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第27卷第4期 2007年4月 课程 教材 教法 CURRICULUM, TEACHINGMATERIAL ANDMETHOD Vol. 27, No. 4 April , 2007 从改革后的新教材看美国中学 物理实验教学的主要特点及发展趋势 3 陈 娴1,梁 玲2,梁寒冰1 (1. 南京师范大学 物理科学与技术学院,江苏 南京210097 ; 2.美国拉萨尔大学 科学教育系) 摘要:在分析美国国家科学教育标准和随之编写与修订的五套初高中物理教材 的内在联系的基础上,归纳总结了在科学教育改革后,美国中学物理实验教学的主 要特点及发展趋势:实验目的规范化、实验过程活动化、实验方案微型化、实验内 容人性化和实验评价行为化。 关键词:美国;中学;物理;实验 中图分类号: G63317 文献标识码:A 文章编号:100020186(2007)0420092205 3 基金项目:江苏省高校哲学社会科学基金资助项目(05SJB880011)资助成果。 收稿日期: 2006207210 作者简介:陈娴(1962 ) , 女,江苏南京人,博士,南京师范大学物理科学与技术学院副教授,硕士生导师,研究方向:课 程与教学论(物理) , 19981999年在美国联合学院做访问学者,国家科学课程标准 (7 9年级)研制组核心成员;梁玲 (1965 ) , 女,江苏高邮人,博士,美国拉萨尔大学科学教育系副教授,研究方向:中小学科学教育;梁寒冰(1972 ) , 女, 江苏徐州人,南京师范大学物理科学与技术学院硕士研究生,研究方向:课程与教学论(物理)。 一、问题的提出 我国初、高中物理课程标准(2001、2003实验稿) 均将知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观作为 物理课程的三维目标,将科学探究作为物理课程的内容 标准之一。那么,如何在物理教材的编写和课程的实施 中体现三维目标并涵盖科学探究的内容,是物理教育研 究工作者需要认真思考的问题。这其中重新认识中学物 理实验的功能,并设计与三维目标、科学探究内容相符 合的物理实验是非常重要的。关注和研究其他国家中学 物理实验教学的特点并进行借鉴,可以使我们开阔眼 界、明确思路和丰富创意。 二、研究方法与对象 本文采用文献研究法对美国国家科学教育标准 和相关中学物理教材进行分析,寻求科学教育目标与物 理实验教学之间的内在联系,归纳并总结出美国中学物 理实验教学的主要特点及发展趋势。 本文的主要研究对象是美国国家科学教育标准 和五套初、高中物理教材。这些教材都是在1996年颁 布标准后编写或修订的,包括两套初中科学教材和三套 高中物理教材,具体信息如下。 1.初中科学教材:科学与技术的概念(Science and Technology Concepts for Middle Schools) ,简 称 STC/ MS。这套科学教材是在国家科学基金的资助下, 由美国国家科学资源中心组织编写,共有8个分册, 2000年出版。它们是物质的特性( Properties of Matter ,简称PM) ,能量、机械和运动( Energy , Machines and Motion) ,光(Light) ,电能和电路设 计(Electrical Energy and Circuit Design) ,人体系统 (Human Body Systems) ,灾难性事件(Catastrophic Events) ,宇宙中的地球(Earth in Space) ,生物与微 生物(Organisms - From Macro to Micro)。 2.由加州大学伯克利分校劳伦斯教育学院组织进行 的“让公众理解的科学教育”项目(Science Education for Public Understanding Program,简称SEPUP)的研究,其 成果之一是2003年为初中科学课程出版了两本科学教材, 29 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 它们是你,问题与证据(Issues , Evidence and You ,简 称 IEY) 和科学与生活的问题(Science and Life Issues , 简称SLI) ,两本教材的内容均由物理、化学和生物三门 学科组合后以主题的方式呈现的。 3.由参与制定国家科学教育标准的美国全国科 学教师协会主席(1999 - 2001)亚瑟 艾森克拉夫特博士 主编的一套高中物理教材活动物理学(Active Physics , 简称AP) ,包括通讯、医学、体育、家庭、交通、预测、 照亮生活等主题所构成的七个分册, 2000年出版。 4.由泊尔 兹特戴维斯主编的高中物理教材物 理学的原理和问题(Physics: Principles and Problems , 简称PPP) ,是一本在国家科学教育标准出台后 1999年进行修订出版的高中物理教材。它修订的原则是 既注重保留原物理知识的逻辑结构体系,又通过设置相 关栏目更好地体现国家科学教育标准的内容。例如: “设计物理实验”(Design Your Own Physics Lab)、 “小 实验”(Pocket Lab)、 “物理与社会”(Physics and Socie2 ty) 、 “参考信息” (F. Y. I) 、 “职业介绍”( Help Wan2 ted) 、 “各学科联系”(Connection)等与原教材相辅相成 的内容。 5.在国家科学基金的资助下,由马萨诸塞大学物 理教育研究中心的威廉 莱纳德等主编的一套高中物理 教材思考物理学(Minds on Physics ,简称MP) ,包 括运动、相互作用、守恒定律、复杂系统、力学高级专 题等五个分册, 2000年出版。 三、科学教育的目标 (一)总目标 国家科学教育标准是美国中小学科学教育史上 第一次在国家层面上颁布的指导性文件。标准提出科学 教育的总目标应该是使全体学生具有良好的科学素养。 更具体地讲,学生应当“能够体验、认识和理解亲身经 历探索自然世界的充实之感和兴奋之情;在作出个人决 策时恰当地运用科学原理和方法;明智地参与讨论那些 和科学技术相联系的社会问题;在今后工作中通过批判 性思考,能够创造性地解决问题,提高生产效率” 。 1(15) 为了实现这个目标,文件在内容标准、教学标准、评价 标准、教师专业进修标准、教育大纲和教育系统标准等 方面分别进行了阐述。与本文关系密切的是前三个方面。 (二)内容标准中的科学探究 美国国家科学教育标准在内容标准中强调,在 参与完整和部分探究活动的过程中培养并发展全体学生 进行科学探究所需要的基本技能与对科学探究的本质的 理解。 1(2132216) 中学生进行科学探究所需要的技能包括以下方面。 1.明确界定可探究的问题。能够从广泛、模糊的 实际问题中提炼、界定可进行探究的问题,并运用相关 科学概念和定律指导探究。 2.设计并进行科学探究。能够明确研究目的,选 择适当的研究方法、实验仪器,确定研究过程的主要步 骤,注意确认和控制变量,阐明研究中需要涉及的概念、 原理,及时调整和修改设计方案。 3.运用技术和数学工具收集、分析和解释数据。 各种技术工具(包括数学工具)的选择与使用是由学生 所探究的问题而决定的,数学在探究的各方面起到重要 作用。利用计算机收集、组织和分析数据是研究的一个 重要的组成部分。 4.运用证据进行描述、解释、预测和建构模型。 运用一定的科学知识,描述和解释所观察到的现象,区 别描述和解释的不同,作出假设,建构物理模型。在相 互讨论中修改、确定解释方案和物理模型。 5.考虑并分析不同解释方案和模型的可能性。能 够根据对科学的理解,运用逻辑的方法分析证据,判断 哪一种解释和方案是最合理的。 6.交流科学探究的过程和结果。准确而有效地交 流设计和参与探究的过程,包括语言描述、表达概念、 分析证据、绘制图表、分析结论,对不同意见作出恰当 的反应。 中学生对科学探究的本质的理解包括以下方面。 科学探究方法的选择是由问题的性质而决定的(如 观察法、实验法等 ) ; 科学探究活动是在现有科学知识 的指导下进行的,科学家进行调查研究的原因是多种多 样的;他们依靠技术来加强收集、处理数据的效率,把 数学工具运用到科学探究的各个方面;科学家之间进行 公开交流和讨论,报告探究的方法、过程和结果,且科 学解释必须符合逻辑和有关的科学知识体系。 (三)教学标准中的重点 美国国家科学教育标准在教学标准中强调,称 职的科学教师应该善于营造一种环境,使教师和学生都 能以学习者的身份积极地参与学习,教学相长。教师的 教学方法对学生的学习会产生很大的影响,而科学探究 可以作为获取知识和认识世界的一种新的教学方法,这 种方法应该以学生的探究为主并根据他们的兴趣和能力 来确定。学生的领悟能力是通过一系列个人活动和集体 活动自主地建立起来的。这种过程有些类似于科学家在 探索自然界奥秘的过程中逐渐积累和深化自己的认识过 程。需要注意的是科学探究不是一种程序化的、刻板的 方法,相反地,它意味着学生理解概念的能力、分析问 题的能力和交流合作的能力等各项能力共同协调地 发展。 1(352 56) (四)评价标准中的重点 美国国家科学教育标准在评价标准中强调,评 39 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 价是科学教育体系中的一个基本反馈机制,评价和教学 是一个事物的两个方面。与传统的评价比较,标准更强 调“真实性评价”,它要求评价尽可能按照科学教育的 预期目标来进行,待收集的学生成绩应该主要集中在最 重要的内容和最有说服力的指标上,具体表现在内容标 准中所确定的全体学生需要掌握的科学内容和需要具备 的各项能力上。它包括:科学探究的基本技能,对科学 事实、概念、原理、定律和理论的理解程度;科学地进 行分析和推理的能力;运用科学进行个人事物的决策和 形成对社会问题的看法的能力。 1(952 108) 标准还强调“公 平的评价”意味着应该在多种方式和情景下,对学生是 否理解内容标准中确定的科学内容进行评价。 四、实验教学的主要特点 (一)实验目的规范化 将实验目的确定为“培养学生的科学探究的基本技 能和对科学探究的本质的理解”上,是美国物理教材编 写中为实验目的作出的定位。通过分析科学探究的技能 和科学探究的本质的要素,把实验内容与某些要素有机 结合进行实验设计,这是教材编写者设计实验教学的主 要思路。从这个意义上讲实验目的得到了较为具体的 规范。 在传统的物理教学中理论讲授与实验教学往往是分 开的,而且多数传统的物理实验属于验证型,学生常常 在实验之前便知道实验的结果。新教材设计者注重实验 与理论的有机结合,多数实验属于开放、探究型,学生 必须经过实验才能得出结论,而且结论可能不唯一。 PPP教材用“提出问题”“设计实验”“分析与结 论”和“实际应用”等关键词构建“设计物理实验”这 个栏目的框架。在每个关键词所涉及的内容中又细化实 验目的。例如,在“分析与结论”这个关键词中常常强 调“进行描述”“制作图象”“整理证据”“分析数据” “辨认关系” “计算结果” “比较结果” “进行推测” “作 出解释” “检验假设”等,用具体的实验内容来培养学生 在这些方面的技能。 STC/ MS系列教材以实验和活动交融的形式设计实 验,在整个过程中其目的也是非常明确和规范的。现举 分册PM教材中“确定空气的密度”为例进行说明。 过程 1.为了计算空气的密度,需要测量哪些物理量? 检查实验器材,并且考虑怎样利用它们测量空气的密 度;和小组的其他同学讨论;在笔记本上简单写下步 骤,并介绍给班上的其他同学; 2.在各组互相交换意见之后,教师将综合学生的 意见,并帮助学生更合理地设计实验,请你在笔记本上 做一些记录; 3.根据记录上的实验步骤,测量空气样品的质量 和体积并记录数据,用这些数据计算空气的密度; 4.实验完毕把所有的材料放回原处。 思考 1.教师将汇总各组的实验数据。学生在记录纸上 回答问题:对空气、液体和固体的密度进行比较,可以 得到什么结论? 2.各组得出的结果都一样吗?是否考虑到实验的 精确性。在记录纸上回答问题:为什么全班的测量结果 会有比较大的差别? 3.你已经知道空气有密度,利用这个知识在记录 纸上回答问题:为什么有些物体会浮在空中?2 虽然STC/ MS系列教材在实验设计中没有使用PPP 教材中的关键词,但是不难看出它的实验目的仍然是围 绕着内容标准中的重点展开的。 (二)实验过程活动化 将物理实验的教学与学生分小组进行的探究活动、 调查、讨论、辩论等有机结合,使得实验过程活动化。 这样设计中学物理实验可以使教学标准所强调的重点能 够得到贯彻。在STC/ MS、IEY、AP和MP等四套教材 的编写中,实验过程活动化的特点得到充分体现。 IEY的主编在教材的首页向教师和学生进行这样的 说明:为了让学生感受科学与技术的真实世界,本教材 所呈现的教学方法主要包含:活动、实验、调查、讨 论、辩论、提出论点和质疑等。它们相互交织在整个教 学活动中。 3 AP高中物理教材以主题的形式编排系列活动,活 动通常分为五个循环步骤:请你思考,请你做一做,反 思与挑战,物理学在前进,拓展练习。在循环步骤二 中,一般融入相关的学生实验或教师的演示实验。从 “家庭”分册的章节目录和其中穿插的实验可以略见 一斑: 第二章 人人需要电 活动一 电的产生(学生实验:电路的连接) 活动二 电灯(学生实验:串联和并联电路) 活动三 限制负荷(演示实验:限制负荷) 活动四 开关(学生实验:开关与复杂电路) 活动五 冷水淋浴(学生实验:电加热) 活动六 付电费(调查:电费账单) 活动七 如何更省钱?(学生实验:用微波炉加 热) 4 MOP高中物理教材也是以活动的形式设计的,此 教材在活动中适当地设计物理实验。主编认为这些活动 能使学生找到一种思考和分析物理问题的方法,一种类 似于科学家思考和研究科学问题的方法。 5 (三)实验方案微型化 49 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 在修订本高中物理教材PPP中,为了保持原教材的 逻辑结构体系,同时又体现内容标准的重点,编写者将 实验方案简化、精练,安置在相关的物理概念、原理、 定律等内容附近,以栏目“小实验”(Pocket Lab)的形 式出现。全书共设计了89个小实验,平均每一章3个左 右。这些短小精悍的小实验由100150个左右的英文 单词表述而成,篇幅只有一页的1/ 12左右。虽然实验 方案微型化,但其教学功能仍定位在培养学生的科学探 究的基本技能和对科学探究的本质的理解之上,举例 如下: 实验一:暖色和冷色 一些艺术家把红色和橙色称为暖色,绿色和蓝色称 为冷色,难道发出红色和橙色光的物体比发出绿色和兰 色光的物体温度要高吗?请用实验给出答案。取一个可 调光线的灯,先将开关关上;慢慢调节开关使灯光由暗 变亮,光线射向一个棱镜或一个光栅;为了得到最佳效 果,教室里的灯应该关掉。 分析和判断:当光线由暗变亮时,哪种颜色的光首 先出现在棱镜或光栅后?哪种颜色的光最后出现?这些 颜色与灯丝的温度存在什么关系? 实验二:听力测试 可以通过一个简单的实验测试你的听力。实验材料 是一美分、五美分、十美分和二十五美分的硬币。请实 验合作者按照任意顺序将它们从同一高度自由下落,你 闭上眼睛仔细倾听,你能分辨出不同的硬币所发出的声 音吗? 描述与推测:描述声音的差异,分析引起声音不同 的物理因素是什么?你能建构一个物理模型吗?6 (四)实验内容人性化 标准认为,科学不能脱离社会,科学是社会的一部 分。 1(241) 然而物理实验本身是非常具有物理学科特色 的。如何将实验内容与生活世界结合是体现标准精神的 重要问题,为此教材编写者进行了富有创意的构思,从 而使实验设计表现出“实验内容人性化”的特点。 IEY教材中提出了许多与生活密切联系、学生感兴 趣的、有意义的问题,在这些问题的引导下,学生经历 科学证据的收集、整理过程,学习对科学证据的获得、 解释和评价的方法,探讨科学证据的两面性,即对人们 的生活、健康、环境等有利和不利的两个方面,然后自 己主动提出问题,并在基于科学证据而不是个人感情的 基础上作出相关的、恰当的决策。学生亲身参与各种科 学探究活动有助于他们逐步理解科学的力量和局限性, 理解科学是一个不断提出问题、收集与整理证据的过 程,而不是掌握一系列现成答案的知识体系。 5从这个 意义上讲,教材给予学生的经历,可以帮助他们学习如 何运用科学、技术提高自己和居住社区的生活质量。 在AP教材的“医学”分册中,对学生们提出了一 个挑战:向校长递交一份研究报告,用令人信服的证据 说明,在学校举办社交舞会不会对任何人的听力造成损 伤。为了完成这个研究报告,学生们需要学习声音的传 播、分贝的概念、频率和人的听觉等内容。需要调查研 究获得证据,需要研究听觉实验的数据。学习“交通” 分册时,学生们要为汽车或自行车设计一个安全装置, 为此要学习力、加速度、冲量、动量等概念,要参与完 成有关的实验。 (五)实验评价行为化 通过实验过程中的行为表现来评价学生对物理内容 的理解和是否具备各种探究的技能,是实验评价的重要 特点。行为化的实验评价也是真实而公平评价的具体 体现。 在高中物理教材PPP的教师指导用书中,评价学生 的物理学习分为四个方面:档案袋评价、知识评价、行 为评价和技能评价。其中的行为评价主要针对学生在 “设计物理实验”和“小实验”中的表现。行为评价主 要包含以下内容。 1.是否遵守安全规则:严格遵守实验操作过程中 的一系列安全规章制度。 2.对实验技能的掌握:观察、交流、预测、测量、 解释数据、使用数据、制作图表、控制变量、归纳、推 理、推导公式、构建模型、操作性定义等。 3.对概念和定律的理解:通过实验现象和实验过 程使学生明确概念、定律建立的依据,掌握其建立的方 法,理解概念、定律的内涵。了解和理解相关概念之间 的联系和区别。 4.分析和总结:在遵循证据法则和运用科学知识 的基础上,分析、解释和总结必须具有逻辑上的内在一 致性,通过批判性思考,合理地接受他人的质疑并进行 可能的修改。 5.情景的应用:思考、讨论与现实生活密切联系 的问题并发表观点,评价学生运用科学进行个人事物的 决策和形成对社会问题的看法的能力。 STC/ MS系列教材的教师指导用书建议,教师对学 生学习的评价分为四个方面并给出每个方面所占的比 重,其中实验教学的比重最大。分别为实验室活动和实 验记录、实验报告占40 %;知识评价30 %;研究性学习 成果的展示20 %;参加班级活动10 %。教师指导用书还 指出学生在实验活动中对图表、实验步骤、实验内容等 的语言描述往往比实验结果更重要。学生参与讨论和表 现的过程也是教师评价学生的一个方面。 五、思考与启示 21世纪标志着人类社会进入了一个以信息、智力资 59 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 源为重要因素的社会经济文化时代。培养公民的科学素 养主要不在于增加其知识和信息的容量,更重要的是培 养科学思维的方法以及获取知识、信息并利用它们发 现、分析和解决问题的能力。正如著名的物理学家爱因 斯坦在1939年对于物理学的发展论述道:科学不只是 定律的收集和事实的罗列,它更是人类智慧伴随着各种 新思想和新概念的创造与结晶。物理学理论试图描绘现 实世界,并将其与广袤的直觉世界联系起来。 美国中学物理实验在目的、过程、方案、内容和评 价等方面所表现的特点,反映了国际上对物理实验教学 改革的新思路。这种新的发展趋势启示我们应该重新认 识和挖掘中学物理实验的教学功能,并且在物理课程标 准的指导下,设计与课程的三维目标和科学探究内容有 机结合的中学物理实验,从而使物理教材的编写和课程 的实施能够更好地体现和贯彻标准的精神。 参考文献: 1美国国家研究理事会.国家科学教育标准 S.戢守志, 金庆和,等,译.北京:科学技术文献出版社, 1999. 2 Douglas M Lapp.Properties of Matter. Burlington: Caro2 lina Supply Company , 2000 , 33. 3 Herbert D Thier. Issues, Evidence and You. Ronkonkoma : LAB - AIDS Incorporated , 2003 , 1. 4 Arthur Eisenkraft.Active Physics-Home. New York : Its About Time , Inc. 2000. 5 William J Leonard.Minds On Physics. Dubuque : Kendall/ Hunt Publishing Company , 2000 , xv. 6 Paul Zitzewitz. Physics:Principles and Problems. Colum2 bus: McGraw - Hill Company , 1999 , 365 , 385. (责任编辑:钮 瑛) The Features and Trends of the Teaching of Physics Experiments in American Secondary Schools after the Reform of Textboobs CHEN Xian1, LIANG Ling2, LIANG Han2bing3 ( 1 , 3.School ofPhysical Science and Technology ,N anjing Normal University , N anjing J iangsu 210097 , China;2. Department of Science Education , L aSalle University , USA) Abstract: This paper examines five American secondary science (physics) curriculum programs pub2 lished or revised after the release of theN ational Science Education Standardsin the USA in 1996. Five major features and trends were identified: 1. the use of open2ended sc