高中物理新教材習題情境比較分析
——以高中物理必修1運動學部分為例

蔣馨雅 桑芝芳

(蘇州大學物理科學與技術學院,江蘇 蘇州 215006)

《普通物理課程標準(2017年版2020年修訂版)》(以下簡稱新課標)在教材編寫建議部分提出，“教材編寫要注重育人功能、注重教材的科學性、適用性、時代性,體現人文關懷、注重特色與創新．對于教材的習題,可設計側重復習和鞏固功能的節練習以及體現綜合強化功能的章練習．[1]”除此之外,課標在學業水平測試試題編制、教材內容安排等方面對情境設置都提出了相關要求．2019年頒布的《高考評價體系》中指出:“情境”即“問題情境”,是真實的問題背景,是以問題或任務中心構成的活動場域;“情境活動”是人們在情境中所進行的解決問題或完成任務的活動,情境和情境活動是高考評價體系中“四層四翼”的考查載體．[2]

可以看出,《新課標》和《高考評價體系》在教學與評價方面對情境的重視程度極高．[3]《普通高中教科書物理必修第一冊》(以下簡稱必修1)正是根據《新課標》要求編寫的新教材,教材作為直接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與考試等方面具有重要研究價值．

對于試題情境的研究現有論文大多集中在對情境本身或者情境與情境活動的相關程度上．情境與情境活動作為相互關聯的考查載體,前者提供了背景與主體,后者提供了思維障礙、任務以及關聯性描述．[4]所以,對于試題情境的研究不僅要研究情境和情境與情境活動之間的關聯性，還應研究情境活動本身．

本文以人教版、魯科版以及滬科版3個版本的物理新教材必修1運動學部分的習題為研究對象,[5-7]通過比較分析以期得出各版本習題情境的特點．

1 情境分析框架的構建

根據“情境類型學”情境分析可從辨別參數、內容參數和裝扮參數3個角度分析評價.本文基于情境類型學在分析已有研究框架[8-10]的基礎上,根據物理學科特點以及新課標要求,對各參數的評價指標進行修訂與設計．

1.1 各參數指標設計

辨別參數對試題情境的外部特征做出定性分析,不涉及問題的解決，分為情境來源、學科領域、期待的作業、情境開放程度這4個一級指標．其中情境來源按照情境與學生的距離遠近分為學校生活、社會生活以及科技生活．學生在學校接受科學教育,對于情境活動的完成而言,學校生活情境是學生最為熟悉的情境,它主要來源于學生實驗以及學科知識;社會生活包括日常生活和文化生活,是學生接觸較多的情境;科技生活以科技前沿知識為主,是離學生距離最遠的情境,是學生最不熟悉的．

內容參數反映的是情境活動的復雜程度,復雜程度由復雜性和復雜度兩個方面組成,其中復雜性通過情境活動所涉及的概念與規律數目以及是否涉及對態度的考查來反映;復雜化通過情境活動以及涉及的概念與規律的整合程度來體現,分為問題間的獨立性以及數學技巧的使用這兩個方面．

裝扮參數反映了學生在面臨情境時遇到的障礙和得到的幫助,分為情境呈現方式和問題與情境的結合程度兩個方面．

對各參數一級指標與二級指標修改后得到的評估框架如表1所示．

表1 習題情境分析框架

1.2 選擇規則

下面以人教版必修1第17頁第2題為例,說明選擇規則．

(1) 習題.

平常說的“一江春水向東流”“地球的公轉”“鐘表的時針在轉動”“太陽東升西落”等,分別是說什么物體相對什么參考系在運動?

(2) 選擇規則.

a. 本題一共涉及4個情境,前2個和最后1個為自然現象(a4),“鐘表的時針轉動”屬于社會生活情境(a3)．b. 在理解題意的過程中不需要其他學科的知識,所以4個情境都為單學科(b1)情境．c. 說明“什么物體相對什么參考系在運動”期望學生提供解釋(c2)．d. 對于參考系的選取,答案是不唯一的,所以屬于開放性(d2)情境．e. 本題只考查了參考系這一個知識點,涉及的概念與規律數為1(e1)．f. 本題的答案無法反映學生的態度(f2)．g. 本題只有一個問題(g3)．h. 不使用數學技巧(h2)．i. 情境呈現方式為文字(i1)．j. 在考慮什么物體相對于什么參考系運動這一問題時．學生需要想象各情境并進行分析,問題與情境的結合程度為結合(j3)．

2 3個版本教材習題情境比較分析

2.1 習題基本情況分析

本文主要對3個版本教材必修1運動學部分(第1，2章)課堂練習題、節練習題、章練習題進行分析．人教版、魯科版以及滬科版教材習題數目如表2所示．

表2 各版本習題與情境數目統計

從表2中可以看出,魯科版習題總量最大,每節習題分布較為均勻;人教版一題多問、一題多情境習題最多;滬科版習題多以一題一情境形式出現．人教版與滬科版將章練習分為A組和B組,魯科版的章末練習分成“科學認知”、“科學辨析”、“科技交流”、“科學探究”、“溫故知新”等模塊(每章節練習根據需要設置部分模塊)．其中,“科學認知”由選擇題與計算題組成;“科學辨析”為開放性問題;“科技交流”需要學生查找課外資料完成．除此之外,魯科版教材在第2章章末練習后附有單元自我檢測,測試學生第1章與第2章內容的掌握情況,并要求學生完成單元自我評價,以報告的形式提交,旨在提升學生的學科素養．課堂習題只出現于部分章節,其欄目名稱、章節分布以及考查的概念或規律如表3所示．

表3 各版本課堂習題基本情況

從表3可以看出,課堂練習題只在3～5節內容中出現且題數不同,滬科版的課堂習題最多,3個版本的習題中都包含對質點以及速度-時間圖像理解與應用的考查,這也反映出理想模型的構建與數形結合思想在高中物理運動學部分的重要性．

在情境分析框架的各二級指標中由于分析主體不同,所以,在進行統計時每一指標所對應的總量不同．辨別參數中情境范圍(a)和學科領域(b)僅僅涉及情境本身,所以總體為習題中出現的所有情境數;期待的作業(c)和情境開放程度(e)在每一個問題中都有所不同,以總問題數為總體;內容參數和裝扮參數反映出的是習題的總體特征,以整道習題為單位．根據情境分析框架,各版本高中物理新教材必修1運動學部分習題情境各指標情境如圖1、圖2和圖3所示．

2.2 辨別參數比較分析

辨別參數由情境來源、學科領域、期待的作業以及開放性4部分組成．從圖1可以看出,3個版本的習題情境主要來源于社會生活與學校生活,也就是與學生距離較近、學生較為熟悉的情境．其中人教版、魯科版和滬科版教材習題的社會生活情境占比分別為43.75%、53.06%和55.41%．對于“科技前沿”情境,新教材增加了近幾年的科技成果,如殲-20飛機、嫦娥三號、神州十一號與天宮二號對接、ETC等．

(a) 情境來源； (b) 學科領域；(c) 期待的作業； (d)開放性

習題情境多為物理學科的情境,但也有少部分內容涉及跨學科知識．滬科版教材在課堂習題中設置語文、地理與數學情境,考查學生對參考系以及質點的理解．人教版教材中以故事和古詩詞為情境考查學生對運動、靜止以及參考系的理解;以田徑比賽為情境要求學生結合比賽規則區分路程與位移這兩個概念．魯科版教材中設置歌詞、寓言以及生物情境分別考查學生對質點、平均速度與瞬時速度以及加速度與平均速度的理解與應用．

3個版本的習題都以代數計算和選擇判斷為主．開放性的題目主要包括聯系實際舉例說明對某個概念的理解、設計實驗方案、編制習題、撰寫科技論文與實驗報告、繪制章節概念圖等,其中要求學生舉例提供解釋的習題最多．魯科版教材的開放性習題形式最為多樣,例如章練習中的“科學辨析”模塊要求學生比較汽車測速方法;“科技交流”模塊涉及跨學科情境,要求學生查閱資料舉例說明耐力和爆發力好的動物,并分析這些特性對動物的幫助．

2.3 內容參數比較分析

內容參數包括涉及的概念與規律數、態度、問題間獨立性以及數學技巧使用4個二級指標．從圖2可以看出3個版本教材以單題考查1～2個概念或規律為主,且比例大致相等．考查多于3個概念或規律的習題多分布在章練習的B組習題中．

(e) 涉及的概念與規律數； (f) 態度；

魯科版教材習題對于學生態度的考查最多,考查了學生對于高空墜物、珍惜時間等問題的看法;滬科版在對話情境以及對伽利略實驗討論的習題中涉及對態度的考查;人教版在兩道跨學科情境習題中分別考查了學生對運動和靜止的態度以及對于體育規則的態度．

人教版和魯科版中設置一個問題的習題占46.88%和52.75%,滬科版達72.60%．人教版教材中問題間獨立的習題較多,表現為每小問只考查一個概念或規律;魯科版教材中問題間有關聯習題比例較大,人教版和滬科版問題間獨立與有關聯比例大致相同．

對于數學知識的應用,主要考查學生運用數形結合思想從速度-時間圖像和位移-時間圖像中獲取信息以及將比例知識應用于證明勻加速直線運動的規律．

2.4 裝扮參數比較分析

裝扮參數包括情境呈現方式以及問題與情境結合程度兩個二級指標．從圖3可以看出,以純文本內容呈現的習題最多,魯科版和人教版純文本情境過半,滬科版占72%．人教版習題沒有單純以圖片呈現的情境,且所配圖片大多起到幫助學生理解題意或者建構物理模型的作用,航空母艦和嫦娥3號的圖片是為了豐富學生對我國科技前沿的了解而設置的,并不包含有助于解題的關鍵信息．魯科版和滬科版教材習題都有單純以圖片呈現的情境,需要學生從圖片上獲取信息．“文字+圖片”或“文字+圖表”呈現的情境占比基本相同,其中表格內容大多以實驗數據的形式呈現給學生,主要考查學生閱讀圖表和數據處理的能力．以“文字+圖片+圖表”呈現的題目多出現在實驗題中．

(i) 情境呈現方式; (j) 問題與情境結合程度

在問題與情境的結合程度方面,3個版本教材的習題情境都以嵌入為主,情境的描述只是簡單地把物理模型換成實物,例如把“質點”換成了“汽車”或是“列車”,學生在提取關鍵信息時幾乎沒有困難;情境與問題分離的習題多以物理知識為情境;情境與問題結合程度較高的題目多分布在對于質點與參考系的考查以及綜合題中．

3 結果與討論

通過從辨別參數、內容參數和裝扮參數3個角度,情境來源、問題與情境結合程度以及呈現方式等10個一級指標對高中物理新教材必修1運動學部分習題情境的分析,可以看出3個版本教材的習題情境有一些共性也有自己的特點．

3.1 共同特點

3個版本習題情境的共同特點為:情境設置以社會生活為主,大多為單學科情境,期待的作業主要以選擇判斷和代數計算這兩類封閉性習題為主;單題大多考查1～個知識點;稍有涉及態度的習題;對于數學技巧的考查主要集中在比例與數形結合思想的運用;情境多以文字形式呈現,與問題的結合形式以嵌入為主,體現出教材習題的基礎性．

3.2 3個版本教材習題情境特點

在情境設置方面,人教版和滬科版教材以學科知識與建模為背景的習題占比較大(28%),這也反映出兩者情境與問題結合度較低．從情境數目與習題總數的比較可以看出,人教版提供的情境最豐富,一題多情境的現象最多,而滬科版與魯科版大多數習題只有一個情境．

在期待的作業方面,魯科版教材作業類型多樣,在章末測試中設置多道要求學生查閱資料完成的習題．其中,撰寫科技小論文和實驗報告對學生來說具有一定挑戰性,考查了科學語言的運用以及書面表達能力．

在問題的獨立性方面,滬科版教材習題中一題一問的比例最高,人教版一題多問,各問題間獨立的情況最多,表現出在一個情境中考查不同概念與規律的特點．

在情境呈現方式方面,人教版與魯科版教材習題圖片較多;滬科版教材圖片相對較少,圖表占比與人教版持平,圖像與表格起到了培養學生使用科學方法記錄與處理數據的作用．同時,人教版和滬科版中都出現了日常對話情境,體現了物理與生活實際的聯系．

在問題與情境的結合程度方面,魯科版和人教版結合程度為嵌入和結合的習題占比都在40%左右,滬科版結合程度為嵌入的習題較多．

總體而言,人教版教材習題具有以多情境考查單個概念或規律和單個情境考查多個規律或概念相結合的考查特點;魯科版教材習題情境呈現方式多樣、作業類型較多;滬科版教材習題難度循序漸進,以純文字形式呈現情境比例較大,對學生的物理觀念以及數形結合思想的考查比較充分．

3.3 討論與總結

新教材習題中加入近幾年的科技前沿作為情境,體現出教材的時代性．從側重銜接或是階段總結作用的課堂習題,到以鞏固知識為主要目的的節練習再到注重知識整合的章練習,這一循序漸進的習題設置方式更加科學,且習題難度與數目的增加更能滿足教學與學生學習的需要,更加符合學生的認知規律,體現了教材的科學性與適應性．同時,無論是人教版的豐富情境還是魯科版多樣的作業類型都體現出教材的創新與各自的特色,滬科版的日常對話情境以及古詩文和物理學史故事更體現出人文關懷,這些都有助于學生核心素養的發展與形成．