摘要：在分析美國《國家科學教育標準》和隨之編寫與修訂的五套初高中物理教材的內在聯系的基礎上，歸納總結了在科學教育改革后，美國中學物理實驗教學的主要特點及發展趨勢：實驗目的規范化、實驗過程活動化、實驗方案微型化、實驗內容人性化和實驗評價行為化。

關鍵詞：美國；中學；物理；實驗

Abstract：This paper examines five American secondary science (physics) curriculum programs published or revised after the release of the National Science Education Standards in the USA in1996. Five major features and/or trends were identified: 1. the use of open-ended scientific investigations; 2. the adoption of active learning models; 3. the use of mini-labs or pocket labs throughout the curriculum; 4. the emphasis of personal/social relevance of learning science and/or physics; 5. the use of authentic assessment rubrics.

Key Words: The United States， secondary school， physics， laboratory

一、問題的提出

我國初、高中物理課程標準（2001、2003實驗稿）均將知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀作為物理課程的三維目標，將科學探究作為物理課程的內容標準之一。那么，如何在物理教材的編寫和課程的實施中體現三維目標并涵蓋科學探究的內容，是物理教育研究工作者需要認真思考的問題。這其中重新認識中學物理實驗的功能，并設計與三維目標、科學探究內容相符合的物理實驗是非常重要的。關注和研究其他國家中學物理實驗教學的特點并進行借鑒，可以使我們開闊眼界、明確思路和豐富創意。

二、研究方法與對象

本文采用文獻研究法對美國《國家科學教育標準》和相關中學物理教材進行分析，尋求科學教育目標與物理實驗教學之間的內在聯系，歸納并總結出美國中學物理實驗教學的主要特點及發展趨勢。

本文的主要研究對象是美國《國家科學教育標準》和五套初、高中物理教材。這些教材都是在1996年頒布標準后編寫或修訂的，包括兩套初中科學教材和三套高中物理教材，具體信息如下。

1.初中科學教材：《科學與技術的概念》（Science and Technology Concepts for Middle Schools），簡稱STC/MS。這套科學教材是在國家科學基金的資助下，由美國國家科學資源中心組織編寫，共有8個分冊，2000年出版。它們是《物質的特性》（Properties of Matter， 簡稱PM），《能量、機械和運動》（Energy，Machines and Motion），《光》（Light），《電能和電路設計》（Electrical Energy and Circuit Design），《人體系統》（Human Body Systems），《災難性事件》（Catastrophic Events），《宇宙中的地球》（Earth in Space），《生物與微生物》（Organisms-From Macro to Micro）。

2.由加州大學伯克利分校勞倫斯教育學院組織進行的“讓公眾理解的科學教育”項目（Science Education for Public Understanding Program，簡稱SEPUP）的研究，其成果之一是2003年為初中科學課程出版了兩本科學教材，它們是《你，問題與證據》（Issues， Evidence and You，簡稱IEY）和《科學與生活的問題》(Science and Life Issues，簡稱SLI)，兩本教材的內容均由物理、化學和生物三門學科組合后以主題的方式呈現的。

3.由參與制定《國家科學教育標準》的美國全國科學教師協會主席（1999-2001）亞瑟·艾森克拉夫特博士主編的一套高中物理教材《活動物理學》（Active Physics，簡稱AP），包括通訊、醫學、體育、家庭、交通、預測、照亮生活等主題所構成的七個分冊，2000年出版。

4.由泊爾·茲特戴維斯主編的高中物理教材《物理學的原理和問題》(Physics: Principles and Problems，簡稱PPP)，是一本在《國家科學教育標準》出臺后1999年進行修訂出版的高中物理教材。它修訂的原則是既注重保留原物理知識的邏輯結構體系，又通過設置相關欄目更好地體現國家科學教育標準的內容。例如：“設計物理實驗”（Design Your Own Physics Lab）、“小實驗”(Pocket Lab)、“物理與社會”（Physics and Society）、“參考信息”（F.Y.I）、“職業介紹”（Help Wanted）、“各學科聯系”（Connection）等與原教材相輔相成的內容。

5.在國家科學基金的資助下，由馬薩諸塞大學物理教育研究中心的威廉·萊納德等主編的一套高中物理教材《思考物理學》（Minds on Physics，簡稱MP），包括運動、相互作用、守恒定律、復雜系統、力學高級專題等五個分冊，1999年出版。

三、科學教育的目標

（一）總目標

《國家科學教育標準》是美國中小學科學教育史上第一次在國家層面上頒布的指導性文件。標準提出科學教育的總目標應該是使全體學生具有良好的科學素養。更具體地講，學生應當“能夠體驗、認識和理解親身經歷探索自然世界的充實之感和興奮之情；在做出個人決策時恰當地運用科學原理和方法；明智地參與討論那些和科學技術相聯系的社會問題；在今后工作中通過批判性思考，能夠創造性地解決問題，提高生產效率。” ［1］為了實現這個目標，文件在內容標準、教學標準、評價標準、教師專業進修標準、教育大綱和教育系統標準等方面分別進行了闡述。與本文關系密切的是前三個方面。

（二）內容標準中的科學探究

美國《國家科學教育標準》在內容標準中強調，在參與完整和部分探究活動的過程中培養并發展全體學生進行科學探究所需要的基本技能與對科學探究的本質的理解。 ［1］

中學生進行科學探究所需要的技能包括以下方面。

1.明確界定可探究的問題。能夠從廣泛、模糊的實際問題中提煉、界定可進行探究的問題，并運用相關科學概念和定律指導探究。

2.設計并進行科學探究。能夠明確研究目的，選擇適當的研究方法、實驗儀器，確定研究過程的主要步驟，注意確認和控制變量， 闡明研究中需要涉及的概念、原理，及時調整和修改設計方案。

3.運用技術和數學工具收集、分析和解釋數據。各種技術工具(包括數學工具)的選擇與使用是由學生所探究的問題而決定的，數學在探究的各方面起到重要作用。利用計算機收集、組織和分析數據是研究的一個重要的組成部分。

4.運用證據進行描述、解釋、預測和建構模型。運用一定的科學知識，描述和解釋所觀察到的現象，區別描述和解釋的不同，作出假設，建構物理模型。在相互討論中修改、確定解釋方案和物理模型。

5.考慮并分析不同解釋方案和模型的可能性。能夠根據對科學的理解，運用邏輯的方法分析證據，判斷哪一種解釋和方案是最合理的。

6.交流科學探究的過程和結果。準確而有效地交流設計和參與探究的過程，包括語言描述、表達概念、分析證據、繪制圖表、分析結論，對不同意見作出恰當的反應。

中學生對科學探究的本質的理解包括以下方面

科學探究方法的選擇是由問題的性質而決定的(如觀察法、實驗法等)；科學探究活動是在現有科學知識的指導下進行的， 科學家進行調查研究的原因是多種多樣的；他們依靠技術來加強收集、處理數據的效率，把數學工具運用到科學探究的各個方面；科學家之間進行公開交流和討論，報告探究的方法、過程和結果，且科學解釋必須符合邏輯和有關的科學知識體系。

（三）教學標準中的重點

美國《國家科學教育標準》在教學標準中強調，稱職的科學教師應該善于營造一種環境，使教師和學生都能以學習者的身份積極地參與學習，教學相長。教師的教學方法對學生的學習會產生很大的影響，而科學探究可以作為獲取知識和認識世界的一種新的教學方法，這種方法應該以學生的探究為主并根據他們的興趣和能力來確定。學生的領悟能力是通過一系列個人活動和集體活動自主地建立起來的。這種過程有些類似于科學家在探索自然界奧秘的過程中逐漸積累和深化自己的認識過程。需要注意的是科學探究不是一種程序化的、刻板的方法，相反地，它意味著學生理解概念的能力、分析問題的能力和交流合作的能力等各項能力共同協調地發展。 ［1］

（四）評價標準中的重點

美國《國家科學教育標準》在評價標準中強調，評價是科學教育體系中的一個基本反饋機制，評價和教學是一個事物的兩個方面。與傳統的評價比較，標準更強調“真實性評價”，它要求評價盡可能按照科學教育的預期目標來進行，待收集的學生成績應該主要集中在最重要的內容和最有說服力的指標上，具體表現在內容標準中所確定的全體學生需要掌握的科學內容和需要具備的各項能力上。它包括：科學探究的基本技能，對科學事實、概念、原理、定律和理論的理解程度；科學地進行分析和推理的能力；運用科學進行個人事物的決策和形成對社會問題的看法的能力。 ［1］標準還強調“公平的評價”意味著應該在多種方式和情景下，對學生是否理解內容標準中確定的科學內容進行評價。

四、實驗教學的主要特點

（一）實驗目的規范化

將實驗目的確定為“培養學生的科學探究的基本技能和對科學探究的本質的理解”上，是美國物理教材編寫中為實驗目的作出的定位。通過分析科學探究的技能和科學探究的本質的要素，把實驗內容與某些要素有機結合進行實驗設計， 這是教材編寫者設計實驗教學的主要思路。從這個意義上講實驗目的得到了較為具體的規范。

在傳統的物理教學中理論講授與實驗教學往往是分開的，而且多數傳統的物理實驗屬于驗證型， 學生常常在實驗之前便知道實驗的結果。新教材設計者注重實驗與理論的有機結合， 多數實驗屬于開放、探究型， 學生必須經過實驗才能得出結論， 而且結論可能不唯一。

PPP教材用“提出問題”“設計實驗”“分析與結論”和“實際應用”等關鍵詞構建“設計物理實驗”這個欄目的框架。在每個關鍵詞所涉及的內容中又細化實驗目的。例如，在“分析與結論”這個關鍵詞中常常強調“進行描述”“制作圖象”“整理證據”“分析數據”“辨認關系”“計算結果”“比較結果”“進行推測”“做出解釋”“檢驗假設” 等，用具體的實驗內容來培養學生在這些方面的技能。

STC/MS系列教材以實驗和活動交融的形式設計實驗，在整個過程中其目的也是非常明確和規范的。現舉分冊MP教材中“確定空氣的密度”為例進行說明。

［過程］

1.為了計算空氣的密度，需要測量哪些物理量？檢查實驗器材，并且考慮怎樣利用它們測量空氣的密度；和小組的其他同學討論；在筆記本上簡單寫下步驟，并介紹給班上的其他同學；

2.在各組互相交換意見之后，教師將綜合學生的意見，并幫助學生更合理地設計實驗，請你在筆記本上做一些記錄；

3.根據記錄上的實驗步驟，測量空氣樣品的質量和體積并記錄數據，用這些數據計算空氣的密度;

4.實驗完畢把所有的材料放回原處。

［思考］

1.教師將匯總各組的實驗數據。學生在記錄紙上回答問題：對空氣、液體和固體的密度進行比較，可以得到什么結論？

2.各組得出的結果都一樣嗎？是否考慮到實驗的精確性。在記錄紙上回答問題：為什么全班的測量結果會有比較大的差別？

3.你已經知道空氣有密度，利用這個知識在記錄紙上回答問題：為什么有些物體會浮在空中？［2］

雖然STC/MS系列教材在實驗設計中沒有使用PPP 教材中的關鍵詞，但是不難看出它的實驗目的仍然是圍繞著內容標準中的重點展開的。

（二）實驗過程活動化

將物理實驗的教學與學生分小組進行的探究活動、調查、討論、辯論等有機結合，使得實驗過程活動化。這樣設計中學物理實驗可以使教學標準所強調的重點能夠得到貫徹。在STC/MS、IEY、AP和MP等四套教材的編寫中，實驗過程活動化的特點得到充分體現。

IEY的主編在教材的首頁向教師和學生進行這樣的說明：為了讓學生感受科學與技術的真實世界，本教材所呈現的教學方法主要包含：活動、實驗、調查、討論、辯論、提出論點和質疑等。它們相互交織在整個教學活動中。

AP高中物理教材以主題的形式編排系列活動，活動通常分為五個循環步驟：請你思考，請你做一做，反思與挑戰，物理學在前進，拓展練習。在循環步驟二中，一般融入相關的學生實驗或教師的演示實驗。從“家庭” 分冊的章節目錄和其中穿插的實驗可以略見一斑：

第二章 人人需要電

活動一電的產生（學生實驗：電路的聯接）

活動二電燈（學生實驗：串聯和并聯電路 ）

活動三限制負荷（演示實驗：限制負荷）

活動四開關（學生實驗：開關與復雜電路）

活動五冷水淋浴（學生實驗：電加熱）

活動六付電費（調查：電費賬單）

活動七如何更省錢？（學生實驗：用微波爐加熱） ［3］

MP高中物理教材也是以活動的形式設計的，此教材在活動中適當地設計物理實驗。主編認為這些活動能使學生找到一種思考和分析物理問題的方法，一種類似于科學家思考和研究科學問題的方法。

（三）實驗方案微型化

在修訂本高中物理教材PPP中，為了保持原教材的邏輯結構體系，同時又體現內容標準的重點，編寫者將實驗方案簡化、精練，安置在相關的物理概念、原理、定律等內容附近，以欄目“小實驗”（Pocket Lab）的形式出現。全書共設計了89個小實驗，平均每一章3個左右。這些短小精悍的小實驗由100~150個左右的英文單詞表述而成，篇幅只有一頁的1/12左右。雖然實驗方案微型化，但其教學功能仍定位在培養學生的科學探究的基本技能和對科學探究的本質的理解之上，舉例如下：

實驗一：暖色和冷色

一些藝術家把紅色和橙色稱為暖色，綠色和蘭色稱為冷色，難道發出紅色和橙色光的物體比發出綠色和蘭色光的物體溫度要高嗎？請用實驗給出答案。取一個可調光線的燈，先將開關關上；慢慢調節開關使燈光由暗變亮，光線射向一個棱鏡或一個光柵；為了得到最佳效果，教室里的燈應該關掉。

分析和判斷：當光線由暗變亮時，哪種顏色的光首先出現在棱鏡或光柵后？哪種顏色的光最后出現？這些顏色與燈絲的溫度存在什么關系？

實驗二：聽力測試

可以通過一個簡單的實驗測試你的聽力。實驗材料是一美分、五美分、十美分和二十五美分的硬幣。請實驗合作者按照任意順序將它們從同一高度自由下落，你閉上眼睛仔細傾聽，你能分辨出不同的硬幣所發出的聲音嗎？

描述與推測：描述聲音的差異，分析引起聲音不同的物理因素是什么？你能建構一個物理模型嗎？ ［4］

（四）實驗內容人性化

標準認為，科學不能脫離社會，科學是社會的一部分。 ［1］然而物理實驗本身是非常具有物理學科特色的。如何將實驗內容與生活世界結合是體現標準精神的重要問題，為此教材編寫者進行了富有創意的構思，從而使實驗設計表現出“實驗內容人性化”的特點。

IEY教材中提出了許多與生活密切聯系、學生感興趣的、有意義的問題，在這些問題的引導下，學生經歷科學證據的收集、整理過程，學習對科學證據的獲得、解釋和評價的方法，探討科學證據的兩面性，即對人們的生活、健康、環境等有利和不利的兩個方面，然后自己主動提出問題，并在基于科學證據而不是個人感情的基礎上作出相關的、恰當的決策。學生親身參與各種科學探究活動有助于他們逐步理解科學的力量和局限性，理解科學是一個不斷提出問題、收集與整理證據的過程，而不是掌握一系列現成答案的知識體系。 ［5］從這個意義上講，教材給予學生的經歷，可以幫助他們學習如何運用科學、技術提高自己和居住社區的生活質量。

在AP教材的“醫學”分冊中，對學生們提出了一個挑戰：向校長遞交一份研究報告，用令人信服的證據說明，在學校舉辦社交舞會不會對任何人的聽力造成損傷。為了完成這個研究報告，學生們需要學習聲音的傳播、分貝的概念、頻率和人的聽覺等內容。需要調查研究獲得證據，需要研究聽覺實驗的數據。學習“交通”分冊時，學生們要為汽車或自行車設計一個安全裝置，為此要學習力、加速度、沖量、動量等概念，要參與完成有關的實驗。

（五）實驗評價行為化

通過實驗過程中的行為表現來評價學生對物理內容的理解和是否具備各種探究的技能，是實驗評價的重要特點。行為化的實驗評價也是真實而公平評價的具體體現。

在高中物理教材PPP的教師指導用書中，評價學生的物理學習分為四個方面：檔案袋評價、知識評價、行為評價和技能評價。其中的行為評價主要針對學生在 “設計物理實驗”和“小實驗”中的表現。行為評價主要包含以下內容。

1.是否遵守安全規則：嚴格遵守實驗操作過程中的一系列安全規章制度。

2.對實驗技能的掌握：觀察、交流、預測、測量、解釋數據、使用數據、制作圖表、控制變量、歸納、推理、推導公式、構建模型、操作性定義等。

3.對概念和定律的理解：通過實驗現象和實驗過程使學生明確概念、定律建立的依據，掌握其建立的方法，理解概念、定律的內涵。了解和理解相關概念之間的聯系和區別。

4.分析和總結：在遵循證據法則和運用科學知識的基礎上，分析、解釋和總結必須具有邏輯上的內在一致性，通過批判性思考，合理地接受他人的質疑并進行可能的修改。

5.情景的應用：思考、討論與現實生活密切聯系的問題并發表觀點，評價學生運用科學進行個人事物的決策和形成對社會問題的看法的能力。

STC/MS 系列教材的教師指導用書建議，教師對學生學習的評價分為四個方面并給出每個方面所占的比重，其中實驗教學的比重最大。分別為實驗室活動和實驗記錄、實驗報告占40%；知識評價30%；研究性學習成果的展示20%；參加班級活動10%。教師指導用書還指出學生在實驗活動中對圖表、實驗步驟、實驗內容等的語言描述往往比實驗結果更重要。學生參與討論和表現的過程也是教師評價學生的一個方面。

五、思考與啟示

21世紀標志著人類社會進入了一個以信息、智力資源為重要因素的社會經濟文化時代。培養公民的科學素養主要不在于增加其知識和信息的容量， 更重要的是培養科學思維的方法以及獲取知識、信息并利用它們發現、分析和解決問題的能力。正如著名的物理學家愛因斯坦在1939年對于物理學的發展論述道：科學不只是定律的收集和事實的羅列，它更是人類智慧伴隨著各種新思想和新概念的創造與結晶。物理學理論試圖描繪現實世界，并將其與廣袤的直覺世界聯系起來。

美國中學物理實驗在目的、過程、方案、內容和評價等方面所表現的特點，反映了國際上對物理實驗教學改革的新思路。這種新的發展趨勢啟示我們應該重新認識和挖掘中學物理實驗的教學功能，并且在物理課程標準的指導下，設計與課程的三維目標和科學探究內容有機結合的中學物理實驗，從而使物理教材的編寫和課程的實施能夠更好地體現和貫徹標準的精神。

［1］美國國家研究理事會.國家科學教育標準［S］.戢守志，金慶和，等，譯.北京：科學技術文獻出版社，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 17 Colt Court Ronkonkoma NY11779，2003.