中日高中物理教材习题的比较研究——以“机械能及其守恒定律”章节为例

范 兵 蔡亚璇 曾 天

（湖北大学物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062）

日本的中小学教材是由其民间教材出版社进行编写和发行的，就其教材的选用而言，一般是由都道府县和市町村的教育委员会按一定程序选定该地区公立学校使用的教材，国立和私立学校由校长选定教材［1］.在日本被广泛使用的5个版本高中物理教材是由第一学习社、东京书籍、实教、数研和启林馆这5个出版社各自出版的，其教材的编写、审核和选用有相应的法规作保障.教材习题是巩固学生知识，培养学生问题解决能力的重要载体，本文通过对中日高中物理教材习题进行比较分析，可以给我国物理教材习题的编制提供一些参考.

1 研究对象

中方教材是由人民教育出版社于2019年出版的普通高中教科书《物理》，该套教材是目前中国最新、使用人数最多的教材（以下简称“人教版教材”），也是最能代表中国高中物理教材现阶段编写特点的.日方教材是由第一学习社株式会社于2019年出版的高中物理教材《物理基础》和《物理》（这里《物理基础》和《物理》类似于我国物理的必修和选修教材，以下简称“学习社教材”），主要的编写者有田村刚三郎等18人，该教材布局合理，插图丰富，是在日本被广泛使用的主流教材.本文选取“机械能及其守恒定律”这一章节，以人教版教材《物理》必修第二册第8章《机械能守恒定律》［2］和学习社教材《物理基础》第2单元的第1章《功与机械能》［3］为习题来源进行分析，其章节内容如表1所示.

表1 中日教材目录内容

2 中日教材习题比较

2.1 中日教材习题结构设置比较

从表2可以看出不论是人教版教材还是学习社教材，两者均在教材的节末和章末设置习题来加强学生对物理概念、规律和方法的熟悉理解，培养学生利用所学物理知识去解决实际问题的能力.人教版教材在其章末设置了A、B两组习题，其中A组习题设问较多，从多角度、多层次考查学生对本章知识的理解；而B组习题设问较少，着重考查学生对知识的灵活应用，并且B组习题的难度较于A组会更大.类似于人教版教材章末习题的设置情况，学习社教材也根据习题难度的不同设置了2种层次的题目，并且在习题的题号上标注“基础”或“一般”以示区别，同时还标注出习题考查的知识点，其中标注有“一般”的题目难度更大，对学生的综合能力要求更高.

表2 中日教材习题栏目设置

而对于节末习题，学习社教材设置了“问题”和“特讲”2个栏目，“问题”和人教版教材的“练习与应用”类似，在教材的每一小节中均有出现，但习题所在的位置有所不同，“练习与应用”出现在每一小节的节末，而“问题”则是出现在每一小节的具体小知识点的后面，遍布整个小节.此外学习社教材的“特讲”栏目只出现在部分小节的节末，类似于一种专栏训练，例如学习社教材“功与机械能”这一章中仅在第4小节“机械能”的节末设置了一个“特讲”——机械能计算公式的练习，该“特讲”的主要内容是先归纳出几种物体的运动模型，然后给出专门习题训练来强化学生对该节知识点的理解与应用.

2.2 中日教材习题分布与题量比较

为了保证统计数据的严谨，在统计过程中若一道题有多个小问则记为多题，其统计结果如表3所示.

表3 教材习题题量与题型分布统计

如表3所示，人教版教材的习题总量为68道，节末习题39道，平均每节7.8题；学习社教材的习题总量为41道，节末习题34道，平均每节8.5题.从题量上看，人教版教材的总习题量多于学习社教材，约为学习社教材的1.66倍；人教版教材的章末题量约为学习社教材的4倍，而两者的平均节末习题数量差别较小.从题型上看，人教版教材涉及计算题、简答题和证明推导题等6种题型，题型丰富，而学习社教材仅涉及计算题、证明推导题和判断题3种题型，题型类别少；但双方教材均表现出计算题这一习题类型在所有习题类型中占比最大，并且占比均超过70%，这说明计算题在教材习题中具有重要地位.

2.3 中日教材习题情境设置比较

所谓物理习题的情境即是围绕某一主题，通过文字、数据和图表等呈现的背景信息，设计物理问题或任务，为考査学生科学素养提供载体.本研究采用由比利时著名教育学家易克萨维耶·罗日叶（Xavier Roegiers）提出的情境类型学为理论基础［4］，该理论认为情境类型由辨别参数、内容参数和装扮参数三个维度构成，辨别参数是包括情境特征、作业回答类型及开放等级等要素的外在特征；内容参数是包括问题之间的关联性、问题与背景之间的关联以及认知要求等的内在特征；装扮参数包括与情境的呈现方式有关的感知情境的方式［5］，基于此在参考已有研究［6－7］的基础上结合本研究需要，构建了习题情境比较的分析框架来对教材习题进行比较分析，其框架如表4所示.

表4 教材习题情境分析框架

（1）辨别参数比较.

本研究中辨别参数由情境特征、作业回答类型及开放等级3个方面构成，它能够反映习题的情境化水平.由图1可知，在教材习题的情境特征来源方面，人教版教材和学习社教材均以“教材典型”为主要来源，并且占比均超过61%，而教材典型是指如滑块、轻弹簧和轻绳等典型理想化模型，这表明教材上的经典力学模型是习题主题特征的重要来源；并且人教版教材的习题情境特征来源更加丰富，除“教材典型”和“日常生活”外，还涉及“自然现象”和“科学前沿”方面的习题，这些情境特征丰富的习题有利于开拓学生视野，增长见识.

图1 情境特征来源比较

如图2所示，在作业回答类型上，2种教材的习题均以“提供解释”为主，占比均超过92%，并且人教版教材的习题对于“作业回答类型”的设置更加丰富，还有“绘制图表”这一类型的习题，占比约为1.5%，这类习题可以培养学生的观察能力和思维想象能力，有助于学生核心素养的发展.由图3可知，学习社教材习题的开放等级均是封闭的，而在人教版教材的习题中，开放等级为“封闭”的占比为89.7%，开放等级为“开放”的占比为10.3%，这说明人教版教材的习题在使用封闭性习题巩固学生的知识基础的同时，也设置了开放性的习题来活跃学生思维，培养学生的创新意识.

图2 作业回答类型的比较

图3 开放等级的比较

（2）内容参数比较.

内容参数是由问题与背景之间的关联、问题之间的关联性以及认知要求3个方面构成，是认知任务水平的重要表现.在问题与背景的关联方面，如图4所示，人教版教材和学习社教材的习题在问题与背景的关联上表现为“强相关”的占比分 别 为 73.5% 和87.8%，两 者 相 差 不大，这表明将问题融入到背景中有利于培养学生对问题进行分析处理、获取有用信息来解决问题综合能力.在问题之间的关联性方面，人教版教材的习题处于“后者基于前者”的占比为30.9%，高于学习社教材，这表明人教社教材的习题更加注重习题之间的层次递进，考查学生对复杂问题进行深入剖析的能力.

图4 问题与背景的关联的比较

如图6所示，对于习题所考查的认知要求的高低是以SOLO分类理论来进行分类的，把处于单点结构水平和多点结构水平的习题作为低阶水平类的题目，处于关联结构水平和拓展抽象水平的习题作为高阶水平类的题目.在习题的认知要求上，人教版教材习题处于“高阶水平”的占比为13.3%，高于学习社教材，而且在“低阶水平”的习题中，处于多点结构水平的人教版教材习题的占比也高于学习社教材；这表明人教版教材习题对学生解题所需的能力水平更高，从整体上看人教版教材习题的难度也高于学习社教材.

图5 问题之间的关联性的比较

图6 认知要求的比较

（3）装扮参数比较.

装扮参数主要通过情境呈现的方式来体现，它反映了试题情境的描述水平；通过文字、图片和图表等形式对习题进行呈现有利于增大习题信息的广度，培养学生能在不同信息表征的方式中进行数据攫取加工和运算推理的高阶思维能力.如图7所示，通过“文字＋图片/图表”的形式对习题情境进行呈现是2种教材的主流，其中人教版教材习题以此方式进行呈现的比例为51.4%，而学习社教材的占比更高，约为70.7%，更加注重通过以文字与图形的结合来呈现习题；但人教版教材对于情境呈现方式的种类更多，对于“文字＋图片＋图表”这类表征形式的运用也有所涉及.

图7 情境呈现方式的比较

3 总结与思考

3.1 中日教材习题特点总结

通过对中日双方高中物理典型教材的习题进行比较研究，发现我国人教版教材在《普通高中物理课程标准（2017年版）》的编写依据下，人教版教材的习题较于学习社教材在习题的数量、类型、情境特点等方面呈现出一定优势，其具体特点表现为：

（1）人教版教材习题具有题量大、题型丰富的特点，其中题型涵盖计算题、简答题和证明推导题等6类题型，并且计算题的占比最大，约为70.6%；而学习社教材习题具有题量小、题型单一的特点，其中仅涉及计算题和证明推导题2类题型，同样也是计算题的占比最大，约为80.5%.

（2）人教版教材习题具有情境丰富，开放程度高的特点，具体表现为习题的情境特征来源广，涉及“教材典型”、“日常生活”和“科技前沿”等4个类型的主题，提供较多的习题解答形式和开放的思考空间，比如有些题目是以“重力势能的减少略大于动能的增加量，你认为原因是什么？”这样的形式结尾的，增加了习题的灵活性；而学习社教材习题具有习题情境单一，开放程度低的特点，其中仅涉及2种类型情境主题，同时提供的习题解答的形式较为单一，习题设问只要求计算出结果，其开放拓展性较弱.

（3）人教版教材习题具有难度较大，重视知识的理解与应用的特点，而学习社教材习题难度较小，注重于基础知识的学习；同时人教版教材的习题对涉及的物理概念与规律的数目会更多，对学生的认知要求也更高些，这种中日之间的教材习题的难易特点在两国的高考物理试卷中也有延续.

3.2 思考与启示

根据上述研究与分析，有以下几点建议可为我国高中物理教材习题的编制提供参考：

（1）优化习题设置，开辟专栏训练.

设置适当数量的与我国相关的物理学史和科技前沿等情境主题的习题，来扩展学生的知识面、弘扬民族自豪感、促进人文素养与物理学科的融合；同时也可设置适当数量的作业回答类型为设计实验方案或绘制图表等开放性的习题来培养学生科学探究能力.此外在学习社教材《物理基础》共11章30节的全部内容中，在7个小节中设置了9个“特讲”作为专栏对波的叠加、力的合成分解与平衡等小节进行内容归纳总结和专题训练来强化学生对所学知识的理解和应用，因此我国的物理教材也可以适当设置一些专栏来对某些重点物理知识进行总结、拓展和训练，以此来提高学生对知识的综合应用能力.

（2）加强图表表征，注重情境设置.

习题表征是一种外部表征，通过借助各种表征方式来传递问题信息，学习者能够借助于习题的表征形式将习题所考查的内容与已有认知结合起来来解决问题，不同的表征形式对学习者的解题思维过程有着不同的影响.由图7的比较结果可知，物理教材习题主要通过文字表征或图表表征的形式来习题情境进行呈现，而图表表征可以更好地发挥其演示阐明作用，有助于学生对物理问题进行模型建构和科学推理，因此我国的物理教材可以适当提高通过图表表征来对习题进行呈现的比例，从而更好地促进学生科学思维的发展.

同时在习题情境的设置上，应该明确好情境的特征，减弱情境化命题带来的局限.罗日叶认为好情境应具备如下特征：一个真正的靶向情境；一个对学习有用的情境；一个激发学生动机的情境；一个可以实现的情境.［8］即好的情境与习题进行融入时要注重情境的新颖性，情境要传递积极的价值观、促进学生知识与能力的融合，要与教学目标相适应，要激发学生的学习兴趣等特征.通过好的情境化习题的设置，才能更好地培养学生的物理观念和科学态度，提高学生的科学探究能力，促进学生的全面发展.