中美中学理科教材比较研究援初中卷：实验深度与广度

中国教材追求深度而美国教材追求广度，这是人们对两国教材的一个基本认识。但是经过一系列教育改革，两国的教材稍稍地拉近了一些距离，尤其是中国教材，在广度上大大增加了。所以上述的观点现在看来有些太过绝对。不过在实验方面，还是略有体现。

上文中所述的“测量的技巧”这个实验课题，在中美教材中都继续衍生出了新的实验。

在上教版教材8年级第一学期学生活动卡“3d 解决问题”中，测量技巧被应用到了下一步的探究。

1.从下列问题中选取一两个问题解决，写出方法、步骤和结果，以及体会。

（1）给你一排订书钉、一枚大头针、一把刻度尺，测量每只订书钉的宽度；

（2）用天平测量一枚大头针的质量；

（3）用刻度尺测量教科书中一张纸的厚度；

（4）用刻度尺测量一根金属细线的直径。

2.从下列问题中选取一个问题加以解决，写出方法、步骤和结果。

（1）如何测量一大捆电线的长度？

（2）如何在全国地图（标有比例尺）上测量京-沪铁路线的长度？将测量结果跟《列车时刻表》上提供的数据作比较。

以上不论哪个问题都需要学生好好思考，利用课上所学，利用自己的发散性思维去设计实验，得到数据。这已经超出了单纯机械地测量长度、质量的范畴了。教师可以让学生分组讨论实验方案，集思广益之后，定下最具可操作性的实验步骤实施，最后可以利用前面所提到数据分析的方法来比较实验结果，讨论造成实验误差的原因等。短短几个小问题，很好地体现了中国教材中的“深度”。

而“质量估测和测量”同一实验课题，在美国教材中则有着完全不同的发展。美国教材的思路是：既然是在测量物体的基本物理属性，那么就多测一些不同的属性。所以，在测量了质量之后的实验课题是：测量液体体积；测量不规则固体体积；测量密度。测量了所有这些属性之后，再进一步通过实验比较不同液体的密度，并讨论不同密度液体的实际应用。

“探究杠杆平衡的条件”是个经典的力学实验，在中美教材中均有设计非常详细的实验。实验的初步设计，在两国的教材上几乎是完全一致的（除了所用实验器材略有不同）。

首先看上教版教材8年级第二学期学生活动卡“4.1b 学生实验：探究杠杆平衡的条件”：

实验目的：探究杠杆平衡的条件。

实验器材：带有刻度的杠杆、铁架台、测力计、钩码、线。

实验步骤：

1.把杠杆的中点支在铁架台上，调节杠杆两端的螺母，使杠杆在水平位置上保持平衡。

2.用线系着钩码，分别挂在杠杆的两侧，改变钩码的个数或在杠杆上的位置，使杠杆在水平位置上仍旧保持平衡。

把支点右侧的钩码作用于杠杆上的力（等于钩码所受重力）当做动力F1，把支点左侧的钩码作用于杠杆上的力作为阻力F2。记下动力F1、阻力F2、动力臂l1、阻力臂l2的数值。

3.改变力和力臂的数值，再做三次实验，将结果填入表2-4。

表2-4　实验数据

4.对表格中数据进行分析比较，可以得到的初步结论是_____________________________________________________________________________________________。

再来看看美国教材《Physical Science》中的杠杆相关实验。

实验手册和报告30 找杠杆的机械效益

实验过程：

1.根据实验数据填写以下表格（表2-5）。

表2-5　实验数据

(www.xing528.com)

2.用弹簧测力计测量一个200克的重物，记录它的重量（阻力）。

3.用橡皮筋将这个200克的重物绑在一根刻度尺零刻度的位置。

4.将一个支点放在刻度尺50厘米处。刻度尺上没有绑重物的那端应该超过实验操作台边缘。

5.用一个弹簧测力计缓慢下拉刻度尺100厘米一端，直到刻度尺水平。在弹簧测力计上读取你所用力的大小，将所用力的大小记录在表格中50厘米那一行的动力数据里。

6.记录阻力臂和动力臂数据。

7.将支点放在80厘米处和20厘米处，重复步骤3～5，记录数据。

由上可见两国有关杠杆平衡的实验设计得非常类似，区别在于美国教材的实验明确告诉了学生支点的若干不同位置，而中国教材中的实验只是说让学生改变力和力臂，并未明确指定一个变化的量。中国教材设计的实验给予了学生很多操作自由性，对学生的要求也更高一些。另一个好处在于，不给定量能够避免学生之间互相参考实验数据。美国教材的杠杆实验中则又重点巩固一个相关的知识点叫作“mechanical advantage”（机械效益），而中国物理学教学中并不引入“机械效益”这个概念。对于美国物理学教材中的“机械效益”这一概念，中国物理学教材中用“省力杠杆”和“费力杠杆”来作解释，比较直观，也好理解，但是不如用“机械效益”具体的数字来表示。两国实验设计都体现的一个特点：以实验操作来巩固所学知识。

再回到杠杆实验中，美国教材中的实验还是稍微拓展了一下，让学生自己设置变化量，并讨论分析变化量对简单杠杆的影响。

实验手册和报告30 找杠杆的机械效益

进一步探索

用一个不同质量的重物重复以上实验步骤。记录实验数据并讨论不同质量重物对杠杆机械效益的影响。

再来看中国教材设计的实验的深度发展，初步实验完成了一个“省力杠杆”的平衡，接下去是“费力杠杆”。详见上教版教材8年级第二学期学生活动卡“4.1b 学生实验：探究杠杆平衡的条件”：

5.把钩码用线系着挂在杠杆上，在同一侧用测力计竖直向上拉着杠杆，改变钩码个数或者测力计拉杠杆的位置，使杠杆在水平位置上仍旧保持平衡。把测力计挂钩的拉力当作动力F1，钩码作用于杠杆上的力当作阻力F2，改变力和力臂的数值再做一次实验。把两次实验的结果填入表2-6中。

表2-6　实验数据

对表格中的数据进行分析比较，可以得到的初步结论是 ______________________________________________________________________________________________。

综合上述实验可以初步得出，杠杆平衡的条件是____________________________。

在实验操作前，学生已经在课上学过“省力杠杆”和“费力杠杆”，现在通过实验数据得到了进一步的具体理解。而美国教材中的实验完全没有提过“机械效益”小于1的杠杆，会让学生有一种错误理解，以为杠杆唯一的作用就是“省力”，其实也有为了达到增加力的作用距离而故意使用费力杠杆的情况，比如划船的船桨等。

中国教材中的杠杆实验还有更加进一步的探究，当力的大小、力臂的大小（或者是支点位置）都改变过了之后，继续探讨一下力的方向改变对实验结果造成的影响，详见上教版8年级第二学期学生活动卡“4.1b 学生实验：探究杠杆平衡的条件”的进一步探究：

1.在学生实验“探究杠杆平衡的条件”步骤5中，沿不同方向拉测力计，使得杠杆仍旧处于水平平衡，观察测力计的示数，并将数据记录在表2-7中。

表2-7　实验数据

上述实验给你的启发是________________________________________________。

2.试用三角尺测量各次试验中拉力的力臂，进一步理解力臂的定义。

这个探究性实验对学生的要求就非常高了。因为8年级的物理学只是讲过同一直线上的二力平衡，现在实验要求用成角度的力，那么就要求学生对力的不同方向的分解有一些基本的了解，并且对“力臂必须是支点到动力作用线的直线距离”这一概念理解得非常透彻。同时，实验给出的角度都是数学里的特殊角度，那么要得到正确详尽的实验数据还要求学生有比较扎实的数学三角函数的功底。

最后，中国教材的杠杆实验还设计了非常有意思的一环，让学生动手做一个能够称一根头发丝质量的“小天平”，详见上教版8年级第二学期学生活动卡“4.1b 学生实验：探究杠杆平衡的条件”中的进一步探究：

能称一根头发丝质量的“小天平”

取一根细长的饮料吸管，在它的近左端处穿过一枚细缝衣针（注意缝衣针要穿在吸管的上部），并在左端插入一个小螺丝钉，右端朝上剪出一个小缺口。仔细调节小螺丝钉在吸管中的位置，使吸管在支架上保持水平平衡，这样一个简易的“小天平”就制成了。

在小螺丝钉上挂上一段小铜丝，另一端缺口处放上一根头发丝，调整头发丝的长度使小天平保持水平平衡。若小铜丝的质量已知，通过简单测量（用刻度尺）和计算，便可求出头发丝的质量。试一试，并说说其中的道理。

这是个很有启发性的实验设计，给了学生一个利用杠杆测量极小质量的例子，也让学生看到了杠杆除了省力之外的其他用途。而且，平时生活中不可能随时有钩码、铁架台之类的实验器材，这是一个如何使用日常用品自制小工具的很好的例子。除了测量头发的质量，学生课后还可以用自己做的小天平测量任何其他小质量的物品，这种成就感绝对会增加他们对物理学科的兴趣。

经典的杠杆实验，在中国的8年级物理学教材中得到了充分的拓展和探究。从最基本的动力和阻力的力和力臂的乘积相同保持杠杆平衡，到不同类型杠杆的探究，再到不垂直于杠杆的力的研究，最后上升到学生动手自制杠杆工具，完完全全地体现了中国物理学教学中对知识点的深刻探究的特点。