课程标准与教材修订（三）

摘  要：基于《普通高中物理课程标准（2017年版）》对实验的要求和教材中实验难易程度的国际比较等，修订版教材对物理实验进行了修订。文章侧重介绍了修订版教材对学生必做实验地位的凸显，分析了从铺垫、引导到放手让学生自己动手实验的设计思路，展示了教材中实验设计与物理内容及习题检测相互呼应的关键点。这些皆有利于促进学生物理学科核心素养的达成。

关键词：课程标准;物理实验;物理教材

本刊今年首期文章介绍了教材的修订目标，其中一条目标便是发挥物理课程中的物理实验功能，创设学生乐于探究、勤于思考的学习情境，培养学生的自主学习能力，引导学生探索自然，认识自然，形成科学思维习惯，提高科学探究能力，养成科学态度和正确的价值观[1]。

物理学是自然科学领域的一门基础学科，研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律。物理学基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系[2]。同时，物理学也是一门与实验密切相关的学科，物理学的理论结构充分运用数学作为工作语言，以实验作为检验理论是否正确的唯一标准。实验是物理学的基础，也是物理课程的重要内容。因此，在物理课程中如何纳入物理实验，在物理教材中如何设计实验等是非常重要的。

1    《普通高中物理课程标准（2017年版）》中的物理实验要求

物理学是以实验为基础的学科，物理课程应注重引导学生进行科学实践，从实验走进物理，从物理走向社会等。为了培养学生的物理学科核心素养，本次修订对物理实验的要求有所加强[3]。在《普通高中物理课程标准（2017 年版）》（以下简称2017版课标）中的必修和选择性必修课程里含有21个学生必做实验（见表1）[4]。这些实验的提出，既考虑了其在不同内容板块的分布，也考虑了在必修与选择性必修的布局;既考慮了常规的验证实验和测量实验，还考虑了具有一定开放程度的探究实验和制作实验。相对《普通高中物理课程标准（实验）》（以下简称实验版课标）而言，专门提出学生必做实验将有利于引导学生做中学，体会科学探究的内涵，发展学生物理学科核心素养。

除学生必做实验外，在课程内容的三级主题要求中，有一半以上的条目皆有实验要求（如通过实验，认识自由落体运动的规律;通过实验，了解力的合成与分解），与实验版课标相比，这类条目有所加强。在实验教学中，首先让学生完成2017版课标中提出的学生必做实验;对于出现在三级主题的实验要求，若时间允许，可视为学生必做实验，若时间不允许，则可视为演示实验。

2    关于教材中物理实验的国际比较

有研究对高中物理教材难度进行了国际比较[5]，后续专门对高中物理教材实验的难易进行了国际比较[6]。在对物理实验难易程度的比较研究中，根据难度赋值标准及难度计算模型，得出十个国家物理教材的实验难度值，其结果如图1所示。由图可知，各国高中物理教材的实验难度按照从难到易的排序依次为：中、美、日、澳、韩、法、德、英、俄、新。在所比较的教材中，中国高中物理教材的实验难度最大，接下来分别是美国、日本、澳大利亚等，新加坡教材的实验难度最小。在十个国家所选高中物理教材的实验总广度的比较中，从多到少的排序分别为：中、韩、日、美、德、澳、法、英、俄、新。我国教材中的实验内容最多，其次是韩国、日本、美国等，新加坡教材中的实验内容很少。分析可知，我国高中物理教材的实验难度主要来源于实验的广度。

再进一步比较实验的平均深度，其结果如图2所示。由图可知，与其他国家相比，我国教材的实验平均深度排序第八。其中，美国教材的实验平均深度最大，其次是俄罗斯教材，实验平均深度最小的是韩国教材。这表明我国高中物理教材中的实验内容具有“广而浅”的取向。

该国际比较研究给修订版教材的实验修改提供了一定的参考。我国高中物理教材在提供丰富实验内容的同时，应该适当增加实验的可操作性与规范性，从而更加有效地培养学生的实验能力。

3    修订版教材中的实验案例剖析

3.1    凸显学生必做实验在教材中的地位

如前所述，在2017版课标中提出了21个学生必做实验的要求。那么，在教材中如何凸显这些学生必做实验的地位呢？修订版教材将学生必做实验放到比较醒目的位置，从内容纳入到版式设计皆注重引起师生的关注。例如，表2给出了必修教材中12个学生必做实验的内容设计及安排顺序，必修第一册有4个学生必做实验，分别设置在第2、第3、第4和第5章;必修第二册有3个学生必做实验，分别设置在第1、第2和第3章;必修第三册有5个学生必做实验，分别设置在第2、第3和第4章。这样的设计强调了物理内容与物理实验紧密的联系，也凸显了物理学科的实践性。

在每章的内容设计中，皆考虑到每节内容与学生必做实验的关联，以便充分发挥实验的育人功能。如，第一个学生实验设置在必修第一册第2章（图3）[7]，该章对应的节名分别为：第1节《速度变化规律》，第2节《位移变化规律》，第3节《实验中的误差和有效数字》，第4节《科学测量：做直线运动物体的瞬时速度》，第5节《自由落体运动》。第1节和第2节侧重物理概念、规律方面的准备，第3节侧重实验方法及相关规范方面的准备，前面的内容皆为第4节的学生实验做了知识及方法方面的铺垫，而第5节又是前4节内容的具体运用与拓展。

3.2    铺垫、引导与放手的实验设计

根据国际比较可知，修订版教材应更注重实验的深入与规范，通过设计不同类别的物理实验，帮助学生建构物理概念，学习物理研究方法与思想，培养其提出问题、获得证据、进行科学论证与解释及合作交流等方面的能力。

在修订版教材设计的学生必做实验中，每个实验皆通过情境导入，按照科学实验的规范引出“实验目的”“实验器材”“实验原理与设计”“实验步骤”“数据分析”“实验结论”“讨论”等关键环节，同时设置了“方法点拨”栏目，以便从实验中提炼更上位的方法及思想等，还设置了“安全提示”栏目，旨在培养学生的安全意识，另外还特别通过“素养提升”栏目凸显了该实验在培养学生的物理学科核心素养方面的功能[8]。

修订版教材中的实验是按照循序渐进的方式逐渐展开的。如，在第一个学生必做实验中（位于必修第一册第2章第4节），关于实验设计操作过程等，叙述详细，指导完整，让学生有抓手，能按图索骥。此节中的第1个段标为“运动时间和位移的记录”，介绍了传统的电磁打点计时器、电火花打点计时器和频闪照相等，还为边远地区学校介绍了用画笔与纸带、水瓶滴水等模拟打点计时器。这些展示旨在说明科学实验中，为了更准确地收集信息，人们不断创新、改进仪器，但若条件受限，采用简易器材体验探究过程，认识物理规律的内涵，也是非常重要的。第2个段标为“测量小车的瞬时速度”，通过“实验目的”“实验器材”“实验原理与设计”“实验步骤”“数据分析”“实验结论”“讨论”等关键环节（图4）[9]，用比较多的篇幅详实地指导学生操作此实验。如，有清晰的“实验原理与设计”，有从头至尾的操作指导，有表格及坐标纸设计等，其目的在于给学生做实验的“拐杖”，让学生学习怎么做。

但是，在后续的实验设计中则逐渐放开，给学生自主实验的空间。如，在必修第二册第3章第2节的实验中（科学探究：向心力），第2个段标为“探究影响向心力大小的因素”，在“实验步骤”环节，第一条引导学生探究向心力大小与质量的关系，控制转动半径和角速度不变;第二条引导学生探究向心力大小与转动半径的关系，控制质量和角速度不变;第三条则要求学生自己设计如何探究向心力大小与角速度的关系，并要求学生按照自己设计的实验步骤操作。这样逐渐放“拐杖”的方法在于培养学生的实验探究能力，真可谓践行“授人以鱼不如授人以渔”的教学理念（图 5）[10]。

教材中的实验步步深入，前面章节的实验设计周全、步骤规范，有引导学生学习之意;后面章节的实验相对比较开放，有启发学生自己动手之意。所有实验皆分别从不同层面落实科学探究的核心要素：问题、证据、解释、交流。

3.3    实验设计与学习内容及习题检测的呼应

科学教育中的实验目的不仅仅是得到实验的结论，更重要的是通过实验帮助学生建构物理概念、学习实验技能、形成实验探究的能力等。在教材的实验设计中，如何体现物理实验的育人功能，培养学生的物理学科核心素养，这是非常重要的。

在修订版教材中，关注了实验设计与学习内容和习题检测的融合。如，在必修第一册第5章第2节的学生实验“科学探究：加速度与力、质量的关系”的实验设计中，展示了如图6所示的实验装置示意图[11]。文中强调如何通过控制变量法探究加速度与质量和力的关系，并且指出 “实验设计有一个关键点：如何测量小车受到的合外力？常用方法是将木板一端垫高，使小车不挂重物时能匀速运动，此时小车重力沿斜面的分力恰好抵消其所受摩擦力及其他阻力;同时，所挂重物的质量应远小于小车的质量。”对于这个关键点，有教师在实验教学中花大量时间解释为什么木板一端垫高，为什么所挂重物质量要远小于小车质量等。在修订版教材中，没有将此解释作为实验设计的重点，而是在后面的“讨论”环节，特别提出此问题：“与同学讨论，为何在该实验中要垫高木板一端？为何所挂重物的质量要远小于小车质量？（若暂时没有结论，待学习完下一节内容后再进一步研究）”，希望学生带着疑问走进该章的第3节“牛顿第二定律”。当学生学习了牛顿第二定律后，教材通过“物理聊吧”回应了第2节“讨论”环节提出的问题。这是典型的“以惑为诱”“以问促学”的实验设计，通過这样的前后呼应，能很好地促进学生物理学科核心素养的达成。

另外，在修订版教材中，循序渐进地对实验报告的完成做了要求。这对培养学生的问题、证据、解释及交流能力皆很重要。如，以必修第一册为例，该册有4个学生必做实验，对应与实验报告相关的习题如表3所示。当学生完成第一个学生必做实验的实验报告时，教材在该节段标2给出了实验报告的模板，在该节习题要求的实验报告要求中，则提示学生参考教科书完成实验报告，并指出应包含的内容（如实验目的、实验器材等），对学生完成实验报告给出了详细指导。接着，在后续实验报告的完成中，不仅要求学生延续这个模板，逐渐放开空间，而且还特别指出在实验报告中要呈现教材中留白的地方。

事实上，在教材中设计探究实验时，常面临如何给学生留空间的问题，担心学生照抄已知结论，并不真正操作。这样关于实验报告的习题设计将解决上述问题，因为只有做过实验的学生才能在实验报告中独立写出相关内容。

除此之外，修订版教材中还设计了“实验探究”“迷你实验室”“DIS 实验”等栏目，分别展示2017版课标中的三级主题对应的探究实验和验证性实验等。考虑不同学校实验器材的差异，通过不同栏目设计实验，以便不同类别的学校有所选择（因篇幅所限，本文对此不再详述）。

总之，修订版教材中的实验设计，不仅有利于学生实验探究能力的培养，而且对培养学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任几个方面的学科核心素养皆有积极作用。

参考文献：

[1]廖伯琴. 课程标准与教材修订（一）——基于2017版课标对高中物理教材进行修订的总体思考[J].物理教学探讨， 2020，38（1）：1-4.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：1.

[3]廖伯琴. 以学生发展为本改进普通高中物理课程——《普通高中物理课程标准（2017年版）》解读[J]. 人民教育， 2018，787（10）：47-50.

[4]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：43.

[5]廖伯琴，袁振国，等. 中小学理科教材难度国际比较研究（高中物理卷）[M].北京：教育科学出版社， 2016.

[6]廖伯琴， 左成光， 苏蕴娜. 国际中学科学教材实验内容难度比较——以高中物理为例[J].全球教育展望， 2017（4）：25-31，110.

[7]廖伯琴. 普通高中教科书《物理》必修第一册[M].济南：山东科学技术出版社，2019：1.

[8]廖伯琴.课程标准与教材修订（二）——如何在教材中凸显对学生学科核心素养的培养[J].物理教学探讨，2020，38（2）：1-5.

[9]廖伯琴. 普通高中教科书《物理》必修第一册[M].济南：山东科学技术出版社，2019：50.

[10]廖伯琴. 普通高中教科书《物理》必修第二册[M].济南：山东科学技术出版社，2019：62.

[11]廖伯琴. 普通高中教科书《物理》必修第一册[M].济南：山东科学技术出版社，2019：113.

（栏目编辑    廖伯琴）