高中物理教材課后習題與課程標準的一致性研究
——以“人教版”新教材為例

葉德偉 肖龍海

(1. 杭州市文暉中學,浙江 杭州 310005; 2. 浙江大學教育學院,浙江 杭州 310028)

課程標準是課程實施的指導性文件,也是教材編寫的重要依據.2018年,教育部發布了經過修訂的《普通高中物理課程標準(2017年版)》(下簡稱“物理課標”),其指出課程標準應“本著為編寫教材服務、為教學服務、為考試評價服務的原則,突出課程標準的可操作性,切實加強對教材編寫、教學實施、考試評價的指導”.[1]可以看出,物理課標是高中物理新教材編寫、實施與評價的重要依據.課后習題是高中物理新教材的重要組成部分,是評價學生依托物理新教材進行學習后是否達成了物理課標所規定的學習目標的重要載體.為確保評價的準確性與有效性,我們有必要著手對高中物理新教材課后習題與物理課標的一致性進行研究,為物理新教材課后習題的編寫提供有效的建議.

自物理課標發布后,各大出版社紛紛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——《普通高中教科書 物理》(下簡稱“人教版”)最具有代表性.因此,我們以人教版必修內容(共3冊)課后習題為研究對象,分析物理新教材課后習題與物理課標的一致性.

1 研究方法

為客觀判斷人教版必修內容課后習題與物理課標的一致性,本研究采用由美國學者安德魯·波特(Andrew Porter)和約翰·史密森(John Smithson)等學者共同開發的SEC一致性分析模式(Survey of Enacted Curriculum).該模式的基本框架是首先建立一個二維矩陣,接著通過波特(Porter)一致性公式計算兩個維度的匹配程度,從而檢驗研究對象之間的一致性程度.

SEC一致性分析模式的運用主要圍繞以下幾個步驟展開: (1) 根據內容主題和認知水平要求建立編碼框架;

(2) 對物理課標的內容主題與人教版必修內容課后習題進行編碼,并將編碼結果分別統計入兩個二維矩陣中,為了更加科學地對兩個矩陣的一致性進行比較,需要將編碼結果進行“標準化”處理; (3) 利用Python軟件計算出兩個矩陣的一致性臨界值; (4)通過Porter一致性公式計算出兩個矩陣的一致性系數P,其公式可表示為

此處的n表示矩陣中的單元格數目,i表示其中某個特定的單元格,其數值是從1到n.Xi和Yi分別表示矩陣X和矩陣Y第i個單元格的數值.P的取值范圍為0～1,P值越大則表明一致性程度越高,[2]P值超過一致性臨界值則說明兩個矩陣在統計學上保持一致.

2 研究框架

運用SEC一致性分析模式的基本框架,對人教版必修內容課后習題與物理課標之間的一致性進行分析.

2.1 編碼框架的構建

編碼框架根據內容主題和認知水平兩個維度建構,形成“內容主題×認知水平”的二維矩陣.內容主題的劃分主要依據物理課標進行,分為9個主題,分別是:必修1劃分為“機械運動與物理模型”、“相互作用與運動定律”兩個主題;必修2劃分為“機械能及其守恒定律”、“曲線運動與萬有引力定律”、“牛頓力學的局限性與相對論初步”3個主題;必修3劃分為“靜電場”、“電路及其應用”、“電磁場與電磁波初步”、“能源與可持續發展”4個主題.[1]認知水平的劃分依據布盧姆教育目標分類學修訂版,其將認知水平分為記憶、理解、應用、分析、評價和創造六級水平.[3]

2.2 物理課標與人教版必修內容課后習題的編碼及結果

用“9×6”的二維框架分別編碼物理課標與人教版必修內容課后習題,分別代表9個內容主題和6個認知水平.物理課標編碼的方法是先對各個主題進行編碼,再將各主題中的每一條內容標準拆分為涉及單個知識點的具體內容標準,明確其認知水平并編碼.對人教版必修內容課后習題編碼的方法為分析每一道習題及其解答過程、明確考查的知識點及認知水平;接著,在物理課標的編碼表中找到相對應的知識點,以對習題進行編碼.

根據以上的二維框架和編碼方法,經過多輪討論、協商并結合專家意見,得到物理課標和人教版必修內容課后習題的編碼結果.為了方便比較,對編碼結果進行標準化處理,即將每個單元格中的數據除以對應表格中所有單元格數據之和,形成兩個相對應的比率表,所有單元格數據之和為1,具體結果如表1和表2所示.

表1 物理課標編碼結果比率表

表2 人教版必修內容課后習題編碼結果比率表

續表

2.3 計算一致性臨界值

在進行一致性比較前,需要計算出P值在什么范圍內,才能說明兩個矩陣在統計學上具有顯著一致性.因此,我們在Python軟件中,先利用random函數產生隨機數,隨機獲得“9×6”的矩陣;再對其進行“標準化”處理,根據Porter一致性公式計算P值,得到20000個P值樣本;隨后利用numpy函數計算樣本的均值、方差;最后作出正態分布圖像,并利用SciPy科學計算庫中的stats.norm.interval函數計算得到表示達到0.05顯著性水平的參考值.

2.4 計算一致性系數

2.5 繪制曲面圖和柱狀圖進一步進行分析

由于一致性系數P僅能描述物理課標與人教版必修內容課后習題之間總體的一致性情況,因此我們繪制曲面圖和柱狀圖,進一步分析物理課標與人教版必修內容課后習題在內容上側重于哪些主題、在認知上集中于哪些水平.

3 研究結果

3.1 一致性分析

利用Python軟件進行計算發現,對于“9×6”的二維矩陣,為使其在0.05水平上達成顯著一致性,其對應的一致性系數臨界值P0=0.5914.接著,將物理課標與人教版必修內容課后習題的編碼結果比率數據代入Porter一致性公式中,計算出物理課標與人教版必修內容課后習題之間的一致性系數為P=0.4948,小于臨界值P0.因此,物理課標與人教版必修內容課后習題之間不存在統計學意義上顯著的一致性.

3.2 曲面圖分析

為進一步分析物理課標和人教版必修內容課后習題在內容主題和認知水平方面的側重點,我們可以將表1和表2所示的比率數據呈現在曲面圖上,兩圖的形狀與顏色深淺分布越相似,說明兩者的契合程度越高.具體如圖1和圖2所示.

圖1 物理課標曲面圖

圖2 人教版必修內容課后習題曲面圖

根據圖1我們發現,物理課標有以下幾塊區域較為集中,分別是機械運動與物理模型主題的理解水平、相互作用與運動定律主題的記憶水平、曲線運動與萬有引力定律主題的記憶水平、靜電場主題的記憶水平、電磁場與電磁波初步主題的記憶水平以及能源與可持續發展主題的記憶水平.從圖2可知,人教版必修內容課后習題有以下幾塊區域較為集中,分別是機械運動與物理模型主題的應用水平、相互作用與運動定律的應用水平、機械能及其守恒定律主題的應用水平、靜電場的理解水平與應用水平、電路及其應用的應用水平.由上述曲面圖可知,物理課標與人教版必修內容課后習題所重點關注的內容主題不同、認知水平也有較大的差異.

3.3 柱狀圖分析

為進一步定量比較物理課標與人教版必修內容課后習題在內容主題和認知水平上的吻合程度,建立如圖3和圖4所示的柱狀圖.

圖3 內容主題比較柱狀圖

圖4 認知水平比較柱狀圖

由圖3可知,在物理課標中,相互作用與運動定律在所有主題中所占的比率最高;在人教版必修內容課后習題中,曲線運動與萬有引力定律主題在所有主題中所占的比率最高.具體來看,人教版必修內容課后習題在相互作用與運動定律、機械能及其守恒定律、電路及其應用主題的比率值略高于物理課標,在機械運動與物理模型、曲線運動與萬有引力定律和靜電場主題的比率遠高于物理課標.相反,人教版必修內容課后習題在牛頓力學的局限性與相對論初步、電磁場與電磁波初步和能源與可持續發展主題的比率遠低于物理課標.

由圖4可知,物理課標的認知水平以記憶為主(48.75%),人教版必修內容課后習題的認知水平以應用為主(50.35%).總體上看,人教版必修內容課后習題的認知水平高于物理課標.具體來看,物理課標記憶水平的比率遠高于人教版必修內容課后習題;人教版必修內容課后習題應用水平的比率遠高于物理課標;物理課標與人教版必修內容課后習題理解與分析水平的比率基本相同;人教版必修內容少量課后習題的認知水平達到了評價和創造水平,而物理課標并未達到該水平.

4 討論與建議

4.1 完善課標要求——重視學生高階認知水平的發展需求

物理課標規定了學生經過高中物理學習后應掌握的知識、發展的能力、內化的品格,是師生開展物理教學活動的方向標.在新課改背景下,物理課標的要求應指向學生物理學科核心素養的形成.研究發現,物理課標內容標準對學生的認知水平要求主要以低階的記憶、理解和應用水平為主,僅有極少數涉及高階的分析水平,對評價和創造水平更是沒有涉及.以低階認知水平為主的內容標準固然能夠指向學生“雙基”的牢固掌握,但學生物理學科核心素養的形成離不開分析、綜合、辨別、判斷、創造等高階認知活動的開展.因此,物理課標可在滿足學生低階認知水平需求的前提下,進一步增加體現分析、評價和創造等高階認知水平的內容標準,對學生開展高階認知活動提出要求,促進學生物理學科核心素養的形成.

4.2 基于課標評價——設計符合物理課標要求的課后習題

課后習題是評價學生學習效果的重要載體,直接反映了學生的課堂學習效果.在以物理課標為指導的教學與評價體系下,高中物理教材課后習題應與物理課標保持一致.但研究結果表明,人教版必修內容課后習題與物理課標的一致性較低.為確保教材與課標具有良好的一致性,編者應在教材編寫完成后對教材與物理課標的一致性進行分析,對與物理課標不一致的課后習題及時進行修訂和調整,確保教材能夠準確評價學生的學習是否符合物理課標的要求.當然,受到經濟、文化、制度等因素的影響,不同省份學生的學習基礎、學習能力也存在著較大的差異.在“一標多本”的新課改背景下,地方對于教材的編寫具有一定的權利,在滿足物理課標基本要求的前提下,地方編寫的物理新教材可根據學生的學情、地方的文化、學業水平考試的要求適當調整課后習題的數量、難度、側重點等.

4.3 豐富習題內容——提高課后習題內容主題的覆蓋程度

物理學科核心素養的形成離不開學生對物理的全面認識.研究發現人教版必修內容課后習題忽視了牛頓力學的局限性與相對論初步、電磁場與電磁波初步、能源與可持續發展3個主題.牛頓力學的局限性與相對論初步主題的學習,不僅有利于學生時空觀的更新,更有利于其認識到科學是由人類對自然界的層層深入探索而更新的;電磁場與電磁波初步主題的學習能夠使學生認識到科學對技術的重要推動作用,體會科學技術對社會發展的重要影響;能源與可持續發展主題對于學生理解科學與環境之間的關系,了解科學對環境、能源等社會性問題解決以促進社會可持續發展的重要價值.無論是對學生科學本質觀更新的作用,還是對學生理解科學、技術、社會、環境之間關系的價值,物理新教材課后習題都應增加對這些內容的考察.

4.4 面向全體學生——合理設計課后習題的認知水平梯度

物理必修新教材的使用者既包括選擇物理作為高考科目的學生,也包括未選擇物理作為高考科目、僅需要參加高中會考的學生,因此物理新教材課后習題的編寫應面向全體學生,考慮不同學生的學習基礎與需求.研究表明,人教版必修內容超過半數課后習題的認知水平為應用水平,注重對概念、規律的運用,僅有少數課后習題處于較低的記憶和理解認知水平、極少數課后習題處于較高的分析、評價與創造認知水平.顯然,這樣的設計未考慮不同基礎學生的發展需求.為滿足所有學生的學習需求,物理新教材在滿足物理課標基本要求的前提下,應合理設計課后習題的認知水平梯度,并按照認知水平由低到高的順序安排習題.這樣既保證了不同學生按照其學習需求選擇需要完成的課后習題,又為有更高學習需求的學生搭建了由易到難、由簡到繁的學習支架.