本文發表在《物理與工程》2017年第3期，作者為荊楚理工學院數理學院的熊澤本和復旦大學物理學系的馬世紅。
基礎物理實驗是其他專業實驗和科學研究的基礎，是培養學生科學素養可持續發展的重要手段和核心課程之一。教科書作為實施教學內容的文字載體和學生最主要的文本參考資料，其在物理實驗教學中的重要作用和地位毋庸置疑，它是聯接從課程教學基本要求、教學目標、教學任務到基層具體教學實踐的橋梁和紐帶。
1 中美教材基本情況
為了促進實驗教學全面改革與發展，提高實驗教學質量，隨著國家級、省級物理實驗教學示範中心建設的全面開展，作為示範中心建設目標之一的實驗教材建設也取得了豐碩的成果，一批體現實驗教學改革成果、涵蓋新技術、新方法，各具特色而自成體系的基礎物理實驗教材陸續出版，本文選擇的中國教材樣本是由北京大學呂斯驊、段家忯、張朝暉主編的《新編基礎物理實驗（2版）》和復旦大學沈元華、陸申龍主編的《基礎物理實驗》[1,2]，前者是高等學校物理實驗教學示範中心系列教材，「十二五」普通高等教育本科國家級規劃教材；後者是「十五」國家級規劃教材和「面向21世紀課程教材」。教材由身處物理實驗教學一線多年，具有豐富教學經驗和科研背景的國家級物理實驗教學示範中心的教師集體編寫的，教材體現了兩所學校物理教學示範中心多年實驗教學改革的集體智慧，融合進了近十幾年教學改革的最新成果，滲透了物理學部分前沿專題和最新研究成果，充滿了時代氣息。
美國高等教育是一個發達的、全球領先的、多層次的人才培養體系。哈佛大學是全美乃至全球綜合實力名列前茅的頂尖高校，是美國最早的4所「常春藤盟校」（Ivy League）之一。與美國大部分高校一樣，哈佛大學和俄亥俄州立大學都沒有正式出版的基礎物理實驗教材[3-5] ，他們基本上採用自編的實驗講義，稱為「Worksheets」或「Lab manuals」，實驗講義由參與實驗教學的教授和指導教師編寫完成，講義根據需要每年不斷地進行修改、補充。每學期開學初，由實驗室列印好相應實驗項目指導書，裝訂成冊後供學生購買使用。本文選擇的哈佛大學和俄亥俄州立大學「基礎物理實驗教材」正是通過收集整理他們多年沿用至今的較為完整的實驗講義，整理後，等同為美國版「基礎物理實驗教科書」文本（以下敘述中，仍稱為「教科書」）[6,7] 。
2 教材基本內容及結構編排
2.1 教材基本內容
《新編基礎物理實驗（2版）》是北京大學基礎物理實驗中心多年教學改革成果之一，體現了該校「加強基礎、循序漸進、因材施教、全面提高」的改革思路，實驗教學內容融入了近代物理部分內容和現代實驗技術以及部分科研成果，構建了「強基礎、高起點、多層次、綜合性和研究性」的全新課程體系[1] 。教材分成「預科實驗」「基礎實驗—Ⅰ」「基礎實驗—Ⅱ」3個部分。第一部分6個「預科實驗」，主要是基礎物理實驗中涉及力學、熱學、電學、光學基本儀器的使用、基本測量方法的介紹；第二部分「基礎實驗—Ⅰ」共計16個實驗，主要包含常用實驗儀器，常用物理實驗方法，常用實驗操作技術和物理學基本概念等內容；第三部分「基礎實驗—Ⅱ」有18個實驗，包含最新科技成果、實驗技術和部分廣泛應用的近代物理實驗。全書突出「基礎」二字，不僅在全書實驗內容的分布上體現層次化，而且在具體每一個實驗的設計上也有不同要求：有說明步驟和方法的基礎性內容，也有需要自己搭建實驗平臺、自擬實驗步驟的設計性內容。在實驗教學目標、實驗教學內容的擬定上充分體現了階段性和靈活性，展現了「因材施教」的基本原則，體現了《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》的文件精神[8] 。
復旦大學基礎物理實驗除了包含力學、熱學、電磁學、光學部分非常經典而又重要的、普及性很廣的實驗，還包括6個廣泛應用的近代物理實驗，如X光技術、CT實驗、核磁共振等。並且教材還加入了16個趣味性很強的與日常生活緊密關聯的定性與半定量實驗。如「硬幣起飛」「碰撞打靶」「雷射監聽」等。每個實驗項目的要求不盡相同，一般包含「必做部分」和「選做部分」「必做部分」有比較詳細的實驗步驟與測量方法介紹；而「選做部分」則只提出實驗目標，需要自己搭建測量平臺，自己擬定實驗方法和實驗步驟。
哈佛大學面向物理類學生開設的基礎物理實驗課程稱為Physics 15A(力、熱)、Physics 15B（電、磁）Physics 15C（光學、波動）。其基礎物理指導書中每個實驗一般包含「Objective」「Introduction」「Procedure」「Method」「Background」「References」 6個部分。該校基礎物理實驗指導書有鮮明的個性特點：如不同的實驗其步驟設計不盡相同，有的有較詳實的步驟，有的是以多個問題設疑的方式代替步驟；實驗項目取材廣泛，實驗設計構思巧妙；教材提供資源豐富，知識和內容呈現立體化，匹配大量參考文獻；採用彩色配圖，圖表眾多且形象生動，版面設計輕鬆活潑。
俄亥俄州立大學基礎物理實驗課程分兩個學期開設，實驗項目內容涵蓋基礎物理學中常見的物理實驗。如「Conservation of Energy」「Magnetic Induction」「Light Interference」等。指導書中每個實驗一般包含「Material」「Note」「Activity」「Graded Activity」「Analysis」5個部分。該教材的突出特點是：實驗步驟「問題化」，即在「Activity」部分較多釆用引導性的提問來引領讀者圍繞課題進行發散性的、探索性的、有一定自主性的實驗研究。在一些容易出錯或較難的探究中給予一些提示，時刻提醒學生把自己的數據與觀察到的現象等與他人討論、分享、對比。教材特別重視實驗預習，在指導書中設立了「Group Work」，針對每個實驗的原理、實驗方法、數據處理等內容，設置了8~10個預習問題或討論內容，學生通過查找資料，自主學習物理概念、實驗原理、了解測量方法，初步計劃實驗步驟等。通過實驗問題的設置使學生帶著疑問和目標去預習，使預習更有目的性、方向性和針對性，提高了實驗預習效果（如圖1所示）。
圖1 「1-D Kinematics」實驗預習[7]
為了全面比較各校教科書在實驗項目設置以及圖表運用、思考題匹配和參考資料的使用方面的差異，列表對比如表1和表2所示。
2.2 教材基本內容對比
通過分析表1可知：從實驗項目的設置上看中國和美國兩套教科書在熱學、電磁學、光學部分內容的實驗數量所佔比例各自基本保持一致，教科書都不約而同地用一個實驗介紹誤差理論和數據處理在基礎物理學中的應用，並且在後續實驗中強調數據處理和誤差理論的應用，簡單，適用。軟體應用方面：哈佛大學實驗指導書用兩個實驗介紹了Matlab的數據處理、作圖、模擬仿真、矩陣、微分方程求解等功能。北京大學基礎物理實驗教科書則用一個實驗介紹了Lab VIEW虛擬仿真、數據採集、處理、作圖等功能。俄亥俄州立大學和復旦大學則介紹了LoggerPro在實驗中的應用。值得強調的是：在知識內容的選取範圍上，北京大學和復旦大學基礎物理實驗教科書實驗內容覆蓋範圍更廣，在力、熱、聲、電、磁、光學和近代物理中都有涉及，而哈佛大學和俄亥俄州立大學實驗項目內容集中在力、熱、電磁和光學4門學科。北京大學基礎物理實驗教科書選用了體現現代實驗技術和最新研究成果的10個近代物理實驗，復旦大學選擇了6個「普物化」[2]的近代物理實驗；而哈佛大學則沒有採用近代物理實驗內容，而是設置了19個「Short Project」實驗供學生選擇，如Eigenmodes of a Violin Body、Make a DPSS Laser、Sound 「holography」等，其難度比我國基礎物理實驗中綜合、設計性實驗難度要大。（哈佛大學2016年春季學期「Short Project」實驗項目見附錄）。
表1 教科書實驗項目統計 （個數、佔比）
注: 合計項為實驗項目總數。
從表2可以看出：中美兩國基礎物理實驗教科書都非常重視圖表的使用，但是對思考題和參考文獻的數量的配置則有明顯差別，美國兩套基礎物理實驗指導書中關於問題的設疑目的、數量、方式與國內教材明顯不同。中國兩套教科書中問題的設置往往放在每個實驗末尾，其目的是突出實驗的難點、重點內容，或者是引發讀者進一步的思考與探索。美國教科書中問題的設置貫穿每一個實驗的始終，設置疑問的目的是教科書開放式實驗步驟的突出體現，教科書中用設置一個接一個的問題來代替實驗步驟的文字描述，通過一系列的問題來引導讀者進行有目的的實驗探索與研究。
表2 教科書中圖表、思考題、參考文獻的使用情況
注: 平均值項為圖表、思考題、參考文獻均分到每個實驗項目的平均值。
3 中美教材各自的特色
通過以上分析，可以得到中國（北京大學和復旦大學）基礎物理實驗教科書主要特點是：
(1) 層次化的實驗教學內容體系。
(2) 教學內容覆蓋面非常廣泛。既有基礎、典型實驗，又有提高、現代科技內容實驗。
(3) 因材施教原則，每個實驗項目有2~3項擴展實驗內容，以適應不同層次，不同需求的學生。
(4) 開放的實驗教學內容。有固定步驟部分，也有自主設計實驗部分。
(5) 基礎物理實驗階段嵌入一些應用廣泛、日常生活中常見的近代物理實驗內容。
(6) 復旦大學《基礎物理實驗教材》設置了16個趣味性很強的定性與半定量實驗。
(7) 每個實驗系列提供一定數量的參考文獻。
(8) 教材體現一定深度和廣度。提供部分含物理學前沿專題和最新科技發展概況的參考資料。
美國（哈佛大學和俄亥俄州立大學）基礎物理實驗教科書基本特點是：
(1) 大部分實驗相對比較簡單，但是實驗內容來自生活，構思巧妙，實驗項目的選擇注意趣味性，注意提高學生學習動力。
(2) 用設置問題的方式來代替部分實驗步驟的文字說明，開放化的實驗教學體系。
(3) 彩色繪圖、圖表豐富、形象生動。如圖2、圖3。
圖2 Responses to Time Dependent Voltages [6]
圖3 Resistor Color Code [6]
(4) 哈佛大學教科書設置了「Home Work」實驗，鼓勵學生在課餘時間完成實驗。
(5) 大量補充、延伸與實驗內容相關的物理學前沿專題、相關領域研究最新進展的閱讀材料。
(6) 計算機採集實驗數據、計算機控制與應用在實驗中非常普遍。
(7) 哈佛大學教科書在普通物理實驗中開設「Short Project」實驗。
(8) 俄亥俄州立大學教材中實驗原理的開放和實驗預習問題的設置。
(9) 教科書強調學生注意實驗過程中的交流、表達，注意學生行為習慣的培養和情感態度的升華。
4 中美教材差異分析
中美兩套教科書在教學的設計理念與實踐、實驗項目取材和環境設置、以解決問題為手段的思維探究方式和以培養能力為主的學習觀等方面體現出各自不同的鮮明特色。具體對比分析如下：
4.1 指導教科書建設的綱領性文件的差異
教育部教指委組織編寫的《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》(簡稱《要求》)是基礎物理實驗課程建設和教科書建設的指導性文件。教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會2010年最新修訂的《要求》中關於物理實驗教學基本任務可分為「能力任務」和「情感任務」「能力任務」包括掌握實驗技能、實驗思想和實驗方法，培養科學思維和創新能力；「情感任務」包括培養科學作風、探索精神、團結合作意識與愛護財產等。教科書在安排相關實驗實現這些培養目標的時候是一種潛移默化的形成過程，「潤物於無聲處」，課程教學目標隱含在一個精心設計的實驗項目系列裡面，是一種「隱性」的能力培養和情感的構建。
在美國，指導本科物理實驗教學和教科書建設的是由AAPT(American Association of Physics Teachers)下的「The Laboratory Goals Subcommittee」制定的「AAPT Recommendations for the Undergraduate Physics Laboratory Curriculum」[9]。該文件中明確提出本科物理實驗教學目標是：「Constructing knowledge」「Modeling」「Designing Experiments」「Developing technical and practical laboratory skills」「Analyzing and visualizing data」「Communicating Physics」。因此，建模精神，設計實驗能力、運用知識解決實際問題的思想貫穿美國物理實驗教材的始終，實驗項目的設計與編排突出課程建設目標，是一種「顯性」的外露。
4.2 東西方認知思維方式的差異
多數學者認為：西方人的思維方式是邏輯思維或者分析思維，東方人特別是中國人的思維方式是辯證思維[10-12]。邏輯思維喜歡從一個整體中把事物分離出來，對事物的本質特性進行邏輯分析；而辯證思維追求折衷與和諧，認為任何事物都存在著適度的合理性。因此邏輯思維往往重視過程，而辯證思維為追求合理性往往更注重結果。這種思維慣性也體現在科學探究過程中，物理實驗過程就是發生在實驗室裡的科學探究過程，科學探究都是從問題開始的[13]。科學探究過程就是提出問題、研究問題、解決問題的過程。
中國教科書中基礎物理實驗探究一般不重視建模過程，其實驗探究的研究步驟是「提出問題—測量方法研究—測量步驟—數據分析—結果反思」。提出的研究對象往往是一個近似理想的物理模型，在研究過程中雖然也會考慮其他影響因子，但是在從觀察現象到物理模型的確定中間缺少了建模環節。在探究過程中更注重探究方法和知識的掌握和運用，實驗過程一般會強調實驗裝置的準確性，測量的合理性，關注實驗過程中的探究能力，而往往忽視了從現象到問題再到建模過程的初始階段的探究能力的培養。美國兩套基礎物理實驗教科書中部分實驗探究的一般過程是「物理現象—提出問題—假設猜想—建立模型—設計步驟—數據測量—分析、反思」，實驗往往從身邊現象開始，然後從中提煉和歸納出各種典型的物理模型，建模之後再猜想其影響要素，在提供實際條件的前提下，通過步驟賦予模型真實的數據，最後進行結果的評估。在實驗過程中不斷有問題提出，懷疑精神、創新精神貫穿始終。這種探究過程包含了認知過程的全部，特別是科學建模。
4.3 實驗探究過程中體現學習觀的不同
從表2可以看出，美國兩所大學物理實驗教科書中問題的個數和使用頻率遠大於中國兩套教材，且美國兩個實驗教科書樣本將問題貫穿於整個實驗過程中，通過設置體現研究過程的目的性的問題引導學生分析思考。「遇到問題不是找資料，而是做個實驗一探究竟」，[14]通過實驗提出問題，在實驗過程中學會用已掌握的知識和經驗來解決問題，強調研究過程。這是一種強調能力培養的學習觀。
而中國兩個物理實驗教科書樣本中問題主要以思考題的形式設置，在實驗過程中很少設置問題，大多是敘述性的語言描述實驗的內容及過程。在文字表述中表現為概念敘述嚴謹，語言精練。在實驗探究過程中往往突出知識的運用，在經歷實驗探索過程中學習新的知識與方法。這是一種以知識學習為中心的學習觀[15]。
4.4 教材開放形式有差異
創新能力的培養是基礎物理實驗能力培養目標之一[8]，按照布魯姆的教育目標分類方法[16]，創新處於學習目標的最頂端，其目標是為了完成某一任務，在基於一定準則的前提下提出相應假設，利用已知要素組成功能性的模型或結構整體。在物理實驗中，為了達到實驗目標和任務，運用已掌握的知識和經驗，自主搭建實驗平臺，自擬實驗步驟來實現實驗目標的過程就是創新性的學習過程。在基礎物理實驗階段，實現創新性學習的手段就是設置開放性的實驗體系。中美兩國各自兩套教科書都很重視實驗的開放性，也即實驗步驟留有一定「空白」，一些實驗需要學生自己擬定步驟，留出一定空間讓學生施展發散性思維，進行開創性、富於想像力的拓展[17]。但是中美各自兩套教材的開放形式不一樣，哈佛大學基礎物理實驗教科書中往往用一個接一個的問題來代替實驗步驟的文字表述，如「你認為……，為什麼？」，「會怎樣？」「會不會……？證明你的觀點」「解決這些問題，展示你的工作」。這種開放形式是利用一個個提示問題來引領學生，讓學生在問題的引導下進行自主探索、設計、推演。如「Falling-chain」「Chaos」「Air Drag and Fitting」等實驗。
北京大學和復旦大學基礎物理實驗教科書中開放實驗的設計方法是：「自己設計一個……的方案並實施它，畫出簡要的原理框圖，並簡要說明之，將結果與……方法測得結果進行比較」。如透鏡焦距測量實驗中，在介紹完用物像法、位移法測量透鏡焦距步驟以後，要求讀者用自準直法測量同一透鏡焦距，並與兩種方法進行比對。這種開放形式是以原有內容和方法為基礎，給出測量目標和框架，讓學生搭建平臺，自主設定步驟和方法的實施過程。
4.5 教材深度、廣度差異
中美兩國兩套教科書在教材立體化建設上面體現差異。北京大學和復旦大學基礎物理實驗每個實驗末尾會提供一定量的參考文獻，這些參考資料與教材自身屬性近似，更多是為了服務實驗自身的概念說明，佐證提出觀點的正確性而設置。而美國兩所大學基礎物理教科書為讀者提供了大量擴充的、引申的書籍、電子文獻、網頁連結等，這些參考文獻大多是與實驗內容相關聯的最新科技成果、相關專業前沿進展情況的科技報導等。這些資料給讀者提供了一個開闊的、發展的物理學研究空間，開拓了視野。
4.6 實驗環境設置差異
哈佛大學一些實驗設計體現了「原始物理實驗」的思想[18]，如「Eigenmodes of a Violin Body」「Sound of water drop」等。這些實驗試圖從真實的物理情景出發，經過建模後提升到相應的物理模型，保留了從「現象—問題—模型—原理」的一個完整的科學探究過程。中國兩所大學物理實驗教科書中大部分的探究內容都是過濾掉其他幹擾因素和影響後的精心設計的理想環境開始，這種設計的優點在於學生能更好更快地理清事物主要矛盾，抓住物理本質，更快更有效地學習物理知識和實驗方法。但是當面對相對複雜的環境時，在較多外部幹擾元素的影響下，學生有時候會不知所措，不能創造性地開展實驗探究。
4.7 實驗項目取材差異
哈佛大學和俄亥俄州立大學一些實驗項目的實驗器材生活化，如紙張、硬幣、普通直尺等，力求從身邊的學習、生活、娛樂中挖掘實驗素材，實驗項目生活化，但是構思巧妙。這些實驗會讓學生體會到試探、抽象化處理，定性分析與定量計算相結合的物理思想。如「The Op-amp: Applying It to Build a Radio」「Measuring the Wavelength of Light with a Ruler」等實驗。北京大學和復旦大學教科書中大多都是理想環境中的實驗，這些實驗沒有抽象化、近似化處理，沒有定性分析等物理思想。這些基礎物理實驗中基礎的、重要的、經典的實驗的開設對實驗操作技能的培訓，實驗方法的掌握、物理概念的理解和描述有良好的催化和促進作用。
4.8 排版、印刷風格差異
哈佛大學實驗教科書中匹配了大量彩色照片和插圖，有實物圖、原理圖、儀器結構圖、寫意的情境圖，甚至有誇張的漫畫配圖。印刷中有些文字為了提醒讀者注意，採用與周圍其他文字不一樣的字體排版，用其他顏色配色。這樣使得排版風格活潑、跳躍，生活化的圖片使人感到真實自然、有親切感。如圖4所示。中國兩所大學的實驗教科書樣本中配圖是黑白色，圖片一般是原理、結構簡圖。表現嚴謹，風格比較嚴肅。如圖5所示。
圖4 Mach-Zender Interferometer Overview [6]
圖5 邁克耳孫幹涉儀實驗原理圖[1]
5 總結和啟示
通過以上中美兩套教科書的對比，得到如下啟示：
(1) 針對不同的實驗項目設計不同的開放形式：可以是實驗原理的開放，讓學生自己去查找相關資料，自主學習研究目標；可以是實驗步驟的開放，把部分實驗步驟空出來，讓學生自己搭建實驗平臺，主動擬定相關步驟；也可是實驗方法的開放，在明確研究對象後，讓學生用不同的方法去實現研究目的。讓研究者在一個開放的、多樣化的環境中體驗實驗探索所帶來的樂趣，讓研究者在基礎物理實驗階段也能逐步提高發散思維能力，進行有創造性的實驗探索。
(2) 增設與生活、娛樂聯繫緊密的實驗內容，提高教科書實驗項目設計水平。讓實驗室研究最大限度地觸摸生活實際，提升研究者的探究熱情與興趣。
(3) 實驗研究過程注意建模環節的設置。通過設置一些合適的實驗項目，把研究對象還原到最初的原始環境當中，讓研究者親歷生活現象、物理問題、建立模型、設計實驗、實驗操作、數據記錄處理、結論反思這樣一個完整的研究過程。
(4) 提高教科書立體化建設。在信息化、大數據時代，海量的紙質、電子、網絡化資源為我們提供了多樣化的選擇。進一步提升實驗教材的深度和廣度，將有利於拓展實驗研究空間，開拓視野。
(5) 改變教科書排版、印刷風格，增設多樣化、多彩化實驗配圖。準確、生動的插圖的教學效果往往勝過長篇大論的文字敘述[13]。圖形、表格最能直觀、形象地描述物理現象，表徵物理原理，展示實驗儀器。與文字相比，它能更加生動、形象地展現物理學在解釋靈活多變的現實世界和精彩紛呈的物理現象中所起的巨大作用。圖文並茂、豐富多彩的版面設計使得教科書活潑、輕鬆、幽默，能增強讀者的好奇心，提高求知慾，使科學研究體現生活情趣，使學生感到親切，有助於科學情感的培養。
基礎物理實驗課程的基本任務是培養實驗技能，傳授實驗方法，提高實驗素養，更重要的是要培養科學思維能力、研究能力和創新能力。實驗教科書是承載這些任務的媒介，希望持續不斷的實驗教學改革能促進更多特點鮮明、風格多樣、體系完整的新教材的出現，為培養創新人才做出更大貢獻。
致謝： 感謝美國俄亥俄州立大學（OSU）物理學系包雷教授給予的幫助，以及相互間的交流與合作。
附錄： 哈佛大學2016年春季學期「Project」實驗項目
Lorentz Invariance (Michelson interferometer)\Sagnac Interferometer\Optical Tweezer Quantum Eraser\Quantum Bouncing Droplets\Eigenmodes of a Violin Body\Bowing a String Instrument
Ripple tank\Color Holography\Faraday instability\Rubens Tube\Optical Tweezer\
Holographic Optical Tweezer\Sound of water drop\Make a DPSS Laser\Sound 「holography」
Self-oscillation\Vortex shedding\Sound synthesis\Zeeman Effect
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引文格式: 熊澤本，馬世紅. 中美基礎物理實驗教科書的對比與啟示[J]. 物理與工程，2017，27（3）：10-17.
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