張潤生 肖 洋 李德安 鄧浩儀 楊詩淇 熊雨山

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》注重發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，提倡創(chuàng)設(shè)情境培養(yǎng)學(xué)生對物理知識的整合與綜合分析能力.［1］教材作為直接的課程資源與高考命題素材的重要來源，所提供的情境與涉及的情境活動在教學(xué)與考試等方面具有重要研究價值.［2］而教育領(lǐng)域中規(guī)模最大的綜合性評估項目——PISA，其理念與新教材習(xí)題編制的要求不謀而合：強(qiáng)調(diào)考查學(xué)生的綜合性素養(yǎng)，認(rèn)為教育應(yīng)致力于提升學(xué)生在生活情境中運用知識和技能解決實際問題的能力.［3，4］因此，本文以PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架為基礎(chǔ)，對我國粵教版高中《物理》必修2新舊教材例題、習(xí)題的設(shè)置水平進(jìn)行研究，探討新舊教材習(xí)題設(shè)置特點的變化，為中學(xué)一線教師科學(xué)進(jìn)行習(xí)題教學(xué)提供參考.

1 研究框架

PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架如圖1所示，包括情境、能力、知識、態(tài)度4個部分.［5］根據(jù)與學(xué)生生活的遠(yuǎn)近程度，情境維度劃分為個人、地區(qū)/國家、全球3類.在此基礎(chǔ)上，本文還考慮到去情境化的習(xí)題，補(bǔ)充了無情境這一類別.能力維度具體劃分為科學(xué)地解釋現(xiàn)象、評估與設(shè)計科學(xué)探究、科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)3個方面.知識維度指問題解決過程中所涉及到的科學(xué)知識類型，即指向“是什么”的內(nèi)容性知識、指向“怎么做”的程序性知識、指向“為什么這樣做”的認(rèn)識論知識.態(tài)度維度包括了對科學(xué)的興趣等3個方面，往往需要結(jié)合問卷或答卷信息進(jìn)行分析，單從題目本身出發(fā)可能難以評定.因此，本文不將其納入分析框架.此外，PISA2015框架還借鑒韋伯的知識深度模型引入認(rèn)知需求維度.這與2017年版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中逐級進(jìn)展的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求相類似.結(jié)合兩者，本文從情境復(fù)雜度、思維加工深度、涉及的物理學(xué)知識綜合程度，將認(rèn)知需求分為“低、中、高”3個水平等級.此外，問題信息傳遞的表現(xiàn)形式（即語境表征維度）也是影響問題解決的重要因素，有學(xué)者將其劃分為純語言數(shù)字描述類（A類）、模型及數(shù)據(jù)圖表類（B類）.［6］這種劃分方式也被納入本文的分析要素.綜上所述，本文基于PISA和相關(guān)研究構(gòu)建的物理教材習(xí)題分析框架如表1所示，包括情境、語境表征、知識、能力、認(rèn)知需求5個維度，每個維度分別包括2-4個子類別.

圖1 PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架

在研究過程中，研究團(tuán)隊共同研讀分析框架并挑選出部分習(xí)題，根據(jù)框架對習(xí)題進(jìn)行試評并達(dá)成一致后，再對全部習(xí)題進(jìn)行分析，最終對仍然存在異議的習(xí)題進(jìn)行討論并得到一致的結(jié)果.最終，得到每道習(xí)題按照表1所示的基于分析框架構(gòu)建的編碼結(jié)果.

表1 物理教材習(xí)題分析框架

例如，圖2是新粵教版必修2第8頁的一道例題，對該題的編碼結(jié)果如下：（1）該題創(chuàng)造了“小船渡河”單一的生活情境；（2）語境表征為純語言數(shù)字描述類；（3）其模型是運動合成與分解的典型應(yīng)用，要求結(jié)合運動的獨立性原理繪制小船速度的合成示意圖，涉及學(xué)生內(nèi)容性知識的掌握及熟練運用程序性知識進(jìn)行自主探究，屬于認(rèn)識性知識；（4）需要信息獲取并進(jìn)行轉(zhuǎn)換加工，根據(jù)需求選擇小船合適的運動方向，從而求解小船渡河所用的時間和航程，能力涉及科學(xué)地解讀數(shù)據(jù)與證據(jù)；（5）問題由單一情境和綜合知識構(gòu)成，問題解決涉及多個步驟，對思維能力考查有一定難度，因此認(rèn)定為中水平認(rèn)知需求.經(jīng)過小組討論分析后，該習(xí)題在各維度的類型如表2所示.

圖2 新粵教版必修2“小船渡河”例題

表2 “小船過河”例題分析結(jié)果

2 研究結(jié)果

2.1 新教材習(xí)題情境更加關(guān)注個人、地區(qū)/國家

新舊教材在習(xí)題數(shù)量上相近，其習(xí)題情境類型的統(tǒng)計結(jié)果如表3所示.利用SPSS軟件進(jìn)行Pearson卡方檢驗，發(fā)現(xiàn)新舊教材習(xí)題關(guān)于情境類型分布的差異是顯著的［x2（3）=14.954，p=0.002］.為了更直觀地顯示分布差異，繪制如圖3所示直方圖.從總體上來看，舊教材無情境比例最多，情境化水平明顯低于新教材；新教材習(xí)題情境更加關(guān)注個人、地區(qū)/國家，其中個人情境比例最大.不同情境在促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成方面都有不同的關(guān)鍵作用，新教材相對而言更貼近學(xué)生生活，容易引起學(xué)生的情感共鳴，有利于學(xué)生提高為生活做準(zhǔn)備的素質(zhì)和解決生活中實際問題的能力，培養(yǎng)正確的價值觀和科學(xué)態(tài)度.

圖3 新舊教材習(xí)題情境的分布比重

表3 新舊教材習(xí)題情境分布統(tǒng)計

2.2 新教材習(xí)題語境表征更加平衡

經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)新舊教材習(xí)題語境的表征方式有顯著差異［x2（1）=26.172，p＜0.001］.由圖4可見，舊教材習(xí)題A類表征和B類表征的占比分別為75.82%和24.18%，習(xí)題表征方式以文字描述為主，模型、數(shù)據(jù)圖表、真實圖片較為缺乏，缺少生動性；新教材習(xí)題A類表征和B類表征的占比分別為42.96%和57.04%，表征方式更加平衡，突出問題的真實性，以幫助學(xué)生解決實際的問題.

圖4 新舊教材習(xí)題語境表征的分布比重

2.3 新舊教材習(xí)題知識維度的分布保持穩(wěn)定

經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)新舊教材中習(xí)題知識維度的分布無顯著差異［x2（2）=2.735，p=0.260］.通過圖5可知，新舊教材習(xí)題中內(nèi)容性知識占比在22%-25%之間，程序性知識占比在12%-22%之間，認(rèn)識性知識占比在64%-66%之間，分布比重維持穩(wěn)定.有學(xué)者利用該知識分類理論對新課標(biāo)要求掌握的知識點數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)必修2中內(nèi)容性知識、程序性知識和認(rèn)識性知識數(shù)量的分布比例近似滿足“2∶1∶2.5”，［7］與本文研究比例接近.不難發(fā)現(xiàn)，新舊教材習(xí)題均關(guān)注新課標(biāo)要求知識點的覆蓋，其中新教材習(xí)題除了注重對基本概念原理、知識本質(zhì)的理解和應(yīng)用外，還逐步加重了對解決程序性知識思維的考查.

圖5 新舊教材習(xí)題知識維度的分布比重

2.4 新教材習(xí)題增加對評估與設(shè)計科學(xué)探究能力的考查

經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)新舊教材中習(xí)題能力維度的分布存在顯著差異［x2（2）=13.848，p=0.001］.科學(xué)能力是學(xué)生經(jīng)歷物理學(xué)習(xí)過程后，內(nèi)化為自身科學(xué)素養(yǎng)的有效體現(xiàn)，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).［6］如圖6所示，從整體上來看，新舊教材習(xí)題中科學(xué)地解釋現(xiàn)象和科學(xué)地解讀數(shù)據(jù)與證據(jù)的頻數(shù)差異不大，評估與設(shè)計科學(xué)探究能力更多體現(xiàn)在實驗操作和作圖上，可能是受限于篇幅長度的原因，習(xí)題數(shù)量較少；相對而言，新教材關(guān)于評估與設(shè)計科學(xué)探究的習(xí)題數(shù)量明顯增加，更加注重對科學(xué)探究能力的考查，有利于學(xué)生科學(xué)探究精神的培養(yǎng).

圖6 新舊教材習(xí)題能力維度的分布比重

2.5 新教材習(xí)題增加對高水平認(rèn)知需求的考查

經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)新舊教材習(xí)題對認(rèn)知需求的考查有顯著差異［x2（2）=12.080，p=0.002］.如圖7所示，從總體上看，舊教材和新教材中的中水平認(rèn)知需求習(xí)題占比是最大，分別達(dá)到66.67%和57.04%，其次是低水平認(rèn)知需求，分別占比30.72%和29.58%，占比最低為高水平認(rèn)知需求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種類型的占比.這與近幾年全國物理高考試題的分布比例相近，［8］說明教材習(xí)題的設(shè)置關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知特點，不同層次的認(rèn)知需求有利于反映不同的能力水平，能夠起到檢驗和深化學(xué)習(xí)成效的重要作用.通過縱向分析發(fā)現(xiàn)，新教材明顯增加了高水平認(rèn)知需求的習(xí)題數(shù)量，從物理核心素養(yǎng)出發(fā)，增加了對物理觀念、知識本質(zhì)和分析、比較、總結(jié)等多步驟解決方法的考查.

圖7 新舊教材習(xí)題認(rèn)知需求的分布比重

3 研究啟示

新粵教版必修2習(xí)題的設(shè)置相對于舊教材變化很大.當(dāng)前，廣東大部分地區(qū)高中物理教學(xué)采用新教材，上述研究結(jié)果對廣東地區(qū)乃至全國范圍中學(xué)物理教學(xué)具有一定的啟發(fā)與借鑒意義.

3.1 注重創(chuàng)設(shè)情境，豐富教學(xué)手段

新教材習(xí)題情境化水平較高，考查方式更多地以實際問題的形式出現(xiàn)，在注重考查物理基本知識和基本規(guī)律的同時，更加注重在真實情境中運用學(xué)科知識綜合分析和解決實際問題的能力的培養(yǎng).對于這一變化，教師在習(xí)題教學(xué)中應(yīng)盡可能多地聯(lián)系學(xué)生學(xué)習(xí)和生活創(chuàng)設(shè)情境，豐富教學(xué)手段，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對生活現(xiàn)象的思考，發(fā)展學(xué)生的邏輯思維，使其逐步形成良好的物理學(xué)習(xí)方法.

例如，新粵教版必修2第17頁以“傳送帶輸送餃子”為情境設(shè)計了一個平拋運動的應(yīng)用例題.在進(jìn)行該習(xí)題教學(xué)時，教師首先可以通過傳送帶演示儀的演示讓學(xué)生形成直觀認(rèn)識；其次，可以通過畫圖的方式，將生活情境轉(zhuǎn)化為物理情境，給學(xué)生建構(gòu)物理模型，設(shè)計解題方案；隨后，可以利用Geogebra等信息技術(shù)手段展示動態(tài)過程，建立起水平距離大小與傳送帶速度大小之間的聯(lián)系，進(jìn)而得出速度范圍；最后，可以播放食品加工廠傳送帶運輸工序的視頻，將物理知識與生產(chǎn)實踐和生活實際相聯(lián)系，讓學(xué)生感悟物理學(xué)習(xí)的魅力和價值.

3.2 活用教材習(xí)題資源，拓展習(xí)題的使用形式

新教材習(xí)題難度梯度分布合理，中、低水平認(rèn)知需求習(xí)題占比大反映了新教材習(xí)題關(guān)注學(xué)生認(rèn)知特點，具有較強(qiáng)的基礎(chǔ)性和適用性.此外，新教材習(xí)題更加靈活的提問方式直接反映了編寫者以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)的編制理念.但由于習(xí)題多設(shè)置為章、節(jié)的課后練習(xí)，一些教師一味追求對學(xué)生進(jìn)行解題技巧的訓(xùn)練，教學(xué)上存在與教材習(xí)題脫節(jié)或重視度不夠的問題.［9］因此，教師要活用教材習(xí)題資源，深度挖掘教材課后習(xí)題中隱含的各種信息，借助隱含的信息設(shè)計有價值的問題，適當(dāng)拓展和豐富習(xí)題的使用形式，發(fā)散學(xué)生的思維.

例如，新教材第61頁節(jié)練習(xí)4談對18世紀(jì)諷刺萬有引力定律漫畫事件的看法體現(xiàn)了科學(xué)態(tài)度與責(zé)任理念的滲透，但直白沉悶的表述形式容易讓教師忽略其考查功能，對此教師可以對習(xí)題材料適當(dāng)改編或重組，作為課堂教學(xué)內(nèi)容的延伸和補(bǔ)充，引導(dǎo)學(xué)生思考體會科學(xué)探究過程的艱辛以及萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的偉大貢獻(xiàn)；再例如，新教材第84頁練習(xí)題1“分析水平力F分別在光滑水平面、粗糙水平面和光滑斜面推物體前進(jìn)距離s所做的功”這類基礎(chǔ)性習(xí)題可以設(shè)置為課前預(yù)習(xí)題，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，為新知識學(xué)習(xí)做鋪墊，同時起到培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力的作用.

3.3 改變傳統(tǒng)觀念，加強(qiáng)對學(xué)生實驗學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)

新教材習(xí)題增加了對程序性知識、評估與評價科學(xué)探究能力的考查，更多地關(guān)注實驗的基本技能和研究方法，考查學(xué)生理論與實驗結(jié)合的能力.在物理實驗教學(xué)中，有的教師將知識的結(jié)論視為課堂的全部內(nèi)容，內(nèi)容和方式較為單一，［10］導(dǎo)致課堂成效不高，缺乏對學(xué)生物理實驗技能和學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng).因此，教師在實驗習(xí)題教學(xué)中要改變傳統(tǒng)觀念，要求學(xué)生掌握概念、明確實驗基本原理和解題思路，避免因過分講解而導(dǎo)致教學(xué)效果差的現(xiàn)象；同時盡可能為學(xué)生創(chuàng)造自主探究、合作交流的空間，運用數(shù)字化媒體技術(shù)使學(xué)生形象感知物理現(xiàn)象，讓學(xué)生參與利用科學(xué)方法解決問題的過程.

例如，新教材第50頁章練習(xí)13利用直尺、小鋼球、細(xì)線、秒表等器材修改實驗方案驗證向心力公式的習(xí)題，需要學(xué)生具備自主設(shè)計科學(xué)探究的思維能力.教師首先可以對學(xué)生進(jìn)行合理分組，創(chuàng)造自主探究、思維碰撞的空間.其次，可以利用Flash動畫形象生動地展示題目中原實驗方案的過程，降低學(xué)生的理解難度.接著，引導(dǎo)學(xué)生從原有知識出發(fā)，通過對向心力公式的理解和討論，明確實驗的基本原理和實現(xiàn)條件.在教學(xué)過程中，學(xué)生通過合作交流、教師點播掌握解題的思路，有效培養(yǎng)物理思維能力、分析能力和合作交流能力.