核心素养视角下高中物理新旧教材习题的比较研究——以“运动和力的关系”章节为例

杨孝波 张 静

(长江大学物理与光电工程学院物理教育研究所,湖北 荆州 434023)

教材作为知识的主要载体,在学校教育中占据重要地位.对教材的分析、比较与反思是学科课程与教学论的重要研究领域,对课程教学具有巨大推动作用.例如美国21世纪初提出的“2061计划”中对科学教材的系统评估对近20年来的课程建设和课堂教学产生了巨大影响.[1]2018年1月,教育部正式印发《普通高中物理课程标准(2017年版)》,强调高中物理课程要从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任等方面提炼学科育人价值,充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用.[2]在新的课程标准指导下,高中新教材的编写开始启动,同时,教材的研究也受到教育各界的重视,先后设立了由教育部主导的课程教材研究所和由北京师范大学主办的教材研究院.

通过中国知网高级检索功能,在篇名中输入“高中物理教材”,检索到文献338篇,其中近5年(不包括2019年)文献151篇,占比44.7%.输入“高中物理教材”并含“习题”,检索到文献16篇,在高中物理教材研究中占比4.7%.高中物理教材研究在我国教育研究中逐渐成为热点,但对于教材中习题的独立研究比较缺乏.习题作为教材的重要组成部分,与正文内容紧密相关、互相依存,既是正文内容的延伸,也是体现课程目标和引导教学评价重要途径.[3]本文聚焦物理教材中的习题部分,在核心素养视角下采用内容分析法和比较研究法分析我国高中物理新旧教材的变化特点,以期为我国高中物理教材编写和使用提供借鉴参考.

1 教材介绍

旧教材是人民教育出版社2005年出版的普通高中课程标准实验教科书《物理》必修1(下文称“旧教材”),分析内容为第4章《牛顿运动定律》.新教材是人民教育出版社2019年出版的普通高中教科书《物理》必修第1册(下文称“新教材”),分析内容为第4章《运动和力的关系》.在章节安排上,此部分知识均设置在第4章,学生在学习本章前已经学习运动和力的相关知识,从章节标题看,新教材更好地体现了知识之间的联系,有助于学生对教材内容形成整体认识.在内容方面,新旧教材的章节组成也略有不同(见表1),新教材将“牛顿第三定律”这节内容设置在“相互作用”一章中,而牛顿第三定律研究的正是相互作用之间的规律,新教材更为突出章节内知识的统一性.

表1 新旧教材内容

2 新旧教材习题比较

2.1 教材习题结构

旧教材在节末设置的练习题用于巩固本节所学的概念、规律和方法(见表2).新教材在节末设置的练习题,不仅用于巩固所学的概念、规律和方法,而且更强调用物理知识解决实际问题.新教材在章末设置了针对全章内容的综合型练习题,分A、B两组,用于巩固及提高.A组相对容易,属于共同要求内容;B组相对难一些,属于选学内容,A、B组形式满足学生的差异化培养需求.

表2 新旧教材习题结构

2.2 题型分布及题量

为了便于统计,在统计过程中一道题若有多个小问记为多题,统计结果如表3.

表3 新旧教材题量对比

旧教材习题总量为32道,每节平均4.57题;新教材习题总量58道,其中节末习题34道,每节平均5.67题.新教材节末习题在总数量上与旧教材虽无明显变化,但每节的习题数量略有增加.两版教材都以计算题为主,简答题次之,选择题和填空题均未设置.在旧教材中,未设置实验探究题目,而新教材设置8道实验探究题.此外,新教材还增加了图像题和判断题.相对于旧教材,新教材习题类型更为丰富.

2.3 相同题

为了研究教材的继承性和延续性,比较分析了新旧教材中相同的习题.为了便于统计,统计过程中忽略衔接语及情境的影响,将题干、问题基本一致的题目视为相同题.如表4中两道题考察问题基本相同,视为相同题.

表4 新旧教材相同题

由于旧教材未设置章末习题,所以统计过程中只分析两本教材的节末习题.分析发现,新旧教材中有17道相同题,在节末习题中占比50%左右.其中完全相同的题目有7道,基本相同的题目有10道.相比于旧教材,新教材题目更加接近实际生活.例如在超重与失重内容中,两版教材均设置一道关于巨型娱乐器械体验超重与失重的题目,题干和问题基本一致,不同的是旧教材中假想某人在升降过程中手中托的是铅球,而新教材的情景是某人手中拿着手机,并配有体验该娱乐器械的真实照片.新教材的细微改变在于让习题更符合生活实际情况,在激发学生兴趣的同时,帮助学生用物理知识解决实际问题.

2.4 情境设置

创设情境指的是以现实存在的事物(如自然现象、日常生活等)为背景引出物理知识和问题.两版教材在习题中均创设大量情境(见表5).在节末习题中,旧教材创设情境的题目占比近60%,新教材中创设情境的题目占比超过2/3,新教材节末习题更加重视创设情境.新教材在章末习题中,创设情境的题目占比减少,题目更加注重对物理知识的综合运用.

表5 新旧教材创设情境题

情境素材的来源主要有自然现象、日常生活、科学技术和物理学史4类.通过分析两版教材节末习题,发现两版教材都主要以日常生活情境为背景(如图1),此类情境在新教材习题中占比更高.两版教材节末习题涉及科学技术的情境均有4题,且有3题为相同背景.此外,新教材还增加1道涉及物理学史的问题,背景为伽利略的理想斜面实验.

图1 情境素材来源

2.5 图像表征

教材中的图像表征可分为写实图、卡通图、示意图和图表4类.[4]旧教材习题部分总共有5幅图,新教材总共有19幅图,各类型图像表征类型见图2.新教材图像表征数量大幅增加,且类型更为丰富,其中示意图最多,占比47.4%.

图2 图像表征类型

图像表征的内容来源主要有概念规律、日常生活、探究活动、科学技术4类(见图3),相对于旧教材,新教材的图像表征来源更为广泛.旧教材图像表征来源为概念规律和日常生活,且数量较少.新教材图像表征来源最多的是概念规律,图像一般为解释受力情况的示意图.其次是探究活动,图像内容一般用于阐明实验装置和用图表展示实验数据.最少的是科学技术类,习题中只有一幅图用来展示民航客机的逃生设备.

图3 图像表征来源

2.6 问题设置

相比于旧教材,新教材在设置问题时强调解决问题的具体过程和注重寻找证据进行解释.多次出现“分析过程”、“为什么”、“请说明理由”以及“总结结论”等关键词,具体分析如表6.

表6 新教材问题设置

3 新教材习题特点——基于学科核心素养视角

3.1 创设情境促进学生形成物理观念和培养科学态度

在教学中,创设情境能让学生经历科学探究和思维加工,保证物理概念和规律的内化,形成学科的思想.[5]新教材通过创设大量情境推动学生思考问题、理解事物的本质,最终形成物理观念.例如,第6节习题创设蹦极运动的情境,熟悉的生活场景能激发学生思考问题,然后在解决问题的过程中重新理解超重与失重的概念,最后在物理概念和自身经验融合后重新认识蹦极运动.学生在这一过程中逐渐形成正确的物理观念.同时,创设情境使物理与生活建立联系,帮助学生解决实际生活问题和树立科学态度与责任,例如习题创设汽车安全行车距离的情境,能帮助学生形成安全出行的意识.

3.2 图像表征和问题设置促进学生科学思维的发展

维克托·李(Victor R. Lee)将教材中图像表征的功能分为演示功能(demonstrative function)、阐明功能(illustrative function)和解释功能(explanatory function).[6]有人物元素的图片发挥演示功能,展示实物、现象的图片发挥阐明功能,有示意符号的图片发挥解释功能.[7]新教材中示意图最多,注重利用解释功能帮助学生建构模型.例如新教材中关于采用动力学方法测量空间站质量的这道题,空间站和飞船都是学生在生活中难以触及的事物,仅在新闻报道或者科幻大片中有所接触,由于受到结构的影响,学生难以理解两者的连接状态.其次,不清楚推力是作用于两个物体还是一个物体.而示意图的使用正好可以去除无关因素,帮助学生建立空间站和飞船的连接模型(如图4),让学生更好地理解两者状态和受力情况,促进其建模能力的发展.

图4 空间站模型

同时,新教材习题在设置问题时注重引导学生按照自己的能力及思路,并结合已有信息展开推理.以及让学生利用证据对所研究的问题进行描述、判断或解释.以提升学生的科学推理和科学论证能力.新教材大量示意图的使用以及巧妙的问题设置能促进学生科学思维的发展.

3.3 增加实验题提升学生科学探究能力

科学探究作为高中课程目标的重要组成部分,在新教材习题中受到重视.新教材对科学探究的考察主要在于学生对实验原理的理解和得出实验结论.例如在章末习题A组第7题,这道题是探究加速度与力的关系,3个问题中一是让学生判断是否可以通过位移比较加速度的大小并说明理由;二是让学生通过分析实验数据得出结论并说出分析过程;三是让学生改进实验装置.题目设计首先由加速度与力的关系这个问题引出,接着说出自己的观点并进行解释,并通过实验数据证据证明结论.体现出科学探究中的问题、证据及解释要素.新教材注重在习题部分培养学生的科学探究能力.

4 总结与启示

从习题的数量和结构来看,新旧教材在节末习题数量上基本相同,最明显的变化在于新教材增加章末习题部分,与当前美国高中主流物理教材《Principles and Problems》的习题结构类似,A、B组习题与美国高中物理教材章末习题的测评和标准化测试两个部分相对应,新教材在编写过程中参考了当前教育发达国家的成熟经验.通过分析相同题发现,新教材习题是在旧教材的基础上,进一步提炼和升华,使之更加符合学生的认知特点和课程培养目标的要求.同时,相同题的设置也能让教师较快地完成新旧教材的过渡.

习题作为教材的重要组成部分,在考察知识点的同时,更重要的是把物理学科属性体现出来,突出教育的个体属性和社会属性.[8]新教材在习题部分设置大量情境、增加图像表征类型和数量、增加实验探究类题目以及在设置问题时侧重引导学生推理和论证,以促进学生学科核心素养的发展.