物理核心素養(yǎng)視域下高中物理不同教材實驗的比較分析

陳國華 程敏熙

摘 要：基于物理核心素養(yǎng)，對新課標(biāo)必修一的4個必做實驗進(jìn)行比較分析，選擇的教材包括人教版新舊四個版本和粵教版、滬科版、魯科版三個版本教材.隨著普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)的改革，教材在學(xué)生實驗上更注重科學(xué)探究，內(nèi)容編排和設(shè)計更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，不同地區(qū)的教材在實驗呈現(xiàn)方式上不同.通過比較分析，以期為一線教師在物理實驗教學(xué)中提供啟示.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);必做實驗;教材分析;高中物理;教材實驗

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）21-0023-04

作者簡介：陳國華（1995-），男，廣東清遠(yuǎn)人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

程敏熙（1962-），男，廣東廣州人，博士，副教授，研究方向：光電技術(shù)與系統(tǒng)、物理實驗設(shè)計.

為了全面深化課程改革，落實立德樹人根本任務(wù)，2018年教育部發(fā)布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)），并提出了物理核心素養(yǎng).相比2003年發(fā)布的課程標(biāo)準(zhǔn)，為了引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實踐，體會科學(xué)探究內(nèi)涵，發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)，新課標(biāo)對學(xué)生提出了21個必做實驗要求，其中必修課程有12個學(xué)生必做實驗，選擇性必修課程有9個學(xué)生必做實驗[1-2].本文對新課標(biāo)中要求的必修一4個必做實驗進(jìn)行比較與分析（如圖1），并提出學(xué)生實驗教學(xué)中的建議，能夠給教師在物理實驗教學(xué)以啟示.

1 關(guān)于4個必做實驗的教材比較

本文通過縱向和橫向比較分析4個必做實驗的特點.縱向比較選擇的教材是人民教育出版社出版的普通高中教科書《物理必修第一冊（2019年版）》、普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理必修1（2004年版）》《高級中學(xué)課本物理第一冊（必修）（1995年版）》和《高級中學(xué)課本物理（甲種本）第一冊（1983年版）》.橫向比較選擇的教材是2019年各地區(qū)出版社出版的普通高中教科書《物理必修第一冊》，包括人民教育出版社（以下簡稱人教版）、廣東教育出版社（以下簡稱粵教版）、上?？萍冀逃霭嫔纾ㄒ韵潞喎Q滬科版）和山東科學(xué)技術(shù)出版社（以下簡稱魯科版）.

1.1 對人教版新舊教材4個版本的縱向比較

1983年版和1995年版的教材選擇分析的內(nèi)容均以新教材必修一的內(nèi)容為準(zhǔn)，表1是4個必做實驗在人教版4個版本的新舊教材的比較.表中教材位置表示該實驗在教材中的頁碼與目錄的位置，欄目是實驗在課本中出現(xiàn)的位置與所在的欄目，同時也區(qū)分了學(xué)生實驗與演示實驗.

1.1.1 逐步將實驗探究融入課堂教學(xué)

由表1可見，1983年版和1995年版的教科書把物理實驗放在教科書最后，實驗相對獨立;2004年版和2019年版的教科書將實驗放在了課程內(nèi)容中的欄目中，實驗融入課堂教學(xué)中.可以看出，在2003年版的課程標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)科學(xué)探究在課堂教學(xué)中的作用，物理實驗在教材的位置和欄目從附錄中編排到課程內(nèi)容的欄目中，實驗的地位更加突出，提倡教師要將實驗探究融入到課堂教學(xué)中.

1.1.2 體系結(jié)構(gòu)更加符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律

以2004年版教材為分界點，實驗順序發(fā)生了變化.2004年以前的教材先學(xué)習(xí)力，再學(xué)習(xí)運動;2004年及以后的教科書對教學(xué)的結(jié)構(gòu)順序編排做了較大調(diào)整，先學(xué)習(xí)運動，再學(xué)習(xí)力，而且實驗的順序也重新做了調(diào)整，這樣的安排能夠讓學(xué)生從具體到抽象知識的過渡，更容易接受整個知識體系，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律[3].

1.1.3 重視實驗探究的思想

1983年版、1995年版和2004年版的教科書，“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”并沒有納入學(xué)生實驗中，只是出現(xiàn)在習(xí)題中;而新的課程標(biāo)準(zhǔn)將其作為必做實驗之一，該實驗讓學(xué)生體驗了實驗探究的完整過程，提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗、完成實驗、數(shù)據(jù)處理、根據(jù)圖像得出結(jié)論，這樣能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.

1.1.4 實驗的思路更加清晰

教材在實驗的表述上更加注重科學(xué)探究的過程，明確了探究過程，例如探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，1983年版教材的實驗是拆分成3個實驗：研究勻變速直線運動、研究加速度和力的關(guān)系、研究加速度和質(zhì)量的關(guān)系，實驗過程相對獨立，不具有連貫性;以后的教材都是將三個探究過程合成一個實驗，2019年版教材更是對實驗探究思路進(jìn)行明確，探究思路為：提出問題—實驗思路—物理量的測量—進(jìn)行實驗—數(shù)據(jù)分析—得出結(jié)論.

1.2 對4個版本新教材的橫向比較

1.2.1 實驗在教材中結(jié)構(gòu)編排的比較

粵教版和人教版：既有編排成單獨一節(jié)課，也有放在課程內(nèi)容的欄目中.粵教版的欄目是實驗與探究，人教版的欄目是實驗.粵教版和人教版更注重將物理實驗融入到課程教學(xué)中，而不是將實驗單獨編排，更有利于學(xué)生整體知識體系的構(gòu)建和實驗方法的滲透.

魯科版將4個實驗全部都編排成單獨一節(jié)課，而滬科版將4個實驗全部都編排在課程內(nèi)容中.魯科版更強調(diào)4個必做實驗的重要性，提高了實驗的地位，在整體的知識體系上起承上啟下的作用，可是容易讓學(xué)生誤解實驗獨立于知識體系之外.滬科版更加強調(diào)將物理實驗融入到課程教學(xué)，同時將欄目列為學(xué)生必做實驗，強調(diào)了實驗的重要性.

通過比較分析，在物理實驗教學(xué)中，教師既要強調(diào)必做實驗的重要性，也要引導(dǎo)學(xué)生對整體知識體系的構(gòu)建，這可以幫助學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)中，能夠主動地了解掌握實驗的整體知識，同時可以聯(lián)系前后的知識，構(gòu)建自己的知識網(wǎng)絡(luò).

1.2.2 教材中實驗思路的比較

粵教版：沒有明確實驗的探究過程，更注重以問題串的方式引導(dǎo)學(xué)生去設(shè)計實驗.例如，在探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系的實驗中，通過三個問題：（1）如何測量彈簧的彈力？（2）如何測量彈簧的伸長量？（3）如何保證測量的準(zhǔn)確性？引導(dǎo)學(xué)生自主思考并設(shè)計實驗.粵教版在實驗教學(xué)過程中，以學(xué)生為主體，教師以引導(dǎo)為輔，以問題串的方式構(gòu)建整體實驗探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與思考能力.

人教版、滬科版、魯科版：在實驗的引導(dǎo)下，確定了基本的實驗過程：提出問題—設(shè)計實驗—進(jìn)行實驗—收集證據(jù)—數(shù)據(jù)分析—得出結(jié)論—交流合作.在探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系的實驗中，人教版的實驗思路是：實驗思路—進(jìn)行實驗—數(shù)據(jù)處理;滬科版的實驗思路是：思考討論—設(shè)計實驗—收集證據(jù);魯科版的實驗思路：實驗?zāi)康摹獙嶒炂鞑摹獙嶒炘砼c設(shè)計—實驗步驟—數(shù)據(jù)分析—實驗結(jié)論—討論.這三個版本的實驗思路更注重直接構(gòu)建實驗探究的過程，學(xué)生會體會物理實驗實施的完整過程，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究設(shè)計的能力.

通過比較分析，人教版、滬科版、魯科版三個版本的教科書更注重學(xué)生構(gòu)建實驗探究的過程，粵教版更注重以問題串的方式引導(dǎo)學(xué)生自主思考.在物理實驗教學(xué)中，給學(xué)生明確實驗探究的整體過程，學(xué)生對實驗思路會更清晰，同時輔以問題串的方式引導(dǎo)學(xué)生自主思考，更有效果.

1.2.3 實驗器材的異同

在實驗器材上，各版本對器材的精確度和敏感度的要求不一樣.在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實驗中，粵教版采用的是氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字傳感器，實驗的效果比較好，同時培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，可是對實驗儀器的要求高，不具有普適性.人教版、滬科版、魯科版采用的是斜面和打點計時器，實驗器材比較簡單，實驗成本較低，具有普適性.

通過比較分析，粵教版對實驗器材要求比較高，人教版、滬科版、魯科版則更注重用簡單的儀器完成實驗.所以，在物理實驗教學(xué)中，教師在引導(dǎo)學(xué)生完成實驗的時候，要更注重使用簡單的儀器，學(xué)生掌握后可以接受高精尖的實驗儀器，讓學(xué)生了解一個實驗可以由多種實驗儀器完成，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新科學(xué)思維;同時高精尖的實驗儀器，也能夠讓學(xué)生了解我國現(xiàn)有的技術(shù)水平，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.

1.2.4 科學(xué)實驗方法的比較

4個必做實驗都能分別體現(xiàn)不同的科學(xué)研究方法，如微元法、實驗探究、等效替代法、控制變量法等.4種版本的教材在體現(xiàn)科學(xué)研究方法時各有不同，人教版、粵教版和魯科版大多沒有直接在教材中介紹研究方法，需要教師在教授過程介紹并引導(dǎo)，進(jìn)行滲透式教學(xué);滬科版則在教材中直接介紹研究方法，學(xué)生能夠直接從教材了解到該實驗的方法;同時魯科版在實驗匯總會有安全警示和素養(yǎng)提升介紹，能夠讓學(xué)生知道實驗中需要注意的地方，而且能夠了解通過完成該實驗需要提升的核心素養(yǎng).例如，在探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律實驗中，人教版和粵教版直接把實驗過程放在教材中;魯科版在安全警示中提示學(xué)生注意橡皮筋的彈性限度和小圖釘?shù)奈：εc該實驗提升學(xué)生的科學(xué)探究能力;滬科版在教材中介紹了等效替代的方法（如圖2）.

在物理實驗教學(xué)中，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中注重科學(xué)實驗方法的應(yīng)用，同時也可以利用該方法進(jìn)行遷移，這可以為學(xué)生在高中階段的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，讓學(xué)生在物理實驗方法方面能夠?qū)W習(xí)完整的知識結(jié)構(gòu)（如圖3）.

2 核心素養(yǎng)視角下的物理實驗教學(xué)

2.1 科學(xué)研究方法促進(jìn)物理觀念和科學(xué)思維的形成

在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的過程中，物理實驗教學(xué)應(yīng)該以物理思想方法和科學(xué)研究方法作為生長點向外延展，促進(jìn)學(xué)生對物理概念、規(guī)律的深入理解，促進(jìn)學(xué)生解決物理問題能力的提升，促進(jìn)學(xué)生對物理思想方法本身的內(nèi)化.在高中物理教學(xué)中，經(jīng)常會用到科學(xué)研究方法來進(jìn)行教學(xué)，例如極限法、微元法、比值法、等效替代法、物理建模法等.

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量的基本認(rèn)識，是物理概念和物理規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決問題的基礎(chǔ)[4].在物理實驗中，通過科學(xué)研究方法促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成.例如，在測量做直線運動物體的瞬時速度實驗中，向?qū)W生滲透“極限”的思想，通過微元法，使學(xué)生建立瞬時速度的概念.具體的教學(xué)流程可以是：（1）如何比較運動的快慢;（2）速度的定義;（3）平均速度的概念;（4）平均速度對運動的描述;（5）實驗探究Δt非常小時對平均速度的影響;（6）通過微元法得到瞬時速度的概念.在這個教學(xué)過程中，慢慢給學(xué)生滲透Δt非常非常小時，運動快慢的差異可以忽略不計，這個時刻的速度就是瞬時速度.整個過程通過微元法，讓學(xué)生構(gòu)建了瞬時速度的物理觀念.

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是基于經(jīng)驗事實構(gòu)建物理模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用，是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力和品質(zhì)[4].在物理實驗中，可以通過科學(xué)研究方法促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.例如，在探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律實驗中，可以通過等效替代法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.在教學(xué)中，要采用探究式實驗教學(xué)，滲透等效替代法，教學(xué)過程片段可以是：提出問題（F和兩個等效分力F1和F2的關(guān)系）—實驗探究（根據(jù)等效替代法，在實驗中找到F和F1、F2）—數(shù)據(jù)分析（作出他們的圖示，并猜想關(guān)系）—總結(jié)提升（大量實驗，得出結(jié)論）[5].在整個教學(xué)過程中，核心是利用等效替代法，讓學(xué)生知道合力和分力的作用效果是一樣的，最后經(jīng)歷實驗探究過程，得出結(jié)論.

2.2 物理實驗促進(jìn)科學(xué)探究能力的提升

科學(xué)探究意識，能在觀察和實驗中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜想與假設(shè);具有設(shè)計探究方案和獲取證據(jù)的能力，能正確實施探究方案，使用不同方法和手段分析、處理信息，描述并解釋探究結(jié)果和變化趨勢;具有交流的意愿與能力，能準(zhǔn)確表述、評估和反思探究過程與結(jié)果.物理實驗擁有完整的探究過程，在實驗過程中滲透科學(xué)探究意識，能夠促進(jìn)學(xué)生科研探究能力的提升.例如，在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中，采用控制變量法設(shè)計實驗探究過程：（1）提出問題：加速度和力、加速度和質(zhì)量的關(guān)系;（2）實驗思路：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，如何設(shè)計實驗探究三者之間的關(guān)系（控制變量）;（3）物理量的測量：加速度的測量、力的測量;（4）進(jìn)行實驗：記錄加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系數(shù)據(jù);（5）數(shù)據(jù)分析：得到實驗數(shù)據(jù)后，注意引導(dǎo)學(xué)生用圖像分析的方法分析三者之間的關(guān)系.實驗探究的過程基本符合科學(xué)探究的要求，所以讓學(xué)生經(jīng)歷完整的實驗過程，能夠促進(jìn)科學(xué)探究能力的提升.

3 結(jié)束語

本文縱向比較和橫向分析了必修一的4個必做實驗，隨著課程標(biāo)準(zhǔn)的改革，教材在學(xué)生實驗上更注重科學(xué)探究，使內(nèi)容編排和設(shè)計更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律;不同版本的教材在實驗呈現(xiàn)方式上也有不同的側(cè)重點.教材內(nèi)容只是教師教學(xué)內(nèi)容的一個載體，其根本依據(jù)是新課標(biāo)，所以教師可以根據(jù)不同教材的編排和呈現(xiàn)方式，結(jié)合自己的教學(xué)風(fēng)格和特點，對教材進(jìn)行分析改進(jìn)，從而設(shè)計更適合學(xué)生的教學(xué)方案.同時教師也要依據(jù)新課標(biāo)，比較新舊教材和不同版本的教材，體會新課程改革背后的意義，為提升教學(xué)質(zhì)量提供幫助.

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（收稿日期：2021-08-06）