高中物理教材课后习题与课程标准的一致性研究——以“人教版”新教材为例

叶德伟 肖龙海

(1. 杭州市文晖中学,浙江 杭州 310005; 2. 浙江大学教育学院,浙江 杭州 310028)

课程标准是课程实施的指导性文件,也是教材编写的重要依据.2018年,教育部发布了经过修订的《普通高中物理课程标准(2017年版)》(下简称“物理课标”),其指出课程标准应“本着为编写教材服务、为教学服务、为考试评价服务的原则,突出课程标准的可操作性,切实加强对教材编写、教学实施、考试评价的指导”.[1]可以看出,物理课标是高中物理新教材编写、实施与评价的重要依据.课后习题是高中物理新教材的重要组成部分,是评价学生依托物理新教材进行学习后是否达成了物理课标所规定的学习目标的重要载体.为确保评价的准确性与有效性,我们有必要着手对高中物理新教材课后习题与物理课标的一致性进行研究,为物理新教材课后习题的编写提供有效的建议.

自物理课标发布后,各大出版社纷纷出版了高中物理新教材.其中,由人民教育出版社于2019年出版的新版物理教材——《普通高中教科书 物理》(下简称“人教版”)最具有代表性.因此,我们以人教版必修内容(共3册)课后习题为研究对象,分析物理新教材课后习题与物理课标的一致性.

1 研究方法

为客观判断人教版必修内容课后习题与物理课标的一致性,本研究采用由美国学者安德鲁·波特(Andrew Porter)和约翰·史密森(John Smithson)等学者共同开发的SEC一致性分析模式(Survey of Enacted Curriculum).该模式的基本框架是首先建立一个二维矩阵,接着通过波特(Porter)一致性公式计算两个维度的匹配程度,从而检验研究对象之间的一致性程度.

SEC一致性分析模式的运用主要围绕以下几个步骤展开: (1) 根据内容主题和认知水平要求建立编码框架;

(2) 对物理课标的内容主题与人教版必修内容课后习题进行编码,并将编码结果分别统计入两个二维矩阵中,为了更加科学地对两个矩阵的一致性进行比较,需要将编码结果进行“标准化”处理; (3) 利用Python软件计算出两个矩阵的一致性临界值; (4)通过Porter一致性公式计算出两个矩阵的一致性系数P,其公式可表示为

此处的n表示矩阵中的单元格数目,i表示其中某个特定的单元格,其数值是从1到n.Xi和Yi分别表示矩阵X和矩阵Y第i个单元格的数值.P的取值范围为0～1,P值越大则表明一致性程度越高,[2]P值超过一致性临界值则说明两个矩阵在统计学上保持一致.

2 研究框架

运用SEC一致性分析模式的基本框架,对人教版必修内容课后习题与物理课标之间的一致性进行分析.

2.1 编码框架的构建

编码框架根据内容主题和认知水平两个维度建构,形成“内容主题×认知水平”的二维矩阵.内容主题的划分主要依据物理课标进行,分为9个主题,分别是:必修1划分为“机械运动与物理模型”、“相互作用与运动定律”两个主题;必修2划分为“机械能及其守恒定律”、“曲线运动与万有引力定律”、“牛顿力学的局限性与相对论初步”3个主题;必修3划分为“静电场”、“电路及其应用”、“电磁场与电磁波初步”、“能源与可持续发展”4个主题.[1]认知水平的划分依据布卢姆教育目标分类学修订版,其将认知水平分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造六级水平.[3]

2.2 物理课标与人教版必修内容课后习题的编码及结果

用“9×6”的二维框架分别编码物理课标与人教版必修内容课后习题,分别代表9个内容主题和6个认知水平.物理课标编码的方法是先对各个主题进行编码,再将各主题中的每一条内容标准拆分为涉及单个知识点的具体内容标准,明确其认知水平并编码.对人教版必修内容课后习题编码的方法为分析每一道习题及其解答过程、明确考查的知识点及认知水平;接着,在物理课标的编码表中找到相对应的知识点,以对习题进行编码.

根据以上的二维框架和编码方法,经过多轮讨论、协商并结合专家意见,得到物理课标和人教版必修内容课后习题的编码结果.为了方便比较,对编码结果进行标准化处理,即将每个单元格中的数据除以对应表格中所有单元格数据之和,形成两个相对应的比率表,所有单元格数据之和为1,具体结果如表1和表2所示.

表1 物理课标编码结果比率表

表2 人教版必修内容课后习题编码结果比率表

续表

2.3 计算一致性临界值

在进行一致性比较前,需要计算出P值在什么范围内,才能说明两个矩阵在统计学上具有显著一致性.因此,我们在Python软件中,先利用random函数产生随机数,随机获得“9×6”的矩阵;再对其进行“标准化”处理,根据Porter一致性公式计算P值,得到20000个P值样本;随后利用numpy函数计算样本的均值、方差;最后作出正态分布图像,并利用SciPy科学计算库中的stats.norm.interval函数计算得到表示达到0.05显著性水平的参考值.

2.4 计算一致性系数

2.5 绘制曲面图和柱状图进一步进行分析

由于一致性系数P仅能描述物理课标与人教版必修内容课后习题之间总体的一致性情况,因此我们绘制曲面图和柱状图,进一步分析物理课标与人教版必修内容课后习题在内容上侧重于哪些主题、在认知上集中于哪些水平.

3 研究结果

3.1 一致性分析

利用Python软件进行计算发现,对于“9×6”的二维矩阵,为使其在0.05水平上达成显著一致性,其对应的一致性系数临界值P0=0.5914.接着,将物理课标与人教版必修内容课后习题的编码结果比率数据代入Porter一致性公式中,计算出物理课标与人教版必修内容课后习题之间的一致性系数为P=0.4948,小于临界值P0.因此,物理课标与人教版必修内容课后习题之间不存在统计学意义上显著的一致性.

3.2 曲面图分析

为进一步分析物理课标和人教版必修内容课后习题在内容主题和认知水平方面的侧重点,我们可以将表1和表2所示的比率数据呈现在曲面图上,两图的形状与颜色深浅分布越相似,说明两者的契合程度越高.具体如图1和图2所示.

图1 物理课标曲面图

图2 人教版必修内容课后习题曲面图

根据图1我们发现,物理课标有以下几块区域较为集中,分别是机械运动与物理模型主题的理解水平、相互作用与运动定律主题的记忆水平、曲线运动与万有引力定律主题的记忆水平、静电场主题的记忆水平、电磁场与电磁波初步主题的记忆水平以及能源与可持续发展主题的记忆水平.从图2可知,人教版必修内容课后习题有以下几块区域较为集中,分别是机械运动与物理模型主题的应用水平、相互作用与运动定律的应用水平、机械能及其守恒定律主题的应用水平、静电场的理解水平与应用水平、电路及其应用的应用水平.由上述曲面图可知,物理课标与人教版必修内容课后习题所重点关注的内容主题不同、认知水平也有较大的差异.

3.3 柱状图分析

为进一步定量比较物理课标与人教版必修内容课后习题在内容主题和认知水平上的吻合程度,建立如图3和图4所示的柱状图.

图3 内容主题比较柱状图

图4 认知水平比较柱状图

由图3可知,在物理课标中,相互作用与运动定律在所有主题中所占的比率最高;在人教版必修内容课后习题中,曲线运动与万有引力定律主题在所有主题中所占的比率最高.具体来看,人教版必修内容课后习题在相互作用与运动定律、机械能及其守恒定律、电路及其应用主题的比率值略高于物理课标,在机械运动与物理模型、曲线运动与万有引力定律和静电场主题的比率远高于物理课标.相反,人教版必修内容课后习题在牛顿力学的局限性与相对论初步、电磁场与电磁波初步和能源与可持续发展主题的比率远低于物理课标.

由图4可知,物理课标的认知水平以记忆为主(48.75%),人教版必修内容课后习题的认知水平以应用为主(50.35%).总体上看,人教版必修内容课后习题的认知水平高于物理课标.具体来看,物理课标记忆水平的比率远高于人教版必修内容课后习题;人教版必修内容课后习题应用水平的比率远高于物理课标;物理课标与人教版必修内容课后习题理解与分析水平的比率基本相同;人教版必修内容少量课后习题的认知水平达到了评价和创造水平,而物理课标并未达到该水平.

4 讨论与建议

4.1 完善课标要求——重视学生高阶认知水平的发展需求

物理课标规定了学生经过高中物理学习后应掌握的知识、发展的能力、内化的品格,是师生开展物理教学活动的方向标.在新课改背景下,物理课标的要求应指向学生物理学科核心素养的形成.研究发现,物理课标内容标准对学生的认知水平要求主要以低阶的记忆、理解和应用水平为主,仅有极少数涉及高阶的分析水平,对评价和创造水平更是没有涉及.以低阶认知水平为主的内容标准固然能够指向学生“双基”的牢固掌握,但学生物理学科核心素养的形成离不开分析、综合、辨别、判断、创造等高阶认知活动的开展.因此,物理课标可在满足学生低阶认知水平需求的前提下,进一步增加体现分析、评价和创造等高阶认知水平的内容标准,对学生开展高阶认知活动提出要求,促进学生物理学科核心素养的形成.

4.2 基于课标评价——设计符合物理课标要求的课后习题

课后习题是评价学生学习效果的重要载体,直接反映了学生的课堂学习效果.在以物理课标为指导的教学与评价体系下,高中物理教材课后习题应与物理课标保持一致.但研究结果表明,人教版必修内容课后习题与物理课标的一致性较低.为确保教材与课标具有良好的一致性,编者应在教材编写完成后对教材与物理课标的一致性进行分析,对与物理课标不一致的课后习题及时进行修订和调整,确保教材能够准确评价学生的学习是否符合物理课标的要求.当然,受到经济、文化、制度等因素的影响,不同省份学生的学习基础、学习能力也存在着较大的差异.在“一标多本”的新课改背景下,地方对于教材的编写具有一定的权利,在满足物理课标基本要求的前提下,地方编写的物理新教材可根据学生的学情、地方的文化、学业水平考试的要求适当调整课后习题的数量、难度、侧重点等.

4.3 丰富习题内容——提高课后习题内容主题的覆盖程度

物理学科核心素养的形成离不开学生对物理的全面认识.研究发现人教版必修内容课后习题忽视了牛顿力学的局限性与相对论初步、电磁场与电磁波初步、能源与可持续发展3个主题.牛顿力学的局限性与相对论初步主题的学习,不仅有利于学生时空观的更新,更有利于其认识到科学是由人类对自然界的层层深入探索而更新的;电磁场与电磁波初步主题的学习能够使学生认识到科学对技术的重要推动作用,体会科学技术对社会发展的重要影响;能源与可持续发展主题对于学生理解科学与环境之间的关系,了解科学对环境、能源等社会性问题解决以促进社会可持续发展的重要价值.无论是对学生科学本质观更新的作用,还是对学生理解科学、技术、社会、环境之间关系的价值,物理新教材课后习题都应增加对这些内容的考察.

4.4 面向全体学生——合理设计课后习题的认知水平梯度

物理必修新教材的使用者既包括选择物理作为高考科目的学生,也包括未选择物理作为高考科目、仅需要参加高中会考的学生,因此物理新教材课后习题的编写应面向全体学生,考虑不同学生的学习基础与需求.研究表明,人教版必修内容超过半数课后习题的认知水平为应用水平,注重对概念、规律的运用,仅有少数课后习题处于较低的记忆和理解认知水平、极少数课后习题处于较高的分析、评价与创造认知水平.显然,这样的设计未考虑不同基础学生的发展需求.为满足所有学生的学习需求,物理新教材在满足物理课标基本要求的前提下,应合理设计课后习题的认知水平梯度,并按照认知水平由低到高的顺序安排习题.这样既保证了不同学生按照其学习需求选择需要完成的课后习题,又为有更高学习需求的学生搭建了由易到难、由简到繁的学习支架.