物理核心素养视域下高中物理不同教材实验的比较分析

陈国华 程敏熙

摘 要：基于物理核心素养，对新课标必修一的4个必做实验进行比较分析，选择的教材包括人教版新旧四个版本和粤教版、沪科版、鲁科版三个版本教材.随着普通高中新课程标准的改革，教材在学生实验上更注重科学探究，内容编排和设计更符合学生的认知规律，不同地区的教材在实验呈现方式上不同.通过比较分析，以期为一线教师在物理实验教学中提供启示.

关键词：核心素养;必做实验;教材分析;高中物理;教材实验

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）21-0023-04

作者简介：陈国华（1995-），男，广东清远人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学;

程敏熙（1962-），男，广东广州人，博士，副教授，研究方向：光电技术与系统、物理实验设计.

为了全面深化课程改革，落实立德树人根本任务，2018年教育部发布了《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称新课标），并提出了物理核心素养.相比2003年发布的课程标准，为了引导学生进行科学实践，体会科学探究内涵，发展物理学科核心素养，新课标对学生提出了21个必做实验要求，其中必修课程有12个学生必做实验，选择性必修课程有9个学生必做实验[1-2].本文对新课标中要求的必修一4个必做实验进行比较与分析（如图1），并提出学生实验教学中的建议，能够给教师在物理实验教学以启示.

1 关于4个必做实验的教材比较

本文通过纵向和横向比较分析4個必做实验的特点.纵向比较选择的教材是人民教育出版社出版的普通高中教科书《物理必修第一册（2019年版）》、普通高中课程标准实验教科书《物理必修1（2004年版）》《高级中学课本物理第一册（必修）（1995年版）》和《高级中学课本物理（甲种本）第一册（1983年版）》.横向比较选择的教材是2019年各地区出版社出版的普通高中教科书《物理必修第一册》，包括人民教育出版社（以下简称人教版）、广东教育出版社（以下简称粤教版）、上海科技教育出版社（以下简称沪科版）和山东科学技术出版社（以下简称鲁科版）.

1.1 对人教版新旧教材4个版本的纵向比较

1983年版和1995年版的教材选择分析的内容均以新教材必修一的内容为准，表1是4个必做实验在人教版4个版本的新旧教材的比较.表中教材位置表示该实验在教材中的页码与目录的位置，栏目是实验在课本中出现的位置与所在的栏目，同时也区分了学生实验与演示实验.

1.1.1 逐步将实验探究融入课堂教学

由表1可见，1983年版和1995年版的教科书把物理实验放在教科书最后，实验相对独立;2004年版和2019年版的教科书将实验放在了课程内容中的栏目中，实验融入课堂教学中.可以看出，在2003年版的课程标准强调科学探究在课堂教学中的作用，物理实验在教材的位置和栏目从附录中编排到课程内容的栏目中，实验的地位更加突出，提倡教师要将实验探究融入到课堂教学中.

1.1.2 体系结构更加符合学生的认知规律

以2004年版教材为分界点，实验顺序发生了变化.2004年以前的教材先学习力，再学习运动;2004年及以后的教科书对教学的结构顺序编排做了较大调整，先学习运动，再学习力，而且实验的顺序也重新做了调整，这样的安排能够让学生从具体到抽象知识的过渡，更容易接受整个知识体系，符合学生的认知规律[3].

1.1.3 重视实验探究的思想

1983年版、1995年版和2004年版的教科书，“探究弹簧弹力与形变量的关系”并没有纳入学生实验中，只是出现在习题中;而新的课程标准将其作为必做实验之一，该实验让学生体验了实验探究的完整过程，提出问题、猜想与假设、设计实验、完成实验、数据处理、根据图像得出结论，这样能够有效培养学生的科学探究能力.

1.1.4 实验的思路更加清晰

教材在实验的表述上更加注重科学探究的过程，明确了探究过程，例如探究加速度与力、质量的关系，1983年版教材的实验是拆分成3个实验：研究匀变速直线运动、研究加速度和力的关系、研究加速度和质量的关系，实验过程相对独立，不具有连贯性;以后的教材都是将三个探究过程合成一个实验，2019年版教材更是对实验探究思路进行明确，探究思路为：提出问题—实验思路—物理量的测量—进行实验—数据分析—得出结论.

1.2 对4个版本新教材的横向比较

1.2.1 实验在教材中结构编排的比较

粤教版和人教版：既有编排成单独一节课，也有放在课程内容的栏目中.粤教版的栏目是实验与探究，人教版的栏目是实验.粤教版和人教版更注重将物理实验融入到课程教学中，而不是将实验单独编排，更有利于学生整体知识体系的构建和实验方法的渗透.

鲁科版将4个实验全部都编排成单独一节课，而沪科版将4个实验全部都编排在课程内容中.鲁科版更强调4个必做实验的重要性，提高了实验的地位，在整体的知识体系上起承上启下的作用，可是容易让学生误解实验独立于知识体系之外.沪科版更加强调将物理实验融入到课程教学，同时将栏目列为学生必做实验，强调了实验的重要性.

通过比较分析，在物理实验教学中，教师既要强调必做实验的重要性，也要引导学生对整体知识体系的构建，这可以帮助学生在实验学习中，能够主动地了解掌握实验的整体知识，同时可以联系前后的知识，构建自己的知识网络.

1.2.2 教材中实验思路的比较

粤教版：没有明确实验的探究过程，更注重以问题串的方式引导学生去设计实验.例如，在探究弹簧弹力与形变量的关系的实验中，通过三个问题：（1）如何测量弹簧的弹力？（2）如何测量弹簧的伸长量？（3）如何保证测量的准确性？引导学生自主思考并设计实验.粤教版在实验教学过程中，以学生为主体，教师以引导为辅，以问题串的方式构建整体实验探究过程，培养学生的自主学习与思考能力.

人教版、沪科版、鲁科版：在实验的引导下，确定了基本的实验过程：提出问题—设计实验—进行实验—收集证据—数据分析—得出结论—交流合作.在探究弹簧弹力与形变量的关系的实验中，人教版的实验思路是：实验思路—进行实验—数据处理;沪科版的实验思路是：思考讨论—设计实验—收集证据;鲁科版的实验思路：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.这三个版本的实验思路更注重直接构建实验探究的过程，学生会体会物理实验实施的完整过程，可以培养学生的科学探究设计的能力.

通过比较分析，人教版、沪科版、鲁科版三个版本的教科书更注重学生构建实验探究的过程，粤教版更注重以问题串的方式引导学生自主思考.在物理实验教学中，给学生明确实验探究的整体过程，学生对实验思路会更清晰，同时辅以问题串的方式引导学生自主思考，更有效果.

1.2.3 实验器材的异同

在实验器材上，各版本对器材的精确度和敏感度的要求不一样.在探究加速度与力、质量的关系实验中，粤教版采用的是气垫导轨和数字传感器，实验的效果比较好，同时培养学生创新思维，可是对实验仪器的要求高，不具有普适性.人教版、沪科版、鲁科版采用的是斜面和打点计时器，实验器材比较简单，实验成本较低，具有普适性.

通过比较分析，粤教版对实验器材要求比较高，人教版、沪科版、鲁科版则更注重用简单的仪器完成实验.所以，在物理实验教学中，教师在引导学生完成实验的时候，要更注重使用简单的仪器，学生掌握后可以接受高精尖的实验仪器，让学生了解一个实验可以由多种实验仪器完成，培养学生的创新科学思维;同时高精尖的实验仪器，也能够让学生了解我国现有的技术水平，培养科学态度和责任.

1.2.4 科学实验方法的比较

4个必做实验都能分别体现不同的科学研究方法，如微元法、实验探究、等效替代法、控制变量法等.4种版本的教材在体现科学研究方法时各有不同，人教版、粤教版和鲁科版大多没有直接在教材中介绍研究方法，需要教师在教授过程介绍并引导，进行渗透式教学;沪科版则在教材中直接介绍研究方法，学生能够直接从教材了解到该实验的方法;同时鲁科版在实验汇总会有安全警示和素养提升介绍，能够让学生知道实验中需要注意的地方，而且能够了解通过完成该实验需要提升的核心素养.例如，在探究两个互成角度的力的合成规律实验中，人教版和粤教版直接把实验过程放在教材中;鲁科版在安全警示中提示学生注意橡皮筋的弹性限度和小图钉的危害与该实验提升学生的科学探究能力;沪科版在教材中介绍了等效替代的方法（如图2）.

在物理实验教学中，教师要注意引导学生在实验过程中注重科学实验方法的应用，同时也可以利用该方法进行迁移，这可以为学生在高中阶段的学习奠定基础，培养科学探究能力，让学生在物理实验方法方面能够学习完整的知识结构（如图3）.

2 核心素养视角下的物理实验教学

2.1 科学研究方法促进物理观念和科学思维的形成

在培养学生物理学科核心素养的过程中，物理实验教学应该以物理思想方法和科学研究方法作为生长点向外延展，促进学生对物理概念、规律的深入理解，促进学生解决物理问题能力的提升，促进学生对物理思想方法本身的内化.在高中物理教学中，经常会用到科学研究方法来进行教学，例如极限法、微元法、比值法、等效替代法、物理建模法等.

物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量的基本认识，是物理概念和物理规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决问题的基础[4].在物理实验中，通过科学研究方法促进学生物理观念的形成.例如，在测量做直线运动物体的瞬时速度实验中，向学生渗透“极限”的思想，通过微元法，使学生建立瞬时速度的概念.具体的教学流程可以是：（1）如何比较运动的快慢;（2）速度的定义;（3）平均速度的概念;（4）平均速度对运动的描述;（5）实验探究Δt非常小时对平均速度的影响;（6）通过微元法得到瞬时速度的概念.在这个教学过程中，慢慢给学生渗透Δt非常非常小时，运动快慢的差异可以忽略不计，这个时刻的速度就是瞬时速度.整个过程通过微元法，让学生构建了瞬时速度的物理观念.

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实构建物理模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力和品质[4].在物理实验中，可以通过科学研究方法促进培养学生的科学思维.例如，在探究两个互成角度的力的合成规律实验中，可以通过等效替代法培养学生的科学思维.在教学中，要采用探究式实验教学，渗透等效替代法，教学过程片段可以是：提出问题（F和两个等效分力F1和F2的关系）—实验探究（根据等效替代法，在实验中找到F和F1、F2）—数据分析（作出他们的图示，并猜想关系）—总结提升（大量實验，得出结论）[5].在整个教学过程中，核心是利用等效替代法，让学生知道合力和分力的作用效果是一样的，最后经历实验探究过程，得出结论.

2.2 物理实验促进科学探究能力的提升

科学探究意识，能在观察和实验中发现问题、提出合理猜想与假设;具有设计探究方案和获取证据的能力，能正确实施探究方案，使用不同方法和手段分析、处理信息，描述并解释探究结果和变化趋势;具有交流的意愿与能力，能准确表述、评估和反思探究过程与结果.物理实验拥有完整的探究过程，在实验过程中渗透科学探究意识，能够促进学生科研探究能力的提升.例如，在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，采用控制变量法设计实验探究过程：（1）提出问题：加速度和力、加速度和质量的关系;（2）实验思路：引导学生设计实验，如何设计实验探究三者之间的关系（控制变量）;（3）物理量的测量：加速度的测量、力的测量;（4）进行实验：记录加速度与力、加速度与质量的关系数据;（5）数据分析：得到实验数据后，注意引导学生用图像分析的方法分析三者之间的关系.实验探究的过程基本符合科学探究的要求，所以让学生经历完整的实验过程，能够促进科学探究能力的提升.

3 结束语

本文纵向比较和横向分析了必修一的4个必做实验，随着课程标准的改革，教材在学生实验上更注重科学探究，使内容编排和设计更符合学生的认知规律;不同版本的教材在实验呈现方式上也有不同的侧重点.教材内容只是教师教学内容的一个载体，其根本依据是新课标，所以教师可以根据不同教材的编排和呈现方式，结合自己的教学风格和特点，对教材进行分析改进，从而设计更适合学生的教学方案.同时教师也要依据新课标，比较新旧教材和不同版本的教材，体会新课程改革背后的意义，为提升教学质量提供帮助.

参考文献：

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

[2]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）要点解读[J].物理教学，2020，42（02）：2-5.

[3]朱美健.物理教材编写要符合学生的认知规律[J].课程·教材·教法，2008（08）：50-53+58.

[4]董友军，翟春城.基于物理学科核心素养的实验教学理论模型与实践路径[J].物理实验，2020，40（11）：57-63.

[5]鲍永新，赵志永.基于实验的深度理解提升学生核心素养——探究“两个互成角度的力的合成”规律[J].中学物理，2020，38（03）：39-41.

[6]胡嘉莹，张军朋.高中物理新旧教材力学实验比较分析——以人教版教材为例[J].物理教学，2020，42（04）：32-35.

（收稿日期：2021-08-06）