLab位移傳感器、智能手機、Pasco壓力傳感器。對于在“拓展學(xué)習(xí)”欄目內(nèi)的數(shù)字實驗裝置，教科書有著詳細(xì)的介紹，如“借助傳感器與計算機測速度”實驗中，教科書中通過文字和圖片的形式詳細(xì)介紹了實驗的裝置與原理。數(shù)字化實驗在教科書中的作用主要有：一是放大細(xì)節(jié)，記錄中間過程，例如為了更好觀察靜摩擦力的特點，增加了拉力傳感器的實驗;二是對實驗方案的拓展，例如教科書在傳統(tǒng)打點計時器測量速度實驗的基礎(chǔ)上，拓展了位移傳感器測量速度的方案。

（2）粵教版設(shè)有5個數(shù)字化實驗，主要分布在“實驗與探究”欄目與傳統(tǒng)實驗一同呈現(xiàn)。數(shù)字儀器有DISLab拉力傳感器搭配計算機，光電門搭配數(shù)字計時器。數(shù)字化實驗在教科書中的作用主要有：一是方便測量，例如利用光電門測量速度，研究小球沿傾斜直槽運動速度變化的特點，簡化了傳統(tǒng)紙帶法繁雜的計算;二是作為傳統(tǒng)實驗的補充，例如針對傳統(tǒng)彈簧測力計難以觀察運動時示數(shù)變化的缺陷，教科書設(shè)有拉力傳感器研究相互作用力關(guān)系的實驗。

相比之下，兩版教科書均注重數(shù)字化儀器的使用與普及。雖然粵教版數(shù)字化實驗稍多，但是人教版的數(shù)字化實驗更為豐富多樣，涉及DISLab和Pasco兩個常見系統(tǒng)，且儀器不僅局限在計算機上，還開拓至智能手機。此外，對數(shù)字儀器的介紹上，人教版更為詳細(xì)、具體，為學(xué)生深入了解和研究數(shù)字化儀器提供機會。

5.2? ? 實驗方案比較

對于同一主題的實驗，不同的教科書有著不同的處理，接下來將從物理實驗設(shè)計的原則分析、對比兩版教科書對同一實驗主題處理的差異和優(yōu)劣，為教師對具體實驗的處理提供參考。

（1）物理實驗的目的性：

實驗的開展不僅是為了獲得某一次具體實驗的結(jié)果，更重要的是為了達到教學(xué)目的。物理實驗的選擇、設(shè)計與實施都必須服從于教學(xué)目的，而非僅僅追求實驗器材的新穎性、先進性。有時，從科學(xué)研究和實際生產(chǎn)的角度來看是先進的儀器與手段，從教學(xué)的角度看未必是最合適的。

例如，在“探究勻變速運動速度變化規(guī)律”的實驗中，粵教版利用小球在斜軌道的運動，讓小球做勻變速直線運動，并通過不斷移動光電門C獲得速度變化規(guī)律（圖2）。人教版則直接利用打點計時器和紙帶完成實驗（圖3）。雖然粵教版選擇的光電門解決了計時準(zhǔn)確性的問題，但是增加了實驗操作與實驗原理的復(fù)雜性，學(xué)生的精力集中在理解實驗原理與實驗過程上，從而削弱了研究勻變速運動速度變化規(guī)律這一教學(xué)目的的落實。

（2）物理實驗的科學(xué)性：

實驗方案的科學(xué)性對于滲透實事求是、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的態(tài)度具有重要作用。實驗方案的科學(xué)性不僅體現(xiàn)在實驗裝置與實驗原理的科學(xué)性，還體現(xiàn)在實驗實施的科學(xué)性。然而，教科書中一些實驗的科學(xué)性有待考究。

例如，在“研究滑動摩擦力”實驗中，人教版利用彈簧測力計直接用手帶動木塊做近似的勻速直線運動[圖4（a）]。本實驗方案在實施上難以確保物塊的勻速直線運動，從而帶來較大的實驗誤差，學(xué)生對實驗過程與結(jié)果的科學(xué)性容易產(chǎn)生質(zhì)疑。同時，彈簧測力計作為觀察模塊在不斷移動，不利于觀察?；浗贪娼柚妱訖C制作了創(chuàng)新實驗裝置，用電動機確保小車的勻速運動，并將彈簧測力計穩(wěn)定懸掛，準(zhǔn)確測量和觀察滑動摩擦力[圖4（b）]。相比之下，粵教版的實驗方案更具嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性。

（3）物理實驗的直觀性：

物理實驗的直觀性一方面體現(xiàn)在現(xiàn)象的可見度高，易于觀察。另一方面體現(xiàn)在將抽象的概念直觀化，幫助學(xué)生更好地建立概念與規(guī)律，突破思維難點。

例如，在“牛頓第三定律”一課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生往往能夠理解接觸且靜止的兩個物體之間相互作用力的關(guān)系，但是對于不接觸以及運動的物體缺乏正確的認(rèn)識。針對學(xué)生的這一情況，粵教版設(shè)有包括接觸與不接觸、靜止與運動多個情形的物理實驗，同時不僅研究相互作用力大小的關(guān)系，還研究相互作用力方向的關(guān)系。反觀人教版研究的情形僅有兩個物體接觸下相互作用力的關(guān)系，對于不接觸的情形，教科書則是在實驗后以提問的形式提及。由于缺乏直觀的實驗現(xiàn)象，結(jié)論往往難以讓學(xué)生信服。相比之下，粵教版在此實驗的選擇上更加豐富、嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)（圖5）。

6? ? 小? 結(jié)

本文通過分析比較2019年版人教版和粵教版普通高中物理教科書必修第一冊中的實驗，發(fā)現(xiàn)兩版教科書都突出了實驗在物理課程中的育人功能。欄目上，兩版教科書都設(shè)有固定的實驗欄目以呈現(xiàn)不同類別的實驗，其中人教版的欄目設(shè)置更為細(xì)化。實驗欄目的固定化使教科書中的實驗?zāi)康呐c功能更加明確，極具引導(dǎo)性和啟發(fā)性，有利于學(xué)生的自學(xué)和教師的教學(xué)。數(shù)量上，粵教版的實驗資源較人教版豐富，且實驗類型更為多樣。在呈現(xiàn)上，粵教版對實驗的編排側(cè)重引導(dǎo)性，而人教版的編排側(cè)重自主性。此外，兩版教科書的實驗插圖都體現(xiàn)了豐富性、多樣性原則。在實驗內(nèi)容上，人教版對現(xiàn)代化數(shù)字儀器的拓展更廣、更具體，拓展學(xué)習(xí)中的數(shù)字實驗也成了人教版的亮點之一。兩版教科書對同一教學(xué)內(nèi)容選擇的實驗有差異，對于同一實驗的處理也有差異，教師也應(yīng)當(dāng)基于實驗設(shè)計與實施的原則，將兩版教科書充分結(jié)合，理解教科書的編寫意圖，選擇最合適自身情況的實驗教學(xué)方案，提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。

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（欄目編輯? ? 劉? ?榮）