中日高中物理教材習題的比較研究
——以“機械能及其守恒定律”章節為例

范 兵 蔡亞璇 曾 天

（湖北大學物理與電子科學學院，湖北 武漢 430062）

日本的中小學教材是由其民間教材出版社進行編寫和發行的，就其教材的選用而言，一般是由都道府縣和市町村的教育委員會按一定程序選定該地區公立學校使用的教材，國立和私立學校由校長選定教材［1］.在日本被廣泛使用的5個版本高中物理教材是由第一學習社、東京書籍、實教、數研和啟林館這5個出版社各自出版的，其教材的編寫、審核和選用有相應的法規作保障.教材習題是鞏固學生知識，培養學生問題解決能力的重要載體，本文通過對中日高中物理教材習題進行比較分析，可以給我國物理教材習題的編制提供一些參考.

1 研究對象

中方教材是由人民教育出版社于2019年出版的普通高中教科書《物理》，該套教材是目前中國最新、使用人數最多的教材（以下簡稱“人教版教材”），也是最能代表中國高中物理教材現階段編寫特點的.日方教材是由第一學習社株式會社于2019年出版的高中物理教材《物理基礎》和《物理》（這里《物理基礎》和《物理》類似于我國物理的必修和選修教材，以下簡稱“學習社教材”），主要的編寫者有田村剛三郎等18人，該教材布局合理，插圖豐富，是在日本被廣泛使用的主流教材.本文選取“機械能及其守恒定律”這一章節，以人教版教材《物理》必修第二冊第8章《機械能守恒定律》［2］和學習社教材《物理基礎》第2單元的第1章《功與機械能》［3］為習題來源進行分析，其章節內容如表1所示.

表1 中日教材目錄內容

2 中日教材習題比較

2.1 中日教材習題結構設置比較

從表2可以看出不論是人教版教材還是學習社教材，兩者均在教材的節末和章末設置習題來加強學生對物理概念、規律和方法的熟悉理解，培養學生利用所學物理知識去解決實際問題的能力.人教版教材在其章末設置了A、B兩組習題，其中A組習題設問較多，從多角度、多層次考查學生對本章知識的理解；而B組習題設問較少，著重考查學生對知識的靈活應用，并且B組習題的難度較于A組會更大.類似于人教版教材章末習題的設置情況，學習社教材也根據習題難度的不同設置了2種層次的題目，并且在習題的題號上標注“基礎”或“一般”以示區別，同時還標注出習題考查的知識點，其中標注有“一般”的題目難度更大，對學生的綜合能力要求更高.

表2 中日教材習題欄目設置

而對于節末習題，學習社教材設置了“問題”和“特講”2個欄目，“問題”和人教版教材的“練習與應用”類似，在教材的每一小節中均有出現，但習題所在的位置有所不同，“練習與應用”出現在每一小節的節末，而“問題”則是出現在每一小節的具體小知識點的后面，遍布整個小節.此外學習社教材的“特講”欄目只出現在部分小節的節末，類似于一種專欄訓練，例如學習社教材“功與機械能”這一章中僅在第4小節“機械能”的節末設置了一個“特講”——機械能計算公式的練習，該“特講”的主要內容是先歸納出幾種物體的運動模型，然后給出專門習題訓練來強化學生對該節知識點的理解與應用.

2.2 中日教材習題分布與題量比較

為了保證統計數據的嚴謹，在統計過程中若一道題有多個小問則記為多題，其統計結果如表3所示.

表3 教材習題題量與題型分布統計

如表3所示，人教版教材的習題總量為68道，節末習題39道，平均每節7.8題；學習社教材的習題總量為41道，節末習題34道，平均每節8.5題.從題量上看，人教版教材的總習題量多于學習社教材，約為學習社教材的1.66倍；人教版教材的章末題量約為學習社教材的4倍，而兩者的平均節末習題數量差別較小.從題型上看，人教版教材涉及計算題、簡答題和證明推導題等6種題型，題型豐富，而學習社教材僅涉及計算題、證明推導題和判斷題3種題型，題型類別少；但雙方教材均表現出計算題這一習題類型在所有習題類型中占比最大，并且占比均超過70%，這說明計算題在教材習題中具有重要地位.

2.3 中日教材習題情境設置比較

所謂物理習題的情境即是圍繞某一主題，通過文字、數據和圖表等呈現的背景信息，設計物理問題或任務，為考査學生科學素養提供載體.本研究采用由比利時著名教育學家易克薩維耶·羅日葉（Xavier Roegiers）提出的情境類型學為理論基礎［4］，該理論認為情境類型由辨別參數、內容參數和裝扮參數三個維度構成，辨別參數是包括情境特征、作業回答類型及開放等級等要素的外在特征；內容參數是包括問題之間的關聯性、問題與背景之間的關聯以及認知要求等的內在特征；裝扮參數包括與情境的呈現方式有關的感知情境的方式［5］，基于此在參考已有研究［6－7］的基礎上結合本研究需要，構建了習題情境比較的分析框架來對教材習題進行比較分析，其框架如表4所示.

表4 教材習題情境分析框架

（1）辨別參數比較.

本研究中辨別參數由情境特征、作業回答類型及開放等級3個方面構成，它能夠反映習題的情境化水平.由圖1可知，在教材習題的情境特征來源方面，人教版教材和學習社教材均以“教材典型”為主要來源，并且占比均超過61%，而教材典型是指如滑塊、輕彈簧和輕繩等典型理想化模型，這表明教材上的經典力學模型是習題主題特征的重要來源；并且人教版教材的習題情境特征來源更加豐富，除“教材典型”和“日常生活”外，還涉及“自然現象”和“科學前沿”方面的習題，這些情境特征豐富的習題有利于開拓學生視野，增長見識.

圖1 情境特征來源比較

如圖2所示，在作業回答類型上，2種教材的習題均以“提供解釋”為主，占比均超過92%，并且人教版教材的習題對于“作業回答類型”的設置更加豐富，還有“繪制圖表”這一類型的習題，占比約為1.5%，這類習題可以培養學生的觀察能力和思維想象能力，有助于學生核心素養的發展.由圖3可知，學習社教材習題的開放等級均是封閉的，而在人教版教材的習題中，開放等級為“封閉”的占比為89.7%，開放等級為“開放”的占比為10.3%，這說明人教版教材的習題在使用封閉性習題鞏固學生的知識基礎的同時，也設置了開放性的習題來活躍學生思維，培養學生的創新意識.

圖2 作業回答類型的比較

圖3 開放等級的比較

（2）內容參數比較.

內容參數是由問題與背景之間的關聯、問題之間的關聯性以及認知要求3個方面構成，是認知任務水平的重要表現.在問題與背景的關聯方面，如圖4所示，人教版教材和學習社教材的習題在問題與背景的關聯上表現為“強相關”的占比分 別 為 73.5% 和87.8%，兩 者 相 差 不大，這表明將問題融入到背景中有利于培養學生對問題進行分析處理、獲取有用信息來解決問題綜合能力.在問題之間的關聯性方面，人教版教材的習題處于“后者基于前者”的占比為30.9%，高于學習社教材，這表明人教社教材的習題更加注重習題之間的層次遞進，考查學生對復雜問題進行深入剖析的能力.

圖4 問題與背景的關聯的比較

如圖6所示，對于習題所考查的認知要求的高低是以SOLO分類理論來進行分類的，把處于單點結構水平和多點結構水平的習題作為低階水平類的題目，處于關聯結構水平和拓展抽象水平的習題作為高階水平類的題目.在習題的認知要求上，人教版教材習題處于“高階水平”的占比為13.3%，高于學習社教材，而且在“低階水平”的習題中，處于多點結構水平的人教版教材習題的占比也高于學習社教材；這表明人教版教材習題對學生解題所需的能力水平更高，從整體上看人教版教材習題的難度也高于學習社教材.

圖5 問題之間的關聯性的比較

圖6 認知要求的比較

（3）裝扮參數比較.

裝扮參數主要通過情境呈現的方式來體現，它反映了試題情境的描述水平；通過文字、圖片和圖表等形式對習題進行呈現有利于增大習題信息的廣度，培養學生能在不同信息表征的方式中進行數據攫取加工和運算推理的高階思維能力.如圖7所示，通過“文字＋圖片/圖表”的形式對習題情境進行呈現是2種教材的主流，其中人教版教材習題以此方式進行呈現的比例為51.4%，而學習社教材的占比更高，約為70.7%，更加注重通過以文字與圖形的結合來呈現習題；但人教版教材對于情境呈現方式的種類更多，對于“文字＋圖片＋圖表”這類表征形式的運用也有所涉及.

圖7 情境呈現方式的比較

3 總結與思考

3.1 中日教材習題特點總結

通過對中日雙方高中物理典型教材的習題進行比較研究，發現我國人教版教材在《普通高中物理課程標準（2017年版）》的編寫依據下，人教版教材的習題較于學習社教材在習題的數量、類型、情境特點等方面呈現出一定優勢，其具體特點表現為：

（1）人教版教材習題具有題量大、題型豐富的特點，其中題型涵蓋計算題、簡答題和證明推導題等6類題型，并且計算題的占比最大，約為70.6%；而學習社教材習題具有題量小、題型單一的特點，其中僅涉及計算題和證明推導題2類題型，同樣也是計算題的占比最大，約為80.5%.

（2）人教版教材習題具有情境豐富，開放程度高的特點，具體表現為習題的情境特征來源廣，涉及“教材典型”、“日常生活”和“科技前沿”等4個類型的主題，提供較多的習題解答形式和開放的思考空間，比如有些題目是以“重力勢能的減少略大于動能的增加量，你認為原因是什么？”這樣的形式結尾的，增加了習題的靈活性；而學習社教材習題具有習題情境單一，開放程度低的特點，其中僅涉及2種類型情境主題，同時提供的習題解答的形式較為單一，習題設問只要求計算出結果，其開放拓展性較弱.

（3）人教版教材習題具有難度較大，重視知識的理解與應用的特點，而學習社教材習題難度較小，注重于基礎知識的學習；同時人教版教材的習題對涉及的物理概念與規律的數目會更多，對學生的認知要求也更高些，這種中日之間的教材習題的難易特點在兩國的高考物理試卷中也有延續.

3.2 思考與啟示

根據上述研究與分析，有以下幾點建議可為我國高中物理教材習題的編制提供參考：

（1）優化習題設置，開辟專欄訓練.

設置適當數量的與我國相關的物理學史和科技前沿等情境主題的習題，來擴展學生的知識面、弘揚民族自豪感、促進人文素養與物理學科的融合；同時也可設置適當數量的作業回答類型為設計實驗方案或繪制圖表等開放性的習題來培養學生科學探究能力.此外在學習社教材《物理基礎》共11章30節的全部內容中，在7個小節中設置了9個“特講”作為專欄對波的疊加、力的合成分解與平衡等小節進行內容歸納總結和專題訓練來強化學生對所學知識的理解和應用，因此我國的物理教材也可以適當設置一些專欄來對某些重點物理知識進行總結、拓展和訓練，以此來提高學生對知識的綜合應用能力.

（2）加強圖表表征，注重情境設置.

習題表征是一種外部表征，通過借助各種表征方式來傳遞問題信息，學習者能夠借助于習題的表征形式將習題所考查的內容與已有認知結合起來來解決問題，不同的表征形式對學習者的解題思維過程有著不同的影響.由圖7的比較結果可知，物理教材習題主要通過文字表征或圖表表征的形式來習題情境進行呈現，而圖表表征可以更好地發揮其演示闡明作用，有助于學生對物理問題進行模型建構和科學推理，因此我國的物理教材可以適當提高通過圖表表征來對習題進行呈現的比例，從而更好地促進學生科學思維的發展.

同時在習題情境的設置上，應該明確好情境的特征，減弱情境化命題帶來的局限.羅日葉認為好情境應具備如下特征：一個真正的靶向情境；一個對學習有用的情境；一個激發學生動機的情境；一個可以實現的情境.［8］即好的情境與習題進行融入時要注重情境的新穎性，情境要傳遞積極的價值觀、促進學生知識與能力的融合，要與教學目標相適應，要激發學生的學習興趣等特征.通過好的情境化習題的設置，才能更好地培養學生的物理觀念和科學態度，提高學生的科學探究能力，促進學生的全面發展.