中美高中主流物理教材实验难度及探究水平的比较
时间：2023-06-12 13:45:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郭芳侠，何 琳，韩丽梅
(陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安 710119)
物理实验作为物理学习的重要载体，不仅能揭示实验事实与学生原有认知上的矛盾，还能有效激发学生的认知冲突，调动学生的积极性. 通过实验可以使学生的认知过程简化、纯化、反复再现，从而使学生获得具体明确的感性认知，为物理概念、规律的建构及应用奠定基础[1].教材作为师生进行教学活动的主要教学资料，其质量直接影响教学活动的效果.
教材内容的文本比较分析，通常分为横向比较[2-3]和纵向比较[4]. 中外高中物理教材比较研究中，中美教材对比视角居多，宏观研究包括中美课程标准、课程结构特征等分析，侧重于基于课程改革背景分析中美课程理念和教育目标[5-6]；
微观研究主要为知识点编排及处理、教材栏目设置、习题、物理学史、插图、难度等细致化的分析[7-9].关于中美物理教材实验难度的对比研究相对较少，主要有对中美等十国教材实验难度的研究[10]和部分单元实验的研究，例如光学实验设置[11]、能量守恒实验设计方案[12]、万有引力与航天实验编排插图[13]等. 此外，对中美实验栏目和环节差异也有所研究[14]. 梳理文献发现，研究人员对2004年版的中国教材高中《物理》(人民教育出版社)和2003年版美国教材《Physical: Principles and Problems》(The McGraw-Hill Press)研究校多，由于教材年代较为久远，研究比较分散，因此缺乏对实验全面系统的研究和对实验探究水平及技能表征的比较研究. 本文以中国2019年版高中教材《物理》(人民教育出版社)(简称“人教版”)和美国2013年版高中教材《Physical: Principles and Problems》(The McGraw-Hill Press)(简称“PPP”)中的实验为研究对象，从实验的内容、器材、难度、探究水平及探究技能等多方面进行系统、深层次地分析比较，既丰富、更新了高中物理教材实验内容的研究，又为完善国内教材编写理论和实践提供了参考[15].
1.1 实验难度计算模型
采用廖伯琴课题组的研究思路，即基于实验广度对教材实验内容难度进行静态文本分析[16]. 广度是指教材实验所涉及的范围，难度是指实验内容的难易程度. 其中，影响实验难度的4个因素为:实验原理、实验仪器、实验操作量和实验探究. 每个因素可划分为简单、中等和偏难，依次赋值为1，2，3. 由于4个因素对实验难度的影响程度不同，为确定各因素的影响程度，选取31位课程教学论专家及中学一线专家型教师对各个因素的影响权重进行了调查，并通过对偶分析法确定了各个因素的影响权重，结果如表1所示.
表1 各因素对实验难度的影响权重
依据模型对每个实验的实验原理、仪器、操作量、探究4个因素赋值，加权求和后得到数值的4倍即为每个实验的难度值，将所有实验的难度值相加即为教材实验的总难度值，将实验总难度值除以实验广度值，即可得到平均实验难度值.
1.2 探究水平及探究技能分析框架
探究水平是指学生在探究活动的探究环节中表现出的水平高低程度，与学生的参与程度有关. 本研究采用王世存等人[17]建构的实验类探究水平分析框架进行统计分析，结果如表2所示. 从缺失水平到自主性水平，学生的参与度不断提高，探究水平也逐渐提高.
表2 实验探究水平分析框架
探究技能是指学生在实验过程中具备的思维方式和操作技能[18]. 课程标准中对科学探究技能要素进行了明确表述，认为科学探究是基于观察实验，提出问题、形成猜想假设、设计实验方案、获取处理信息、基于证据得出结论并做出解释，以及对过程与结果进行交流、评估和反思的能力[19]. 根据物理学科核心素养可知探究技能由8种技能构成，这些技能按其复杂程度可划分为基础技能和综合技能，如表3所示.
表3 实验探究技能分析框架
为了保证文本分析的可信度，由2名熟悉研究框架和方法的课程教学论专业研究生进行独立分析统计，得到难度、探究水平和探究技能的相关性系数为0.960，0.880和0.850，说明分析结果的可信度较高. 随后，对分析结果有不同意见的文本进行交流讨论，最终达成一致.
2.1 实验内容
2.1.1 教材实验广度比较
人教版教材实验总广度(数量)为119个，PPP教材为87个，人教版教材的实验总广度大于PPP教材，2种教材的实验内容差异较大. 将教材实验按照力学、电磁学、光学、热学、近代物理5个模块进行分类，统计其广度及所占比例，结果如表4所示.
表4中数据显示：中美主流教材中的力学实验和电磁学实验均占据主要地位，其中在人教版教材中的占比约80%，在PPP教材中的占比约69%，占比差异最大的是近代物理模块，该模块在人教版教材中仅有1个实验，而在PPP教材中有9个.
表4 中美主流教材实验广度及所占比例
以实验目的为依据，除去实验目的相同的实验，统计中美主流教材中各自独有的实验内容，并计算其占该模块实验总量的百分比，结果如表5所示.
表5 中美主流教材独有实验数量及所占比例
表5数据显示：两国主流教材的独有实验内容差异非常大，人教版教材的光学模块占比最小，比例为50%；
PPP教材力学模块占比最小，比例为58.33%；
且教材中的热学和近代物理模块呈现的实验内容完全不同.
分析两国主流教材中的独有实验内容，发现知识点设置不同是导致差异较大的主要原因. 例如，力学模块中，人教版教材为了加深学生对天体运动的学习，设计了感受、探究向心力以及绘制椭圆实验. PPP教材则呈现了与刚体运动相关的力矩、转动、滚动特性实验. 同时，PPP教材还设计了功率、声音、测量分贝等实验，而这些内容是在中国初中教材中呈现.
2.1.2 教材实验环节设计比较
人教版教材实验并无明确的环节设计，在实验内容中一般不会以标题形式明确呈现实验环节. PPP教材实验有一些固定的环节设计，例如步骤、分析等. 除此之外，不同栏目的实验环节设计也各有不同. 在起步实验栏目中，设计了批判性思维环节，让学生将实验获得的结果进行反思扩展. 其中，物理实验栏目设计的环节最多，具体包括：问题、目标、实验步骤、分析、形成结论与应用、进一步探索和生活中的物理学.
值得一提的是PPP教材中的进一步探索环节，对学生提出了更高的要求，要求学生在掌握理解实验的基础上进一步发散思考，或者运用该实验方法解决新问题，即对实验进行拓展，例如“设计实验证明开普勒第三定律的正确性”.
2.1.3 教材实验类型比较
依据实验设置目的将实验划分为探究类、验证类和应用类实验. 不同的实验类型所侧重训练的能力不同，分类统计结果如表6所示.
表6 中美教材各模块实验类型分布统计
从整体角度分析，中美主流教材中，3类实验所占比例从高到低排序依次都是探究类、应用类和验证类，且各类型实验所占比例较接近. 其中，探究类实验占比均超过60%，表明中美两国都注重训练学生应用知识、设计实验、解决实际问题的能力，符合新时代对人才的培养要求.
从模块角度分析，中美主流教材在各模块中的实验数量和分布均不同. 其中,占比最高的是力学模块，超过了40%，占比第二的是电磁学模块，说明力学和电磁学在两国教材的地位与要求一致.
2.2 实验器材
将实验涉及到的器材分为实验室类和生活类. 对教材实验中使用的器材进行分类统计，并计算各模块中生活类(实验室类)器材在总的生活类(实验室类)器材中的比例，如表7所示.
表7 中美主流教材实验器材类别数量及比例
总体来看，PPP教材选用生活类器材的种类多于人教版. PPP教材善于从生活中取材，降低实验成本的同时，又能降低学生的认知负荷，特别是在微观和抽象内容较多的近代物理实验模块，其生活类器材占比可达11.63%. 运用日常生活用品，转换角度，能够帮助学生更好地理解抽象的模型内容，这种处理方法值得我国物理教材借鉴.
数字化实验是指利用传感器、数据采集器等数字化器材收集实验数据，并借助计算机分析得出实验结论的现代化实验. 人教版教材中的数字化实验有8个(力学4个、电磁学2个、热学和光学各1个)，而PPP教材没有呈现数字化实验，因此PPP教材实验在数字化设计上略微逊色于人教版，另一方面也折射出PPP教材的实验编写理念与人教版不同.
2.3 实验难度
在表4实验广度的统计基础上，计算每个知识点的平均实验数量. 同时根据实验难度模型，对中美主流教材实验难度的4个影响因素进行分析、提取并赋值，计算总实验难度及平均实验难度，结果如表8所示.
表8 中美主流教材的实验难度
表8数据显示：人教版教材知识点广度低于PPP教材[20]，但平均实验个数高于PPP教材，说明人教版教材善于利用实验呈现物理知识，或善于通过实验帮助学生探究规律、理解内容；
在实验难度上，PPP教材实验的总难度小于人教版教材，但是平均实验难度高于人教版教材. 为探究出现该情况的具体原因，对影响实验难度的4个因素进行了分析，得到了各个因素对应的难度值，如表9所示.
表9 中美主流教材实验4个影响因素对应的难度值
表9数据显示：中美主流教材中对实验总难度贡献最大的因素均为实验原理，其次为操作量、探究和仪器. 结合难度模型的水平划分，人教版教材中的实验原理、仪器、操作量均为中等水平，探究为简单水平；
PPP教材中除了仪器位于简单水平，操作量位于偏多水平外，其他2个因素的水平与人教版教材相同. 表明中美主流教材实验的探究多为定性或简单的定量探究.
以模块为单位，进一步分析中美主流教材各模块中实验的总难度和平均实验难度，结果如表10所示.
表10 中美主流教材各模块实验难度和平均实验难度
1)实验总难度方面，除光学、近代物理模块外，其余模块均为人教版教材实验难度高于PPP教材. 人教版教材实验总难度从高到低依次为力学、电磁学、热学、光学、近代物理，PPP教材实验总难度从高到低依次为力学、电磁学、光学、近代物理、热学. 在近代物理模块中，PPP教材实验总难度是人教版教材的10倍左右.
2)平均实验难度方面，人教版教材热学最高、力学最低；
PPP教材光学最高、热学最低. 经对比分析可知，PPP教材中热学模块的平均实验难度稍低于人教版教材，其余均高于人教版教材. 其中,差异最大的为光学模块，分析该模块下各难度影响因素的平均水平可知:人教版与PPP教材实验在仪器、操作量上的平均水平相同，即仪器处于中等水平，操作量处于偏多水平；
在实验原理方面，PPP教材实验处于偏难水平，而人教版教材处于中等水平；
在探究因素上，PPP教材实验处于中等水平，人教版教材处于简单水平，差异主要是由实验原理和探究2个因素的难度不同所导致的.
2.4 实验探究水平
2.4.1 实验探究水平表征比较
依据探究水平划分标准，分析并统计中美教材实验各环节的探究水平，并计算各环节不同探究水平在总实验中的占比，结果分别如表11和表12所示.
表11 人教版教材实验探究水平的表征频次和占比
表12 PPP教材实验探究水平的表征频次和占比
表11数据显示：人教版教材除反思交流环节集中于缺失水平外，其余环节多集中于控制性水平. 说明学生的主体性在实验设计中体现的还不够充分，因此仍需适当增加学生基于问题的自主探究机会. 另外，方案实施环节的探究水平最高，31.09%的实验处于自主性水平；
结论形成环节次之；
反思交流环节的探究水平最低，90.76%的实验处于缺失水平. 以上结果表明:人教版教材注重发展学生的实验操作能力和形成科学结论的能力，对学生的反思交流能力关注度较低.
表12数据显示：PPP教材整体探究环节呈现较好，只有3个环节存在部分缺失. 其中，方案实施和结论形成环节均处于高探究水平，表明PPP教材实验设计侧重于实验操作和对实验现象的分析，注重学生的动手能力和物理分析思维；
目的确定和方案设计处于低探究水平；
反思交流环节虽有59.77%处于缺失水平，但在引导性水平上的分布较高，比例为40.23%. 教材中大多以“进一步探索”和“生活中的物理”等小标题呈现，以反思性问题引导学生深入思考，以培养学生的批判性思维和解决实际问题的能力.
2.4.2 教材实验各环节探究水平的差异
依据表11和表12的统计数据，将中美主流教材实验各环节探究水平占比进行相减，从而确定两国主流教材实验探究水平的差异，结果如表13所示.
表13 中美主流教材实验各环节探究水平占比的差异统计
依据表13数据分析可知，人教版教材在方案实施、结论形成和反思交流环节中，低探究水平的比例要高于PPP教材，而PPP教材在目的确定和方案设计环节中，高探究水平的比例要高于人教版教材. 由此可以得出结论，中美主流教材实验各环节探究水平的差异存在不均衡性. 进一步对中美主流教材在各环节中的探究水平差异进行卡方检验，结果表明：在目的确定环节,人教版教材探究水平明显高于PPP教材；
在方案实施、结论形成和反思交流环节，PPP教材探究水平要明显高于人教版教材；
在方案设计环节，两国主流教材的差异较小.
2.5 实验探究技能
根据探究技能分析框架，对中美主流教材实验中所呈现的探究技能进行分析统计，并计算占总实验数量的比例，结果如图1所示.
图1 中美主流教材实验探究技能所占比例统计
1)基础技能表征(C1～C4). 中美主流教材在基础实验技能表征上不均衡，相对而言PPP教材表现稍好. 人教版教材中，观察技能(C2)所占比例最大，测量技能(C1)次之，推断与预测(C3)呈现比例最低，极差约60%. PPP教材中，观察(C2)和测量技能(C1)比例相当，且超过一半的实验都有表征，极差约30%. 总体来看，中美主流教材的基础探究技能呈现均以观察(C2)和测量(C1)为主，推断与预测(C3)、处理数据(C4)技能呈现较少.
2)综合技能表征(I1～I4). 中美主流教材在综合技能表征上同样不均衡，相对而言人教版教材表现稍好. 人教版教材中，分析解释技能(I3)在4个综合技能中占比最多，为54.62%，这说明人教版教材重视学生的逻辑推理能力；
表征最少的为交流质疑技能(I4)，仅为4.20%. PPP教材中，综合技能表征有明显侧重，即分析解释技能(I3)占比高达90.80%，大多数实验都会呈现“分析”小标题，引导学生获得实验结论；
在制定实验(I2)、识别与控制变量(I1)技能方面表征较少. 因此，中美两国的主流教材实验在综合技能表征上均重视分析解释技能(I3). 从整体实验技能角度分析，中美主流教材实验表征较多的前3个技能[分析解释技能(I3)、观察技能(C2)和测量(C1)]相同，但PPP教材更偏重分析解释技能(I3)，人教版教材更偏重观察技能(C2)，较少关注交流质疑技能(I4). 两国主流教材实验表征差异最大的为分析解释技能(I3)，差异最小的为处理数据技能(C4).
1)优化实验设计，创新实验内容. 在实验设计上，增设与生活联系紧密的实验内容，提升学生实验研究的热情与学习兴趣. 尤其在近代物理模块中，可利用简单易接触的仪器，增加模拟实验，以加强学生对于微观粒子模型的理解与掌握；
在实验难度上，适当弱化部分模块的实验难度，尤其是热学模块.
2)提高探究水平，均衡技能表征. NCTM(Na-tional council of teachers of mathematics)认为学生学习的机会并不是简单的将学生放入到小组中，而是学生投入的思维水平和种类决定他们将会学到什么[21]. 因此，教材中不同水平的活动任务会带给学生不同的思维机会，这些思维将会潜在地影响学生的学习. 人教版教材要完善实验探究环节，提高实验探究水平，且探究水平应遵循从控制性水平到自主性水平过渡呈现的趋势，从而符合学生的思维发展特点. 同时，对于技能不均衡性，教材实验应尽量关注各种探究技能的全面呈现，尤其是综合技能中的制定实验技能和交流质疑技能的表征.
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