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《Physics Principles and Problems》(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《Physics Principles and Problems》（《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（University of Michigan-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《Physics Principles and Problems》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。

《Physics Principles and Problems》每章开始部分都有一个LAUNCH Lab(起步实验)，在教学章节中有Physics Lab，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MINI Lab。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two balloons（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）。

LAUNCH Lab：Can you get a lightbulb to light?

Question（问题）： Given a wire, a battery, and a lightbulb, can you get the bulb to light?（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. Obtain a lightbulb, a wire, and a battery. Try to find as many ways as possible to get the lightbulb to light.（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: Wire is sharp and can cut skin. Wire can also get hot if connected across the battery. （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. Diagram two ways in which you are able to get the lightbulb to work. Be sure to label the battery, the wire, and the bulb.（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. Diagram at least three ways in which you are not able to get the bulb to light（画出至少三种不能使灯泡发光的电路图）.

Analysis（分析）：

How did you know if electric current was flowing? What do your diagrams of the lit bulb have in common? What do your diagrams of the unlit bulb have in common? From your observations, what conditions seem to be necessary in order for the bulb to light?（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？）

Critical Thinking （理性思维）：What causes electricity to flow through the bulb?（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：

Resistance The resistance of an operating 100-W lightbulb is about 140Ω. When the lightbulb is turned off and at room temperature, its resistance is only about 10Ω. This is because of the great difference between room temperature and the lightbulb’s operating temperature（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。

LAUNCH Lab :What happens in a changing magnetic field?

（起步实验：探究变化磁场中发生的现象？）

Question（问题）：How does a changing magnetic field affect a coil of wire passed through it?（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. Place two bar magnets about 8 cm apart.

2. Attach a sensitive galvanometer to either end of a piece of coiled copper wire.

3. Slowly move the wire between the magnets.Note the galvanometer reading.

4. Vary the angle of the movement of the copper wire and the velocity of the wire. Note your results.

（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）：

What causes the galvanometer to move? What situation makes the galvanometer deflect the most?（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？）

Critical Thinking（理性思维）： When the wire is moved between the magnets, what is happening to the wire?（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。

PHYSICS LAB:Modeling the Photoelectric Effect

(物理实验：模拟光电效应)

The emission of electrons from an object when electromagnetic radiation is incident upon it is known as the photoelectric effect. Electrons are ejected from the object only when the frequency of the radiation is greater than a certain minimum value, called the threshold frequency. In this investigation you will model the photoelectric effect using steel balls. You will examine why only certain types of electromagnetic radiation result in the emission of photoelectrons.（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）：How can steel balls be used to model the photoelectric effect?（怎样才能用钢球来模拟光电效应？）

Objectives（目标）：

■ Formulate a model to investigate the photoelectric effect.

（构建一个模型，用来研究光电效应）。

■ Describe how the energy of a photon is related to its frequency.

（描述光子的能量与它的频率之间的关系）。

■ Use scientific explanations to explain why macroscopic phenomena cannot explain the

quantum behavior of the atom.（说明为什么宏观现象不能解释原子的量子行为）。

Safety Precautions（安全警示）

■ Keep isopropyl alcohol away from open flame.（保证酒精远离明火。）

■ Do not swallow isopropyl alcohol.（绝不能喝酒精。）

■ Isopropyl alcohol can dry out skin.（酒精什使你的皮肤干燥。）

Materials（器材）

steel balls (3)（3颗钢球）

grooved channel (U-channel or shelf bracket) （滑槽（U形凹槽或槽形搁架））

books（书本若干）

red, orange, yellow, green, blue, and violet marking pens (or colored stickers)

（红、橙、黄、绿、蓝色的记号笔或彩色的粘纸）

metric ruler（米尺）

isopropyl alcohol（酒精）

Procedure（实验步骤）

1. Shape the grooved channel, as shown in the photo, and use several books to support the channel, as shown. Make sure the books do not block the ends of the channel.

2. Mark a capital letter R with a red marking pen on the channel 4 cm above the table, as shown.The R represents red.

3. Mark a capital letter V with a violet marking pen on the channel at a distance 14 cm above the table as shown. The V represents violet.Use the other colored pens to place marks for blue, B, green, G, yellow, Y, and orange, O,uniformly between the marks for R and V.

4. Place two steel balls at the lowest point on the channel. These steel balls represent the atom’s valence electrons.

5. Hold a steel ball in place on the channel at the R position. This steel ball represents an incident photon of red light. Note that the red photon has the lowest energy of the six colors of light being modeled.

6. Release the steel ball (photon) and see if it has enough energy to remove a valence electron from the atom; that is, observe if either of the two steel ball electrons escapes from the channel.Record your observations in the data table.Horizons Companies

7. Remove the steel ball that represents the incident photon from the lower part of the channel.replace the two steel balls used to represent the valence electrons at the lowest point on the channel.

8. Repeat steps 5–7 for each of the colors you marked on the channel. Be sure always to start with the two steel balls at the lowest point on the channel. Note that the violet photon has the greatest energy of the six colors of light being modeled. Record your observations in the data table.

9. Repeat steps 5–7, but release the steel ball slightly lower than the R position. Record your observations in the data table.

10. Repeat steps 5–7, but release the steel ball representing the incident photon from a point slightly higher than the V position. Record your observations in the data table.

11. Answer question 1 in the Conclude and Apply section and then test your prediction.

12. When you have finished the lab, return all materials to the locations specified by your instructor. Clean off the ink markings on the channel with isopropyl alcohol (or remove the colored stickers placed on the channel).

Color or Energy of Photon（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）

Less than red（比红更低）

Greater than violet（比紫更高）

Analyze（分析）

1. Interpret Data Which color(s) of photons was able to remove at least one electron in your model?

2. Interpret Data Were any of the photons energetic enough to remove more than one electron? If so, identify the photon’s color.

3. Use Models In step 9, what type of photon does the steel ball represent?

4. Use Models In step 10, what type of photon does the steel ball represent?

5. Explain Should photons of visible light be the only photons considered when investigating the photoelectric effect? Why or why not?

6. Summarize Summarize your observations in terms of the energies of photons.

Conclude and Apply（结论与应用）

1. Infer What would happen if two red photons hit the two valence electrons at the same time? Test your prediction.

2. Think Critically Some materials hold on to their valence electrons more tightly than others. How could the model be modified to show this?

3. Draw Conclusions In this model, what happens to the photon’s energy when it collides

with an electron but does not remove the electron from the atom?

Going Further（进一步探索）

Using the formula E _ hf, where h is Planck’s constant and f is the frequency of the electromagnetic radiation, calculate the energy of a red photon compared to the energy of a blue photon.

Real-World Physics（生活中的物理学）

Photographers often have red lights in their darkrooms. Why do they use red light, but not blue light?

类似的还有探究实验，探寻原子的大小，实验器材如图14所示。

Finding the Size of an Atom（探寻原子大小）

Ernest Rutherford used statistical analysis and probability to help analyze the results of his gold foil experiment. In this experiment, you will model the gold foil experiment using BBs and cups. You will then analyze your results in terms of probability to estimate the size of an object that cannot be seen.

QUESTION（问题）

How can probability be used to determine the size of an object that cannot be seen?

Objectives（目标）

■ Interpret data to determine the probability of a BB striking an unseen object.

■ Calculate the size of an unseen object based on probability.

Safety Precautions（安全警示）

■ Be sure to immediately pick up BBs that have fallen onto the floor.

Materials（器材）

shoe box

three identical small paper cups

200 BBs

centimeter ruler

large towel or cloth

Procedure（过程）

1. Use the centimeter ruler to measure the length and width of the inside of the shoe box. Record the measurements in the data table.

2. Use the centimeter ruler to measure the diameter of the top of one of the cups. Record the measurement in the data table.

3. Place the shoe box in the center of a folded towel, such that the towel extends at least 30 cm beyond each side of the shoe box.

4. Randomly place the three paper cups in the bottom of the shoe box.

5. Have your lab partner randomly drop 200 BBs into the shoe box. Make sure he or she distributes the BBs evenly over the area of the shoe box. Note that some of the BBs may miss the shoe box and land on the towel.

6. Count the number of BBs in the cups and record the value in the data table.

注：上述实验中Analyze（分析）、Conclude and Apply（结论与应用）、Going Further（进一步探索）、Real-World Physics（生活中的物理学）等剩余几部分略。

通过上述实验可知，尽管美国的信息技术领先我们，但在此类问题的处理上仍然以实验为基础而不是过多的借助于现代多媒体技术进行简单的模拟，即实验本身的不可替代性。类似还有物理实验探寻原子的大小。

7．实验操作的安全性提示。

几乎在每个实验中都将部分安全常识或可能出现的安全隐患列出，每个实验中都有Safety Precautions。如上述模拟光电效应实验中的酒精不能喝都予以列出，又如物理实验：探寻原子的大小中应及时捡起掉落在地板上的轴承滚珠。在电学实验部分还会防止出现触电现象的提示。总之在这一点上我们国内的教材还需要做适当的改进。特别是学生在课余时间自主地做此类实验时的安全问题，如06年合肥市一名即将参加高考学生因为私自做化学实验因化学药品爆炸，不仅炸伤了自己，也将自己的高考延期，如果在实验时适当加以安全指导，那样悲剧可能就不会上演了。

二、教学中的应对策略

通过《物理 原理与问题》一书中实验设计的分析和比较，我们在教学过程中也应该予以适当的改进和应用。

首先，应加强对实验的投入和改进。对常规物理实验必须坚持做，即使是涉及到一些现代物理学相关知识时实验较难，也可以直接借鉴或直接使用现成的物理实验来进行模拟，千万不要不做实验而是通过讲解的方法来安排实验，也不宜过多的使用现代多媒体技术进行简单的模拟，当然在学习并掌握该知识的基础上来重新认识该类问题时，此时应用多媒体技术也未尝不可，但在学习新知识时，还是不建议使用多媒体技术进行模拟。

其次，在教学时间允许的情况下，可以将验证性实验通过拓展先变成探究性实验，在此基础上再来变成验证性实验，特别是一些反其道而行之的负面操作对学生的思维培养有很好的效果。不仅如此，这些活动还能保护了学生学习新知识的兴趣，同时又进行了理论的巩固，也能一举两得，起到事半功倍的效果。

再次，可以发动学生对我们现行实验中的器材予以改进，使之日常化，而不是实验所特有的，即使在生活中也能完成。如我们在有关磁场实验和应用时，常常需要用到小磁针，我们则可以将细钢针在磁铁上有规则的摩擦多次，使其有磁性，然后穿在小的塑料薄膜上，放入水中则可以验证磁场的有无及磁场方向等，通过自己动手做的小磁针的检验，学生成就感会明显增强。类似还可用食品包装纸或包装盒内部用的金属泊来做验电器等。通过生活化了的实验器材的操作和改进，学生一方面得到了动手能力的培养，另一方面也使理论与实际相结合，起到用实验室器材做实验达不到的另类效果。

最后，做实验不是目的，在实验操作的基础上进行理论上的升华，这一点也是国外教材上相比我国教材逊色的地方。美国教材中出现的理性思维部分实际上正是一个理论提升的过程，而我们教材在此处通常是将课本的相关知识进行验证或罗列，而国外的教材更多的是自己的归纳和总结。这一点也是我们今后在教学实践中需重点要改进的内容。

三、实验课题的选择和改进

实验内容较多，由于现行的教学课时及器材等其它种种限制，我们要想把课本上所罗列的实验全部完成几乎不可能，那么在有限的时间和器材下，我们应该对所做的实验予以选择和改进。主要从以下几方面进行选择和改进。

1．实验易于操作，实验现象明显。否则予以改进或选择其它实验替代。 如《Physics Principles and Problems》中PHYSICS Lab模拟光电效应在我们教学中就可直接拿来使用，也可进行改进，那样效果可能更好。

2．验证性实验最好适当改进，变为部分探究，但理论性特别强的也不一定为了探究而探究。如验证动量守恒定律实验，其理论性比较强，此时为了增加趣味性，可以将动量定理部分的内容加入，如在实验前可以加入趣味实验如何让鸡蛋碰石头，使鸡蛋不破碎而石头落地。实际上学生有的了解到缓冲作用，但还有一点就是石头必须处在不稳定状态下平衡。当鸡蛋有个很小的作用力作用于石头时，石头不能保持原来的平衡，落到地面，有了这个趣味性实验的铺垫，学生对实验的兴趣也有了极大的提高。此时若再将几种实验装置分别讨论，针对不同条件的学校和学生，都有了很大的提升，教学效果明显。

3．能应用学生自制的实验器材，则尽可能的应用。由于学生对实验器材的不熟悉或不感兴趣，造成的学生对实验的不投入，事实上在实际教学过程中能应用学生的器材效果可能更好，特别是一些简单的实验器材也可让学生在实验前做，效果可能也很好，如笔者在教授电磁感应现象实验时，请学生事先做几个线圈，学生完成的效果也很好，通过这个学生做的线圈再来完成实验学生与实验间的距离拉近了，成就感也明显加强，也取得了很好的教学效果。

【小结】

通过上述实验的比较和分析，加之教学实践的应用，我们不难发现在物理教学中的实验是不可忽视的教学内容，如果对教材中的实验处理好的话，那么教学效果将会事半功倍。在教学中我们努力改进实验方法和实验形式，让学生对实验不再是简单的模仿，而是有心的去探究，在探究的同时，更多的融入学生自己的情感态度和价值观，通过实验让学生获取知识、获得自信，让实验不仅是验证知识的一个手段，而更是一个展示自我的一个平台，通过实验的操作让学生在能力方面有很大的提升。总之我们要重视中学的物理实验，借鉴国内外的优质资源，在原来的基础上对实验有更多的改进，而不应该是仅仅为了完成实验而实验，对于课本中设计不合理的实验需大胆的改进和摒弃，直到有好实验来取代。