中美高中物理實(shí)驗(yàn)比較研究

解金月

摘 要：本文選擇中美兩國高中物理教學(xué)用書，以其中關(guān)于光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為例，從知識鋪墊與實(shí)驗(yàn)?zāi)K兩個維度進(jìn)行對比分析。我國教材雖存在知識鋪墊完整等獨(dú)到性優(yōu)勢，但其實(shí)驗(yàn)?zāi)K不夠全面等不足之處是不可以忽視的?；谝陨戏治鰧ξ覈滩膶?shí)驗(yàn)設(shè)置提出合理化建議。

關(guān)鍵詞：中美教材對比 雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 知識鋪墊 實(shí)驗(yàn)?zāi)K

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是科學(xué)史上一個著名實(shí)驗(yàn)，經(jīng)典的光學(xué)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)巧妙地運(yùn)用了光的相干性，決定性地證明了光的波動理論。本文以雙縫干涉相關(guān)實(shí)驗(yàn)為例，從知識鋪墊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K這兩個維度與美國高中物理教材（《Physics：Physics and Problems》系列教材，以下簡稱“美國教材”）之中實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行比較分析，總結(jié)我國教材的優(yōu)勢與不足，提出實(shí)驗(yàn)課程部分教材改進(jìn)的合理化建議。

一、教材之中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（一）我國教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在我國教材中，“用雙縫干涉測量光的波長”實(shí)驗(yàn)選自高中物理選擇性必修一第四章《光》之中，通過光的折射、全反射逐步深入至光的干涉。在第三節(jié)中設(shè)置“演示”環(huán)節(jié)，演示光的雙縫干涉效應(yīng)，給學(xué)生以直觀呈現(xiàn)。隨后對該現(xiàn)象進(jìn)行直接解釋，指出由兩個波源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加，發(fā)生干涉現(xiàn)象。通過分析得出呈現(xiàn)明暗條紋的原因，并在其中介紹英國物理學(xué)家托馬斯·楊的實(shí)驗(yàn)成就，幫助學(xué)生了解物理概念與理論的發(fā)展過程。隨后創(chuàng)設(shè)情境，采用數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的方式引導(dǎo)學(xué)生得到干涉條紋和光的波長之間的關(guān)系，并指明該關(guān)系可在后續(xù)應(yīng)用中幫助測量波長。

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)主要放置在第四節(jié)。因其前鋪設(shè)的知識基礎(chǔ)，故將實(shí)驗(yàn)設(shè)置為測定性實(shí)驗(yàn)。開篇指導(dǎo)語中指出實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪秒p縫干涉實(shí)驗(yàn)中干涉條紋的間距和光的波長之間的關(guān)系測量光的波長。隨后劃分四個模塊：實(shí)驗(yàn)思路、物理量的測量、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。通過實(shí)驗(yàn)思路大致描述實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程，為學(xué)生在頭腦中構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。隨后明確需要測得的物理量 等，并在測量過程給出減小誤差的典型方法。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程設(shè)置不同色光與不同縫寬，運(yùn)用控制變量法分別改變?yōu)V光片的顏色和雙縫的距離，觀察干涉條紋的變化。繼而使用測得數(shù)據(jù)計算出相應(yīng)的波長。設(shè)置“拓展學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)提出用光傳感器進(jìn)行雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)，密切聯(lián)系先進(jìn)的科技手段。并在課后設(shè)置三道相關(guān)的練習(xí)題，在對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行鞏固與運(yùn)用的基礎(chǔ)上對前期學(xué)到的測量知識進(jìn)行復(fù)習(xí)與應(yīng)用。

（二）美國教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在美國教材中，“光的雙縫干涉”實(shí)驗(yàn)則設(shè)置于第十九章干涉與衍射之中。第一節(jié)介紹干涉的相關(guān)知識，同樣提及英國物理學(xué)家托馬斯·楊的實(shí)驗(yàn)成就。隨后簡述關(guān)于光的波長測定的知識，依靠數(shù)學(xué)模型的建立給出可能的求解方式。設(shè)置“例題”及“練一練”進(jìn)行波長的相關(guān)求解。

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)設(shè)置在章末實(shí)驗(yàn)之中，此處設(shè)置為設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生開創(chuàng)思維，設(shè)計實(shí)驗(yàn)，通過分析光的雙縫干涉圖樣來測量光波波長。實(shí)驗(yàn)下設(shè)目標(biāo)、安全警示、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、分析、結(jié)論與應(yīng)用、進(jìn)一步探索、生活中的物理學(xué)等共八個模塊。實(shí)驗(yàn)伊始指出其目標(biāo)為對干涉圖樣的觀測和對光波波長的計算。在實(shí)驗(yàn)步驟中逐步引導(dǎo)，從示意圖繪制到實(shí)驗(yàn)裝置測量再到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測定，教師僅起檢查與監(jiān)督作用，尊重學(xué)生的主體地位。分析過程強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)值與公認(rèn)值進(jìn)行誤差測算。結(jié)論之中提出改變縫間距與改變光色的可能影響，提升學(xué)生的思維能力，激發(fā)其探索精神。最后深入實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)同學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步探索，并且聯(lián)系生活實(shí)際，聯(lián)想生活中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對比

中美兩國教材在該實(shí)驗(yàn)的知識鋪墊部分大致相同。我國教材從幾類光學(xué)現(xiàn)象入手，復(fù)習(xí)鞏固與探求新知結(jié)合，逐步深入，引出光的干涉現(xiàn)象。創(chuàng)設(shè)情境，采用數(shù)學(xué)模型建立的方式引導(dǎo)學(xué)生得到最終計算光波波長的公式，知識結(jié)構(gòu)較為完整。美國教材則由“霓虹實(shí)驗(yàn)”入手，引入干涉現(xiàn)象。同樣采用建立數(shù)學(xué)模型的方式推導(dǎo)測定光波波長的相關(guān)公式。

因知識安排結(jié)構(gòu)的不同，我國將本實(shí)驗(yàn)設(shè)置為測定性實(shí)驗(yàn)，即為上一節(jié)所得公式的運(yùn)用與延伸。會造成實(shí)驗(yàn)過程單一，影響學(xué)生發(fā)散思維的形成。而美國教材則將其設(shè)置為探究性實(shí)驗(yàn)，明確學(xué)生的主體地位，教師的導(dǎo)向作用。就實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)置部分，我國教材缺少“安全警示”“生活中的物理學(xué)”等類模塊，在實(shí)驗(yàn)過程未能給學(xué)生提供適當(dāng)?shù)陌踩笇?dǎo)。且實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)未能明確劃分行動指標(biāo)，并未提出“估計”“推斷”等區(qū)分性明顯的行為動詞。在數(shù)據(jù)分析模塊，我國教材僅提出減小誤差的典型性實(shí)驗(yàn)方法即通過測量多個亮條紋間的距離，再求出相鄰兩個條紋間的距離。雙縫干涉實(shí)驗(yàn)常存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀而不清、測量儀器讀數(shù)正確率低等明顯問題。因此該部分的誤差分析尤為重要。但我國教材并未涉及科學(xué)精確的誤差分析。

三、建議

（一）復(fù)習(xí)與探求結(jié)合，知識鋪墊逐步深入

在該實(shí)驗(yàn)中，我國教材知識體系較為完整，可以為學(xué)生提供較為全面的知識結(jié)構(gòu)。但其入手角度不夠新穎，建議以鮮明的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手，繼而逐步推進(jìn)知識深度。實(shí)驗(yàn)部分側(cè)重于公式的復(fù)習(xí)與使用，關(guān)于探究的部分較少，對學(xué)生的引導(dǎo)作用較弱。建議增加關(guān)于探究的部分，可多設(shè)置導(dǎo)向性問題，如：“還可以用什么方式減小實(shí)驗(yàn)誤差？”。

（二）行動與指標(biāo)結(jié)合，實(shí)驗(yàn)?zāi)K系統(tǒng)全面

在實(shí)驗(yàn)?zāi)K劃分之中建議增加關(guān)于“安全指示”內(nèi)容以維護(hù)實(shí)驗(yàn)安全，建議增加“誤差分析”的詳細(xì)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度，建議增加“生活應(yīng)用”部分以達(dá)到實(shí)驗(yàn)過程密切聯(lián)系生活實(shí)際的效果。在描述實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、過程、結(jié)果等模塊時建議將行為與指標(biāo)聯(lián)系，使用明確的行為動詞，幫助學(xué)生區(qū)分知識習(xí)得的程度。

結(jié)語

通過對比分析雙縫干涉實(shí)驗(yàn)在兩國教材中的設(shè)置可以發(fā)現(xiàn)我國教材雖存在知識鋪墊完整等獨(dú)特性優(yōu)勢，但其不足之處是不可以忽視的。建議在后續(xù)改進(jìn)過程中繼續(xù)豐富實(shí)驗(yàn)?zāi)K，合理運(yùn)用行動指標(biāo)，注意學(xué)生發(fā)散思維的培養(yǎng)與創(chuàng)造。在聯(lián)系社會生活的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)問題情境，從而開闊學(xué)生視野，讓學(xué)生領(lǐng)略物理學(xué)知識在實(shí)際生活中獨(dú)到的運(yùn)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]保羅·齊澤維茨.物理原理與問題[M].錢振華，沈珊雄，徐在新譯.杭州：浙江教育出版社，2008.8.