中美高中物理實驗比較研究

解金月

摘 要：本文選擇中美兩國高中物理教學用書，以其中關于光的雙縫干涉實驗為例，從知識鋪墊與實驗模塊兩個維度進行對比分析。我國教材雖存在知識鋪墊完整等獨到性優勢，但其實驗模塊不夠全面等不足之處是不可以忽視的。基于以上分析對我國教材實驗設置提出合理化建議。

關鍵詞：中美教材對比 雙縫干涉實驗 知識鋪墊 實驗模塊

雙縫干涉實驗是科學史上一個著名實驗，經典的光學雙縫干涉實驗巧妙地運用了光的相干性，決定性地證明了光的波動理論。本文以雙縫干涉相關實驗為例，從知識鋪墊、實驗模塊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”）之中實驗設置進行比較分析，總結我國教材的優勢與不足，提出實驗課程部分教材改進的合理化建議。

一、教材之中實驗內容

（一）我國教材實驗內容

在我國教材中，“用雙縫干涉測量光的波長”實驗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。在第三節中設置“演示”環節，演示光的雙縫干涉效應，給學生以直觀呈現。隨后對該現象進行直接解釋，指出由兩個波源發出的光在擋板后面的空間互相疊加，發生干涉現象。通過分析得出呈現明暗條紋的原因，并在其中介紹英國物理學家托馬斯·楊的實驗成就，幫助學生了解物理概念與理論的發展過程。隨后創設情境，采用數學模型建構的方式引導學生得到干涉條紋和光的波長之間的關系，并指明該關系可在后續應用中幫助測量波長。

實驗重點主要放置在第四節。因其前鋪設的知識基礎，故將實驗設置為測定性實驗。開篇指導語中指出實驗目的：利用雙縫干涉實驗中干涉條紋的間距和光的波長之間的關系測量光的波長。隨后劃分四個模塊：實驗思路、物理量的測量、進行實驗和數據分析。通過實驗思路大致描述實驗的進行過程，為學生在頭腦中構建實驗模型。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。進行實驗過程設置不同色光與不同縫寬，運用控制變量法分別改變濾光片的顏色和雙縫的距離，觀察干涉條紋的變化。繼而使用測得數據計算出相應的波長。設置“拓展學習”環節提出用光傳感器進行雙縫干涉的實驗，密切聯系先進的科技手段。并在課后設置三道相關的練習題，在對實驗過程進行鞏固與運用的基礎上對前期學到的測量知識進行復習與應用。

（二）美國教材實驗內容

在美國教材中，“光的雙縫干涉”實驗則設置于第十九章干涉與衍射之中。第一節介紹干涉的相關知識，同樣提及英國物理學家托馬斯·楊的實驗成就。隨后簡述關于光的波長測定的知識，依靠數學模型的建立給出可能的求解方式。設置“例題”及“練一練”進行波長的相關求解。

實驗重點設置在章末實驗之中，此處設置為設計性實驗，引導學生開創思維，設計實驗，通過分析光的雙縫干涉圖樣來測量光波波長。實驗下設目標、安全警示、實驗器材、實驗步驟、分析、結論與應用、進一步探索、生活中的物理學等共八個模塊。實驗伊始指出其目標為對干涉圖樣的觀測和對光波波長的計算。在實驗步驟中逐步引導，從示意圖繪制到實驗裝置測量再到實驗數據測定，教師僅起檢查與監督作用，尊重學生的主體地位。分析過程強調實驗值與公認值進行誤差測算。結論之中提出改變縫間距與改變光色的可能影響，提升學生的思維能力，激發其探索精神。最后深入實驗，引導同學進行進一步探索，并且聯系生活實際，聯想生活中的實驗現象。

二、實驗內容對比

中美兩國教材在該實驗的知識鋪墊部分大致相同。我國教材從幾類光學現象入手，復習鞏固與探求新知結合，逐步深入，引出光的干涉現象。創設情境，采用數學模型建立的方式引導學生得到最終計算光波波長的公式，知識結構較為完整。美國教材則由“霓虹實驗”入手，引入干涉現象。同樣采用建立數學模型的方式推導測定光波波長的相關公式。

因知識安排結構的不同，我國將本實驗設置為測定性實驗，即為上一節所得公式的運用與延伸。會造成實驗過程單一，影響學生發散思維的形成。而美國教材則將其設置為探究性實驗，明確學生的主體地位，教師的導向作用。就實驗模塊設置部分，我國教材缺少“安全警示”“生活中的物理學”等類模塊，在實驗過程未能給學生提供適當的安全指導。且實驗操作環節未能明確劃分行動指標，并未提出“估計”“推斷”等區分性明顯的行為動詞。在數據分析模塊，我國教材僅提出減小誤差的典型性實驗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。雙縫干涉實驗常存在實驗現象觀而不清、測量儀器讀數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精確的誤差分析。

三、建議

（一）復習與探求結合，知識鋪墊逐步深入

在該實驗中，我國教材知識體系較為完整，可以為學生提供較為全面的知識結構。但其入手角度不夠新穎，建議以鮮明的實驗現象入手，繼而逐步推進知識深度。實驗部分側重于公式的復習與使用，關于探究的部分較少，對學生的引導作用較弱。建議增加關于探究的部分，可多設置導向性問題，如：“還可以用什么方式減小實驗誤差？”。

（二）行動與指標結合，實驗模塊系統全面

在實驗模塊劃分之中建議增加關于“安全指示”內容以維護實驗安全，建議增加“誤差分析”的詳細內容，以培養學生在實驗操作過程中科學嚴謹的實驗態度，建議增加“生活應用”部分以達到實驗過程密切聯系生活實際的效果。在描述實驗目的、過程、結果等模塊時建議將行為與指標聯系，使用明確的行為動詞，幫助學生區分知識習得的程度。

結語

通過對比分析雙縫干涉實驗在兩國教材中的設置可以發現我國教材雖存在知識鋪墊完整等獨特性優勢，但其不足之處是不可以忽視的。建議在后續改進過程中繼續豐富實驗模塊，合理運用行動指標，注意學生發散思維的培養與創造。在聯系社會生活的基礎上創設問題情境，從而開闊學生視野，讓學生領略物理學知識在實際生活中獨到的運用價值。

參考文獻

[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.