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中美中學(xué)物理實驗教學(xué)比較
一、美國中學(xué)物理教師對物理實驗教學(xué)的重視問題
筆者之一曾在美國考察訪問過八所中學(xué)，給筆者留下深刻印象的是：美國中學(xué)物理教師普遍很重視實驗。他們一般都有自己的專用教室，各班學(xué)生輪流來上課。教室里四周靠墻的桌子上，常常擺了一圈演示實驗儀器。教室旁邊還有一間準備室，準備室里也放滿了教師的各種教具與實驗器材。這些演示教具和實驗器材大多是教師自己設(shè)計制作的。許多自制的實驗器材構(gòu)思巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，效果良好。例如，ＲＯＹＡＬ中學(xué)的貝克爾先生設(shè)計的將沉重的長方木從中點水平支起來，用塑料的高爾夫桿套經(jīng)毛皮摩擦后吸引長方木一端使之水平旋轉(zhuǎn)的靜電實驗；磁鐵在豎直的銅管中緩緩下落的渦流阻尼實驗，塑料瓶中裝有界限明顯的兩色液體的模仿龍卷風(fēng)的實驗；數(shù)字顯示不同物體的溫度的實驗等；ＶＡＮＮＵＹＳ中學(xué)的羅伯特先生用蘋果和南瓜在教學(xué)樓頂上做的自由落體實驗；自制木頭飛機在鐵絲上滑行投彈的平拋實驗及“射擊猴子”實驗；ＳＡＮＦＥＲＮＡＮＤＯ中學(xué)的克朗代爾博士的水流反沖實驗，用玩具槍在不同角度做的斜拋運動實驗等。這些實驗器材大部分是他們自己掏腰包購買材料，不惜時間精力制作起來的，表現(xiàn)了美國中學(xué)物理教師對實驗的重視和敬業(yè)精神。他們通常一天５節(jié)課，另一節(jié)用于備課和批改作業(yè)等，天天如此，還有的周課時達到３０多節(jié)的。即便如此，他們也是想方設(shè)法設(shè)計各種教具及實驗器材以改進教學(xué)。
值得一提的是“射擊猴子”問題，這在中國的中學(xué)物理課本上也有：樹上吊著一只猴子，有一管獵槍的槍口直接對準猴子，獵槍開火的一瞬間，猴子從樹上掉下，問槍彈能否擊中猴子。我國的有關(guān)報刊曾專門對此問題進行過討論，稿件幾乎全是從理論和計算方面來證明或是討論的。而在美國，筆者先后四次看到不同的美國教師用實驗回答這個問題。最精密的實驗是加州洛杉磯大學(xué)（ＵＣＬＡ）的霍夫曼博士設(shè)計的用激光瞄準遠距離射擊，在猴子快要落地時命中的演示實驗。最簡單的實驗是上面提到的羅伯特先生設(shè)計的實驗：他用一根３米長的塑料管做為獵槍，用木頭削制子彈，猴子用電磁鐵吊在空中，電磁鐵開關(guān)用一導(dǎo)線連至塑料管口。他從管子另一頭瞄準猴子，用嘴使勁一吹，子彈飛出管口，斷開電源，猴子落下，飛出的子彈恰好擊中下落的猴子。如此簡單的實驗，就能得到良好效果。這一“射猴”例子生動地說明了美國中學(xué)物理教師對實驗的重視程度。
美國教師認識到，實驗教學(xué)比起直接講述來，確實要花費更多的時間和精力，而且在得到結(jié)論方面常常反不如直接講述來的簡潔而明確。但物理科學(xué)是一門實驗科學(xué)，學(xué)生從物理實驗中所獲得的感性認識，探索能力和動手技巧等，不是直接講述所能給予的，而且物理實驗在增加物理教學(xué)的趣味性方面，也有它不可替代的作用。所以，雖然在美國中學(xué)物理教材中一般并沒有列舉需要作什么樣的物理實驗，教學(xué)大綱上也沒有規(guī)定這部分內(nèi)容［１］，但美國中學(xué)物理教師普遍很重視實驗，這已成為一種風(fēng)氣和共識。
二、關(guān)于物理實驗的規(guī)范性及多樣性
在我國比較正規(guī)的中學(xué)中，學(xué)生分組實驗的規(guī)范性及實驗條件的優(yōu)越，顯然是大部分美國中學(xué)所不及的。筆者曾看過他們的一份實驗講義，上面列舉了七，八個實驗，內(nèi)容涉及力學(xué)，電磁學(xué)，聲學(xué)，熱學(xué)等多項內(nèi)容，在實驗的規(guī)范性及與教學(xué)內(nèi)容的緊密配合方面，顯然不如我們的學(xué)生分組實驗。曾到中國中學(xué)訪問過的美國教師對中國中學(xué)中實驗設(shè)備的齊全、實驗經(jīng)費的充足感到十分羨慕。他們說：“中國的中學(xué)是很富裕的。”所以美國學(xué)生動手做實驗的條件反而不及我國學(xué)生優(yōu)越。我們應(yīng)該重視我們在這一方面的長處，加強管理，提高儀器設(shè)備的利用率，充分挖掘?qū)嶒瀮x器在培養(yǎng)學(xué)生能力方面的潛力。
但從另一方面說，儀器的缺乏也激發(fā)了美國中學(xué)師生在實驗方面的創(chuàng)造性。如上所述，美國中學(xué)物理教師自制了大批的教具和實驗器材，此外他們還領(lǐng)導(dǎo)學(xué)生搞各種各樣的課外實驗活動。例如，有一所學(xué)校的老師領(lǐng)著一個學(xué)生實驗小組利用儀器接收從人造衛(wèi)星上發(fā)來的信號，并以此驗證相對論的理論。筆者曾參加洛杉磯１９９２年中學(xué)生發(fā)明競賽的評判工作。他們中學(xué)生制作的各種各樣的參賽展品擺滿了一個體育館的偌大一周圈門廊，充分顯示了他們中學(xué)生課外實驗活動的豐富多彩。筆者在美國參加過多次學(xué)術(shù)會議，其中教師以及學(xué)生演示他們設(shè)計制作的各種實驗常常是會議的一項重要內(nèi)容。
前兩年，計算機在美國中學(xué)物理實驗教學(xué)中已開始使用，但還不是那么普遍。在筆者訪問過的八所美國中學(xué)中，有一所中學(xué)的物理教室中擺滿了一周遭黑白屏幕的計算機，學(xué)生們正在上有關(guān)的課程。他們的課本就叫做“計算機模擬物理實驗”［２］，目錄如下：
實驗一 統(tǒng)計規(guī)律
１．隨機事件的分布 ２．分布的平均值和標準誤差
實驗二 拋體運動
１．平拋 ２．斜拋 ３．獵人和猴子。
實驗三 非勻加速運動
１．空氣阻尼 ２．諧振動 ３．非諧振動
實驗四行星運動
１．環(huán)繞一個恒星運動 ２．環(huán)繞兩個恒星運動
實驗五波動
１．正弦波 ２．波的迭加 ３．駐波。
實驗六電場
１．兩個點電荷 ２．三個點電荷 ３．未知電荷。
與教材相適應(yīng)有配套的軟盤。學(xué)生當(dāng)時正在津津有味地做著“獵人射擊猴子”的模擬實驗。由目錄可知，這一教材是綜合性的，并不直接配合某一部分物理教學(xué)內(nèi)容，但部分彌補了他們學(xué)生分組實驗內(nèi)容的不足，同時也能使學(xué)生獲得操作計算機的基本技能。此外，有些計算機模擬的物理實驗也是用實物實驗很難實現(xiàn)的，例如“行星運動”。所以，預(yù)計計算機模擬物理實驗以后會有大的發(fā)展。
三、對我國中學(xué)物理實驗教學(xué)中某些問題的反思
我們國家對中學(xué)物理實驗已越來越重視，特別是在新版初中物理課本中實驗的比重已大大增加。不少有識之士也通過各種途徑強調(diào)中學(xué)物理實驗的重要性。但是應(yīng)該看到，我們國家在這方面的現(xiàn)狀還是遠不容樂觀的，這集中表現(xiàn)在城鄉(xiāng)中學(xué)在實驗教學(xué)方面的極不平衡性和“應(yīng)試教育”與“素質(zhì)教育”觀念的尖銳沖突。據(jù)我們對山東省各地區(qū)４０多所中學(xué)的抽樣調(diào)查，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)及部分縣市中學(xué)中，完成課本上所要求的學(xué)生實驗不足４０％的竟占到一半（５０％），完成書上要求的教師演示實驗不足４０％的也占到將近１／３（３１％），甚至有相當(dāng)一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)（７％）基本上一個學(xué)生實驗不做。情況確實是令人吃驚的。那么這樣教出的學(xué)生怎樣解答高考試卷上的實驗題呢？原來試卷上的儀器怎樣連線，他們黑板上就怎樣連線；試卷上怎樣看刻度，他們黑板上就怎樣看刻度。結(jié)果照樣能應(yīng)付高考。這就是所謂的“應(yīng)試教育”。造成這種狀況的原因是多方面的［３］。首先是鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)經(jīng)費緊張，儀器短缺。大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)的儀器配置達不到國家規(guī)定的三類標準。二是管理上的缺陷。許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)缺乏合格的實驗管理人員，造成儀器的完好率，利用率下降，直接影響了物理實驗教學(xué)的進行。三是觀念上的原因。
這一點也是最重要的和通過努力可以解決的。美國一般中學(xué)的實驗經(jīng)費和儀器配置相對說來也不比我們的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)好，但他們的物理實驗卻搞的有聲有色，大批自制教具和實驗器材在物理實驗教學(xué)中發(fā)揮了主要作用。而我們的中學(xué)物理教師卻較少有人在這方面下功夫。據(jù)我們的統(tǒng)計，一件教具沒做過的物理教師，占到１４％，制作教具不足５件的，占到２／３以上。這里有教師自身的原因，也有領(lǐng)導(dǎo)上的導(dǎo)向及政策，環(huán)境，風(fēng)氣等方面的原因，而且后者是主要的。鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)在我國的教育事業(yè)中占有很大的比重，解決他們在物理實驗教學(xué)方面的問題是亟應(yīng)受到重視的。還有一個值得提出的問題是電化教學(xué)的問題。這一問題也是曾到過中國的美國教師所最不能理解的。他們說：面對面地教不好嗎，為什么非要隔上一層玻璃？他們所說的“中國的中學(xué)是很富裕的”在很大程度上也是指這個問題。雖然在美國，電視機相對來說是很便宜的，在舊貨市場上甚至花１０美元就能買一臺能看的彩色電視機，但在美國中學(xué)卻很少看到什么電化教學(xué)或電教設(shè)備。而在我們這里，本已很缺的儀器中，電教設(shè)備又占了很大的比例。有的中學(xué)基本實驗還做不全，上面卻一下子撥來數(shù)萬元用于購買電教設(shè)備，而且是�？顚Ｓ�，不準干別的。而據(jù)我們調(diào)查，像攝像機、錄像機、電視機這類電教設(shè)備在中學(xué)物理教學(xué)中的利用率卻幾乎等于零。不僅鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)，城市中學(xué)也一樣，利用率都很低，這是極大的浪費。這個問題不僅在中學(xué)有，在大學(xué)也有，而且更為嚴重。有的大學(xué)統(tǒng)計了一下，電教設(shè)備資產(chǎn)的價值達５００萬元以上，但其利用率卻十分低下。我們建議一定要限制這種形式主義、華而不實的東西，把我們有限的經(jīng)費用在刀刃上。計算機的利用率要高一些，但也只是相對而言，相當(dāng)一部分很先進的計算機只當(dāng)作打字機使用，其功能的開發(fā)連百分之一也不到。所以在當(dāng)前人員素質(zhì)不高，軟件不豐富，不配套的情形下，計算機也不宜盲目大上，而是要把重點放在確保其利用率上。筆者認為，就目前情況看，還是把我們的錢用在最基本的教學(xué)需要上為好。
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