中美基礎(chǔ)物理實驗教科書的對比與啟示

熊澤本 馬世紅

(1荊楚理工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，湖北 荊門 448000； 2復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，上海 200433)

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國內(nèi)外物理教育縱覽

中美基礎(chǔ)物理實驗教科書的對比與啟示

熊澤本1馬世紅2

(1荊楚理工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，湖北 荊門 448000；2復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，上海 200433)

文章選取中美兩國有代表性的基礎(chǔ)物理實驗教科書，對教科書的知識內(nèi)容與結(jié)構(gòu)、實驗項目取材、配套信息建設(shè)、教科書特色與優(yōu)點、教科書體現(xiàn)教與學(xué)的思維方法、教科書深度與廣度等方面進行對比與分析。總結(jié)了中美兩國基礎(chǔ)物理實驗教科書在認知思維方式、學(xué)習(xí)觀、教科書開放程度、實驗環(huán)境設(shè)置、實驗項目取材、教科書深度與廣度、印刷風(fēng)格等方面存在差異。在此基礎(chǔ)上得到一些啟示，希望為我國教科書的修訂與編寫、實驗教學(xué)改革的進一步推進和優(yōu)化提供一些有益的參考和建議。

基礎(chǔ)物理實驗；特點；對比；教科書

基礎(chǔ)物理實驗是其他專業(yè)實驗和科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展的重要手段和核心課程之一。教科書作為實施教學(xué)內(nèi)容的文字載體和學(xué)生最主要的文本參考資料，其在物理實驗教學(xué)中的重要作用和地位毋庸置疑，它是聯(lián)接從課程教學(xué)基本要求、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)到基層具體教學(xué)實踐的橋梁和紐帶。

1 中美教材基本情況

為了促進實驗教學(xué)全面改革與發(fā)展，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，隨著國家級、省級物理實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的全面開展，作為示范中心建設(shè)目標(biāo)之一的實驗教材建設(shè)也取得了豐碩的成果，一批體現(xiàn)實驗教學(xué)改革成果、涵蓋新技術(shù)、新方法，各具特色而自成體系的基礎(chǔ)物理實驗教材陸續(xù)出版，本文選擇的中國教材樣本是由北京大學(xué)呂斯驊、段家忯、張朝暉主編的《新編基礎(chǔ)物理實驗(2版)》和復(fù)旦大學(xué)沈元華、陸申龍主編的《基礎(chǔ)物理實驗》[1,2]，前者是高等學(xué)校物理實驗教學(xué)示范中心系列教材，“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材；后者是“十五”國家級規(guī)劃教材和“面向21世紀課程教材”。教材由身處物理實驗教學(xué)一線多年，具有豐富教學(xué)經(jīng)驗和科研背景的國家級物理實驗教學(xué)示范中心的教師集體編寫的，教材體現(xiàn)了兩所學(xué)校物理教學(xué)示范中心多年實驗教學(xué)改革的集體智慧，融合進了近十幾年教學(xué)改革的最新成果，滲透了物理學(xué)部分前沿專題和最新研究成果，充滿了時代氣息。

美國高等教育是一個發(fā)達的、全球領(lǐng)先的、多層次的人才培養(yǎng)體系。哈佛大學(xué)是全美乃至全球綜合實力名列前茅的頂尖高校，是美國最早的4所“常春藤盟校”(Ivy League)之一。與美國大部分高校一樣，哈佛大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)都沒有正式出版的基礎(chǔ)物理實驗教材[3-5]，他們基本上采用自編的實驗講義，稱為“Worksheets”或“Lab manuals”，實驗講義由參與實驗教學(xué)的教授和指導(dǎo)教師編寫完成，講義根據(jù)需要每年不斷地進行修改、補充。每學(xué)期開學(xué)初，由實驗室打印好相應(yīng)實驗項目指導(dǎo)書，裝訂成冊后供學(xué)生購買使用。本文選擇的哈佛大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)“基礎(chǔ)物理實驗教材”正是通過收集整理他們多年沿用至今的較為完整的實驗講義，整理后，等同為美國版“基礎(chǔ)物理實驗教科書”文本(以下敘述中，仍稱為“教科書”)[6，7]。

2 教材基本內(nèi)容及結(jié)構(gòu)編排

2.1 教材基本內(nèi)容

《新編基礎(chǔ)物理實驗(2版)》是北京大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗中心多年教學(xué)改革成果之一，體現(xiàn)了該校“加強基礎(chǔ)、循序漸進、因材施教、全面提高”的改革思路，實驗教學(xué)內(nèi)容融入了近代物理部分內(nèi)容和現(xiàn)代實驗技術(shù)以及部分科研成果，構(gòu)建了“強基礎(chǔ)、高起點、多層次、綜合性和研究性”的全新課程體系[1]。教材分成“預(yù)科實驗”“基礎(chǔ)實驗—Ⅰ”“基礎(chǔ)實驗—Ⅱ”3個部分。第一部分6個“預(yù)科實驗”，主要是基礎(chǔ)物理實驗中涉及力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)基本儀器的使用、基本測量方法的介紹；第二部分“基礎(chǔ)實驗—Ⅰ”共計16個實驗，主要包含常用實驗儀器，常用物理實驗方法，常用實驗操作技術(shù)和物理學(xué)基本概念等內(nèi)容；第三部分“基礎(chǔ)實驗—Ⅱ”有18個實驗，包含最新科技成果、實驗技術(shù)和部分廣泛應(yīng)用的近代物理實驗。全書突出“基礎(chǔ)”二字，不僅在全書實驗內(nèi)容的分布上體現(xiàn)層次化，而且在具體每一個實驗的設(shè)計上也有不同要求：有說明步驟和方法的基礎(chǔ)性內(nèi)容，也有需要自己搭建實驗平臺、自擬實驗步驟的設(shè)計性內(nèi)容。在實驗教學(xué)目標(biāo)、實驗教學(xué)內(nèi)容的擬定上充分體現(xiàn)了階段性和靈活性，展現(xiàn)了“因材施教”的基本原則，體現(xiàn)了《理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求》的文件精神[8]。

復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗除了包含力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)部分非常經(jīng)典而又重要的、普及性很廣的實驗，還包括6個廣泛應(yīng)用的近代物理實驗，如X光技術(shù)、CT實驗、核磁共振等。并且教材還加入了16個趣味性很強的與日常生活緊密關(guān)聯(lián)的定性與半定量實驗。如“硬幣起飛”“碰撞打靶”“激光監(jiān)聽”等。每個實驗項目的要求不盡相同，一般包含“必做部分”和“選做部分”“必做部分”有比較詳細的實驗步驟與測量方法介紹；而“選做部分”則只提出實驗?zāi)繕?biāo)，需要自己搭建測量平臺，自己擬定實驗方法和實驗步驟。

哈佛大學(xué)面向物理類學(xué)生開設(shè)的基礎(chǔ)物理實驗課程稱為Physics 15A(力、熱)、Physics 15B(電、磁)Physics 15C(光學(xué)、波動)。其基礎(chǔ)物理指導(dǎo)書中每個實驗一般包含“Objective”“Introduction”“Procedure”“Method”“Background”“References” 6個部分。該校基礎(chǔ)物理實驗指導(dǎo)書有鮮明的個性特點：如不同的實驗其步驟設(shè)計不盡相同，有的有較詳實的步驟，有的是以多個問題設(shè)疑的方式代替步驟；實驗項目取材廣泛，實驗設(shè)計構(gòu)思巧妙；教材提供資源豐富，知識和內(nèi)容呈現(xiàn)立體化，匹配大量參考文獻；采用彩色配圖，圖表眾多且形象生動，版面設(shè)計輕松活潑。

俄亥俄州立大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗課程分兩個學(xué)期開設(shè)，實驗項目內(nèi)容涵蓋基礎(chǔ)物理學(xué)中常見的物理實驗。如“Conservation of Energy”“Magnetic Induction”“Light Interference”等。指導(dǎo)書中每個實驗一般包含“Material”“Note”“Activity”“Graded Activity”“Analysis”5個部分。該教材的突出特點是：實驗步驟“問題化”，即在“Activity”部分較多釆用引導(dǎo)性的提問來引領(lǐng)讀者圍繞課題進行發(fā)散性的、探索性的、有一定自主性的實驗研究。在一些容易出錯或較難的探究中給予一些提示，時刻提醒學(xué)生把自己的數(shù)據(jù)與觀察到的現(xiàn)象等與他人討論、分享、對比。教材特別重視實驗預(yù)習(xí)，在指導(dǎo)書中設(shè)立了“Group Work”，針對每個實驗的原理、實驗方法、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，設(shè)置了8～10個預(yù)習(xí)問題或討論內(nèi)容，學(xué)生通過查找資料，自主學(xué)習(xí)物理概念、實驗原理、了解測量方法，初步計劃實驗步驟等。通過實驗問題的設(shè)置使學(xué)生帶著疑問和目標(biāo)去預(yù)習(xí)，使預(yù)習(xí)更有目的性、方向性和針對性，提高了實驗預(yù)習(xí)效果(如圖1所示)。

為了全面比較各校教科書在實驗項目設(shè)置以及圖表運用、思考題匹配和參考資料的使用方面的差異，列表對比如表1和表2所示。

2.2 教材基本內(nèi)容對比

通過分析表1可知：從實驗項目的設(shè)置上看中國和美國兩套教科書在熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)部分內(nèi)容的實驗數(shù)量所占比例各自基本保持一致，教科書都不約而同地用一個實驗介紹誤差理論和數(shù)據(jù)處理在基礎(chǔ)物理學(xué)中的應(yīng)用，并且在后續(xù)實驗中強調(diào)數(shù)據(jù)處理和誤差理論的應(yīng)用，簡單，適用。軟件應(yīng)用方面：哈佛大學(xué)實驗指導(dǎo)書用兩個實驗介紹了Matlab的數(shù)據(jù)處理、作圖、模擬仿真、矩陣、微分方程求解等功能。北京大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗教科書則用一個實驗介紹了Lab VIEW虛擬仿真、數(shù)據(jù)采集、處理、作圖等功能。俄亥俄州立大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)則介紹了LoggerPro在實驗中的應(yīng)用。值得強調(diào)的是：在知識內(nèi)容的選取范圍上，北京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗教科書實驗內(nèi)容覆蓋范圍更廣，在力、熱、聲、電、磁、光學(xué)和近代物理中都有涉及，而哈佛大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)實驗項目內(nèi)容集中在力、熱、電磁和光學(xué)4門學(xué)科。北京大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗教科書選用了體現(xiàn)現(xiàn)代實驗技術(shù)和最新研究成果的10個近代物理實驗，復(fù)旦大學(xué)選擇了6個“普物化”[2]的近代物理實驗；而哈佛大學(xué)則沒有采用近代物理實驗內(nèi)容，而是設(shè)置了19個“Short Project”實驗供學(xué)生選擇，如Eigenmodes of a Violin Body、Make a DPSS Laser、Sound “holography”等，其難度比我國基礎(chǔ)物理實驗中綜合、設(shè)計性實驗難度要大。(哈佛大學(xué)2016年春季學(xué)期“Short Project”實驗項目見附錄)。

圖1 “1-D Kinematics”實驗預(yù)習(xí)[7]

表1 教科書實驗項目統(tǒng)計 (個數(shù)、占比)

注：合計項為實驗項目總數(shù)。

表2 教科書中圖表、思考題、參考文獻的使用情況

注：平均值項為圖表、思考題、參考文獻均分到每個實驗項目的平均值。

從表2可以看出：中美兩國基礎(chǔ)物理實驗教科書都非常重視圖表的使用，但是對思考題和參考文獻的數(shù)量的配置則有明顯差別，美國兩套基礎(chǔ)物理實驗指導(dǎo)書中關(guān)于問題的設(shè)疑目的、數(shù)量、方式與國內(nèi)教材明顯不同。中國兩套教科書中問題的設(shè)置往往放在每個實驗?zāi)┪玻淠康氖峭怀鰧嶒灥碾y點、重點內(nèi)容，或者是引發(fā)讀者進一步的思考與探索。美國教科書中問題的設(shè)置貫穿每一個實驗的始終，設(shè)置疑問的目的是教科書開放式實驗步驟的突出體現(xiàn)，教科書中用設(shè)置一個接一個的問題來代替實驗步驟的文字描述，通過一系列的問題來引導(dǎo)讀者進行有目的的實驗探索與研究。

3 中美教材各自的特色

通過以上分析，可以得到中國(北京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué))基礎(chǔ)物理實驗教科書主要特點是：

(1) 層次化的實驗教學(xué)內(nèi)容體系。

(2) 教學(xué)內(nèi)容覆蓋面非常廣泛。既有基礎(chǔ)、典型實驗，又有提高、現(xiàn)代科技內(nèi)容實驗。

(3) 因材施教原則，每個實驗項目有2～3項擴展實驗內(nèi)容，以適應(yīng)不同層次，不同需求的學(xué)生。

(4) 開放的實驗教學(xué)內(nèi)容。有固定步驟部分，也有自主設(shè)計實驗部分。

(5) 基礎(chǔ)物理實驗階段嵌入一些應(yīng)用廣泛、日常生活中常見的近代物理實驗內(nèi)容。

(6) 復(fù)旦大學(xué)《基礎(chǔ)物理實驗教材》設(shè)置了16個趣味性很強的定性與半定量實驗。

(7) 每個實驗系列提供一定數(shù)量的參考文獻。

(8) 教材體現(xiàn)一定深度和廣度。提供部分含物理學(xué)前沿專題和最新科技發(fā)展概況的參考資料。

美國(哈佛大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué))基礎(chǔ)物理實驗教科書基本特點是：

(1) 大部分實驗相對比較簡單，但是實驗內(nèi)容來自生活，構(gòu)思巧妙，實驗項目的選擇注意趣味性，注意提高學(xué)生學(xué)習(xí)動力。

(2) 用設(shè)置問題的方式來代替部分實驗步驟的文字說明，開放化的實驗教學(xué)體系。

(3) 彩色繪圖、圖表豐富、形象生動。如圖2、圖3。

圖2 Responses to Time Dependent Voltages [6]

圖3 Resistor Color Code [6]

(4) 哈佛大學(xué)教科書設(shè)置了“Home Work”實驗，鼓勵學(xué)生在課余時間完成實驗。

(5) 大量補充、延伸與實驗內(nèi)容相關(guān)的物理學(xué)前沿專題、相關(guān)領(lǐng)域研究最新進展的閱讀材料。

(6) 計算機采集實驗數(shù)據(jù)、計算機控制與應(yīng)用在實驗中非常普遍。

(7) 哈佛大學(xué)教科書在普通物理實驗中開設(shè)“Short Project”實驗。

(8) 俄亥俄州立大學(xué)教材中實驗原理的開放和實驗預(yù)習(xí)問題的設(shè)置。

(9) 教科書強調(diào)學(xué)生注意實驗過程中的交流、表達，注意學(xué)生行為習(xí)慣的培養(yǎng)和情感態(tài)度的升華。

4 中美教材差異分析

中美兩套教科書在教學(xué)的設(shè)計理念與實踐、實驗項目取材和環(huán)境設(shè)置、以解決問題為手段的思維探究方式和以培養(yǎng)能力為主的學(xué)習(xí)觀等方面體現(xiàn)出各自不同的鮮明特色。具體對比分析如下：

4.1 指導(dǎo)教科書建設(shè)的綱領(lǐng)性文件的差異

教育部教指委組織編寫的《理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求》(簡稱《要求》)是基礎(chǔ)物理實驗課程建設(shè)和教科書建設(shè)的指導(dǎo)性文件。教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會2010年最新修訂的《要求》中關(guān)于物理實驗教學(xué)基本任務(wù)可分為“能力任務(wù)”和“情感任務(wù)”“能力任務(wù)”包括掌握實驗技能、實驗思想和實驗方法，培養(yǎng)科學(xué)思維和創(chuàng)新能力；“情感任務(wù)”包括培養(yǎng)科學(xué)作風(fēng)、探索精神、團結(jié)合作意識與愛護財產(chǎn)等。教科書在安排相關(guān)實驗實現(xiàn)這些培養(yǎng)目標(biāo)的時候是一種潛移默化的形成過程，“潤物于無聲處”，課程教學(xué)目標(biāo)隱含在一個精心設(shè)計的實驗項目系列里面，是一種“隱性”的能力培養(yǎng)和情感的構(gòu)建。

在美國，指導(dǎo)本科物理實驗教學(xué)和教科書建設(shè)的是由AAPT(American Association of Physics Teachers)下的“The Laboratory Goals Subcommittee”制定的“AAPT Recommendations for the Undergraduate Physics Laboratory Curriculum”[9]。該文件中明確提出本科物理實驗教學(xué)目標(biāo)是：“Constructing knowledge”“Modeling”“Designing Experiments”“Developing technical and practical laboratory skills”“Analyzing and visualizing data”“Communicating Physics”。因此，建模精神，設(shè)計實驗?zāi)芰Α⑦\用知識解決實際問題的思想貫穿美國物理實驗教材的始終，實驗項目的設(shè)計與編排突出課程建設(shè)目標(biāo)，是一種“顯性”的外露。

4.2 東西方認知思維方式的差異

多數(shù)學(xué)者認為：西方人的思維方式是邏輯思維或者分析思維，東方人特別是中國人的思維方式是辯證思維[10-12]。邏輯思維喜歡從一個整體中把事物分離出來，對事物的本質(zhì)特性進行邏輯分析；而辯證思維追求折衷與和諧，認為任何事物都存在著適度的合理性。因此邏輯思維往往重視過程，而辯證思維為追求合理性往往更注重結(jié)果。這種思維慣性也體現(xiàn)在科學(xué)探究過程中，物理實驗過程就是發(fā)生在實驗室里的科學(xué)探究過程，科學(xué)探究都是從問題開始的[13]。科學(xué)探究過程就是提出問題、研究問題、解決問題的過程。

中國教科書中基礎(chǔ)物理實驗探究一般不重視建模過程，其實驗探究的研究步驟是“提出問題—測量方法研究—測量步驟—數(shù)據(jù)分析—結(jié)果反思”。提出的研究對象往往是一個近似理想的物理模型，在研究過程中雖然也會考慮其他影響因子，但是在從觀察現(xiàn)象到物理模型的確定中間缺少了建模環(huán)節(jié)。在探究過程中更注重探究方法和知識的掌握和運用，實驗過程一般會強調(diào)實驗裝置的準(zhǔn)確性，測量的合理性，關(guān)注實驗過程中的探究能力，而往往忽視了從現(xiàn)象到問題再到建模過程的初始階段的探究能力的培養(yǎng)。美國兩套基礎(chǔ)物理實驗教科書中部分實驗探究的一般過程是“物理現(xiàn)象—提出問題—假設(shè)猜想—建立模型—設(shè)計步驟—數(shù)據(jù)測量—分析、反思”，實驗往往從身邊現(xiàn)象開始，然后從中提煉和歸納出各種典型的物理模型，建模之后再猜想其影響要素，在提供實際條件的前提下，通過步驟賦予模型真實的數(shù)據(jù)，最后進行結(jié)果的評估。在實驗過程中不斷有問題提出，懷疑精神、創(chuàng)新精神貫穿始終。這種探究過程包含了認知過程的全部，特別是科學(xué)建模。

4.3 實驗探究過程中體現(xiàn)學(xué)習(xí)觀的不同

從表2可以看出，美國兩所大學(xué)物理實驗教科書中問題的個數(shù)和使用頻率遠大于中國兩套教材，且美國兩個實驗教科書樣本將問題貫穿于整個實驗過程中，通過設(shè)置體現(xiàn)研究過程的目的性的問題引導(dǎo)學(xué)生分析思考。“遇到問題不是找資料，而是做個實驗一探究竟”，[14]通過實驗提出問題，在實驗過程中學(xué)會用已掌握的知識和經(jīng)驗來解決問題，強調(diào)研究過程。這是一種強調(diào)能力培養(yǎng)的學(xué)習(xí)觀。

而中國兩個物理實驗教科書樣本中問題主要以思考題的形式設(shè)置，在實驗過程中很少設(shè)置問題，大多是敘述性的語言描述實驗的內(nèi)容及過程。在文字表述中表現(xiàn)為概念敘述嚴謹，語言精練。在實驗探究過程中往往突出知識的運用，在經(jīng)歷實驗探索過程中學(xué)習(xí)新的知識與方法。這是一種以知識學(xué)習(xí)為中心的學(xué)習(xí)觀[15]。

4.4 教材開放形式有差異

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是基礎(chǔ)物理實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)目標(biāo)之一[8]，按照布魯姆的教育目標(biāo)分類方法[16]，創(chuàng)新處于學(xué)習(xí)目標(biāo)的最頂端，其目標(biāo)是為了完成某一任務(wù)，在基于一定準(zhǔn)則的前提下提出相應(yīng)假設(shè)，利用已知要素組成功能性的模型或結(jié)構(gòu)整體。在物理實驗中，為了達到實驗?zāi)繕?biāo)和任務(wù)，運用已掌握的知識和經(jīng)驗，自主搭建實驗平臺，自擬實驗步驟來實現(xiàn)實驗?zāi)繕?biāo)的過程就是創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)過程。在基礎(chǔ)物理實驗階段，實現(xiàn)創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的手段就是設(shè)置開放性的實驗體系。中美兩國各自兩套教科書都很重視實驗的開放性，也即實驗步驟留有一定“空白”，一些實驗需要學(xué)生自己擬定步驟，留出一定空間讓學(xué)生施展發(fā)散性思維，進行開創(chuàng)性、富于想象力的拓展[17]。但是中美各自兩套教材的開放形式不一樣，哈佛大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗教科書中往往用一個接一個的問題來代替實驗步驟的文字表述，如“你認為……，為什么？”，“會怎樣？”“會不會……？證明你的觀點”“解決這些問題，展示你的工作”。這種開放形式是利用一個個提示問題來引領(lǐng)學(xué)生，讓學(xué)生在問題的引導(dǎo)下進行自主探索、設(shè)計、推演。如“Falling-chain”“Chaos”“Air Drag and Fitting”等實驗。

北京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗教科書中開放實驗的設(shè)計方法是：“自己設(shè)計一個……的方案并實施它，畫出簡要的原理框圖，并簡要說明之，將結(jié)果與……方法測得結(jié)果進行比較”。如透鏡焦距測量實驗中，在介紹完用物像法、位移法測量透鏡焦距步驟以后，要求讀者用自準(zhǔn)直法測量同一透鏡焦距，并與兩種方法進行比對。這種開放形式是以原有內(nèi)容和方法為基礎(chǔ)，給出測量目標(biāo)和框架，讓學(xué)生搭建平臺，自主設(shè)定步驟和方法的實施過程。

4.5 教材深度、廣度差異

中美兩國兩套教科書在教材立體化建設(shè)上面體現(xiàn)差異。北京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗每個實驗?zāi)┪矔峁┮欢康膮⒖嘉墨I，這些參考資料與教材自身屬性近似，更多是為了服務(wù)實驗自身的概念說明，佐證提出觀點的正確性而設(shè)置。而美國兩所大學(xué)基礎(chǔ)物理教科書為讀者提供了大量擴充的、引申的書籍、電子文獻、網(wǎng)頁鏈接等，這些參考文獻大多是與實驗內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的最新科技成果、相關(guān)專業(yè)前沿進展情況的科技報道等。這些資料給讀者提供了一個開闊的、發(fā)展的物理學(xué)研究空間，開拓了視野。

4.6 實驗環(huán)境設(shè)置差異

哈佛大學(xué)一些實驗設(shè)計體現(xiàn)了“原始物理實驗”的思想[18]，如“Eigenmodes of a Violin Body”“Sound of water drop”等。這些實驗試圖從真實的物理情景出發(fā)，經(jīng)過建模后提升到相應(yīng)的物理模型，保留了從“現(xiàn)象—問題—模型—原理”的一個完整的科學(xué)探究過程。中國兩所大學(xué)物理實驗教科書中大部分的探究內(nèi)容都是過濾掉其他干擾因素和影響后的精心設(shè)計的理想環(huán)境開始，這種設(shè)計的優(yōu)點在于學(xué)生能更好更快地理清事物主要矛盾，抓住物理本質(zhì)，更快更有效地學(xué)習(xí)物理知識和實驗方法。但是當(dāng)面對相對復(fù)雜的環(huán)境時，在較多外部干擾元素的影響下，學(xué)生有時候會不知所措，不能創(chuàng)造性地開展實驗探究。

4.7 實驗項目取材差異

哈佛大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)一些實驗項目的實驗器材生活化，如紙張、硬幣、普通直尺等，力求從身邊的學(xué)習(xí)、生活、娛樂中挖掘?qū)嶒炈夭模瑢嶒烅椖可罨菢?gòu)思巧妙。這些實驗會讓學(xué)生體會到試探、抽象化處理，定性分析與定量計算相結(jié)合的物理思想。如“The Op-amp: Applying It to Build a Radio”“Measuring the Wavelength of Light with a Ruler”等實驗。北京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)教科書中大多都是理想環(huán)境中的實驗，這些實驗沒有抽象化、近似化處理，沒有定性分析等物理思想。這些基礎(chǔ)物理實驗中基礎(chǔ)的、重要的、經(jīng)典的實驗的開設(shè)對實驗操作技能的培訓(xùn)，實驗方法的掌握、物理概念的理解和描述有良好的催化和促進作用。

4.8 排版、印刷風(fēng)格差異

哈佛大學(xué)實驗教科書中匹配了大量彩色照片和插圖，有實物圖、原理圖、儀器結(jié)構(gòu)圖、寫意的情境圖，甚至有夸張的漫畫配圖。印刷中有些文字為了提醒讀者注意，采用與周圍其他文字不一樣的字體排版，用其他顏色配色。這樣使得排版風(fēng)格活潑、跳躍，生活化的圖片使人感到真實自然、有親切感。如圖4所示。中國兩所大學(xué)的實驗教科書樣本中配圖是黑白色，圖片一般是原理、結(jié)構(gòu)簡圖。表現(xiàn)嚴謹，風(fēng)格比較嚴肅。如圖5所示。

圖4 Mach-Zender Interferometer Overview [6]

圖5 邁克耳孫干涉儀實驗原理圖 [1]

5 總結(jié)和啟示

通過以上中美兩套教科書的對比，得到如下啟示：

(1) 針對不同的實驗項目設(shè)計不同的開放形式：可以是實驗原理的開放，讓學(xué)生自己去查找相關(guān)資料，自主學(xué)習(xí)研究目標(biāo)；可以是實驗步驟的開放，把部分實驗步驟空出來，讓學(xué)生自己搭建實驗平臺，主動擬定相關(guān)步驟；也可是實驗方法的開放，在明確研究對象后，讓學(xué)生用不同的方法去實現(xiàn)研究目的。讓研究者在一個開放的、多樣化的環(huán)境中體驗實驗探索所帶來的樂趣，讓研究者在基礎(chǔ)物理實驗階段也能逐步提高發(fā)散思維能力，進行有創(chuàng)造性的實驗探索。

(2) 增設(shè)與生活、娛樂聯(lián)系緊密的實驗內(nèi)容，提高教科書實驗項目設(shè)計水平。讓實驗室研究最大限度地觸摸生活實際，提升研究者的探究熱情與興趣。

(3) 實驗研究過程注意建模環(huán)節(jié)的設(shè)置。通過設(shè)置一些合適的實驗項目，把研究對象還原到最初的原始環(huán)境當(dāng)中，讓研究者親歷生活現(xiàn)象、物理問題、建立模型、設(shè)計實驗、實驗操作、數(shù)據(jù)記錄處理、結(jié)論反思這樣一個完整的研究過程。

(4) 提高教科書立體化建設(shè)。在信息化、大數(shù)據(jù)時代，海量的紙質(zhì)、電子、網(wǎng)絡(luò)化資源為我們提供了多樣化的選擇。進一步提升實驗教材的深度和廣度，將有利于拓展實驗研究空間，開拓視野。

(5) 改變教科書排版、印刷風(fēng)格，增設(shè)多樣化、多彩化實驗配圖。準(zhǔn)確、生動的插圖的教學(xué)效果往往勝過長篇大論的文字敘述[13]。圖形、表格最能直觀、形象地描述物理現(xiàn)象，表征物理原理，展示實驗儀器。與文字相比，它能更加生動、形象地展現(xiàn)物理學(xué)在解釋靈活多變的現(xiàn)實世界和精彩紛呈的物理現(xiàn)象中所起的巨大作用。圖文并茂、豐富多彩的版面設(shè)計使得教科書活潑、輕松、幽默，能增強讀者的好奇心，提高求知欲，使科學(xué)研究體現(xiàn)生活情趣，使學(xué)生感到親切，有助于科學(xué)情感的培養(yǎng)。

基礎(chǔ)物理實驗課程的基本任務(wù)是培養(yǎng)實驗技能，傳授實驗方法，提高實驗素養(yǎng)，更重要的是要培養(yǎng)科學(xué)思維能力、研究能力和創(chuàng)新能力。實驗教科書是承載這些任務(wù)的媒介，希望持續(xù)不斷的實驗教學(xué)改革能促進更多特點鮮明、風(fēng)格多樣、體系完整的新教材的出現(xiàn)，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才做出更大貢獻。

致謝： 感謝美國俄亥俄州立大學(xué)(OSU)物理學(xué)系包雷教授給予的幫助，以及相互間的交流與合作。

附錄： 哈佛大學(xué)2016年春季學(xué)期“Project”實驗項目

Lorentz Invariance (Michelson interferometer)Sagnac InterferometerOptical Tweezer Quantum EraserQuantum Bouncing DropletsEigenmodes of a Violin BodyBowing a String Instrument

Ripple tankColor HolographyFaraday instabilityRubens TubeOptical Tweezer〗Holographic Optical TweezerSound of water dropMake a DPSS LaserSound “holography”

Self-oscillationVortex sheddingSound synthesiseeman Effect

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A CONTRASTIVE STUDY OF CHINESE AND AMERICAN FUNDAMENTAL PHYSICS EXPERIMENT TEXTBOOKS

Xiong Zeben1Ma Shihong2

(1School of Mathematics and Physics, Jingchu College of Science and Technology, Jingmen Hubei 448000;2Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433)

This paper chooses the fundamental physics experiment textbooks which are representative of China and the United States. The content and structure of the textbooks, the construction of the experimental items, the construction of the supporting information, the characteristics and advantages of the textbooks, the way of teaching and learning and the depth and breadth of teaching materials are compared and analyzed. This paper summarizes the differences between the two countries in terms of cognitive thinking, learning, teaching materials, experiment environment, textbook, depth and breadth of printing materials, and so on. On the basis of this, we hope to provide some useful references and suggestions for the revision and compilation of textbooks and the further advancement and optimization of experimental teaching reform.

fundamental physics experiment; characteristic; contrast; textbook

2016-12-12

熊澤本，男，講師，主要從事物理實驗教學(xué)與管理工作，xzb5050@126.com。

熊澤本，馬世紅. 中美基礎(chǔ)物理實驗教科書的對比與啟示[J]. 物理與工程，2017，27(3)：10-17.