從我國5版高中物理新教材的難度探索教材改革和發展路徑

鄧 磊 蔣 敏

（1.西南大學科學教育研究中心，重慶 400715；2.西南大學附屬中學，重慶 400700）

隨著我國基礎教育課程改革的不斷深入，教育部于2018年頒布了修訂后的《普通高中物理課程標準（2017版）》，因此與之對應的原實驗版高中物理教材也隨之修訂.作為“立德樹人”理念的載體，提升學生物理學科核心素養的直接課程資源，修訂后的新人教版、新司南版（魯科版）、新滬科教版、新教科版、新粵教版是否集中反映了我國近20年普通高中物理課程改革的成果？5版新教材中新的知識和方法不斷被補充，豐富教材內容的同時是否會加重學生課業負擔？5版新教材與新課標的要求是否一致、適切？5版新教材的難度有什么特點？本研究將從教材改革和發展路徑的角度來探索5版新教材的難度.

高中物理教材難度與教材廣度、深度有關.教材的廣度（G總）是指教材的容量，即教材內容的多少.教材內容由知識、實驗、習題和拓展4個維度的內容構成.即，教材的廣度由知識、實驗、習題和拓展的數量決定（G總=G知+G實+G題+G拓）；教材的深度（S總）由構成教材內容的上述4個維度的深度總和來體現（S總=S知+S實+S題+S拓）；教材的平均深度是指教材單位內容點的深度；教材的難度為N總=S總／S總max.

為了探索5版高中物理新教材的難度，本研究將先在組成其內容的知識、實驗、習題、拓展維度上進行難度比較.

1 5版新教材知識難度的比較

教材的知識難度模型由知識深度和廣度構成：知識深度S知=G知1+2G知2+3G知3；知識廣度G知=G知1+G知2+G知3；知識難度N知=S知／S知max；平均深度.對知識深度的層次劃分標準如表1所示.

表1 知識層次劃分標準

5版新教材知識深度、難度、廣度和平均深度的排名如表2所示.在難度上新教科版最大，新粵教版和新滬科教版排名2、3，新司南版和新人教版最小.獨立樣本t檢驗顯示：新教科版和新粵教版在知識難度上非常顯著的高于其他3版新教材（t=7.934，P=0.004＜0.01）.

表2 知識深度、廣度、難度、平均深度

教材的難度受到廣度的影響，新教材的廣度會如何影響其難度？新教材的廣度是否符合新課標的要求？新課標在必修1有38個知識點，其中主題1“機械運動與物理模型”包括16個，主題2“相互作用與運動規律”包括22個.5版新教材在主題1的平均知識個數為21.6個，在主題2為28.4個（圖1）.單樣本t檢驗顯示：5版新教材在主題1的知識廣度顯著多于新課標要求（t=3.434，P=0.026＜0.05），在主題2卻與新課標沒有顯著差異（t=2.518，P=0.065＞0.05）.

圖1 知識廣度

對5版新教材知識的認知深度比較發現（圖2）：在“了解”深度：新粵教版、新滬科教版、新教科版、新人教版和新司南版排名1-5，單樣本t檢驗顯示這5版新教材在該深度與新課標要求沒有顯著差異（t=-0.506，P=0.640＞0.05）.在“理解”深度：新粵教版、新教科版、新司南版和新人教版排名1-4，單樣本t檢驗顯示上述4版新教材在“理解”深度顯著高于新課標要求（t=3.472，P=0.033＜0.05）；而與新課標要求一致的新滬科教版排名最末.在“應用”深度：新教科版、新滬科教版、新粵教版排名前3，單樣本t檢驗顯示上述3版新教材在“應用”深度顯著高于新課標要求（t=9.291，P=0.011＜0.05）；新人教版和新司南版排名4、5，單樣本t檢驗顯示這2版新教材與新課標要求沒有顯著差異（t=5.000，P=0.126＞0.01）.由此可知，新司南版和新人教版在“了解”“應用”深度與課標差異不顯著，除新滬科教版外的其他4版在“理解”深度顯著的深于新課標要求.

圖2 知識深度

2 5版新教材實驗難度的比較

實驗難度的計算模型由實驗廣度（G實）和實驗深度（S實）兩方面構建而成.其中，實驗廣度是指教材中的實驗容量，主要指實驗的個數；實驗深度是指實驗的復雜度，主要由實驗的開放程度、包含的探究要素及在教材中所占篇幅等因素決定.本研究將實驗深度劃分為“演示”“驗證”“探究”3個層次，以1、2、3來賦值，每個層次對應的廣度分別為G實1、G實2、G實3（表3）.實驗廣度G實=G實1+G實2+G實3；實驗深度S實=G實1+2G實2+3G實3；實驗難度N實=S實／S實max；平均深度.

表3 實驗層次劃分標準

5版新教材實驗難度、深度、廣度和平均深度排名如表4所示：新粵教版最大，新司南版次之，新滬科教版和新人教版居中，新教科版最低.獨立樣本t檢驗顯示：新粵教版和新司南版在實驗難度上顯著的高于其他版本（t=-5.269，P=0.013＜0.05）.

實驗難度在一定程度上受到實驗廣度的影響，為了進一步研究不同主題下5版新教材的實驗廣度，引入新課標的實驗要求作為衡量標準（圖3）：新課標在必修1部分有6個實驗要求，其中4個是學生必做實驗.主題1“機械運動與物理模型”包括2個實驗（其中1個學生必做實驗），主題2“相互作用與運動規律”包括4個實驗（其中3個學生必做實驗）.5版新教材在主題1和主題2的平均實驗數分別為4.4個和10.80個，單樣本t檢驗顯示新教材在主題1的實驗廣度顯著大于新課標要求（t=2.954，P=0.042＜0.05），在主題2與新課標沒有顯著差異（t=2.744，P=0.052＞0.05）.

圖3 實驗廣度

表4 實驗深度、廣度、難度、平均深度

進一步分析顯示（圖4），新粵教版在所有深度與大多版本保持一致；新司南版展現出了顯著多的“演示”實驗來提升學生學習興趣，強化物理的實驗基礎，但在“驗證”與“探究”實驗深度則保持了與其他教材或新課標的一致性；新人教版在“演示”與“驗證”實驗深度與大多數教材較一致，但在“探究”實驗深度較為薄弱.

圖4 實驗深度

3 5版新教材習題難度的比較

習題難度的計算模型由習題廣度（G題）和習題深度（S題）構成.其中，習題廣度是指習題的數量；習題深度是指習題所涉及的思維深度，包括習題的綜合程度、計算量和應用水平等.本研究將習題深度劃分為簡單、中等、難三個層次，以1、2、3來賦值（表5）.習題廣度G題=G題1+G題2+G題3；習題深度S題=G題1+2G題2+3G題3；習題難度N題=S題／S題max；平均深度.

表5 習題層次劃分標準

5版新教材習題深度、難度、廣度和平均深度的排名如表6所示.在難度上新司南版最大，新粵教版、新人教版、新滬科教版和新教科版排名2-5.單樣本t檢驗顯示：新司南版習題難度非常顯著的高于其他4版新教材（t=-20.104，P=0.000＜0.01），新教科版最低且非常顯著的低于除了新司南版之外的其他3版（t=12.738，P=0.006＜0.01）.

表6 習題深度、廣度、難度、平均深度

對新課標2個主題習題廣度的比較顯示（如圖5），在主題1排名與廣度一致；在主題2新司南版、新滬科教版、新人教版、新粵教版和新教科版排名1-5.

圖5 習題廣度

對習題深度的認知水平比較發現（圖6）：在“簡單”深度新司南版最多且非常顯著的多于其他版本（t=-9.661，P=0.002＜0.01），新教科版最少但少得并不顯著（t=2.109，P=0.126＞0.05）；在“中等”深度，依然是新司南版最多，同時也非常顯著的多于其他版本（t=-5.770，P=0.00975＜0.01），新人教版最少并顯著的少于其他版本（t=3.183，P=0.04998＜0.05）；在“難”深度，還是新司南版最多，依然非常顯著的多于其他版本（t=-10.842，P=0.002＜0.01），新教科版最少但與其他版本并無顯著差異（t=-2.106，P=0.126＞0.05）.說明新司南版在習題的不同深度均著墨較重，能實現對學生科學思維能力不同層次的有效培養，讓不同層次學生通過習題都能實現對學習的有效評價，改變了傳統教材習題過少過易，教師需要多本教輔才能檢驗學生所學知識的缺陷，減輕了學生的學業負擔和經濟壓力，強化了教材功能的全面性.

圖6 習題深度

4 5版新教材拓展難度的比較

高中物理教材中的拓展主要有物理學史、STSE、高等物理、信息化及其他拓展等幾種類型，大部分以欄目或板塊的形式專門呈現.拓展文本的呈現方式有三個層次，相應的深度從低到高分別賦值為1、2、3.拓展的廣度G拓=G拓1+G拓2+G拓3，深度S拓=G拓1+2G拓2+3G拓3，難度N拓=S拓／S拓max，平均深度，不同層次拓展的標準如表7所示.

表7 拓展層次劃分標準

5版新教材拓展難度的排名如表8所示：新教科版第1，新粵教版和新司南版并列第4，新滬科教版和新人教版居中.單樣本t檢驗顯示：新教科版在拓展難度上非常顯著的高于其他4版新教材（t=-5.966，P=0.009＜0.01）.

表8 拓展深度、廣度、難度、平均深度

對不同主題拓展廣度的比較顯示（如圖7）：在主題1新滬科教版最小；新人教版和新粵教版并列最大且與其他3版之間沒有顯著差異（t=2.683，P=0.075＞0.05）；在主題2新粵教版最小，新滬科教版最大且較其他4版新教材廣度顯著大（t=-4.825，P=0.017＜0.05）.說明拓展廣度的差異主要出現在相互作用主題.

圖7 拓展廣度

對拓展深度的認知水平比較發現（如圖8）：在“了解”深度，新滬科教版最深，新教科版最淺且顯著的少于其他4版教材（t=4.000，P=0.028＜0.05）；在“理解”（t=-9.000，P=0.003＜0.01）和“應用”（t=-12.124，P=0.001＜0.01）深度，新教科版都非常顯著的深于其他4版新教材.這說明新教科版對拓展內容主要不是描述性地呈現，更關注推理及應用，而其他4版新教材則較為統一地以介紹為主，較少進行深入分析.

圖8 拓展深度

5 5版新教材難度的比較

對5版新教材難度的比較發現：只有新司南版在習題維度上不管是廣度、深度、平均深度還是難度都非常顯著的高于其他版本，到底習題對教材難度的影響有多大？是否習題維度的數據會影響5版新教材的難度排名？

在控制習題維度的相關數據后，5版新教材在知識、實驗和拓展3個維度的難度、深度、廣度和平均深度排名確實發生了較大變化（表9）.在難度上新教科版、新粵教版、新滬科教版、新司南版和新人教版分別排名1-5；在廣度上新粵教版和新教科版排名前2，其他版本排名與難度一致；在平均深度上新教科版、新滬科教版、新人教版、新司南版和新粵教版排名1-5.

表9 教材新深度、廣度、難度、平均深度

6 研究結論與教材改革路徑建議

6.1 結論

（1）5版新教材難度排序.

排除習題維度后，新司南版在難度、廣度和平均深度上非常統一地排名第4；新教科版在難度和平均深度上均排名第1，在廣度上排名第2；新粵教版廣度第1，難度第2，平均深度第5.難度比較的結果顯示：新司南版難在習題，新粵教版難在廣度，新教科版難在對內容的闡釋.

（2）5版新教材知識排序.

5版新教材知識難度的排序為：新教科版＞新粵教版＞新滬科教版＞新人教版＞新司南版；在知識廣度上的排序為：新粵教版＞新教科版＞新滬科教版＞新人教版＞新司南版；在平均深度上的排序為：新司南版＞新教科版＞新人教版＞新滬科教版＞新粵教版.從知識難度、廣度和平均深度的排序可以發現：新司南版和新人教版的知識量最少，但對每個知識的闡述最深入；新粵教版的知識量最大，但平均深度顯示其對知識的闡述卻最簡單；新教科版則體現了“廣而深”的取向.

對知識在課標不同主題的比較顯示：新司南版和新人教版在知識廣度上與新課標之間不存在顯著差異，與課標要求較為一致.對知識深度在認知水平上的比較顯示：新司南版和新人教版在“了解”“應用”深度與課標差異不顯著，與新教科版和新粵教版一樣都在“理解”深度顯著高于課標要求.

（3）5版新教材實驗排序.

5版新教材實驗難度排序為：新粵教版＞新司南版＞新滬科教版＞新人教版和新教科版.實驗廣度排序為：新司南版＞新粵教版＞新人教版＞新滬科教版＞新教科版.實驗平均深度排序為：新教科版＞新滬科教版＞新粵教版＞新人教版＞新司南版.

對實驗在課標不同主題的比較顯示：新人教版和新司南版在新課標主題1和主題2廣度最大，且都顯著多于其他版本.在實驗類型上，新司南版“演示”實驗深度最大，但在“驗證”“探究”實驗深度與其他新教材保持一致；新人教版則在“探究”實驗深度比較薄弱；新粵教版在3個深度層次與大多數新教材保持一致.

（4）5版新教材習題排序.

5版新教材習題難度排序為：新司南版＞新粵教版＞新人教版＞新滬科教版＞新教科版.廣度排序為：新司南版＞新粵教版＞新滬科教版＞新人教版＞新教科版.平均深度排序為：新司南版＞新人教版＞新滬科教版＞新粵教版＞新教科版.從習題排序可知：新司南版習題既深且廣，非常適宜于不同層次學生對學習效果的評價；新教科版習題量較少，以中等難度為主，較少涉及難題.

（5）5版新教材拓展排序.

5版新教材拓展難度排序為：新教科版＞新滬科教版＞新人教版＞新粵教版＞新司南版.廣度排序為：新滬科教版＞新教科版＞新人教版＞新粵教版和新司南版（并列）.平均深度排序為：新教科版＞新人教版＞新滬科教版＞新粵教版和新司南版（并列）.從拓展難度、廣度和平均深度排名可知：新教科版拓展內容更偏向推理和應用，其他4版以介紹、描述為主.

6.2 教材改革和發展路徑建議

（1）知識方面的建議.

對5版新教材知識的比較發現，幾乎所有版本在知識深度的認知水平上都是“了解”最多，“應用”最少，雖然這與新課標的要求存在一定聯系，但也反映出新教材對知識的闡釋都不夠深入的特點.建議新教材盡量以新課標的廣度和深度來設置知識，在對物理概念和規律的闡釋時最好增加與學生生活相關的實例作為背景引入問題，有效利用學生前概念建立物理概念和規律之間的聯系，幫助學生從物理學視域理解自然，形成物理觀念.

（2）實驗方面的建議.

對5版新教材實驗的比較發現，版本間實驗并不均衡，有的“演示”實驗顯著多，有的“驗證”實驗顯著多，但在“探究”實驗上雖然都滿足課標要求，但并沒有顯著多的現象.建議適當增加探究實驗數來增大實驗深度；此外，在對教材中的實驗內容設計時應根據學生認知水平、學生學習順序等加強對學生實驗的關注，設計一些有一定深度的物理實驗.對不同主題實驗的比較發現，運動主題的實驗顯著少于相互作用主題的實驗，版本間不同主題的實驗并不均衡，建議適當考慮各板塊實驗內容的均衡，根據新課標要求及學生興趣平衡各主題實驗容量；第三，建議加強實驗的表現性評價，促進將實驗教學落到實處.

（3）習題方面的建議.

對5版新教材習題的比較發現，新司南版在習題數量和不同深度習題配置上非常突出，建議其他版本教材適當增加不同深度的習題數量，使其盡量符合學業質量水平分布，滿足對各層次學生的學業成就檢測；此外，建議新教材能從良構和劣構2個方面設計習題類型，多層面測評學生的科學思維和科學探究能力；第三，希望加強習題的趣味性、開放性和探究性，并結合前沿熱點，拓展學生視野.

（4）拓展方面的建議.

對5版新教材拓展的比較發現，大部分教材都僅僅對拓展內容進行了描述性介紹，在推理和應用部分較為缺失.建議對所拓展內容進行比較深入的呈現，盡量讓學生“知其然也知其所以然”；其次，建議增加課程思政和本土文化的內容，融合價值觀教育——將本國地理、歷史、藝術、文化、科技等滲透到不同主題的教材中，以培養學生愛國、愛鄉的情感和社會責任感.