中美高中物理实验比较研究

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　　摘 要：本文选择中美两国高中物理教学用书，以其中关于光的双缝干涉实验为例，从知识铺垫与实验模块两个维度进行对比分析。我国教材虽存在知识铺垫完整等独到性优势，但其实验模块不夠全面等不足之处是不可以忽视的。基于以上分析对我国教材实验设置提出合理化建议。
　　关键词：中美教材对比 双缝干涉实验 知识铺垫 实验模块
　　双缝干涉实验是科学史上一个著名实验，经典的光学双缝干涉实验巧妙地运用了光的相干性，决定性地证明了光的波动理论。本文以双缝干涉相关实验为例，从知识铺垫、实验模块这两个维度与美国高中物理教材（《Physics：Physics and Problems》系列教材，以下简称“美国教材”）之中实验设置进行比较分析，总结我国教材的优势与不足，提出实验课程部分教材改进的合理化建议。
　　一、教材之中实验内容
　　（一）我国教材实验内容
　　在我国教材中，“用双缝干涉测量光的波长”实验选自高中物理选择性必修一第四章《光》之中，通过光的折射、全反射逐步深入至光的干涉。在第三节中设置“演示”环节，演示光的双缝干涉效应，给学生以直观呈现。随后对该现象进行直接解释，指出由两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加，发生干涉现象。通过分析得出呈现明暗条纹的原因，并在其中介绍英国物理学家托马斯·杨的实验成就，帮助学生了解物理概念与理论的发展过程。随后创设情境，采用数学模型建构的方式引导学生得到干涉条纹和光的波长之间的关系，并指明该关系可在后续应用中帮助测量波长。
　　实验重点主要放置在第四节。因其前铺设的知识基础，故将实验设置为测定性实验。开篇指导语中指出实验目的：利用双缝干涉实验中干涉条纹的间距和光的波长之间的关系测量光的波长。随后划分四个模块：实验思路、物理量的测量、进行实验和数据分析。通过实验思路大致描述实验的进行过程，为学生在头脑中构建实验模型。随后明确需要测得的物理量 等，并在测量过程给出减小误差的典型方法。进行实验过程设置不同色光与不同缝宽，运用控制变量法分别改变滤光片的颜色和双缝的距离，观察干涉条纹的变化。继而使用测得数据计算出相应的波长。设置“拓展学习”环节提出用光传感器进行双缝干涉的实验，密切联系先进的科技手段。并在课后设置三道相关的练习题，在对实验过程进行巩固与运用的基础上对前期学到的测量知识进行复习与应用。
　　（二）美国教材实验内容
　　在美国教材中，“光的双缝干涉”实验则设置于第十九章干涉与衍射之中。第一节介绍干涉的相关知识，同样提及英国物理学家托马斯·杨的实验成就。随后简述关于光的波长测定的知识，依靠数学模型的建立给出可能的求解方式。设置“例题”及“练一练”进行波长的相关求解。
　　实验重点设置在章末实验之中，此处设置为设计性实验，引导学生开创思维，设计实验，通过分析光的双缝干涉图样来测量光波波长。实验下设目标、安全警示、实验器材、实验步骤、分析、结论与应用、进一步探索、生活中的物理学等共八个模块。实验伊始指出其目标为对干涉图样的观测和对光波波长的计算。在实验步骤中逐步引导，从示意图绘制到实验装置测量再到实验数据测定，教师仅起检查与监督作用，尊重学生的主体地位。分析过程强调实验值与公认值进行误差测算。结论之中提出改变缝间距与改变光色的可能影响，提升学生的思维能力，激发其探索精神。最后深入实验，引导同学进行进一步探索，并且联系生活实际，联想生活中的实验现象。
　　二、实验内容对比
　　中美两国教材在该实验的知识铺垫部分大致相同。我国教材从几类光学现象入手，复习巩固与探求新知结合，逐步深入，引出光的干涉现象。创设情境，采用数学模型建立的方式引导学生得到最终计算光波波长的公式，知识结构较为完整。美国教材则由“霓虹实验”入手，引入干涉现象。同样采用建立数学模型的方式推导测定光波波长的相关公式。
　　因知识安排结构的不同，我国将本实验设置为测定性实验，即为上一节所得公式的运用与延伸。会造成实验过程单一，影响学生发散思维的形成。而美国教材则将其设置为探究性实验，明确学生的主体地位，教师的导向作用。就实验模块设置部分，我国教材缺少“安全警示”“生活中的物理学”等类模块，在实验过程未能给学生提供适当的安全指导。且实验操作环节未能明确划分行动指标，并未提出“估计”“推断”等区分性明显的行为动词。在数据分析模块，我国教材仅提出减小误差的典型性实验方法即通过测量多个亮条纹间的距离，再求出相邻两个条纹间的距离。双缝干涉实验常存在实验现象观而不清、测量仪器读数正确率低等明显问题。因此该部分的误差分析尤为重要。但我国教材并未涉及科学精确的误差分析。
　　三、建议
　　（一）复习与探求结合，知识铺垫逐步深入
　　在该实验中，我国教材知识体系较为完整，可以为学生提供较为全面的知识结构。但其入手角度不够新颖，建议以鲜明的实验现象入手，继而逐步推进知识深度。实验部分侧重于公式的复习与使用，关于探究的部分较少，对学生的引导作用较弱。建议增加关于探究的部分，可多设置导向性问题，如：“还可以用什么方式减小实验误差？”。
　　（二）行动与指标结合，实验模块系统全面
　　在实验模块划分之中建议增加关于“安全指示”内容以维护实验安全，建议增加“误差分析”的详细内容，以培养学生在实验操作过程中科学严谨的实验态度，建议增加“生活应用”部分以达到实验过程密切联系生活实际的效果。在描述实验目的、过程、结果等模块时建议将行为与指标联系，使用明确的行为动词，帮助学生区分知识习得的程度。
　　结语
　　通过对比分析双缝干涉实验在两国教材中的设置可以发现我国教材虽存在知识铺垫完整等独特性优势，但其不足之处是不可以忽视的。建议在后续改进过程中继续丰富实验模块，合理运用行动指标，注意学生发散思维的培养与创造。在联系社会生活的基础上创设问题情境，从而开阔学生视野，让学生领略物理学知识在实际生活中独到的运用价值。
　　参考文献
　　[1]保罗·齐泽维茨.物理原理与问题[M].钱振华，沈珊雄，徐在新译.杭州：浙江教育出版社，2008.8.
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