陈娴 梁玲 梁寒冰
原载：《课程·教材·教法》2007年第4期
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。
美国；中学；物理；实验
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。
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，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 Society）、“参考信息”（F.Y.I）、“职业介绍”（Help Wanted）、“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，1999年出版。
（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；在做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］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］
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］
（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］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。
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”“做出解释”“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MP教材中“确定空气的密度”为例进行说明。
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。
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。
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。
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：电路的联接）
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） ［3］
MP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。
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100~150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蓝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？ ［4］
标准认为，科学不能脱离社会，科学是社会的一部分。 ［1］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。
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。
21世纪标志着人类社会进入了一个以信息、智力资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。
［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］Smithsonian/The National Academies.National Science Resources Center: Science and Technology Concepts for Middle Schools, Energy，Properties of Matter.Carolina Supply Company, 2000.
［3］Arthur Eisenkraft.Active Physics（Home）, It’s About Time. Inc. 2000.
［4］Paul Zitzewitz.Physics: Principles and Problems.McGraw-Hill Company USA，1999.
［5］Lawrence Hall of Science, University of California at Berkely.Issues, Evidence and You, Science and Life Issues.LAB-AIDS Incorporated
CHEN Xian1，LIANG Ling2，LIANG Han-bing3
（1,3.School of Physical Science and Technology, Nanjing Normal University, Nanjing Jiangsu 210097,China;2. Department of Education, LaSalle University, USA）
This paper examines five American secondary science (physics) curriculum programs published or revised after the release of the National Science Education Standards in the
The
（责任编辑：王翔）
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