高中物理教材实验编写的分析比较和教学应对策略.docx

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高中物理教材实验编写的分析比较和教学应对策略

高中物理教材实验编写的分析比较和教学应对策略

　　随着新课改的深入，我国高中阶段的物理教科书也发生很多的改变，由原先的人教版一统天下，变为有人教版、济科版、沪科版、广东版等多种版本共存的局面。

在笔者教学实际中也欣喜的发现的我们教材中关于实验的编写也有了非常大的进步。

类似美国教材也有多种版本，而且他们在实验方面有很多地方值得我们学习和借鉴。

为此笔者就国内使用较多的人教版教材和美国高中物理教材中影响非常大的、也是其应用较多的美国高中主流理科教材《PhysicsPrinciplesandProblems》（浙江教育出版社出版的《物理：

原理与问题》是其中文版）进行比较和分析，特别是对其中的实验部分进行简要的分析，从分析中得到一些基本的应对策略，也使我们的物理课堂教学中的实验更科学有效，更符合学生的认知水平，最终能有效提高我们的物理教学水平。

关于《PhysicsPrinciplesandProblems》（《物理：

原理与问题》），它是美国麦格劳-希乐（McGraw-Hill）公司出版的一本高中物理教材（目前国内已有浙江教育出版社翻译出版的《物理：

原理与问题》中文版在市场上发行），供美国9～12年级学生选学一年，该书主编保罗齐泽维茨（P.w.Zitzewitz）博士是密歇根-迪乐伯恩大学（UniversityofMichigan-Dearborn）的物理教授，在原子物理实验研究方面取得了很多成绩，他长期从事大学物理教学，又对高中物理与初中物理科学课程的教学有着较为深入的研究。

现任美国物理教师协会密歇根州分会会长、美国物理学会教育论坛主席。

美国的中学物理教材版本很多，形式多样，由学校和任课教师自由选用。

根据统计，《物理：

原理和问题》一书自出版以来，在全美的选用率接近50%，并为其他许多英语国家所选用。

正是基于此，笔者就此版本教材与国内也是主流的人民教育出版社出版的高中物理教材进行实验上的比较，以期取得一些启示。

【正文】

一、关于教材《PhysicsPrinciplesandProblems》中实验部分编写的比较和分析

1．美国教材中实验的分布情况简介。

《PhysicsPrinciplesandProblems》每章开始部分都有一个LAUNCHLab（起步实验），在教学章节中有PhysicsLab，类似我们教材中的章节中实验课题（如人教版中物理必修一中的第四章第二节-实验：

探究加速度与力、质量的关系），还有穿插在章节中各小节介绍知识时用到的实验，多用图像和图形来说明，最后还有在各章节中出现的MINILab。

具体分布情况如下图所示。

2．在编写实验时应用的实验器材上差别。

如图5所示，为电场一章的起步实验，探究相隔一定距离的带电物体之间的相互作用力。

《原理与问题》一书中它取用的两带电体为twoballoons（两只气球），而我们教材中的则用图6中的带电小球来研究，通过两者比较我们可以看到我们的教材更注重理论，而美国教材在此处处理上来看更生活化。

类似例子很多，如《原理与问题》一书在研究物体的自由落体运动时，选用的物体竟然是几元硬币用胶带粘在一起作为下落的物体（如图７所示）。

事实上我们教材中也有类似的生活化的实验器材，如在研究磁场的分布时，我们应用铁屑来做磁感应线的模拟，但同样在《原理与问题》一书中，它却从两个角度来分别描述，也反映了其对理论性的强调。

如图８和图９分别是在描述磁场方向时用的两组实验器材。

3．编写实验时对实验过程的设计

下面是《原理与问题》一书中关于起步实验中《使灯泡发光》的实验设计（器材如图10所示）。

LAUNCHLab：

Canyougetalightbulbtolight?

Question（问题）：

Givenawire,abattery,andalightbulb,canyougetthebulbtolight?

（给你一段导线、一节干电池和一个灯泡。

你能使这个灯泡发光吗？

）

Procedure（步骤）：

1.Obtainalightbulb,awire,andabattery.Trytofindasmanywaysaspossibletogetthelightbulbtolight.（取一个灯泡、一段导线和一节干电池。

尝试各种不同的方法使这个灯泡发光。

）

Caution:

Wireissharpandcancutskin.Wirecanalsogethotifconnectedacrossthebattery.（注意：

导线两端较尖锐，小心割伤皮肤，在将导线与电池相连时，导线会发烫。

）

2.Diagramtwowaysinwhichyouareabletogetthelightbulbtowork.Besuretolabelthebattery,thewire,andthebulb.（画出两种能使你的灯泡发光的电路图。

注意正确使用正确的符号表示电池、导线和灯泡。

）

3.Diagramatleastthreewaysinwhichyouarenotabletogetthebulbtolight（画出至少三种不能使灯泡发光的电路图）.

Analysis（分析）：

Howdidyouknowifelectriccurrentwasflowing?

Whatdoyourdiagramsofthelitbulbhaveincommon?

Whatdoyourdiagramsoftheunlitbulbhaveincommon?

Fromyourobservations,whatconditionsseemtobenecessaryinorderforthebulbtolight?

（你如何知道电路中是否存在电流？

能够使灯泡发光的电路图有哪些共性？

无法使灯泡发光的电路图又有什么相同之处？

根据你的观察，你认为使灯泡发光的必要条件是什么？

）

CriticalThinking（理性思维）：

Whatcauseselectricitytoflowthroughthebulb?

（是什么原因使电流能够流过灯泡？

）

注意上述步骤中的3要求画出不能使灯泡发光的电路图，对这一点我们国内教科书几乎不愿涉及。

但从教学实际来看，对这种负面的操作对教学内容确实有用，笔者在教学实践中也用相关的方法，起到了很的好教学效果。

应用在教学中的典型案例：

在研究电磁感应现象时，如图11所示的实验装置。

你能用除课本上应用过的方法之外的其它方法让它不产生感应电流，你还能什么其它方法让该装置不产生感应电流？

通过这两种截然不同的方式，使学生的积极性得到了极大的提高。

下面是学生关于用什么方法来产生感应电流的方法讨论结果。

课本上出现的方法有三种：

开关S闭合或断开的瞬间、当开关闭合后，调节滑动变阻器的滑片位置、将A线圈拿出或插入B线圈中，此三种方法学生都从课本上学习过并验证结论是正确的。

但实际中我让学生讨论如何用上述实验器材产生感应电流，但方法不能同于课本上的，结果出现了快十种方法，举例有：

让A线圈不动B线圈动；AB线圈一起运动，但两者速度不同；让学生电源的开关断开和闭合；改变学生电源的电压高低；甚至也出现将学生电源的插头插入和拔出等。

所有这些从实验角度可能还有很多操作甚至还有安全上问题，但这些对学生的思维培养都有很好的效果，在教学实践中也深受学生的欢迎，也起到了很好的教学效果。

4．在实验现象描述上的差异。

典型案例：

在练习使用欧姆表测电阻时，我们使用一个普通白炽灯来进行实验，用PZ220V-40W的灯泡进行测量，学生由理论计算求解得出的电阻约是1210Ω，而实际测出的则约是80～100Ω。

学生在实验时,只有部分学生对此产生怀疑,甚至还有部分学生认为是欧姆挡的挡位看错或放置错,极个别学生还认为是欧姆表不准确造成的,事实上对这个实验主要是应用多用电表来熟练操作的问题,结果却因为电阻受温度影响这一原因造成误解。

而类似的内容在《原理与问题》一书中出现以下内容：

ResistanceTheresistanceofanoperating100-Wlightbulbisabout140Ω.Whenthelightbulbisturnedoffandatroomtemperature,itsresistanceisonlyabout10Ω.Thisisbecauseofthegreatdifferencebetweenroomtemperatureandthelightbulb’soperatingtemperature（电阻一个正在工作100W的灯泡的电阻大约为140Ω，切断电流后，它在室温下的电阻大约只有10Ω。

这是因为灯泡的工作温度与室温相差很大的缘故）。

在该教材中就明确该电阻测量值与真实值因为温度不同而产生差异，直接给出了实验现象。

5．实验设计的目标的差异。

下面是电磁感应现象一节内容的实验设计，实验器材如图12所示。

LAUNCHLab:

Whathappensinachangingmagneticfield?

（起步实验：

探究变化磁场中发生的现象？

）

Question（问题）：

Howdoesachangingmagneticfieldaffectacoilofwirepassedthroughit?

（通过线圈的磁场发生变化时，对该线圈会产生怎样的影响？

）

Procedure（步骤）：

1.Placetwobarmagnetsabout8cmapart.

2.Attachasensitivegalvanometertoeitherendofapieceofcoiledcopperwire.

3.Slowlymovethewirebetweenthemagnets.Notethegalvanometerreading.

4.Varytheangleofthemovementofthecopperwireandthevelocityofthewire.Noteyourresults.

（1．将灵敏电流计的两端与一个铜导线线圈的两端相连。

2．将条形磁铁的N极插入线圈，观察灵敏电流计的读数和指针偏转的方向。

3．将条形磁铁的S极插入线圈，观察灵敏电流计的读数和指针偏转的方向。

4．改变磁铁的插入线圈速度，结果有什么不同？

）

Analysis（分析）：

Whatcausesthegalvanometertomove?

Whatsituationmakesthegalvanometerdeflectthemost?

（是什么原因引起灵敏电流计的指针发生偏转？

什么情况下它偏转的角度最大？

）

CriticalThinking（理性思维）：

Whenthewireismovedbetweenthemagnets,whatishappeningtothewire?

（当磁铁插入线圈时，线圈中会发生什么情况？

）

上述实验主要为探究性实验，而这类实验我们在新教材中也有，但在我国现行教材中仍然还是验证性实验占有比例大。

验证性实验从学知识及教授知识来说都有其优点，但对于学生自主学习和探究能力的培养又是不利的，甚至过多则是有害的，学生易被一些框框条条束缚住，对学生能力的培养是一个局限。

我们的实验过多的进行理论探讨，而国外这一教材主要也还是对现象的讨论多于理论的探讨，事实上在他们的实验中加入一项理性思维，看起来应该是我们国内的分层教学部分。

对于学习程度特别好的学生也给予了一定的自我思考空间。

6．实验中慎用或不用现代戏媒体技术。

以下是关于光电效应的模拟实验的设计，实验器材如图13所示。

PHYSICSLAB:

ModelingthePhotoelectricEffect

（物理实验：

模拟光电效应）

Theemissionofelectronsfromanobjectwhenelectromagneticradiationisincidentuponitisknownasthephotoelectriceffect.Electronsareejectedfromtheobjectonlywhenthefrequencyoftheradiationisgreaterthanacertainminimumvalue,calledthethresholdfrequency.Inthisinvestigationyouwillmodelthephotoelectriceffectusingsteelballs.Youwillexaminewhyonlycertaintypesofelectromagneticradiationresultintheemissionofphotoelectrons.（一个被电磁辐射照射的物体会发出电子，这就是光电效应。

仅当辐射频率大于某一最小值即极限频率时，物体才会发射出电子。

在本实验中，你将用钢球模拟光电效应，并理解为什么只有某种类型的电磁辐射才能导致光电子的发射。

）

QUESTION（问题）：

Howcansteelballsbeusedtomodelthephotoelectriceffect?

（怎样才能用钢球来模拟光电效应？

）

Objectives（目标）：

■Formulateamodeltoinvestigatethephotoelectriceffect.

（构建一个模型，用来研究光电效应）。

■Describehowtheenergyofaphotonisrelatedtoitsfrequency.

（描述光子的能量与它的频率之间的关系）。

■Usescientificexplanationstoexplainwhymacroscopicphenomenacannotexplainthe

quantumbehavioroftheatom.（说明为什么宏观现象不能解释原子的量子行为）。

SafetyPrecautions（安全警示）

■Keepisopropylalcoholawayfromopenflame.（保证酒精远离明火。

）

■Donotswallowisopropylalcohol.（绝不能喝酒精。

）

■Isopropylalcoholcandryoutskin.（酒精什使你的皮肤干燥。

）

Materials（器材）

steelballs（3）（3颗钢球）

groovedchannel（U-channelorshelfbracket）（滑槽（U形凹槽或槽形搁架））

books（书本若干）

red,orange,yellow,green,blue,andvioletmarkingpens（orcoloredstickers）

（红、橙、黄、绿、蓝色的记号笔或彩色的粘纸）

metricruler（米尺）

isopropylalcohol（酒精）

Procedure（实验步骤）

1.Shapethegroovedchannel,asshowninthephoto,anduseseveralbookstosupportthechannel,asshown.Makesurethebooksdonotblocktheendsofthechannel.

2.MarkacapitalletterRwitharedmarkingpenonthechannel4cmabovethetable,asshown.TheRrepresentsred.

3.MarkacapitalletterVwithavioletmarkingpenonthechannelatadistance14cmabovethetableasshown.TheVrepresentsviolet.Usetheothercoloredpenstoplacemarksforblue,B,green,G,yellow,Y,andorange,O,uniformlybetweenthemarksforRandV.

4.Placetwosteelballsatthelowestpointonthechannel.Thesesteelballsrepresenttheatom’svalenceelectrons.

5.HoldasteelballinplaceonthechannelattheRposition.Thissteelballrepresentsanincidentphotonofredlight.Notethattheredphotonhasthelowestenergyofthesixcolorsoflightbeingmodeled.

6.Releasethesteelball（photon）andseeifithasenoughenergytoremoveavalenceelectronfromtheatom;thatis,observeifeitherofthetwosteelballelectronsescapesfromthechannel.Recordyourobservationsinthedatatable.HorizonsCompanies

7.Removethesteelballthatrepresentstheincidentphotonfromthelowerpartofthechannel.replacethetwosteelballsusedtorepresentthevalenceelectronsatthelowestpointonthechannel.

8.Repeatsteps5–7foreachofthecolorsyoumarkedonthechannel.Besurealwaystostartwiththetwosteelballsatthelowestpointonthechannel.Notethatthevioletphotonhasthegreatestenergyofthesixcolorsoflightbeingmodeled.Recordyourobservationsinthedatatable.

9.Repeatsteps5–7,butreleasethesteelballslightlylowerthantheRposition.Recordyourobservationsinthedatatable.

10.Repeatsteps5–7,butreleasethesteelballrepresentingtheincidentphotonfromapointslightlyhigherthantheVposition.Recordyourobservationsinthedatatable.

11.Answerquestion1intheConcludeandApplysectionandthentestyourprediction.

12.Whenyouhavefinishedthelab,returnallmaterialstothelocationsspecifiedbyyourinstructor.Cleanofftheinkmarkingsonthechannelwithisopropylalcohol（orremovethecoloredstickersplacedonthechannel）.

ColororEnergyofPhoton（光子的颜色或能量）Observations（观察结果）

Red（红）

Orange（橙）

Yellow（黄）

Green（绿）

Blue（蓝）

Violet（紫）

Lessthanred（比红更低）

Greaterthanviolet（比紫更高）

Analyze（分析）

1.InterpretDataWhichcolor（s）ofphotonswasabletoremoveatleastoneelectroninyourmodel?

2.InterpretDataWereanyofthephotonsenergeticenoughtoremovemorethanoneelectron?

Ifso,identifythephoton’scolor.

3.UseModelsInstep9,whattypeofphotondoesthesteelballrepresent?

4.UseModelsInstep10,whattypeofphotondoesthesteelballrepresent?

5.ExplainShouldphotonsofvisiblelightbetheonlyphotonsconsideredwheninvestigatingthephotoelectriceffect?

Whyorwhynot?

6.SummarizeSummarizeyourobservationsintermsoftheenergiesofphotons.

ConcludeandApply（结论与应用）

1.InferWhatwouldhappeniftworedphotonshitthetwovalenceelectronsatthesametime?

Testyourprediction.

2.ThinkCriticallySomematerialsholdontotheirvalenceelectronsmoretightlythanothers.Howcouldthemodelbemodifiedtoshowthis?

3.DrawConclusionsInthismod