中美基础物理实验教科书的对比与启示

本文作者之一：马世红

本文发表在《物理与工程》2017年第3期，作者为荆楚理工学院数理学院的熊泽本和复旦大学物理学系的马世红。

基础物理实验是其他专业实验和科学研究的基础，是培养学生科学素养可持续发展的重要手段和核心课程之一。教科书作为实施教学内容的文字载体和学生最主要的文本参考资料，其在物理实验教学中的重要作用和地位毋庸置疑，它是联接从课程教学基本要求、教学目标、教学任务到基层具体教学实践的桥梁和纽带。

1　中美教材基本情况

为了促进实验教学全面改革与发展，提高实验教学质量，随着国家级、省级物理实验教学示范中心建设的全面开展，作为示范中心建设目标之一的实验教材建设也取得了丰硕的成果，一批体现实验教学改革成果、涵盖新技术、新方法，各具特色而自成体系的基础物理实验教材陆续出版，本文选择的中国教材样本是由北京大学吕斯骅、段家忯、张朝晖主编的《新编基础物理实验（2版）》和复旦大学沈元华、陆申龙主编的《基础物理实验》^[1,2]，前者是高等学校物理实验教学示范中心系列教材，“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材；后者是“十五”国家级规划教材和“面向21世纪课程教材”。教材由身处物理实验教学一线多年，具有丰富教学经验和科研背景的国家级物理实验教学示范中心的教师集体编写的，教材体现了两所学校物理教学示范中心多年实验教学改革的集体智慧，融合进了近十几年教学改革的最新成果，渗透了物理学部分前沿专题和最新研究成果，充满了时代气息。

美国高等教育是一个发达的、全球领先的、多层次的人才培养体系。哈佛大学是全美乃至全球综合实力名列前茅的顶尖高校，是美国最早的4所“常春藤盟校”（Ivy League）之一。与美国大部分高校一样，哈佛大学和俄亥俄州立大学都没有正式出版的基础物理实验教材^[3-5] ，他们基本上采用自编的实验讲义，称为“Worksheets”或“Lab manuals”，实验讲义由参与实验教学的教授和指导教师编写完成，讲义根据需要每年不断地进行修改、补充。每学期开学初，由实验室打印好相应实验项目指导书，装订成册后供学生购买使用。本文选择的哈佛大学和俄亥俄州立大学“基础物理实验教材”正是通过收集整理他们多年沿用至今的较为完整的实验讲义，整理后，等同为美国版“基础物理实验教科书”文本（以下叙述中，仍称为“教科书”）^[6,7] 。

2　教材基本内容及结构编排

2.1　教材基本内容

《新编基础物理实验（2版）》是北京大学基础物理实验中心多年教学改革成果之一，体现了该校“加强基础、循序渐进、因材施教、全面提高”的改革思路，实验教学内容融入了近代物理部分内容和现代实验技术以及部分科研成果，构建了“强基础、高起点、多层次、综合性和研究性”的全新课程体系^[1] 。教材分成“预科实验”“基础实验—Ⅰ”“基础实验—Ⅱ”3个部分。第一部分6个“预科实验”，主要是基础物理实验中涉及力学、热学、电学、光学基本仪器的使用、基本测量方法的介绍；第二部分“基础实验—Ⅰ”共计16个实验，主要包含常用实验仪器，常用物理实验方法，常用实验操作技术和物理学基本概念等内容；第三部分“基础实验—Ⅱ”有18个实验，包含最新科技成果、实验技术和部分广泛应用的近代物理实验。全书突出“基础”二字，不仅在全书实验内容的分布上体现层次化，而且在具体每一个实验的设计上也有不同要求：有说明步骤和方法的基础性内容，也有需要自己搭建实验平台、自拟实验步骤的设计性内容。在实验教学目标、实验教学内容的拟定上充分体现了阶段性和灵活性，展现了“因材施教”的基本原则，体现了《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》的文件精神^[8] 。

复旦大学基础物理实验除了包含力学、热学、电磁学、光学部分非常经典而又重要的、普及性很广的实验，还包括6个广泛应用的近代物理实验，如X光技术、CT实验、核磁共振等。并且教材还加入了16个趣味性很强的与日常生活紧密关联的定性与半定量实验。如“硬币起飞”“碰撞打靶”“激光监听”等。每个实验项目的要求不尽相同，一般包含“必做部分”和“选做部分”“必做部分”有比较详细的实验步骤与测量方法介绍；而“选做部分”则只提出实验目标，需要自己搭建测量平台，自己拟定实验方法和实验步骤。

哈佛大学面向物理类学生开设的基础物理实验课程称为Physics 15A(力、热)、Physics 15B（电、磁）Physics 15C（光学、波动）。其基础物理指导书中每个实验一般包含“Objective”“Introduction”“Procedure”“Method”“Background”“References” 6个部分。该校基础物理实验指导书有鲜明的个性特点：如不同的实验其步骤设计不尽相同，有的有较详实的步骤，有的是以多个问题设疑的方式代替步骤；实验项目取材广泛，实验设计构思巧妙；教材提供资源丰富，知识和内容呈现立体化，匹配大量参考文献；采用彩色配图，图表众多且形象生动，版面设计轻松活泼。

俄亥俄州立大学基础物理实验课程分两个学期开设，实验项目内容涵盖基础物理学中常见的物理实验。如“Conservation of Energy”“Magnetic Induction”“Light Interference”等。指导书中每个实验一般包含“Material”“Note”“Activity”“Graded Activity”“Analysis”5个部分。该教材的突出特点是：实验步骤“问题化”，即在“Activity”部分较多釆用引导性的提问来引领读者围绕课题进行发散性的、探索性的、有一定自主性的实验研究。在一些容易出错或较难的探究中给予一些提示，时刻提醒学生把自己的数据与观察到的现象等与他人讨论、分享、对比。教材特别重视实验预习，在指导书中设立了“Group Work”，针对每个实验的原理、实验方法、数据处理等内容，设置了8~10个预习问题或讨论内容，学生通过查找资料，自主学习物理概念、实验原理、了解测量方法，初步计划实验步骤等。通过实验问题的设置使学生带着疑问和目标去预习，使预习更有目的性、方向性和针对性，提高了实验预习效果（如图1所示）。

图1　“1-D Kinematics”实验预习^[7] 

为了全面比较各校教科书在实验项目设置以及图表运用、思考题匹配和参考资料的使用方面的差异，列表对比如表1和表2所示。

2.2　教材基本内容对比

通过分析表1可知：从实验项目的设置上看中国和美国两套教科书在热学、电磁学、光学部分内容的实验数量所占比例各自基本保持一致，教科书都不约而同地用一个实验介绍误差理论和数据处理在基础物理学中的应用，并且在后续实验中强调数据处理和误差理论的应用，简单，适用。软件应用方面：哈佛大学实验指导书用两个实验介绍了Matlab的数据处理、作图、模拟仿真、矩阵、微分方程求解等功能。北京大学基础物理实验教科书则用一个实验介绍了Lab VIEW虚拟仿真、数据采集、处理、作图等功能。俄亥俄州立大学和复旦大学则介绍了LoggerPro在实验中的应用。值得强调的是：在知识内容的选取范围上，北京大学和复旦大学基础物理实验教科书实验内容覆盖范围更广，在力、热、声、电、磁、光学和近代物理中都有涉及，而哈佛大学和俄亥俄州立大学实验项目内容集中在力、热、电磁和光学4门学科。北京大学基础物理实验教科书选用了体现现代实验技术和最新研究成果的10个近代物理实验，复旦大学选择了6个“普物化”^[2]的近代物理实验；而哈佛大学则没有采用近代物理实验内容，而是设置了19个“Short Project”实验供学生选择，如Eigenmodes of a Violin Body、Make a DPSS Laser、Sound “holography”等，其难度比我国基础物理实验中综合、设计性实验难度要大。（哈佛大学2016年春季学期“Short Project”实验项目见附录）。

表1　教科书实验项目统计      （个数、占比）

注: 合计项为实验项目总数。

从表2可以看出：中美两国基础物理实验教科书都非常重视图表的使用，但是对思考题和参考文献的数量的配置则有明显差别，美国两套基础物理实验指导书中关于问题的设疑目的、数量、方式与国内教材明显不同。中国两套教科书中问题的设置往往放在每个实验末尾，其目的是突出实验的难点、重点内容，或者是引发读者进一步的思考与探索。美国教科书中问题的设置贯穿每一个实验的始终，设置疑问的目的是教科书开放式实验步骤的突出体现，教科书中用设置一个接一个的问题来代替实验步骤的文字描述，通过一系列的问题来引导读者进行有目的的实验探索与研究。

表2　教科书中图表、思考题、参考文献的使用情况

注: 平均值项为图表、思考题、参考文献均分到每个实验项目的平均值。

3　中美教材各自的特色

通过以上分析，可以得到中国（北京大学和复旦大学）基础物理实验教科书主要特点是：

(1) 层次化的实验教学内容体系。

(2) 教学内容覆盖面非常广泛。既有基础、典型实验，又有提高、现代科技内容实验。

(3) 因材施教原则，每个实验项目有2~3项扩展实验内容，以适应不同层次，不同需求的学生。

(4) 开放的实验教学内容。有固定步骤部分，也有自主设计实验部分。

(5) 基础物理实验阶段嵌入一些应用广泛、日常生活中常见的近代物理实验内容。

(6) 复旦大学《基础物理实验教材》设置了16个趣味性很强的定性与半定量实验。

(7) 每个实验系列提供一定数量的参考文献。

(8) 教材体现一定深度和广度。提供部分含物理学前沿专题和最新科技发展概况的参考资料。

美国（哈佛大学和俄亥俄州立大学）基础物理实验教科书基本特点是：

(1) 大部分实验相对比较简单，但是实验内容来自生活，构思巧妙，实验项目的选择注意趣味性，注意提高学生学习动力。

(2) 用设置问题的方式来代替部分实验步骤的文字说明，开放化的实验教学体系。

(3) 彩色绘图、图表丰富、形象生动。如图2、图3。

图2　Responses to Time Dependent Voltages ^[6]

图3　Resistor Color Code ^[6]

(4) 哈佛大学教科书设置了“Home Work”实验，鼓励学生在课余时间完成实验。

(5) 大量补充、延伸与实验内容相关的物理学前沿专题、相关领域研究最新进展的阅读材料。

(6) 计算机采集实验数据、计算机控制与应用在实验中非常普遍。

(7) 哈佛大学教科书在普通物理实验中开设“Short Project”实验。

(8) 俄亥俄州立大学教材中实验原理的开放和实验预习问题的设置。

(9) 教科书强调学生注意实验过程中的交流、表达，注意学生行为习惯的培养和情感态度的升华。

4　中美教材差异分析

中美两套教科书在教学的设计理念与实践、实验项目取材和环境设置、以解决问题为手段的思维探究方式和以培养能力为主的学习观等方面体现出各自不同的鲜明特色。具体对比分析如下：

4.1　指导教科书建设的纲领性文件的差异

教育部教指委组织编写的《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》(简称《要求》)是基础物理实验课程建设和教科书建设的指导性文件。教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会2010年最新修订的《要求》中关于物理实验教学基本任务可分为“能力任务”和“情感任务”“能力任务”包括掌握实验技能、实验思想和实验方法，培养科学思维和创新能力；“情感任务”包括培养科学作风、探索精神、团结合作意识与爱护财产等。教科书在安排相关实验实现这些培养目标的时候是一种潜移默化的形成过程，“润物于无声处”，课程教学目标隐含在一个精心设计的实验项目系列里面，是一种“隐性”的能力培养和情感的构建。

在美国，指导本科物理实验教学和教科书建设的是由AAPT(American Association of Physics Teachers)下的“The Laboratory Goals Subcommittee”制定的“AAPT Recommendations for the Undergraduate Physics Laboratory Curriculum”^[9]。该文件中明确提出本科物理实验教学目标是：“Constructing knowledge”“Modeling”“Designing Experiments”“Developing technical and practical laboratory skills”“Analyzing and visualizing data”“Communicating Physics”。因此，建模精神，设计实验能力、运用知识解决实际问题的思想贯穿美国物理实验教材的始终，实验项目的设计与编排突出课程建设目标，是一种“显性”的外露。

4.2　东西方认知思维方式的差异

多数学者认为：西方人的思维方式是逻辑思维或者分析思维，东方人特别是中国人的思维方式是辩证思维^[10-12]。逻辑思维喜欢从一个整体中把事物分离出来，对事物的本质特性进行逻辑分析；而辩证思维追求折衷与和谐，认为任何事物都存在着适度的合理性。因此逻辑思维往往重视过程，而辩证思维为追求合理性往往更注重结果。这种思维惯性也体现在科学探究过程中，物理实验过程就是发生在实验室里的科学探究过程，科学探究都是从问题开始的^[13]。科学探究过程就是提出问题、研究问题、解决问题的过程。

中国教科书中基础物理实验探究一般不重视建模过程，其实验探究的研究步骤是“提出问题—测量方法研究—测量步骤—数据分析—结果反思”。提出的研究对象往往是一个近似理想的物理模型，在研究过程中虽然也会考虑其他影响因子，但是在从观察现象到物理模型的确定中间缺少了建模环节。在探究过程中更注重探究方法和知识的掌握和运用，实验过程一般会强调实验装置的准确性，测量的合理性，关注实验过程中的探究能力，而往往忽视了从现象到问题再到建模过程的初始阶段的探究能力的培养。美国两套基础物理实验教科书中部分实验探究的一般过程是“物理现象—提出问题—假设猜想—建立模型—设计步骤—数据测量—分析、反思”，实验往往从身边现象开始，然后从中提炼和归纳出各种典型的物理模型，建模之后再猜想其影响要素，在提供实际条件的前提下，通过步骤赋予模型真实的数据，最后进行结果的评估。在实验过程中不断有问题提出，怀疑精神、创新精神贯穿始终。这种探究过程包含了认知过程的全部，特别是科学建模。

4.3　实验探究过程中体现学习观的不同

从表2可以看出，美国两所大学物理实验教科书中问题的个数和使用频率远大于中国两套教材，且美国两个实验教科书样本将问题贯穿于整个实验过程中，通过设置体现研究过程的目的性的问题引导学生分析思考。“遇到问题不是找资料，而是做个实验一探究竟”，^[14]通过实验提出问题，在实验过程中学会用已掌握的知识和经验来解决问题，强调研究过程。这是一种强调能力培养的学习观。

而中国两个物理实验教科书样本中问题主要以思考题的形式设置，在实验过程中很少设置问题，大多是叙述性的语言描述实验的内容及过程。在文字表述中表现为概念叙述严谨，语言精练。在实验探究过程中往往突出知识的运用，在经历实验探索过程中学习新的知识与方法。这是一种以知识学习为中心的学习观^[15]。

4.4　教材开放形式有差异

创新能力的培养是基础物理实验能力培养目标之一^[8]，按照布鲁姆的教育目标分类方法^[16]，创新处于学习目标的最顶端，其目标是为了完成某一任务，在基于一定准则的前提下提出相应假设，利用已知要素组成功能性的模型或结构整体。在物理实验中，为了达到实验目标和任务，运用已掌握的知识和经验，自主搭建实验平台，自拟实验步骤来实现实验目标的过程就是创新性的学习过程。在基础物理实验阶段，实现创新性学习的手段就是设置开放性的实验体系。中美两国各自两套教科书都很重视实验的开放性，也即实验步骤留有一定“空白”，一些实验需要学生自己拟定步骤，留出一定空间让学生施展发散性思维，进行开创性、富于想象力的拓展^[17]。但是中美各自两套教材的开放形式不一样，哈佛大学基础物理实验教科书中往往用一个接一个的问题来代替实验步骤的文字表述，如“你认为……，为什么？”，“会怎样？”“会不会……？证明你的观点”“解决这些问题，展示你的工作”。这种开放形式是利用一个个提示问题来引领学生，让学生在问题的引导下进行自主探索、设计、推演。如“Falling-chain”“Chaos”“Air Drag and Fitting”等实验。

北京大学和复旦大学基础物理实验教科书中开放实验的设计方法是：“自己设计一个……的方案并实施它，画出简要的原理框图，并简要说明之，将结果与……方法测得结果进行比较”。如透镜焦距测量实验中，在介绍完用物像法、位移法测量透镜焦距步骤以后，要求读者用自准直法测量同一透镜焦距，并与两种方法进行比对。这种开放形式是以原有内容和方法为基础，给出测量目标和框架，让学生搭建平台，自主设定步骤和方法的实施过程。

4.5　教材深度、广度差异

中美两国两套教科书在教材立体化建设上面体现差异。北京大学和复旦大学基础物理实验每个实验末尾会提供一定量的参考文献，这些参考资料与教材自身属性近似，更多是为了服务实验自身的概念说明，佐证提出观点的正确性而设置。而美国两所大学基础物理教科书为读者提供了大量扩充的、引申的书籍、电子文献、网页链接等，这些参考文献大多是与实验内容相关联的最新科技成果、相关专业前沿进展情况的科技报道等。这些资料给读者提供了一个开阔的、发展的物理学研究空间，开拓了视野。

4.6　实验环境设置差异

哈佛大学一些实验设计体现了“原始物理实验”的思想^[18]，如“Eigenmodes of a Violin Body”“Sound of water drop”等。这些实验试图从真实的物理情景出发，经过建模后提升到相应的物理模型，保留了从“现象—问题—模型—原理”的一个完整的科学探究过程。中国两所大学物理实验教科书中大部分的探究内容都是过滤掉其他干扰因素和影响后的精心设计的理想环境开始，这种设计的优点在于学生能更好更快地理清事物主要矛盾，抓住物理本质，更快更有效地学习物理知识和实验方法。但是当面对相对复杂的环境时，在较多外部干扰元素的影响下，学生有时候会不知所措，不能创造性地开展实验探究。

4.7　实验项目取材差异

哈佛大学和俄亥俄州立大学一些实验项目的实验器材生活化，如纸张、硬币、普通直尺等，力求从身边的学习、生活、娱乐中挖掘实验素材，实验项目生活化，但是构思巧妙。这些实验会让学生体会到试探、抽象化处理，定性分析与定量计算相结合的物理思想。如“The Op-amp: Applying It to Build a Radio”“Measuring the Wavelength of Light with a Ruler”等实验。北京大学和复旦大学教科书中大多都是理想环境中的实验，这些实验没有抽象化、近似化处理，没有定性分析等物理思想。这些基础物理实验中基础的、重要的、经典的实验的开设对实验操作技能的培训，实验方法的掌握、物理概念的理解和描述有良好的催化和促进作用。

4.8　排版、印刷风格差异

哈佛大学实验教科书中匹配了大量彩色照片和插图，有实物图、原理图、仪器结构图、写意的情境图，甚至有夸张的漫画配图。印刷中有些文字为了提醒读者注意，采用与周围其他文字不一样的字体排版，用其他颜色配色。这样使得排版风格活泼、跳跃，生活化的图片使人感到真实自然、有亲切感。如图4所示。中国两所大学的实验教科书样本中配图是黑白色，图片一般是原理、结构简图。表现严谨，风格比较严肃。如图5所示。

图4　Mach-Zender Interferometer Overview ^[6]

图5　迈克耳孙干涉仪实验原理图^[1]

5　总结和启示

通过以上中美两套教科书的对比，得到如下启示：

(1) 针对不同的实验项目设计不同的开放形式：可以是实验原理的开放，让学生自己去查找相关资料，自主学习研究目标；可以是实验步骤的开放，把部分实验步骤空出来，让学生自己搭建实验平台，主动拟定相关步骤；也可是实验方法的开放，在明确研究对象后，让学生用不同的方法去实现研究目的。让研究者在一个开放的、多样化的环境中体验实验探索所带来的乐趣，让研究者在基础物理实验阶段也能逐步提高发散思维能力，进行有创造性的实验探索。

(2) 增设与生活、娱乐联系紧密的实验内容，提高教科书实验项目设计水平。让实验室研究最大限度地触摸生活实际，提升研究者的探究热情与兴趣。

(3) 实验研究过程注意建模环节的设置。通过设置一些合适的实验项目，把研究对象还原到最初的原始环境当中，让研究者亲历生活现象、物理问题、建立模型、设计实验、实验操作、数据记录处理、结论反思这样一个完整的研究过程。

(4) 提高教科书立体化建设。在信息化、大数据时代，海量的纸质、电子、网络化资源为我们提供了多样化的选择。进一步提升实验教材的深度和广度，将有利于拓展实验研究空间，开拓视野。

(5) 改变教科书排版、印刷风格，增设多样化、多彩化实验配图。准确、生动的插图的教学效果往往胜过长篇大论的文字叙述^[13]。图形、表格最能直观、形象地描述物理现象，表征物理原理，展示实验仪器。与文字相比，它能更加生动、形象地展现物理学在解释灵活多变的现实世界和精彩纷呈的物理现象中所起的巨大作用。图文并茂、丰富多彩的版面设计使得教科书活泼、轻松、幽默，能增强读者的好奇心，提高求知欲，使科学研究体现生活情趣，使学生感到亲切，有助于科学情感的培养。

基础物理实验课程的基本任务是培养实验技能，传授实验方法，提高实验素养，更重要的是要培养科学思维能力、研究能力和创新能力。实验教科书是承载这些任务的媒介，希望持续不断的实验教学改革能促进更多特点鲜明、风格多样、体系完整的新教材的出现，为培养创新人才做出更大贡献。

致谢： 感谢美国俄亥俄州立大学（OSU）物理学系包雷教授给予的帮助，以及相互间的交流与合作。

附录： 哈佛大学2016年春季学期“Project”实验项目

Lorentz Invariance (Michelson interferometer)\Sagnac Interferometer\Optical Tweezer Quantum Eraser\Quantum Bouncing Droplets\Eigenmodes of a Violin Body\Bowing a String Instrument

Ripple tank\Color Holography\Faraday instability\Rubens Tube\Optical Tweezer\

Holographic Optical Tweezer\Sound of water drop\Make a DPSS Laser\Sound “holography”

Self-oscillation\Vortex shedding\Sound synthesis\Zeeman Effect

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引文格式:  熊泽本，马世红. 中美基础物理实验教科书的对比与启示[J]. 物理与工程，2017，27（3）：10-17.

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