四个版次美国教材《物理：原理与问题》习题的设置与变化——以热学部分为例

苏沁源 陆建隆

(南京师范大学教师教育学院，江苏 南京 210046)

教材习题的设置代表着编者对于学生能力发展的期望，在很大程度上影响着学习者学习物理的兴趣以及学习目标的达成。《物理：原理与问题》(Physics: Principles and Problems)是由保罗·齐策维茨编著，于1999年第一次被翻译为中文版，被国内物理教育研究者所重视，其在美国《国家科学课程标准》《新一代K-12科学教育标准》的引领下分别于2005年、2013年、2017年进行了修订。该教材为美国主流高中物理教材，倡导科学知识的应用，与社会发展紧密结合，从多角度培养学生发散性思维能力，在习题设置方面存在诸多特点，可为我国高中物理教材习题编制以及作业设计提供借鉴和参考。

1 四个版次《物理：原理与问题》的习题结构

《物理：原理与问题》全书一共30章，习题由每一小节的“练一练”“小节复习”以及每一章节最后的“测评”“标准化测试”构成，对于教材的每一知识点都会配备相应的习题，以强化学生对所学的物理概念、规律的理解，引导学生对所学知识进行系统整合。从2005年起该教材增加了“标准化测试”栏目，“标准化测试”栏目旨在考查学生对这一章知识点的掌握情况，在热学部分设置为9道选择题和1道论述题。对该教材的2013年版、2017年版进行比较时，可以看出热学部分习题变化非常小，仅在2017年版“日积月累”中增添了两道习题。

笔者对四个版次《物理：原理与问题》第十二章《热能》习题结构进行了统计分析，习题类型及数量如表1，从中可以窥见该教材在近二十年习题的变化。

表1

《物理：原理与问题》重视习题构建的层次性，在1999年版教材中编者将章节习题划分为“水平1”“水平2”两个层次，在2005年版教材中改为更为明确的水平层次：理解概念、解决问题、应用概念、复习提高、批判性思维、科技写作、日积月累等。通过对习题的归类，学习者也能够通过不同层次习题的完成情况评估自己的学业水平层次。

2 四个版次《物理：原理与问题》的习题特色与变化分析

2.1 习题数量

以第十二章《热能》为例，在1999年版教材中习题数量较少，共设置了58道题，在2005年版、2013年版、2017年版教材中分别有92、95、97道题。通过对比我们可以看出《物理：原理与问题》在教材修订过程中增加了习题数量，更加注重知识的内化与应用。

2.2 习题情境

1999年版《物理：原理与问题》中的习题大多为数值计算，以第十二章《热能》为例，在所有52道习题中约有70%的习题仅仅是列式计算，包括温度大小的比较、比热容和汽化热等的计算，其余的则是现象解释类习题，更多的是考查学习者的数学运算能力，并不能够促进学习者将知识灵活应用。此后编写者显然注意到了这一点，通过两次的修订，习题内容的调整十分明显。

首先是习题的情境化更为突出，其中含情境的习题数占总习题数的比例从27.59%增至44.33%，可见教材编者注重将知识应用于生活之中，以真实生活情境作为习题背景，将“物理在你身边”的特点更好地寓于习题之中，以第十二章《热能》的习题为例，统计情况如表2所示。

表2

从表2我们可以清楚地看到，该教材编写团队在改编教材的过程中对于习题情境的创设十分重视，通过情境的设置有效优化习题，而生活实践情境能够较好地引导学习者通过真实的情境对自己所学知识进行系统的梳理，而学习探索情境则强调学习者对物理探究的体验。

2.3 习题的开放性

物理开放性习题具有命题开放、答案多元的特征，其不仅仅是对学习者基础知识的考查，更关注对学习者学科素养的考查。开放性习题往往无法直接运用公式、原理、规律进行求解，而是需要从多个层面、多种维度寻找问题解决的途径。

以第十三章《物态》为例，1999年版《物理：原理与问题》中的习题主要是由数值计算题以及现象解释题构成，其答案为一个具体数值或是一句话，可以看出当时教材的习题更多的是考查学习者的知识与技能。这种以知识立意为主的习题编写策略在后续的教材编写中被打破，编者在将原有计算题保留的同时，新增了开放性习题，其中在每一小节中都会出现“理性思维”“批判性思维”导向的习题，在每一章“测评”栏目中都新增了“问题解决”版块，引入真实情境，很多题目的答案不唯一，言之有理即可，这种习题更能激活学习者的思维，提高学习者的元认知水平。

在《物理：原理与问题》习题设计中令人眼前一亮的开放性习题来自“科技写作”版块，这类题目不局限于教材内容，给学习者布置一个小课题，学习者需要进行专题调研，通过查阅文献来了解这方面的知识，例如“研究盖-吕萨克对气体定律的贡献，他对水的分子式的发现做出了什么贡献？”这道题目已经不仅仅局限于热学知识，而是要求学习者对物理学家进行全面的了解，通过物理学史的调研，充分调动学习者的积极性，引导学习者去感受科学家锲而不舍的精神。“科技写作”类习题的推广表明，教材编写团队在强调知识立意的同时，更加关注素养立意，引导中学生进行科研训练，养成良好的科学态度与社会责任感。

2.4 含有非连续性文本的习题

非连续性文本是相对于句子和段落组成的连续性文本而言的阅读材料，多以图片、表格、插图等形式呈现，能够更直观简明地将知识点高度概括，并让学习者感到浅显易懂，引导学习者从原有经验出发建构知识体系，符合建构主义学习理论的要求。

在《物理：原理与问题》教材二十余年发展历程中，重视非连续性文本在习题中的应用，以第十三章《物态》为例，在1999年版教材习题中非连续性文本仅有两幅图片，绝大部分习题是以纯文字的形式呈现的，而在2005年版教材中非连续性文本的数量开始增多，并在每一次教材修订的过程中都会新增非连续性文本，在1999年版、2005年版、2013年版、2017年版教材中含非连续性文本习题占总习题的比例分别为3.57%、9.57%、25.26%、25.77%，更加关注通过图表来传递习题信息，有利于学习者在学习过程中把握重点，在物理问题解决过程中突破困惑。此外，在教材习题的非连续性文本选择上倾向于将示意图改为实物照片，创设真实的情境，引领学习者将所学知识回归于生活、应用于生活。

3 启示

教材作为物理教学最为重要的资源，高质量的教材习题能够给教师创造更大的教学空间，有利于教师个性化教学，也能更好地给学习者提供更多的锻炼机会，提升核心素养，发挥育人功能。

3.1 显化习题测评导向，促进学生知识能力进阶

以人教版高中物理选择性必修第三册中热学部分为例，教材中的习题分布在每一节的“思考与讨论”“练习与应用”以及每一章后的“复习与提高”中，其中“复习与提高”分为A、B两组练习题，体现了难度的分层，对标于美国教材中的“标准化测试”，但不足的是并没有明确习题的指向性，在《物理：原理与问题》习题中赋予每一组习题以一个关键词，如“理解概念”“解决问题”等，在一定程度上帮助学生和教师明确习题的指向，能够让学生在解答习题的过程中明确自己所学的内容属于哪一个知识点，学习达到了哪一个层次。

在人教版教科书中的习题均以现象解释和数值计算的形式呈现，同时在题型设置方面问答题和计算题占了较大比例，很少出现选择题和实验题。在教材习题类型设置上，我国教材可以借鉴美国教材的做法，编入选择题、作图题、辨析题等，让学生从不同的角度运用知识，加深学生对于知识的理解。美国教材的“日积月累”版块会出现本章内容与之前几章内容相结合的习题，这对于学习者来说是一个综合锻炼的机会，强调温故知新，在我国教材习题设置中也可以进行尝试。

3.2 强化习题情境的真实性，从习题解答走向问题解决

物理习题情境强调以真实情境为载体进行设计，强调学生应在真实情境中提取、处理信息，是培养学生综合能力的重要环节。因此在教材习题设置中我们也应当重视习题情境的创设，其中非连续性文本的选择应当来源于生活，比如在验证玻意耳定律实验过程中，我们可以借助数字化实验装置进行p-V图像的绘制，将得到的曲线作为题干中的非连续性文本，引导学生进行信息提取和处理。再如在“用油膜法估测油酸分子大小”实验中拍摄真实的实验图片，让学生在题目中通过图片估读出油膜面积。通过真实情境的创设，能让真正理解物理原理、亲自完成过实验的学生更加得心应手。

教材习题的情境应当来源于生活，生活实践情境这在热学模块中尤为重要，美国教育家布鲁姆曾说：学习的最大动力，来源于对学习材料的兴趣。取材于生活的实际问题让学生更感亲切，学生学习的积极性也会更加高涨。

3.3 探索开放性习题的编制，培养学生高阶思维和创新能力

开放性习题在我国物理教材中出现较少，不同版次美国教材中开放性习题数量的增加，表明学习者能够从开放性问题解决中得到收获，“科技写作”类型的习题在我国高中物理教材中几乎为空白。这类题目对于学习者来说是一个很好的锻炼，能够让学生亲身体会调查研究的全过程，也很有可能成为学生科研道路上的初体验，如果我国教材能够引入“科技写作”类习题，并要求学生在完成调研后在班级上进行汇报，可促进学生对知识的深度理解，同时提升学生的口头和书面表达能力。

物理作为一门强调理论与实践相结合的学科，在开放性实验探究方面具有很大空间，可以确定课题让学生分组进行完整的开放性实验探究，从实验原理、实验仪器、实验步骤到数据的采集与处理都交给学生自主完成，充分体现课题的开放性，也是对学生动作技能、实际操作进行考核的重要途径。这类习题已经不再局限于教材，要求突破惯性思维，设计多种评价方式，注重培养学生的合作探究能力，有效地体现开放性物理习题的育人功能。