中美高中物理科學探究實驗教學的對比分析

【摘要】科學探究是物理學科核心素養中重要的組成部分，也是與物理實驗結合最緊密的。本文通過分析美國明尼唐卡高中關于“機械能守恒定律”的探究性實驗課，來比較中美中學物理教學中的實驗教學差異。通過對比分析，總結出中美課程設計的四點不同，并分析美方教學設計的優缺點，進而提出我國相關課程設計的改進建議。

【關鍵詞】物理實驗 對比研究 科學探究 美國高中 機械能守恒定律

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2024）10-0145-03

一、研究意義與背景

（一）科學探究與物理實驗教學

物理學科核心素養中，科學探究最為強調理論與實踐的結合，貫穿了物理教學的全過程。科學探究的過程需要物理實驗來承載，物理實驗也需要科學探究的流程來支撐[1]。物理實驗通過將理論應用到現實場景中，將枯燥乏味的物理理論立體化、趣味化，讓學生能看到、聽到、感受到，進而加強對理論知識的理解，是物理教學中重要的一環，是實現“科學探究”要求必不可少的拼圖。

（二）中美中學物理教學的差異

中美兩國的科學教育存在顯著差異。我國的物Ag4ihpnPserD2AW1W0Hl5AEn4fC4z0IyZ71YFvHwWrI=理課堂多以教師為中心，注重理論的學習和推演，學生多是被動接受，對實驗、應用和動手能力關注不夠；相較而言，美國物理課堂以學生為中心，更加側重實驗和動手能力，學生主動學習、主動思考的能力更強，但是在基礎教育中的理科教育水平明顯低于中國。

本文以物理教學中“機械能守恒定律”的探究性實驗教學為研究對象，選取了一節美國高中的探究性實驗課，與我國相應教學內容進行了對比分析。

（三）美國中學研究對象情況簡介

明尼唐卡高中是一所四年制公立高中，位于美國明尼蘇達州明尼阿波利斯—圣保羅西郊的明尼唐卡地區。明尼唐卡高中是明尼蘇達州第二大高中，2023年共有在校學生3540名（9～12年級）。明尼唐卡高中被美國教育部認定為“國家優秀學校”，并被明尼蘇達州教育部部門評為“五星”級，同時還被 Niche.com、《美國新聞與世界報道》《新聞周刊》和《華盛頓郵報》評為美國最好的高中之一。從2011年開始，明尼唐卡高中就推出了1∶1 ipad計劃，為每一位學生配備ipad，并為所有教室都配備了智能面板，以促進教師和學生的技術教學。

二、關于機械能守恒定律的實驗探究

（一）課程背景和目標

作者于明尼唐卡高中旁聽并參與了一節主題名為Our inquiry-based Lab：A Whopping“Popper” of A Good Time（探究性實驗課：與Popper的美好時光）的物理課程。該課程為明尼唐卡高中的日常課程，沒有提前約定聽課并做準備和設計，因而這節課展現的是最原始的美國課堂。本節課具體情況如表1所示。

表1 明尼唐卡高中物理實驗課程情況

本節課實驗的對象，是一個叫做“Popper”的橡膠玩具，如圖1所示。Popper呈半圓形碗狀，將Popper的底部由內側頂上來后，玩具由于形變具有了彈性勢能。將翻上來的Popper從一定高度自由落體扔到地面上后，由于地面沖擊使得Popper形變恢復，從而釋放彈性勢能，使Popper跳起到比初始下落處更高的高度。在整個實驗過程中，涉及重力勢能、彈性勢能和動能之間的轉化。通過Popper跳起高度與釋放高度間的變化，可以求得釋放的彈性勢能。再通過測量Popper相關尺寸參數，進而可以估計Popper彈性系數。

整個探究實驗圍繞著一個看似簡單的Popper玩具，將重力勢能、彈性勢能、動能以及機械能守恒的相關知識真切地展示出來，并讓學生通過自己的努力，測量和計算得到彈性系數。這樣的實驗設計過程有趣生動，讓學生有強烈的參與感，能更切身感受到物理的魅力所在。

圖1 Popper的外形

（二）課程安排與要求

課程開始后，教師在給學生們演示了Popper玩法之后，帶領大家簡單地回顧了能量的知識，并引導大家來分析Popper能夠跳得更高的原因。進而給出了本節課的實驗探究目標——測量和計算Popper彈性系數k。

隨后，教師發放了實驗報告，報告上包括簡單的實驗步驟提示和數據記錄表格。教師簡要地講解了實驗步驟，并約定下節課各組來展示自己的實驗過程、數據處理過程和實驗結果，隨后就進入到學生自由分組進行實驗的部分了。

以上整個講解大約在20分鐘左右，而學生自主實驗時間長達40分鐘。在學生自主實驗的時間里，教師負責隨時解答同學們實驗中遇到的問題。

（三）詳細實驗過程

整個實驗主要包括實驗測量、數據處理和結果計算三部分。

Popper運動位移和時間的測量是通過錄制視頻和圖像處理軟件來進行的。一名同學在豎直放置的米尺旁邊進行實驗，同時另一名同學采用ipad進行錄像。之后將錄制成功的視頻導入“Logger Pro”軟件進行數據處理，得到位移-時間數據序列。

應用軟件的v-t圖和x-t圖的繪制功能，得到所需要的數據并計算得到彈性勢能Ek。采用刻度尺測量Popper形變大小x，由公式Ek=1/2kx2來估算得到彈性系數k。

三、中美物理教學實驗設計的對比與分析

通過這樣一節實驗探究課程，窺一斑而知全豹，作者認為在落實科學探究這一核心素養時，美國中學物理教學與國內有著以下區別。

（一）實驗目標側重不同

我國實驗設計意圖，往往更加傾向于以科學定律的歸納和驗證為目的。比如同樣是機械能守恒的探究實驗，國內常用的探究實驗一般包括以下幾種[2]。

1.通過單擺擺動高度的不變性，歸納重力做功下的機械能守恒。2.通過水平或豎直彈簧振子，振動幅度的不變性，歸納彈性力做功下的機械能守恒。3.學生分組實驗：應用打點計時器，測量自由落體運動的速度與位移關系，來驗證機械能守恒定律。4.學生分組或演示實驗：通過運動傳感器或打點計時器，測量傾斜氣墊導軌上滑動小車的速度和位移，驗證機械能守恒定律。

我國實驗探究過程更加注重學生科學思維培養，注重歸納和驗證的邏輯演繹過程，在理論性上具有很高的造詣[3]。但結合實際生活應用進行測量計算的實驗卻非常少。

美國高中物理實驗則更多地貼近生活、注重應用[4]。本節課的實驗就是應用理論知識和實驗技術，來解決生活中的具體問題。這樣的實驗中，沒有過多的標準化實驗器材與流程，其實驗過程訓練更加貼近工程應用，也更加能夠體現物理的實際意義。

（二）實驗手段的更新程度不同

本節課的實驗中，測量部分采用了攝像和圖片處理手段，整個測量和計算過程大部分依賴于電子設備和軟件來進行。此類實驗技術已十分成熟，實際研究中也經常采用類似的手段進行實驗研究，不僅體現了物理實驗的實用性，也大大提高了學生的實驗效率，增強了學生進行科學探究的成就感。

對比來看，目前我國絕大部分中學物理實驗室提供的學生實驗測量方式，還主要停留在紙質繪圖、手動計算的階段[2]。比如，測量速度和位移，一般局限于打點計時器；繪制平拋運動曲線，采用逐點測量記錄；繪制伏安特性曲線，采用方格紙手繪擬合，等等。這些測量儀器和測量方式能夠在一定程度上鍛煉學生的實驗能力，加強學生對物理規律的理解。然而，這些實驗測量手段大多并不具有實用性。當學生進入本科或者研究生階段，開始進行更高標準的科學研究時，往往需要重新學習實驗手段，比如高速攝像、激光測振儀等。這種初級的研究手段讓學生“還未學會，就已過時”，增加了重復學習的成本，不利于物理教學的長久發展。

當然，我們的實驗手段近年來也在不斷更新換代[5-6]，但是許多先進的實驗方式還停留在教師演示階段，真正地普及給每個學生尚需時日。隨著電腦和智能手機的普及，我們有條件更多采用現代化實驗手段，讓我們的實驗探究更加靈活實用。

（三）課堂結構不同

通過與美國教師交流，作者得知，美國物理課堂通常只有1/3～1/2的時間是教師講課時間，而其余時間全部是學生自主實驗探究時間。從這樣的課堂結構中可以看到，美國中學物理教學對于學生自主探究的重視與培養。現階段，我國中學教學也愈加重視學生物理核心素養的培養，重視科學探究的過程與方法。但相比較來看，我國的課堂還是以教師講授和演示實驗為主，學生實驗僅僅占據較小的比例。

（四）教師與學生的互動方式不同

同樣是進行實驗探究課程，美國課堂的教師采用了更加“隨意”的方式，僅提供基本的實驗思路，并不會很具體地講解每一步實驗操作、實驗注意事項。而我國的實驗教學，則更加注重細節，教師往往要將實驗器材、實驗目的、實驗步驟、實驗注意事項、實驗結論一項項講明白，然后才讓學生動手操作。美國高中的物理實驗教學更像是“牧羊犬式教學”，由教師劃定大概的范圍，并在教學推進中不斷互動，調整范圍與路線；而我們的物理實驗教學則是“領頭羊式教學”，由教師劃定具體路線，學生只需循跡而行即可，確定性提高了，但是靈活性較低。

四、美方實驗教學方式的不足

美國高中物理的科學探究實驗教學，總體看來具有靈活、創新、實用、與時俱進等特點。但從多角度分析，此種教學方法也有弊端。

1.課堂深度難以保證，課堂效果因人而異，差異性大。美國課堂采用“少講課、多自主探究”的形式，非常依賴于學生的自學能力和動手能力，也依賴于學生的自覺性和悟性。同時，由于講課時間的限制（僅20分鐘），教師很難對實驗探究過程進行詳盡的總結和歸納，從而容易使探究過程流于表面，難以深入。2.課堂效率低，對課堂人數限制嚴格。美國課堂采用的時間結構安排與互動方式，決定其只能進行小班教學。本文案例中提到的課程中，學生數量僅在20人左右，但教師在整個40分鐘的實驗探究部分，都在不斷地指導學生和與學生討論，教師時間已經被充分利用。由此可見，該類教學模式不太可能容納更多的學生參與教學。這種“小班制”教學帶來的人力成本和設備成本都是巨大的，而相應的課堂效率卻并沒有那么高。結合我國的教育資源現狀，完全照搬美國的探究式課堂是不實際的。

五、建議

結合這節探究式課堂以及對兩國教學特點的思考，作者認為在培養學生科學探究能力的教學上，我們可以有如下的改進。

1.在注重理論歸納與驗證的基礎上，進一步加強理論與應用的結合。結合生活實際，設計解決生活應用的實驗，讓物理探究實驗更加“實用”和“實際”。2.結合地區和教學實際情況，優化實驗儀器和實驗技術。適當地加強學生現代化的實驗技術的培養，從而提高實驗效率和復雜度。3.適當優化教師授課和學生實驗探究的課時比例安排，能夠有更加充裕的課時來更好地培養學生的科學探究能力。

通過對比中美兩國物理教學中的實驗教學，一方面，我們要找差距、補不足，決不能故步自封吃老本，要學習美國中學物理教學中的精華之處，為我所用，對我國的物理課改乃至基礎科學教育的發展都大有裨益。另一方面，我們也要結合我國基礎教育的基本現狀，因地制宜、因時制宜，不能一味照抄照搬國外的教育教學模式，取其精華，去其糟粕，用辯證的方式科學發展物理教育教學方法，圍繞物理學科核心素養的四點要求推進工作，不斷探索，不斷實踐，不斷努力。

參考文獻：

[1]陸佳娜.基于新課改背景下初中物理實驗教學的有效實施路徑與思考[J].廣西物理，2023，44（2）：78-80.

[2]劉軒維.淺談高中物理機械能守恒實驗的設計[J].中國教育技術裝備，2018（19）：127-128+133.

[3]戴耀東.基于學習進階的高中物理實驗教學設計——以“探究加速度與力、質量的關系”為例[J].物理教師，2023，44（9）：13-16.

[4]郭芳俠，何琳，韓麗梅.中美高中主流物理教材實驗難度及探究水平的比較[J].物理實驗，2022，42（12）：52-59.

[5]王錦華.Phyphox軟件輔助中學物理實驗研究[D].通遼：內蒙古民族大學，2023.

[6]王唯杰.VR技術在高中物理實驗教學中的應用研究[D].貴陽：貴州師范大學，2023.