高中物理教科书主题内容静态难度比较分析及启示

刘成欣　钱长炎　李林静

摘   要：“机械振动与机械波”在高中物理基础知识中属于难点内容，对5版高中物理教科书相关内容进行静态难度分析，有利于对教科书相应内容的理解。通过借鉴并改进已有的教科书内容静态难度分析方法，从知识、实验、习题和扩展维度对高中物理代表性教科书在该主题内容的静态难度进行比较分析。结果表明，该主题内容的相对难度为：教科版>沪科教版>鲁科版>人教版>粤教版。整体上，鲁科版难度合理;知识维度，鲁科版和教科版难度合理;实验维度，人教版和沪科教版难度合理;习题维度，鲁科版难度合理;扩展维度，鲁科版、粤教版和教科版难度合理。这些结果对高中物理教科书相应内容的修订以及教师教学都有参考意义。

关键词：静态难度;高中物理教科书;机械振动;机械波

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）6-0019-4

随着我国高中物理课程改革的不断推进，高中物理课程结构发生了改变。选择性必修课程难度问题引起了广大物理教育研究者和高中物理教师的高度关注。对5版高中物理教科书选择性必修模块相关主题内容的静态难度分析，既关乎到高中物理课程目标的实现，又对选择性必修课程内容的难度设置有所启发。

教科书的静态难度受广度与深度的影响。广度即教科书的容量，由教科书内容的数量所决定;深度即教科书的层次，由教科书内容的水平层次和数量共同决定。本文通过对“机械振动与机械波”主题内容的知识、实验、习题和扩展维度的广度与深度的量化比较，反映该主题内容的平均深度和难度，以期为教科书相应内容的修订和教学实施提供一些思路。

1    “機械振动与机械波”主题内容特点和要求

“机械振动与机械波”主题内容综合运用牛顿运动定律和机械能守恒知识，解决特殊运动及能量传播问题。该主题内容既是对必修课程知识的综合应用和提升，又与选择性必修课程知识相关联。根据课程标准对该主题内容的界定[1]，其内容结构如图1所示。

根据图1，该主题是从机械振动的两种运动形式和机械波的主要属性和现象来阐述相关内容。其中，课程标准对该主题内容具体知识认知水平的划分如表1所示。

由表1可知，该主题内容不仅需要结合实验认识简谐运动、受迫振动以及波动等日常生活难以被学生感知的现象，而且需要通过分析和推理掌握弹簧振子、单摆等简谐运动模型的本质特征，并且能够运用运动学、动力学以及机械能等相关知识对振动和波动的图像进行描述[2]。然而，各版教科书对该内容的编排与课程标准的要求有所差异，这是造成各版教科书难度不同的主要原因。其中，人民教育出版社出版的教科书[3]（以下简称人教版）注重学生认知发展规律，以较多的演示实验引导学生对知识的学习[4];山东科学技术出版社出版的教科书[5]（以下简称鲁科版）注重弹性，将提高性知识以扩展维度呈现出来，兼顾各种水平层次的学生;上海科技教育出版社出版的教科书[6]（以下简称沪科教版）注重探究，以实验探究为引领，将概念和规律的运用与实践相结合[7];广东教育出版社出版的教科书[8]（以下简称粤教版）注重基础，以概念和规律为学习的主要内容;教育科学出版社出版的教科书[9]（以下简称教科版）注重逻辑结构，概念与规律之间具有较强的关联性。

通过对5版高中物理教科书在该内容静态难度的比较分析，我们对这些教科书的特点将会有更为清晰的认识。

2    “机械振动与机械波”主题内容的静态难度比较分析

结合对课程标准以及5版高中物理教科书的研究，根据教科书难度分析方法，通过对该主题内容的知识、实验、习题和扩展维度以及整体进行静态难度分析，进而对教科书在该主题内容的编写提出建议。

2.1    静态难度分析方法的改进

关于物理教科书的难度分析已经有了相对合理的方法[10]，但教科书主题内容的难度分析需要在教科书难度分析的基础上，结合主题内容的特点与要求作出适当的改进，才能得出具有说服力的结果。图2为“机械振动与机械波”内容的静态难度分析方法。

首先，依据各个维度层次划分标准对该内容进行层次划分量化处理;其次，利用图2中的公式计算出知识、实验、习题和扩展维度的广度与深度（其中，广度为三个层次的广度之和，深度为各层次的深度值与广度的乘积之和），再根据四个维度的结果获得该主题内容整体的广度与深度;最后，利用平均深度和难度计算公式对各维度以及整体的难度进行分析。

考虑到习题的广度和深度远大于其他维度，对教科书的难度分析存在绝对影响，故有研究者提出排除习题维度对教科书的难度进行分析[11]。借鉴相关研究[12]，我们认为在习题维度前设置加权系数，既可以消除习题对教科书难度的绝对影响，又能够反映教科书的整体难度。因此，将整体难度的广度与深度计算改进为图2的最终形式（为了使习题维度的广度与深度和其他维度的广度与深度在同一度量，α一般取0.15～0.3，本文α取0.2）。

2.2    静态难度分析的结果

根据上述“机械振动与机械波”内容难度分析方法，对5版高中物理教科书在知识、实验、习题和扩展维度的难度分析结果如表2所示。

在知识维度方面，5版教科书的平均深度都较大，具有“窄而深”的取向，符合选择性必修课程的设置要求。其中，人教版和粤教版将知识划分得较细，知识与知识之间缺乏逻辑性和关联性;沪科教版对“惠更斯原理”等知识的要求脱离了课程标准，使其难度增加。教科书的编写在符合课程标准的基础上，应注意物理知识逻辑，帮助学生形成概念与概念之间的联系，促进物理知识体系的构建[13]。此维度，鲁科版和教科版难度合理。

在实验维度方面，5版教科书的平均深度均较小，演示实验较多，而缺乏探究性和验证性实验。其中，教科版将实验内容以单独板块呈现，使得实验与知识相脱离;鲁科版和粤教版的实验广度相对较低。教科书应均衡演示实验与探究实验的比重，凸显实验的引导性和启发性，从而提升学生的自主探究能力[14]。此维度，人教版和沪科教版难度合理。

在习题维度方面，5版教科书的广度、深度以及平均深度均较大，说明其克服了习题数量偏少、类型单一以及梯度设置不合理等问题[15]。其中，粤教版侧重于对知识的简单应用;人教版、沪科教版和教科版侧重于对知识的应用和思维能力的培养;鲁科版侧重于对合作能力与动手能力的培养。教科书的习题设计应在符合学生的学业水平要求的基础上，与高考的核心功能以及“四层”“四翼”的要求相契合[16]，通过层次性的设计改变教师以及学生对课外辅导资料的依赖[17]。此维度，鲁科版难度合理。

在扩展维度方面，5版教科书的广度、深度以及平均深度差异较大，说明教科书对扩展内容的范围理解不同。其中，人教版和沪科教版的扩展内容以开阔学生视野为主，多是对日常生活中的一些物理现象和物理规律应用的简单介绍;鲁科版、粤教版和教科版不仅仅是对物理现象的介绍，更关注与高中物理知识紧密相关的物理概念以及物理模型的建立，更注重培养学生科学思维与科学探究的能力。教科书的扩展应既与生活相切合，又要为学生补充较为复杂的物理模型。毕竟，能否提供多种阅读水平的读物，也是评判教科书的标准之一[18]。此维度，鲁科版、粤教版和教科版难度合理。

通过上述分析，不仅对5版教科书在该主题内容的特点有了清晰的认识，也凸显出对教科书整体的广度与深度分析方法改进的必要性。利用图2中的改进方法对该主题内容进行整体静态难度分析，结果如表3所示。

通过对5版教科书“机械振动与机械波”内容整体难度以及课程标准相应内容的要求的分析可知，人教版和粤教版较课程标准而言，难度偏低，其知识与知识之间的关联性较差，从而导致其平均深度较低;鲁科版较课程标准而言，难度合理;沪科教版和教科版较课程标准而言，难度偏高。教科书的编写应符合课程标准的要求，并且在不同程度上反映先进的课程理念，使其既符合科学性原则，又符合学生的发展需求[19]。

3    结论与启示

结合“机械振动与机械波”主题内容的要求和难度分析，5版教科书在该主题的相对难度为：教科版>沪科教版>鲁科版>人教版>粤教版。整体上，鲁科版难度合理;知识维度，鲁科版和教科版难度合理;实验维度，人教版和沪科教版难度合理;习题维度，鲁科版难度合理;扩展维度，鲁科版、粤教版和教科版难度合理。

由此可见，选择性必修课程的难度设置并不是越大越好。教科书的编写应结合课程标准的要求，从广度和深度两个方面以及知识、实验、习题和扩展四个维度综合考虑，以求得难度合理的课程内容;教师也应根据多个版本的教科书做到同课异构，使得教学内容的难度符合学生的认知水平。

虽然本文只涉及到“机械振动与机械波”主题内容静态难度的分析，但其对教科书整体难度以及动态难度的理解具有重要启发意义，对教师教学有参考意义。

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（栏目编辑    刘   荣）