中美中学物理实验教学比较

一、美国中学物理教师对物理实验教学的重视问题

笔者之一曾在美国考察访问过八所中学，给笔者留下深刻印象的是：美国中学物理教师普遍很重视实验。他们一般都有自己的专用教室，各班学生轮流来上课。教室里四周靠墙的桌子上，常常摆了一圈演示实验仪器。教室旁边还有一间准备室，准备室里也放满了教师的各种教具与实验器材。这些演示教具和实验器材大多是教师自己设计制作的。许多自制的实验器材构思巧妙，结构简单，效果良好。例如，ＲＯＹＡＬ中学的贝克尔先生设计的将沉重的长方木从中点水平支起来，用塑料的高尔夫杆套经毛皮摩擦后吸引长方木一端使之水平旋转的静电实验；磁铁在竖直的铜管中缓缓下落的涡流阻尼实验，塑料瓶中装有界限明显的两色液体的模仿龙卷风的实验；数字显示不同物体的温度的实验等；ＶＡＮＮＵＹＳ中学的罗伯特先生用苹果和南瓜在教学楼顶上做的自由落体实验；自制木头飞机在铁丝上滑行投弹的平抛实验及“射击猴子”实验；ＳＡＮＦＥＲＮＡＮＤＯ中学的克朗代尔博士的水流反冲实验，用玩具枪在不同角度做的斜抛运动实验等。这些实验器材大部分是他们自己掏腰包购买材料，不惜时间精力制作起来的，表现了美国中学物理教师对实验的重视和敬业精神。他们通常一天５节课，另一节用于备课和批改作业等，天天如此，还有的周课时达到３０多节的。即便如此，他们也是想方设法设计各种教具及实验器材以改进教学。

值得一提的是“射击猴子”问题，这在中国的中学物理课本上也有：树上吊着一只猴子，有一管猎枪的枪口直接对准猴子，猎枪开火的一瞬间，猴子从树上掉下，问枪弹能否击中猴子。我国的有关报刊曾专门对此问题进行过讨论，稿件几乎全是从理论和计算方面来证明或是讨论的。而在美国，笔者先后四次看到不同的美国教师用实验回答这个问题。最精密的实验是加州洛杉矶大学（ＵＣＬＡ）的霍夫曼博士设计的用激光瞄准远距离射击，在猴子快要落地时命中的演示实验。最简单的实验是上面提到的罗伯特先生设计的实验：他用一根３米长的塑料管做为猎枪，用木头削制子弹，猴子用电磁铁吊在空中，电磁铁开关用一导线连至塑料管口。他从管子另一头瞄准猴子，用嘴使劲一吹，子弹飞出管口，断开电源，猴子落下，飞出的子弹恰好击中下落的猴子。如此简单的实验，就能得到良好效果。这一“射猴”例子生动地说明了美国中学物理教师对实验的重视程度。

美国教师认识到，实验教学比起直接讲述来，确实要花费更多的时间和精力，而且在得到结论方面常常反不如直接讲述来的简洁而明确。但物理科学是一门实验科学，学生从物理实验中所获得的感性认识，探索能力和动手技巧等，不是直接讲述所能给予的，而且物理实验在增加物理教学的趣味性方面，也有它不可替代的作用。所以，虽然在美国中学物理教材中一般并没有列举需要作什么样的物理实验，教学大纲上也没有规定这部分内容［１］，但美国中学物理教师普遍很重视实验，这已成为一种风气和共识。

二、关于物理实验的规范性及多样性

在我国比较正规的中学中，学生分组实验的规范性及实验条件的优越，显然是大部分美国中学所不及的。笔者曾看过他们的一份实验讲义，上面列举了七，八个实验，内容涉及力学，电磁学，声学，热学等多项内容，在实验的规范性及与教学内容的紧密配合方面，显然不如我们的学生分组实验。曾到中国中学访问过的美国教师对中国中学中实验设备的齐全、实验经费的充足感到十分羡慕。他们说：“中国的中学是很富裕的。”所以美国学生动手做实验的条件反而不及我国学生优越。我们应该重视我们在这一方面的长处，加强管理，提高仪器设备的利用率，充分挖掘实验仪器在培养学生能力方面的潜力。

但从另一方面说，仪器的缺乏也激发了美国中学师生在实验方面的创造性。如上所述，美国中学物理教师自制了大批的教具和实验器材，此外他们还领导学生搞各种各样的课外实验活动。例如，有一所学校的老师领着一个学生实验小组利用仪器接收从人造卫星上发来的信号，并以此验证相对论的理论。笔者曾参加洛杉矶１９９２年中学生发明竞赛的评判工作。他们中学生制作的各种各样的参赛展品摆满了一个体育馆的偌大一周圈门廊，充分显示了他们中学生课外实验活动的丰富多彩。笔者在美国参加过多次学术会议，其中教师以及学生演示他们设计制作的各种实验常常是会议的一项重要内容。

前两年，计算机在美国中学物理实验教学中已开始使用，但还不是那么普遍。在笔者访问过的八所美国中学中，有一所中学的物理教室中摆满了一周遭黑白屏幕的计算机，学生们正在上有关的课程。他们的课本就叫做“计算机模拟物理实验”［２］，目录如下：

实验一 统计规律

１．随机事件的分布 ２．分布的平均值和标准误差

实验二 抛体运动

１．平抛 ２．斜抛 ３．猎人和猴子。

实验三 非匀加速运动

１．空气阻尼 ２．谐振动 ３．非谐振动

实验四行星运动

１．环绕一个恒星运动 ２．环绕两个恒星运动

实验五波动

１．正弦波 ２．波的迭加 ３．驻波。

实验六电场

１．两个点电荷 ２．三个点电荷 ３．未知电荷。

与教材相适应有配套的软盘。学生当时正在津津有味地做着“猎人射击猴子”的模拟实验。由目录可知，这一教材是综合性的，并不直接配合某一部分物理教学内容，但部分弥补了他们学生分组实验内容的不足，同时也能使学生获得操作计算机的基本技能。此外，有些计算机模拟的物理实验也是用实物实验很难实现的，例如“行星运动”。所以，预计计算机模拟物理实验以后会有大的发展。

三、对我国中学物理实验教学中某些问题的反思

我们国家对中学物理实验已越来越重视，特别是在新版初中物理课本中实验的比重已大大增加。不少有识之士也通过各种途径强调中学物理实验的重要性。但是应该看到，我们国家在这方面的现状还是远不容乐观的，这集中表现在城乡中学在实验教学方面的极不平衡性和“应试教育”与“素质教育”观念的尖锐冲突。据我们对山东省各地区４０多所中学的抽样调查，在乡镇中学及部分县市中学中，完成课本上所要求的学生实验不足４０％的竟占到一半（５０％），完成书上要求的教师演示实验不足４０％的也占到将近１／３（３１％），甚至有相当一部分乡镇中学（７％）基本上一个学生实验不做。情况确实是令人吃惊的。那么这样教出的学生怎样解答高考试卷上的实验题呢？原来试卷上的仪器怎样连线，他们黑板上就怎样连线；试卷上怎样看刻度，他们黑板上就怎样看刻度。结果照样能应付高考。这就是所谓的“应试教育”。造成这种状况的原因是多方面的［３］。首先是乡镇中学经费紧张，仪器短缺。大部分乡镇中学的仪器配置达不到国家规定的三类标准。二是管理上的缺陷。许多乡镇中学缺乏合格的实验管理人员，造成仪器的完好率，利用率下降，直接影响了物理实验教学的进行。三是观念上的原因。

这一点也是最重要的和通过努力可以解决的。美国一般中学的实验经费和仪器配置相对说来也不比我们的乡镇中学好，但他们的物理实验却搞的有声有色，大批自制教具和实验器材在物理实验教学中发挥了主要作用。而我们的中学物理教师却较少有人在这方面下功夫。据我们的统计，一件教具没做过的物理教师，占到１４％，制作教具不足５件的，占到２／３以上。这里有教师自身的原因，也有领导上的导向及政策，环境，风气等方面的原因，而且后者是主要的。乡镇中学在我国的教育事业中占有很大的比重，解决他们在物理实验教学方面的问题是亟应受到重视的。还有一个值得提出的问题是电化教学的问题。这一问题也是曾到过中国的美国教师所最不能理解的。他们说：面对面地教不好吗，为什么非要隔上一层玻璃？他们所说的“中国的中学是很富裕的”在很大程度上也是指这个问题。虽然在美国，电视机相对来说是很便宜的，在旧货市场上甚至花１０美元就能买一台能看的彩色电视机，但在美国中学却很少看到什么电化教学或电教设备。而在我们这里，本已很缺的仪器中，电教设备又占了很大的比例。有的中学基本实验还做不全，上面却一下子拨来数万元用于购买电教设备，而且是专款专用，不准干别的。而据我们调查，像摄像机、录像机、电视机这类电教设备在中学物理教学中的利用率却几乎等于零。不仅乡镇中学，城市中学也一样，利用率都很低，这是极大的浪费。这个问题不仅在中学有，在大学也有，而且更为严重。有的大学统计了一下，电教设备资产的价值达５００万元以上，但其利用率却十分低下。我们建议一定要限制这种形式主义、华而不实的东西，把我们有限的经费用在刀刃上。计算机的利用率要高一些，但也只是相对而言，相当一部分很先进的计算机只当作打字机使用，其功能的开发连百分之一也不到。所以在当前人员素质不高，软件不丰富，不配套的情形下，计算机也不宜盲目大上，而是要把重点放在确保其利用率上。笔者认为，就目前情况看，还是把我们的钱用在最基本的教学需要上为好。