中日高中物理教材中實驗內容的比較分析及其啟示

王婭楠 黃致新 李成豐

(華中師范大學物理科學與技術學院,湖北 武漢 430079)

·國外教育·

中日高中物理教材中實驗內容的比較分析及其啟示

王婭楠 黃致新 李成豐

(華中師范大學物理科學與技術學院,湖北 武漢 430079)

日本在經過教育改革之后,基礎教育有了長足進步,不斷培養出高素質人才,使其科技迅猛發展,一躍成為經濟強國,因此其基礎教育的開展值得借鑒．本文通過文獻分析、內容分析和比較研究等方法,對比分析了中日兩國高中物理教材中實驗部分的內容,旨在客觀評價我國物理教材中的實驗內容,從中探索兩國在物理教育理念等方面的差異,為完善我國高中物理實驗教材提供一定的參考．

中日;高中物理教材;實驗;比較研究

物理實驗是一種活動,在此活動中,物理工作者們有目的、有計劃地利用實驗室中的儀器和設備,在可控條件下使物理現象反復再現,從而進行觀測研究．它是一種科學實踐,是整個物理學形成和發展的基礎．[1]本文通過文獻分析、內容分析和對比研究等方法,對比分析了中日兩國高中物理教材中實驗部分的內容,其目的不僅為客觀評價我國物理教材中的實驗內容,亦為從中探索兩國在物理教育理念等方面的差別,并提取可不斷完善我國物理實驗教材及物理課程的有效信息,將其運用到教學改革之中,以進一步提高基礎物理教學質量．

1 實驗教材的比較分析

1.1 研究對象選取

本次研究的對象為中日兩國高中物理的主流教材．中國教材選取為人教版普通高中物理課程標準實驗教科書理科系列,共有7冊,分為必修1、必修2和選修3系列,內含實驗171個;日本教材選取為實教出版社株式會社出版的高中物理新訂版教材,共有3冊,分為理科綜合A、物理Ⅰ和物理Ⅱ,以供對理科感興趣的學生學習使用,[2]內含實驗115個．

1.2 對比分析

(1) 兩國教材中的實驗呈現.

中國教材中的實驗多在“學生實驗”和教材小欄目及課題研究中．“學生實驗”以獨立章節的形式出現,主要為學生自主實驗,多為定量試驗;實驗所占篇幅較大,內容較為具體．

教材小欄目分為“實驗”、“演示”、“做一做”、“科學漫步”、“科學足跡”,“問題與訓練”等,實驗內容緊密結合學生的學習內容,在教材中多以方框嵌入的形式出現,以多種顏色填充,較易分辨．“實驗”欄目中多為定性實驗,內容簡潔,占據模塊較小,用時較短;“演示”欄目中主要為較為簡單的演示實驗,大多是由任課教師在課堂上演示給學生觀察,使學生能更加直觀地進行物理知識的學習;“做一做”欄目中多是一些實驗性的活動,所用器材較為靈活,趣味性較強,有條件的話可盡量多做;“科學漫步”欄目中會對所學知識進行深度和廣度的擴張,具有針對性和科學性,較為前沿,但數量較少;“科學足跡”欄目主要是對學生的啟迪,形式與“科學漫步”并無二異;“問題與練習”中多為一些實驗性的題目,依從新角度新方法進行實驗．

每冊書的最后均會有課題研究,主要針對生活中的某一物質或某一物理現象為課題開展研究;此外,本書安排了很多探究性的學習活動,而這些探究活動往往是以實驗的形式展開．

日本教材中的實驗一般分散于 “實驗”欄目、“探究活動”和“課題研究”中,但在教材內容中亦會適當添加一些實驗,數量較少．“實驗”欄目中的實驗較為分散,緊隨課程內容,占據教材的任意角塊,內容較為簡單,操作簡便．“探究活動”和“課題研究”較為集中．“探究活動”一般集中在每章的最后,其要求較為嚴謹,難度較大．而“課題研究”一般則處于每冊書的最后部分,有時會出現在章節之后,如物理Ⅱ中的第一章和第二章,其內容難度更大,針對性高,多數為具體的前沿物理研究,甚至是專業的研究課題,需耗時耗力,主要鍛煉學生的科研能力．

兩國教材中的實驗欄目分布如圖1，2.

圖1 中國教材中實驗欄目分布比例

圖2 日本教材中實驗欄目分布比例

(2) 兩國教材中的實驗結構.

兩國教材實驗可從縱向結構和橫向結構兩方面進行對比研究．縱向結構方面,兩國均采用“章-節”式結構,中國教材可分為24章147節,日本教材可分為13章128節．[3]

橫向結構方向,可按照物理學分類進行研究,分為力學、電磁學、熱學、光學和近代物理5方面．我國新版教材中,規律性較為明顯:力學內容占據首位,隨后是電磁學、熱學、波與光和近代物理,近代物理中亦包含了相關方面的內容,章節分類較為集中,教材內容層層深入,內置實驗,布局稍有偏頗,但其規律性強,符合中國學生的心理認知及其生活經驗;[4]日本教材未有較為明顯的規律可循,每一章節均會出現多種物理學內容,分布較散,但其所有實驗內容均為從基本入門,簡單易懂,易操作,隨后所有實驗的難度和廣度開始層層遞進．兩國教材中結構分布如表1.

表1 中日兩國高中物理教材中實驗結構的分布情況

日本教材中的兩個未能分類的綜合性實驗分別為物理Ⅱ主題13:物理觀察生活(生活中的物理)和主題15:物體變大、變小的研究．

(3) 兩國教材中的實驗類型.

兩國均可分為7種類型進行比較,即為“演示實驗”、“訓練型實驗”、“驗證型實驗”、“測定型實驗”、“探究型實驗”、“課外實驗”和“課題研究”．其中,“訓練型實驗”、“驗證型實驗”、“測定型實驗”和“探究型實驗”可統稱為分組實驗．其分布如表2.

表2 中日兩國高中物理教材中實驗類型的分布情況

其分布比重如圖3，4.

圖3 日本教材中實驗類型的比重分布

圖4 中國教材中實驗類型的比重分布

(4) 兩國教材中的實驗器材.

實驗器材可分為專業實驗器材和非專業實驗器材,專業實驗器材即我們在做實驗時實驗室專門配備的儀器和工具,非專業實驗器材為學生自己尋找或自己制作的較為簡易的工具,多數是學生在生活中經常使用的日常用品．

對比分析兩國教材中的主要實驗儀器,不難發現:中國教材中的實驗多為正式正規的實驗,特別注重基本儀器的使用,所運用的實驗器材亦多為基礎和專業,如力學部分主要運用米尺、游標卡尺、氣墊導軌、螺旋測微器、天平、秒表、打點計時器、小車、彈簧、彈簧秤和各種力傳感器等;電磁學部分主要使用電流表、電壓表、變阻器、多用電表和示波器、驗電器、平行板電容器、電源、電壓表、電流表、多用電表、滑動變阻器、電阻、磁鐵、線圈和各種電磁傳感器等;熱學部分主要使用溫度計和氣壓表、活塞、打氣筒和傳感器等;光學部分主要使用激光器、光源、平面鏡、雙縫干涉演示儀、偏振片和光屏等;原子物理學和近代物理學中所應用到的專業儀器則更為精密．此外,亦有少部分的非專業器材,如塑料瓶、硬幣、豆子、羽毛、玩具和各種家用電器等．其在教材中的基本分布如表3.

表3 中國教材中實驗器材匯總

日本教材中的“探究活動”模塊和“課題研究”模塊當中亦多為正規且難度較大的實驗,器材也大致為一些專業實驗器材．經常使用的器材多為一些基本的物理實驗儀器和現代化的實驗儀器,如激光發射裝置、太陽能電池、醫療器械、液氮、光柵、超導體、CDS、霍爾元件、氯化乙烯管、高壓儲氣瓶、攪拌機、馬尼式金屬檢波器、手機和各種現代化的器具制品等,另外還會有一些高新技術的運用,如信息技術等,實驗過程中將兩者相互融合．此外,在教材中分散分布的實驗多為興趣類的實驗,實驗簡單,器材也較為簡單,生活中亦隨處可見,如雞蛋、床單、硬幣等．具體的分布如表4.

表4 日本教材中實驗器材匯總

兩國教材中實驗器材的分配比重如表5.

表5 中日兩國教材中實驗器材的使用情況

具體實驗器材的使用情況已有前人研究,并已將其制作成表格直觀表達,這里作者就不再贅述．

(5) 兩國教材中實驗的方式方法.

中國教材中,實驗從3大方面呈現,包含實驗欄目、“學生實驗”和課題研究;日本教材中,實驗亦從3大方面呈現,包含“實驗”、探究活動和課題研究．

中國教材中的實驗欄目與日本教材中的“實驗”方式相同,均為模塊嵌入的形式出現,但兩國教材中的具體實驗相差較大．中國教材中的實驗普遍較為常規,趨向理論．而日本教材中的實驗貼近現代生活,多以引導的方式出現,強調簡短性,主要目的為鍛煉學生的主體性和自主性,如理科綜合A第211頁第6章實驗4“試試利用太陽能電池發電”、物理Ⅰ第159頁第3章實驗12“丹尼爾·賽格爾電池的制作”和第4章實驗23“人工夕陽”等．對于相同實驗亦是如此,以“牛頓第三定律”為例,中國教材必修1第4章第81頁“實驗”欄目探究作用力與反作用力的關系的實驗即為驗證牛頓第三定律,實驗中所配圖片為兩個彈簧測力計,文字說明配圖內容和實驗過程:“把A、B兩個彈簧測力計連接在儀器,B的一端固定,用手拉測力計A……”;日本教材理科綜合A第4章第148頁實驗5作用力與反作用力相關的實驗中,配有4張圖片及簡短的4句話語將整個實驗過程描述完整．

中國教材中的“學生實驗”與日本教材中的“探究活動”間的大致風格相似,均是以嚴格的實驗格式進行,但兩者間的實驗格式并非完全相同．以“機械能守恒定律”實驗為例,中國教材必修2第7章第79頁實驗:驗證機械能守恒定律中描述的即為有關機械能守恒定律的實驗的格式和內容,首先以文字表述引出實驗正式內容,隨后按照試驗方法→要注意的問題→測量的速度的格式進行實驗,實驗過程按照七步驟中的設計實驗→進項實驗→分析論證→得出結論→評估交流,運用打點計時器、紙帶、夾子和重物等工具,實驗配圖即為其工具組合的實驗原理圖．而在日本教材物理Ⅰ第2章第138頁探究活動6:力學能量守恒定律描述中,首先是以問題引出實驗,隨后按照假設→準備→方法→處理→考察→拓展的格式進行實驗,實驗過程亦按照七步驟或根據具體情況具體實施,日本教材中的探究活動實驗基本與其相同,整個實驗非常嚴謹．

將兩國教材中的課題研究進行對比,中國教材中的課題研究出現在每冊教材的最后部分,首先會第一冊教材的最后簡短介紹課題研究的說明,隨后會選取某一物體或物理現象開展研究．研究過程會按照課題的得來→課題的規劃→課題的實施或其中一部分進行,其中課程的實施分為兩部分,第一部分圍繞課題目標的相關表述進行實施前的資料收集,第二部分圍繞課題的具體實施自制裝置并實施或撰寫研究報告,每冊教材僅有一個研究課題．如必修2中的研究課題:橋梁的研究即為按照上述形式進行．

日本教材中,課題研究集中出現,專門開展一章內容．首先亦會在第一冊教材中簡單地介紹課題研究,隨后選取內容開展研究,后面教材中不再介紹,直接選取課題進行研究．教材中所選的課題多為與現代生活高新科技相關或與前沿物理研究相關的課題,難度較大,但要求較為廣泛,不會有太大的限制．課題研究之前,會介紹相關的主題實例,隨后讓學生參照主題例子設定自己的課題進行研究、發表．如理科綜合A的“放射性”研究、“醫療器械”研究和“宇宙開發”研究等．[5]

2 結論

2.1 實驗呈現對比結論

兩國都是采用多種實驗欄目協調發展,不同數量的實驗分布在不同的實驗欄目中,使學生能從多方面、多角度認識實驗,理解實驗．但中國教材中的實驗欄目較多,種類繁復,實驗的分布不均,且差距較大;而日本教材中的實驗欄目較為簡易,只有“實驗”、“探究活動”和“課題研究”3種,其實驗雖也分布不均,但其數量的差距不大．

2.2 實驗結構的對比結論

兩國教材縱向方向均是采用“章—節”式的實驗結構,具體的實驗穿插其中．橫向方向亦均從物理學分類角度進行,兩國均注重基礎實驗,力學實驗比重較大,隨后為電學,然后按照熱學、光學、原子物理學和近代物理學的循序遞減．其實驗的依據點也均十分相似．

不同之處主要在于兩國教材中的實驗側重不同,物理學方面,中國教材中的力學實驗數量上雖比日本教材多,但比例上還是比日本的要小一些,中國教材中的力學實驗約占整體實驗的38.6%,而日本的約占41.4%;中國教材中的電學實驗基本上和力學實驗占有同樣的比重,熱學和光學所占比重相同,而日本教材中的電學實驗比起力學實驗要少一些,光學和原子物理學占有相同的比重,熱學比其要多一些,日本教材中還有兩個未能對其進行分類的綜合性實驗．

此外,兩國的實驗結構在其縱向和橫向兩方面的分布亦不相同,中國教材中的每一類實驗結構均集中展現,可分為連續的章節,此后即轉為另一類結構內容;而日本教材中的實驗結構分散,每一章節內蘊含多種結構的實驗,此后在“探究活動”與“課題研究”欄目中重復出現．這與兩國的教材結構特點相關．

2.3 實驗類型的對比結論

兩國的實驗均為7種實驗類型,且其目標及設定十分相似,在此方面,兩國的差距不大．此外,兩國教材中的演示實驗比重均為最高,分組實驗中則主要側重探究型實驗,驗證型實驗和測定型實驗方面相差無幾,同時亦都注意到課外實驗的重要性．

不同之處亦為各種實驗類型的比重不同,中國教材中的實驗分布十分不均,而日本教材中的實驗分布差別較小．中國教材中的演示實驗較之其余實驗,比重過大,約為62.0%,占據了教材中實驗的半壁江山;而日本教材中的演示實驗只有29%．探究型實驗和課外實驗方面日本教材中的側重更為明顯,特別是課外實驗方面,中國教材中的課外實驗比重較小．訓練型實驗方面,中國教材中設定了獨立的實驗以供學生練習,在其它實驗中亦有所體現,但相對會減輕其側重;日本教材中則未有開設專門的訓練,而是體現在具體的實驗過程之中．兩國在課題研究類實驗方面差距較大,日本教材中的課題研究更為系統,更為成熟．

2.4 實驗器材的對比研究

兩國教材中的實驗均使用了大量的正規實驗器材和非正規實驗器材,兩類實驗器材交錯使用,使學生都能更好地學習知識以及掌握知識;而在這些實驗器材的使用中,正規實驗器材均得到了較大程度的應用,兩種器材相互結合,結合運用到實驗的數量也基本相同．

不同之處在于兩種實驗器材的使用比例,中國教材中的實驗器材更傾向于正規的實驗室器材,特別是一些基本實驗室器材的使用十分頻繁;而日本教材中的非正規器材使用頻率相比于中國來說高出較多,尤其是日常生活中經常觀察到的材料,其中有很多是一些廢棄材料的再循環使用,且兩類器材的融合度更高．此外,日本教材中的很多實驗材料均結合了現代化的科學技術,可應用到現代化的高科技生活當中,而我國教材中的實驗器材雖也有一些利用了現代化技術,如計算機、傳感器等,但仍有很多依然承襲先前傳統的風格,與現代生活有些脫軌,無法使學生將所學知識與其進行完美地融合,亦未能使學生深入接觸及掌控高新的技術．

2.5 實驗方式方法的對比結論

在此方面,相同之處為:實驗均分為3大類進行．中國教材中的實驗欄目和日本教材中的“實驗”在方式設置方面相近,均是結合圖片、文字和實驗器材進行,實驗內容皆是緊密結合教材內容;“學生實驗”和“探究活動”相似,均是嚴格按照實驗格式并依據實驗步驟研究,實驗內容和難度都較高;兩國的課題研究的表述和研究過程均為相似,均為學生自己搜集資料進行研究,最后均是按照研究結果自制裝置展示或發表報告．

不同之處為:實驗方式上,日本教材中的“實驗”表述更為簡潔明了,配圖和文字契合度更高,亦更有趣味性,更貼近現代科技;探究活動中的實驗更為嚴謹,更具完備性;課題研究范圍廣,數量多,深度和難度要求更高,更具現代化和系統化．實驗方法上,兩者在一些相同的實驗中所采取的方法并不完全相同．

3 啟示

3.1 應協調各種類型實驗的比重

據研究表明:現今我國教材中各種實驗類型的比重嚴重不均,演示實驗所占比例過大,而探究型實驗和課題研究的比例相對來說較小,尤其是課題研究的比例,學生無法更加深入地解決物理問題,甚至是物理課題,其可致使學生在步入更深的物理知識之前會有很長時間的調理期,過度跨越過大．

3.2 應增加非正規實驗器材的比重,提高實驗器材與現代科技生活的銜接度,提高正規與非正規器材的融合度,刷新新一輪器材改革

經研究發現:我國的實驗器材仍多為正規和傳統的實驗器材,學生多數只能在實驗室中進行實驗,對于日常生活中的相關實驗束手無措．此外,實驗中的正規與非正規實驗器材的使用相對獨立．致使學生未能學以致用,做到教材與客觀世界的靈活轉化,不利于學生將課堂知識和日常生活聯系在一起,亦不利于激發學生學習的興趣,更不利于學生的未來發展．增加非正規實驗器材的比重,將實驗器材生活化,科技化,將實驗器材與現代生活聯系在一起,并且提高兩類器材的融合度,可在一定程度上減少上述現象的發生．

3.3 適當采用新的實驗方式和方法,實現實驗方式方法的多樣化發展

中國教材中的實驗可適當借鑒日本教材或其它國外教材中的實驗,采取更為靈活的方式和方法,將其匯總,可供給一類實驗多類實驗方案,學生可根據情況選取不同的實驗方法進行實驗,并分組對其研究過程和結果進行探討、對比和分析,幫助學生掌握多種實驗方法,使其養成思維拓展的良好習慣,進一步完善學生的邏輯思維和創新思維．

3.4 實驗內容應適當“高新化”

經對比發現:相較于日本教材中實驗內容而言,我國物理教材中的實驗內容仍遵循傳統路線,內容較為陳舊．我國應借鑒日本高中物理教材中的實驗內容,將其與現代化高新技術結合,使學生能夠將所學知識接軌現代化生活和高新技術,幫助學生更加熟練掌握高新技術手段,以便學生在步入社會之后能更快地融入現代社會,并將所學知識運用到現代社會之中．

總之,本次研究通過對中日兩國物理教材中實驗內容的對比分析,提取日本教材中最具價值和適合學生未來發展必備的內容,意欲將其運用到我國的教材當中,以供學生學習,形成更為有效和系統的實驗內容體系．

1 閻金鐸,郭玉英.中學物理教學論[M].北京:高等出版社，2005.

2 黃致新.解讀日本高中物理教材所得到的若干啟示[J].物理教學探討,2012(12):1-5.

3 彭蜀晉,林長春.日本新修訂高中學習指導要領與理科課程的新變化田[J].課程·教材·教法,2011(9):104.

4 袁博,張磊.對中美物理教材知識難度差異的分析與思考[J].物理通報:教材與書評,2011(10):119-122.

5 蘇利霞.新課標下高中物理教材實驗設置的分析與研究[D].濟南:山東師范大學，2015.

2016-09-19)