中美高中主流物理教材實驗難度及探究水平的比較

郭芳俠，何 琳，韓麗梅

(陜西師范大學 物理學與信息技術學院，陜西 西安 710119)

物理實驗作為物理學習的重要載體，不僅能揭示實驗事實與學生原有認知上的矛盾，還能有效激發學生的認知沖突，調動學生的積極性. 通過實驗可以使學生的認知過程簡化、純化、反復再現，從而使學生獲得具體明確的感性認知，為物理概念、規律的建構及應用奠定基礎[1].教材作為師生進行教學活動的主要教學資料，其質量直接影響教學活動的效果.

教材內容的文本比較分析，通常分為橫向比較[2-3]和縱向比較[4]. 中外高中物理教材比較研究中，中美教材對比視角居多，宏觀研究包括中美課程標準、課程結構特征等分析，側重于基于課程改革背景分析中美課程理念和教育目標[5-6]；微觀研究主要為知識點編排及處理、教材欄目設置、習題、物理學史、插圖、難度等細致化的分析[7-9].關于中美物理教材實驗難度的對比研究相對較少，主要有對中美等十國教材實驗難度的研究[10]和部分單元實驗的研究，例如光學實驗設置[11]、能量守恒實驗設計方案[12]、萬有引力與航天實驗編排插圖[13]等. 此外，對中美實驗欄目和環節差異也有所研究[14]. 梳理文獻發現，研究人員對2004年版的中國教材高中《物理》(人民教育出版社)和2003年版美國教材《Physical: Principles and Problems》(The McGraw-Hill Press)研究校多，由于教材年代較為久遠，研究比較分散，因此缺乏對實驗全面系統的研究和對實驗探究水平及技能表征的比較研究. 本文以中國2019年版高中教材《物理》(人民教育出版社)(簡稱“人教版”)和美國2013年版高中教材《Physical: Principles and Problems》(The McGraw-Hill Press)(簡稱“PPP”)中的實驗為研究對象，從實驗的內容、器材、難度、探究水平及探究技能等多方面進行系統、深層次地分析比較，既豐富、更新了高中物理教材實驗內容的研究，又為完善國內教材編寫理論和實踐提供了參考[15].

1 研究方法

1.1 實驗難度計算模型

采用廖伯琴課題組的研究思路，即基于實驗廣度對教材實驗內容難度進行靜態文本分析[16]. 廣度是指教材實驗所涉及的范圍，難度是指實驗內容的難易程度. 其中，影響實驗難度的4個因素為:實驗原理、實驗儀器、實驗操作量和實驗探究. 每個因素可劃分為簡單、中等和偏難，依次賦值為1，2，3. 由于4個因素對實驗難度的影響程度不同，為確定各因素的影響程度，選取31位課程教學論專家及中學一線專家型教師對各個因素的影響權重進行了調查，并通過對偶分析法確定了各個因素的影響權重，結果如表1所示.

表1 各因素對實驗難度的影響權重

依據模型對每個實驗的實驗原理、儀器、操作量、探究4個因素賦值，加權求和后得到數值的4倍即為每個實驗的難度值，將所有實驗的難度值相加即為教材實驗的總難度值，將實驗總難度值除以實驗廣度值，即可得到平均實驗難度值.

1.2 探究水平及探究技能分析框架

探究水平是指學生在探究活動的探究環節中表現出的水平高低程度，與學生的參與程度有關. 本研究采用王世存等人[17]建構的實驗類探究水平分析框架進行統計分析，結果如表2所示. 從缺失水平到自主性水平，學生的參與度不斷提高，探究水平也逐漸提高.

表2 實驗探究水平分析框架

探究技能是指學生在實驗過程中具備的思維方式和操作技能[18]. 課程標準中對科學探究技能要素進行了明確表述，認為科學探究是基于觀察實驗，提出問題、形成猜想假設、設計實驗方案、獲取處理信息、基于證據得出結論并做出解釋，以及對過程與結果進行交流、評估和反思的能力[19]. 根據物理學科核心素養可知探究技能由8種技能構成，這些技能按其復雜程度可劃分為基礎技能和綜合技能，如表3所示.

表3 實驗探究技能分析框架

為了保證文本分析的可信度，由2名熟悉研究框架和方法的課程教學論專業研究生進行獨立分析統計，得到難度、探究水平和探究技能的相關性系數為0.960，0.880和0.850，說明分析結果的可信度較高. 隨后，對分析結果有不同意見的文本進行交流討論，最終達成一致.

2 研究結果及分析

2.1 實驗內容

2.1.1 教材實驗廣度比較

人教版教材實驗總廣度(數量)為119個，PPP教材為87個，人教版教材的實驗總廣度大于PPP教材，2種教材的實驗內容差異較大. 將教材實驗按照力學、電磁學、光學、熱學、近代物理5個模塊進行分類，統計其廣度及所占比例，結果如表4所示.

表4中數據顯示：中美主流教材中的力學實驗和電磁學實驗均占據主要地位，其中在人教版教材中的占比約80%，在PPP教材中的占比約69%，占比差異最大的是近代物理模塊，該模塊在人教版教材中僅有1個實驗，而在PPP教材中有9個.

表4 中美主流教材實驗廣度及所占比例

以實驗目的為依據，除去實驗目的相同的實驗，統計中美主流教材中各自獨有的實驗內容，并計算其占該模塊實驗總量的百分比，結果如表5所示.

表5 中美主流教材獨有實驗數量及所占比例

表5數據顯示：兩國主流教材的獨有實驗內容差異非常大，人教版教材的光學模塊占比最小，比例為50%；PPP教材力學模塊占比最小，比例為58.33%；且教材中的熱學和近代物理模塊呈現的實驗內容完全不同.

分析兩國主流教材中的獨有實驗內容，發現知識點設置不同是導致差異較大的主要原因. 例如，力學模塊中，人教版教材為了加深學生對天體運動的學習，設計了感受、探究向心力以及繪制橢圓實驗. PPP教材則呈現了與剛體運動相關的力矩、轉動、滾動特性實驗. 同時，PPP教材還設計了功率、聲音、測量分貝等實驗，而這些內容是在中國初中教材中呈現.

2.1.2 教材實驗環節設計比較

人教版教材實驗并無明確的環節設計，在實驗內容中一般不會以標題形式明確呈現實驗環節. PPP教材實驗有一些固定的環節設計，例如步驟、分析等. 除此之外，不同欄目的實驗環節設計也各有不同. 在起步實驗欄目中，設計了批判性思維環節，讓學生將實驗獲得的結果進行反思擴展. 其中，物理實驗欄目設計的環節最多，具體包括：問題、目標、實驗步驟、分析、形成結論與應用、進一步探索和生活中的物理學.

值得一提的是PPP教材中的進一步探索環節，對學生提出了更高的要求，要求學生在掌握理解實驗的基礎上進一步發散思考，或者運用該實驗方法解決新問題，即對實驗進行拓展，例如“設計實驗證明開普勒第三定律的正確性”.

2.1.3 教材實驗類型比較

依據實驗設置目的將實驗劃分為探究類、驗證類和應用類實驗. 不同的實驗類型所側重訓練的能力不同，分類統計結果如表6所示.

表6 中美教材各模塊實驗類型分布統計

從整體角度分析，中美主流教材中，3類實驗所占比例從高到低排序依次都是探究類、應用類和驗證類，且各類型實驗所占比例較接近. 其中，探究類實驗占比均超過60%，表明中美兩國都注重訓練學生應用知識、設計實驗、解決實際問題的能力，符合新時代對人才的培養要求.

從模塊角度分析，中美主流教材在各模塊中的實驗數量和分布均不同. 其中,占比最高的是力學模塊，超過了40%，占比第二的是電磁學模塊，說明力學和電磁學在兩國教材的地位與要求一致.

2.2 實驗器材

將實驗涉及到的器材分為實驗室類和生活類. 對教材實驗中使用的器材進行分類統計，并計算各模塊中生活類(實驗室類)器材在總的生活類(實驗室類)器材中的比例，如表7所示.

表7 中美主流教材實驗器材類別數量及比例

總體來看，PPP教材選用生活類器材的種類多于人教版. PPP教材善于從生活中取材，降低實驗成本的同時，又能降低學生的認知負荷，特別是在微觀和抽象內容較多的近代物理實驗模塊，其生活類器材占比可達11.63%. 運用日常生活用品，轉換角度，能夠幫助學生更好地理解抽象的模型內容，這種處理方法值得我國物理教材借鑒.

數字化實驗是指利用傳感器、數據采集器等數字化器材收集實驗數據，并借助計算機分析得出實驗結論的現代化實驗. 人教版教材中的數字化實驗有8個(力學4個、電磁學2個、熱學和光學各1個)，而PPP教材沒有呈現數字化實驗，因此PPP教材實驗在數字化設計上略微遜色于人教版，另一方面也折射出PPP教材的實驗編寫理念與人教版不同.

2.3 實驗難度

在表4實驗廣度的統計基礎上，計算每個知識點的平均實驗數量. 同時根據實驗難度模型，對中美主流教材實驗難度的4個影響因素進行分析、提取并賦值，計算總實驗難度及平均實驗難度，結果如表8所示.

表8 中美主流教材的實驗難度

表8數據顯示：人教版教材知識點廣度低于PPP教材[20]，但平均實驗個數高于PPP教材，說明人教版教材善于利用實驗呈現物理知識，或善于通過實驗幫助學生探究規律、理解內容；在實驗難度上，PPP教材實驗的總難度小于人教版教材，但是平均實驗難度高于人教版教材. 為探究出現該情況的具體原因，對影響實驗難度的4個因素進行了分析，得到了各個因素對應的難度值，如表9所示.

表9 中美主流教材實驗4個影響因素對應的難度值

表9數據顯示：中美主流教材中對實驗總難度貢獻最大的因素均為實驗原理，其次為操作量、探究和儀器. 結合難度模型的水平劃分，人教版教材中的實驗原理、儀器、操作量均為中等水平，探究為簡單水平；PPP教材中除了儀器位于簡單水平，操作量位于偏多水平外，其他2個因素的水平與人教版教材相同. 表明中美主流教材實驗的探究多為定性或簡單的定量探究.

以模塊為單位，進一步分析中美主流教材各模塊中實驗的總難度和平均實驗難度，結果如表10所示.

表10 中美主流教材各模塊實驗難度和平均實驗難度

1)實驗總難度方面，除光學、近代物理模塊外，其余模塊均為人教版教材實驗難度高于PPP教材. 人教版教材實驗總難度從高到低依次為力學、電磁學、熱學、光學、近代物理，PPP教材實驗總難度從高到低依次為力學、電磁學、光學、近代物理、熱學. 在近代物理模塊中，PPP教材實驗總難度是人教版教材的10倍左右.

2)平均實驗難度方面，人教版教材熱學最高、力學最低；PPP教材光學最高、熱學最低. 經對比分析可知，PPP教材中熱學模塊的平均實驗難度稍低于人教版教材，其余均高于人教版教材. 其中,差異最大的為光學模塊，分析該模塊下各難度影響因素的平均水平可知:人教版與PPP教材實驗在儀器、操作量上的平均水平相同，即儀器處于中等水平，操作量處于偏多水平；在實驗原理方面，PPP教材實驗處于偏難水平，而人教版教材處于中等水平；在探究因素上，PPP教材實驗處于中等水平，人教版教材處于簡單水平，差異主要是由實驗原理和探究2個因素的難度不同所導致的.

2.4 實驗探究水平

2.4.1 實驗探究水平表征比較

依據探究水平劃分標準，分析并統計中美教材實驗各環節的探究水平，并計算各環節不同探究水平在總實驗中的占比，結果分別如表11和表12所示.

表11 人教版教材實驗探究水平的表征頻次和占比

表12 PPP教材實驗探究水平的表征頻次和占比

表11數據顯示：人教版教材除反思交流環節集中于缺失水平外，其余環節多集中于控制性水平. 說明學生的主體性在實驗設計中體現的還不夠充分，因此仍需適當增加學生基于問題的自主探究機會. 另外，方案實施環節的探究水平最高，31.09%的實驗處于自主性水平；結論形成環節次之；反思交流環節的探究水平最低，90.76%的實驗處于缺失水平. 以上結果表明:人教版教材注重發展學生的實驗操作能力和形成科學結論的能力，對學生的反思交流能力關注度較低.

表12數據顯示：PPP教材整體探究環節呈現較好，只有3個環節存在部分缺失. 其中，方案實施和結論形成環節均處于高探究水平，表明PPP教材實驗設計側重于實驗操作和對實驗現象的分析，注重學生的動手能力和物理分析思維；目的確定和方案設計處于低探究水平；反思交流環節雖有59.77%處于缺失水平，但在引導性水平上的分布較高，比例為40.23%. 教材中大多以“進一步探索”和“生活中的物理”等小標題呈現，以反思性問題引導學生深入思考，以培養學生的批判性思維和解決實際問題的能力.

2.4.2 教材實驗各環節探究水平的差異

依據表11和表12的統計數據，將中美主流教材實驗各環節探究水平占比進行相減，從而確定兩國主流教材實驗探究水平的差異，結果如表13所示.

表13 中美主流教材實驗各環節探究水平占比的差異統計

依據表13數據分析可知，人教版教材在方案實施、結論形成和反思交流環節中，低探究水平的比例要高于PPP教材，而PPP教材在目的確定和方案設計環節中，高探究水平的比例要高于人教版教材. 由此可以得出結論，中美主流教材實驗各環節探究水平的差異存在不均衡性. 進一步對中美主流教材在各環節中的探究水平差異進行卡方檢驗，結果表明：在目的確定環節,人教版教材探究水平明顯高于PPP教材；在方案實施、結論形成和反思交流環節，PPP教材探究水平要明顯高于人教版教材；在方案設計環節，兩國主流教材的差異較小.

2.5 實驗探究技能

根據探究技能分析框架，對中美主流教材實驗中所呈現的探究技能進行分析統計，并計算占總實驗數量的比例，結果如圖1所示.

圖1 中美主流教材實驗探究技能所占比例統計

1)基礎技能表征(C1～C4). 中美主流教材在基礎實驗技能表征上不均衡，相對而言PPP教材表現稍好. 人教版教材中，觀察技能(C2)所占比例最大，測量技能(C1)次之，推斷與預測(C3)呈現比例最低，極差約60%. PPP教材中，觀察(C2)和測量技能(C1)比例相當，且超過一半的實驗都有表征，極差約30%. 總體來看，中美主流教材的基礎探究技能呈現均以觀察(C2)和測量(C1)為主，推斷與預測(C3)、處理數據(C4)技能呈現較少.

2)綜合技能表征(I1～I4). 中美主流教材在綜合技能表征上同樣不均衡，相對而言人教版教材表現稍好. 人教版教材中，分析解釋技能(I3)在4個綜合技能中占比最多，為54.62%，這說明人教版教材重視學生的邏輯推理能力；表征最少的為交流質疑技能(I4)，僅為4.20%. PPP教材中，綜合技能表征有明顯側重，即分析解釋技能(I3)占比高達90.80%，大多數實驗都會呈現“分析”小標題，引導學生獲得實驗結論；在制定實驗(I2)、識別與控制變量(I1)技能方面表征較少. 因此，中美兩國的主流教材實驗在綜合技能表征上均重視分析解釋技能(I3). 從整體實驗技能角度分析，中美主流教材實驗表征較多的前3個技能[分析解釋技能(I3)、觀察技能(C2)和測量(C1)]相同，但PPP教材更偏重分析解釋技能(I3)，人教版教材更偏重觀察技能(C2)，較少關注交流質疑技能(I4). 兩國主流教材實驗表征差異最大的為分析解釋技能(I3)，差異最小的為處理數據技能(C4).

3 啟 示

1)優化實驗設計，創新實驗內容. 在實驗設計上，增設與生活聯系緊密的實驗內容，提升學生實驗研究的熱情與學習興趣. 尤其在近代物理模塊中，可利用簡單易接觸的儀器，增加模擬實驗，以加強學生對于微觀粒子模型的理解與掌握；在實驗難度上，適當弱化部分模塊的實驗難度，尤其是熱學模塊.

2)提高探究水平，均衡技能表征. NCTM(Na-tional council of teachers of mathematics)認為學生學習的機會并不是簡單的將學生放入到小組中，而是學生投入的思維水平和種類決定他們將會學到什么[21]. 因此，教材中不同水平的活動任務會帶給學生不同的思維機會，這些思維將會潛在地影響學生的學習. 人教版教材要完善實驗探究環節，提高實驗探究水平，且探究水平應遵循從控制性水平到自主性水平過渡呈現的趨勢，從而符合學生的思維發展特點. 同時，對于技能不均衡性，教材實驗應盡量關注各種探究技能的全面呈現，尤其是綜合技能中的制定實驗技能和交流質疑技能的表征.