物理核心素养在高中教材习题中的表现

郭庆 乔翠兰

摘   要：为探究2019年版高中物理教材和2004年版高中物理教材在习题部分对学生核心素养的考查情况，以《普通高中物理课程标准（2017年版）》中的物理学科核心素养及学业质量水平为研究依据，以人民教育出版社和山东科技出版社高中物理必修一教材为例，在横向与纵向上研究不同版本新旧教材在习题部分物理学科核心素养的表现情况。研究发现，2019年版高中物理教材习题量大增，所关注的核心素养比2004年版高中物理教材更全面，所达到的核心素养水平也更高。不同版本教材之间侧重不同，人民教育出版社出版的2019年版必修一教材注重科学思维，山东科技出版社出版的2019年版必修一教材注重科学探究。

关键词：教材;核心素养;习题;教材比较

自1997年世界经济合作与发展组织最先提出素质遴选项目以来，以“核心素养”为目标的教育改革正如火如荼地进行。我国于2016年正式公布了中国学生发展核心素养体系[1]。各门学科也结合学科特点、育人特点大力开发本学科的核心素养，并成为新一轮课程改革的中心议题，与核心素养相关的各方面研究也成为这几年教育研究领域、中学教学领域的热点。物理学是自然科学领域的一门基础学科，研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律。为贯彻“立德树人”的根本任务，《普通高中物理课程标准（2017年版）》已正式发布，提出了物理学科核心素养以及学生学业质量水平评价，为基础物理教育带来了新的生机[2]。教材根据课程标準编写，是教师教学的主要依据，是学生学习的主要工具。教材是教学的载体，是核心素养的集中体现。新版教材“呼之欲出”，部分教材已于2019年夏季编写完毕。

习题是教材的重要组成部分，是核心素养的重要载体，是学生掌握知识、发展能力的重要工具，是教师了解学生学习情况的重要途经。因此，对教材中的习题进行分析，挖掘习题中渗透的核心素养，对有效教学意义重大。闻雷对四个版本数学教材“函数单调性”部分的情境与问题、定义、例题、习题进行了比较研究[3];孟静宜等对人教版和北师大版小学数学教材“20以内数的认识”部分的习题进行了比较研究，发现两版教材各具特色[4];李晨晨等从题量、类型、设置、难度四方面对人教A版和英国A-Level高中数学教材“向量”部分的习题进行了比较研究，发现两版教材各有优劣[5];郭玉峰等以四版数学教材“函数”部分的书后习题为研究对象，对习题的核心素养及其达到的水平进行分类划分，得出不同教材对数学学科核心素养培养的差异[6];宋丽颖对中美物理教材“运动学”部分的内容编排、概念建构、习题和实验设置等方面进行了比较研究，得出中美物理教材的差异[7]。这些研究都给了我们很好的思路和方法启示。迄今为止，尚无人对2019年新版高中物理教材的习题进行核心素养方面的研究。

本研究以人民教育出版社2019年版（以下简称人教新版）、人民教育出版社2004年版（以下简称人教旧版）、山东科技出版社2019年版（以下简称鲁科新版）、山东科技出版社2004年版（以下简称鲁科旧版）的必修一书后习题（除例题）为研究对象，以《普通高中物理课程标准（2017年版）》中的物理学科核心素养及学业质量水平为研究依据，在横向与纵向上研究新旧不同、版本不同的教材在习题部分对于物理学科核心素养的表现情况。研究主要关注两个问题：一是根据物理学科核心素养的内涵，将习题进行归类;二是根据新课标学生学业质量水平的划分，将其与核心素养结合在一起，判定每个习题在核心素养上所达到的水平。最后给出研究结论，给教材编写和物理教学提供一些参考意见。

1    研究设计

1.1    研究对象

考虑到新教材在知识结构上的变化，本研究选择知识结构变化较小的必修一模块进行研究。研究对象是人教新版、人教旧版、鲁科新版、鲁科旧版四个版本的高中物理必修一的书后习题。

1.2    研究的可行性

本研究进行的前提是新旧教材在书后习题上存在差异，于是研究之前笔者对所选新旧教材必修一部分的全部习题进行了统计。具体结果如表1所示。

由表1可知，新版教材不仅在习题数量上多于旧版教材，且大部分都是新题，新旧教材在书后习题上存在较为明显的差异，因此有必要进行对比研究。

1.3    分类统计模型

本研究认为，每一道物理习题都考查和培养了学生某一方面或某几个方面的核心素养，并且所培养和考查的核心素养处于学生学业质量水平的不同层次。本研究对每一道习题进行素养类型及水平划分，通过统计进行新旧教材、不同版本教材之间的对比研究。为达到此目的，笔者将物理学科核心素养及学业质量水平进行凝练、整合。整合方式是以课程标准中学业质量水平五级划分为依据，根据必修一习题的特点，将没有考查到的质量水平描述进行删减综合，并将四个核心素养编码为A、B、C、D;将每一个核心素养下的不同水平层次编码为A1～A5、B1～B5、C1～C5、D1～D5，得出统计模型，如表2所示。

1.4    习题素养类型及水平划分

1.4.1    物理观念的划分

物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础[2]。物理概念既有一般概念的共性，又具有自身的特性。物理概念就客观属性来看，是反映物质本身的物理性质或某方面的特征，以及物质运动的某一状态或过程的物理特征;就主观属性来看，是在大量事实基础上建立起来的，对物理事实的一种近似的、突出本质的反映[8]。理解物理概念的内涵和外延是进行本研究的准备之一。必修一的概念主要包括两大类：运动学概念、动力学概念。物理规律反映物质结构和物质运动中各个要素之间的必然联系[9]，反映事物发展变化的趋势，是物理概念发展和深化的必然结果，规律主要包括定律、定理、原理、法则和方程等。必修一中的规律均可统属于力学规律[10]。

以下举例说明水平层次的划分。

例1：以下说法中，哪些指时间间隔？哪些指时刻？

本题在人教新版和人教旧版中皆有。题目所涉及的概念非常明确，即时间间隔、时刻，达到了对概念初步了解的水平，但并未考查和培养学生用概念解释现象、解决问题，故将其划分为A1层。

例2：在“小小竹排江中游，巍巍青山两岸走”这两句歌词中，所选取的参考系分别是什么？请说明理由。

本题取自鲁科新版，考查了参考系的概念，并要求学生用参考系来解释这两句诗，由于解释的现象较为简单，并且只涉及一个概念，故将其划分为A2层。

例3：一辆汽车在教练场上沿平直公路行驶，以x表示它相对于出发点的位移，下图（本文略）近似描写了汽车在0时刻到40 s这段时间的x-t图像。试通过分析回答以下问题：

（1）汽车最远位置距离出发点约多少米;

（2）汽车在哪段时间没有行驶;

（3）汽车在哪段时间驶离出发点，在哪段时间驶向出发点。

本题取自人教新版，考查了学生多个物理概念，包括位移、时间、x-t图像。学生首先要知道图像横、纵坐标的意义，然后将图像与位移、时间、运动状态联系起来。本题已达到A3层水平，故将其划分为该层。

例4：从高空下落的物体所受空气阻力随下落速度的增大而增大，经过一段距离后将匀速下落，这个速度称为此物体下落的终极速度。已知球形物体体积不大时所受的空气阻力f与速度v和球半径r成正比，即f=kvr。对于常温下的空气，k取3.4×10-4 N·s/m2。已知水的密度ρ=1.0×103 kg/m3，求半径为0.1 mm的球形雨滴在无风时的终极速度。

本题取自鲁科新版，考查了学生速度、阻力、重力、密度等概念;考查了二力平衡的规律。要求学生能综合运用这些概念、规律解决问题，故将其划分为A4层。

例5：请根据第三章（相互作用）和第四章（力与平衡）的内容，结合你的理解，画出概念图。

本题取自鲁科新版，对概念理解的要求已经达到系统的水平，学生要根据自己对于每个概念的理解，概念与概念之间的纵横关系，利用概念图的方法反映出自己对于概念的理解，这个理解不仅仅局限在概念本身的理解上，还包括每个学生对于上下级概念的不同理解，故将其划分为A5层。

1.4.2    科学思维的划分

科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[2]。在必修一的习题中，比较注重学生对物理模型的理解与运用。常用模型分为两大类：实物模型和问题模型。必修一中涉及到的实物模型有质点、斜面、平面、轻绳、轻杆、传送带等，涉及到的问题模型有刹车模型、相遇追及模型等[11]。由于物理习题通常从多个维度考查学生，因此我们在归类时应深入分析，将习题划分到可能的多个素养、水平下。

例：请你为乒乓球和战斗机各创设两个问题，一个问题中可以把它看成质点，另一个问题中不能把它看成质点。

本题取自人教新版，考查学生是否理解“质点”这个理想模型，并要求学生能在熟悉的问题情境中运用该模型，这对学生科学思维的考查达到了B2层水平，故将其划分为该层。其次，本题对学生“物理观念”方面的考查也达到了A1层水平。

1.4.3    科学探究的划分

科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素[2]。在必修一的习题中，多以实验题的形式出现。根据实验对学生提出的要求的高低、实验操作的难易程度、所涉及知識的复杂程度等可将习题考查的学生的科学探究能力进行层次划分。

例1：从高出地面3 m的位置竖直上抛一个小球，它上升5 m后回落，最后到达地面。分别以地面和抛出点为原点建立一维坐标系，方向均以向上为正，将下列表格填写完整（本文略）。

本题取自人教新版（人教旧版重复出现），题目已经给出操作步骤，要求学生做的就是根据表格的要求读取对应的数据，故将其划分为C1层。由于表格中填入的数据是位置与位移，这也考查了学生对位移概念的理解，故也达到了A2层水平。

例2：频闪照相是研究变速运动常用的实验手段。照片中的数字是小球下落的距离，如何通过照片测量自由落体加速度。

本题取自人教新版（人教旧版重复出现），题目已经给出明确的实验操作步骤，要求学生获取并简单处理数据，得出自由落体加速度的值，故将其划分为C2层。同时也考查了对自由落体加速度这个概念的理解，达到了A2层水平。

例3：你能不能把下面刻度尺的长度刻度直接标注为时间刻度，使它变为“人的反应时间测量尺”？

本题取自人教新版，题目中已经交待了，可以用学生捏住尺子处的刻度表示学生的反应时间，再进一步引导学生自己设计一个可以直接读时间的尺子。可以理解成没有让学生完全独立地设计探究方案，而是在一定的指导下，让学生设计，故将其划分为C3层。由于设计出这样的尺，必须理解自由落体运动的规律，故也达到了A2层水平。

例4：请设计一个实验，测量鞋底与地面之间的动摩擦因数。

本题取自鲁科新版，完全让学生自主设计探究方案，故将其划分为C4层。同时，对滑动摩擦力的理解达到了A2层水平。

1.4.4    科学态度与责任的划分

科学态度与责任的划分主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素[2]。这一块的考查和培养并不出现在某一个单独的题目中，而是渗透在各个题目中。比如，在题目中加入一些背景知识，加入一些科学、技术、社会、环境的启示。

例1：现代人经常低头玩手机，这会使颈椎长期受压，可能引发颈椎病。人低头时，可粗略认为头受到重力、肌肉拉力和颈椎支持力，如图所示（本文略）。某同学头重为G……由此估算颈椎受到的压力为多大。

本题取自鲁科新版。首先，将生活中玩手机会导致颈椎病的事例作为本题的背景，让学生认识到物理学与生活、健康存在联系，这对于学生科学态度与责任的培养达到了D1层水平。其次，学生要根据给出的力的示意图，利用力的合成与分解的知识求解出颈椎的受力大小，故本题也达到了A2层水平。

例2：某同学为研究雨滴下落的规律查阅资料，了解到：较大的雨滴是从大约1000 m的高空形成并下落的，到达地面的速度大约为4 m/s。根据以上信息，可以把雨滴的运动模型看成是1000 m高空的物体在有空气阻力的空间中由静止开始下落的运动，雨滴所受的空气阻力随速度的增大而增大。请你分析雨滴下落的运动过程，描述雨滴下落过程中速度和加速度的变化，并定性作出雨滴下落的v-t图像。

本题取自人教新版。首先，本题涉及到自由落体运动、受力分析、v-t图像等知识点，学生要了解它们之间的关系，解释自然现象，达到了A3层的水平。其次，将雨滴看成质点模型，将雨滴下落看成自由落体模型，对学生科学思维的考查达到了B2层水平。再次，将生活中常见的雨滴下落现象作为题目的背景，让学生意识到物理与生活的联系，故本题还达到了D1层水平。

1.5    对于分类模型的分析

在分类之前，笔者用分层抽样的方式从四版教材中共抽取20道习题，并寻找了三位物理教育方向的研究生。进行简单培训之后，笔者与三人共同对选取样本进行分类。收集结果后，将数据导入SPSS25.0中，进行Kendalls W检验，得出肯德尔和谐系数W=0.846，相关性良好，表明此分类模型具有一定的客观性。

2    研究数据

2.1    习题在素养类型上的划分

对四版必修一教材的习题在各个素养上的划分进行统计，将统计结果的百分比数据转化为更为直观的柱形图，如图1所示，统计结果如表3所示。

2.2    习题在素养水平上的划分

四版必修一教材的书后习题在素养水平上的划分，经统计，百分比结果如表4所示。 将不同教材在每个素养每个水平下的数据制作成更为直观的雷达图，如图2、图3、图4、图5所示。

在科学态度与责任上各水平的分布

3    研究结论

3.1    教材习题在素养类型上的分布

3.1.1    教材习题数量明显增加

观察表3发现，人教新版书后习题总数是140道，而人教旧版只有87道，新版题数增加了约61%;鲁科新版书后习题总数是203道，而鲁科旧版只有68道，新版题数增加了约199%，可见鲁科新版教材在习题部分变化非常大。

3.1.2    全面考查核心素养

观察图1发现，新版教材的习题对核心素养的考查更加均衡，特别是科学思维方面，旧版教材的习题关注较少，新版教材在这方面进行了强化。如人教旧版教材习题在科学思维、科学探究、科学态度与责任上的比例分别为6.9%、18.4%、9.2%;人教新版习题在这三方面的比例分别为20%、17.1%、12.9%，考查更加均衡。

3.1.3    主要考查物理观念

观察表3和图1，笔者认为，每一道物理习题不管以显性考查还是隐性考查的方式，都涉及到基本的物理概念或规律，都考查了学生的物理观念。可见，在必修一部分非常重视学生对基础物理概念和规律的认识、理解与应用，注重学生物理观念的形成。可见，物理观念是物理學科核心素养的基础，是习题的主要着眼点。

3.1.4    各个版本教材第二侧重的核心素养类型不同

观察图1发现，除了物理观念，各个版本教材侧重的其他核心素养类型各有不同。人教新版、人教旧版、鲁科新版、鲁科旧版第二侧重的核心素养分别是科学思维（20%）、科学探究（18.4%）、科学探究（21.7%）、科学态度与责任（13.2%）。整体看，在科学态度与责任方面，四版教材的习题占比相对均等。

3.1.5    加强了对科学思维、科学探究方面的考查

观察图1发现，人教新版相比人教旧版科学态度与责任方面的习题占比的涨幅不大，在科学探究方面的习题占比还有些许降低，但在科学思维上，新版相比旧版涨幅明显（从6.9%增长到20%）。鲁科新版相比鲁科旧版，在科学态度与责任方面的习题占比有些许降低，在科学思维（从2.9%增长到10.3%）、科学探究（从10.2%增长到21.7%）方面的习题占比涨幅明显。可见，新版教材的习题都比较重视学生科学思维的培养，鲁科新版还比较重视学生科学探究能力的培养。

3.2    习题在素养水平上的分布

3.2.1    物理观念

观察表4和图2发现：

四版教材在物理观念方面的习题主要都集中在第二水平（分别为56.4%、67.8%、59.1%、67.6%）。

新版教材考查的广度、深度有提升。新版教材减少了在第二水平上的习题占比，考查物理观念时，水平更深、层面更广。例如，鲁科新版在物理观念第二水平上的习题占比为59.1%，鲁科旧版在该水平上的习题占比为67.6%，新版增加了其他水平的习题，对于学生物理观念的形成提出了更高的要求。对于物理观念的分析，笔者另做了一项统计：仅考查物理观念的习题和考查包括物理观念的多个核心素养的习题，结果如图6所示。

由图6可知，旧版教材对物理观念的考查偏向于单独考查，偏向于概念、规律、公式等的直接应用。新版教材在考查物理观念时也开始重视其他核心素养，多素养考查的题目显著增多。特别是鲁科新版，单独考查物理观念与多素养考查的题目数量几乎相等。因此，在教学过程中不能只重视概念、规律的理解与运用，对其他核心素养也要重视起来。

3.2.2    科学思维

观察表4和图3发现：

四版教材在科学思维方面的习题主要都集中在第二水平（分别为18.6%、6.9%、10.3%、2.9%），都倾向于考查在熟悉的问题情境中运用常见的物理模型。人教新版最重视科学思维。人教新版在科学思维第二水平上的习题占比为18.6%，在第三水平上的习题占比为1.4%，是四版教材中最重视科学思维的教材。鲁科旧版在科学思维第二水平上的习题占比为2.9%，相对来说较低。

3.2.3    科学探究

观察表4和图4发现：

人教新版、人教旧版、鲁科新版在科学探究方面的习题主要都集中在第二水平（分别为8.6%、11.5%、12.3%）;鲁科旧版在第一水平的习题较多（4.4%）。新版教材考查的广度、深度有提升。新版教材的习题考查科学探究时，水平更深、层面更广。比如，人教旧版的习题主要都集中在第一水平（6.9%）和第二水平（11.5%），而人教新版一直到第四水平都有考查（分别为3.6%、8.6%、3.6%、1.4%）;鲁科旧版的习题主要都集中在第一水平（4.4%）、第二水平（2.9%）和第三水平（2.9%），而鲁科新版也是一直到第四水平都有考查（分别为4.9%、12.3%、2.0%、2.5%）。

3.2.4    科学态度与责任

观察表4和图5发现：

四版教材在科学态度与责任方面的习题主要都集中在第一水平（分别为12.2%、9.2%、8.8%、10.3%）。四版教材在科学态度与责任方面的习题占比总体持平。其中，人教新版相对来说更加重视科学态度与责任（比例为12.9%），更多地把一些生活、技术、自然中的背景融入习题中。

4    教学启示

通过以上分析不难看出，两版新教材都大大增加了习题数量;全面考查核心素养的同时，又有不同的侧重;习题对各个核心素养考查的广度和深度有所增加。如何有效地使用这些习题，做到用教材教，而不是教教材，需要进一步实践和研究。这里笔者给出自己的一些建议：

4.1    合理配置习题，全面培养核心素养

新教材在必修一部分的习题量大增，因此教师如何在有限的教学课时内、在学生有限的学习时间内合理配置这些习题，显得尤为重要。配置习题应兼顾到核心素养的每个方面。

4.2    重视物理观念，勿忘其他素养

新教材在必修一部分的习题非常重视物理观念，在科学思维、科学探究、科学态度与责任方面习题量略少。因此，教学过程中应该着重利用习题培养学生形成物理观念，但不能只注重物理观念，其他的素养也要兼顾到。

4.3    加强实验教学，培养科学思维和科学探究能力

新教材在必修一部分的習题加强了对学生科学思维、科学探究能力的考查，习题主要以实验题的形式出现，因此教师在教学过程中应注意增加演示实验、学生分组实验等，并且课堂上的练习可以选择一些实验题代替单纯的公式计算题。

综合以上三点，在具体操作上可以将一些水平较低的概念题、实验题作为课堂例题讲解，同时注意选择一些有技术、自然背景的习题，在课堂上传递给学生应有的科学态度与责任;课后再选择一些水平层次略高的习题作为学生的作业;某一模块知识学完之后选择一些高水平的科学探究问题让学生进行合作探究。

4.4    注意配置习题的广度和深度

相比于旧版教材的习题集中在某一个或两个水平层次，新版教材的习题分布在各核心素养的各水平上。教师在配置习题时，应先考虑习题考查的核心素养类型和达到的水平层次，尽量避免选择的习题都集中考查某个核心素养的某个水平，在配置习题时注意考查的广度和深度。

4.5    横纵结合不同版本新旧教材，寻求教学改进与突破

横向结合不同版本教材。在以上的研究结果分析中可清楚地发现，不同版本教材习题所重视的核心素养不同，就必修一来说人教新版重视物理观念、科学思维，鲁科新版重视物理观念、科学探究。教师在教学过程中，应该深入对比研究不同版本教材，在更多的教材习题中进行最优配置。

纵向结合新旧教材。对于新教材，教师需要做很多工作，不仅仅是研究新教材，还要做好新旧教材的比较分析，找出“新”在什么地方，如何根据课程标准和新教材改进自己原来的教学，并突破传统的知识本位的教学观，这不仅是新旧教材的更替，更是教师教学观的破旧立新，这都需要深入研究“新”与“旧”。

参考文献：

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[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4-6.

[3]闻雷.基于数学核心素养的不同版本教材比较研究——以“函数单调性”为例[J].中学数学， 2019（6）：12-14.

[4]孟静宜，白改平.人教版、北师大版小学数学教材习题的比较研究——以“20以内数的认识”为例[J].教育现代化，2018（32）：376-381.

[5]李晨晨，罗新兵.人教A版与A-Level版高中数学教材中向量部分习题的比较及启示[J].数学教学，2019（3）：35-39.

[6]郭玉峰，赵坤.数学核心素养在高中教材习题中的表现研究：以“函数”为例[J].教育科学研究，2019（3）：68-74.

[7]宋丽颖.从“核心素养”角度对中美物理教材的比较研究与启示——以“运动学”为例[J].物理教学探讨，2018，36（8）：20-27.

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[9]王华，张健，李春密.渗透物理学史，促进规律建构——以“库仑定律”为例兼谈物理定律教学[J].物理教师，2017， 38（7）：9-11.

[10]黎宗传.刍议教材内的物理规律[J].中学物理教学参考，2005，34（8）：14-15.

[11]张海涛.高中物理常见模型概述[J].湖南中学物理，2011（3）：16-18.

（栏目编辑    刘   荣）