从我国5版高中物理新教材的难度探索教材改革和发展路径

邓 磊 蒋 敏

（1.西南大学科学教育研究中心，重庆 400715；2.西南大学附属中学，重庆 400700）

随着我国基础教育课程改革的不断深入，教育部于2018年颁布了修订后的《普通高中物理课程标准（2017版）》，因此与之对应的原实验版高中物理教材也随之修订.作为“立德树人”理念的载体，提升学生物理学科核心素养的直接课程资源，修订后的新人教版、新司南版（鲁科版）、新沪科教版、新教科版、新粤教版是否集中反映了我国近20年普通高中物理课程改革的成果？5版新教材中新的知识和方法不断被补充，丰富教材内容的同时是否会加重学生课业负担？5版新教材与新课标的要求是否一致、适切？5版新教材的难度有什么特点？本研究将从教材改革和发展路径的角度来探索5版新教材的难度.

高中物理教材难度与教材广度、深度有关.教材的广度（G总）是指教材的容量，即教材内容的多少.教材内容由知识、实验、习题和拓展4个维度的内容构成.即，教材的广度由知识、实验、习题和拓展的数量决定（G总=G知+G实+G题+G拓）；教材的深度（S总）由构成教材内容的上述4个维度的深度总和来体现（S总=S知+S实+S题+S拓）；教材的平均深度是指教材单位内容点的深度；教材的难度为N总=S总／S总max.

为了探索5版高中物理新教材的难度，本研究将先在组成其内容的知识、实验、习题、拓展维度上进行难度比较.

1 5版新教材知识难度的比较

教材的知识难度模型由知识深度和广度构成：知识深度S知=G知1+2G知2+3G知3；知识广度G知=G知1+G知2+G知3；知识难度N知=S知／S知max；平均深度.对知识深度的层次划分标准如表1所示.

表1 知识层次划分标准

5版新教材知识深度、难度、广度和平均深度的排名如表2所示.在难度上新教科版最大，新粤教版和新沪科教版排名2、3，新司南版和新人教版最小.独立样本t检验显示：新教科版和新粤教版在知识难度上非常显著的高于其他3版新教材（t=7.934，P=0.004＜0.01）.

表2 知识深度、广度、难度、平均深度

教材的难度受到广度的影响，新教材的广度会如何影响其难度？新教材的广度是否符合新课标的要求？新课标在必修1有38个知识点，其中主题1“机械运动与物理模型”包括16个，主题2“相互作用与运动规律”包括22个.5版新教材在主题1的平均知识个数为21.6个，在主题2为28.4个（图1）.单样本t检验显示：5版新教材在主题1的知识广度显著多于新课标要求（t=3.434，P=0.026＜0.05），在主题2却与新课标没有显著差异（t=2.518，P=0.065＞0.05）.

图1 知识广度

对5版新教材知识的认知深度比较发现（图2）：在“了解”深度：新粤教版、新沪科教版、新教科版、新人教版和新司南版排名1-5，单样本t检验显示这5版新教材在该深度与新课标要求没有显著差异（t=-0.506，P=0.640＞0.05）.在“理解”深度：新粤教版、新教科版、新司南版和新人教版排名1-4，单样本t检验显示上述4版新教材在“理解”深度显著高于新课标要求（t=3.472，P=0.033＜0.05）；而与新课标要求一致的新沪科教版排名最末.在“应用”深度：新教科版、新沪科教版、新粤教版排名前3，单样本t检验显示上述3版新教材在“应用”深度显著高于新课标要求（t=9.291，P=0.011＜0.05）；新人教版和新司南版排名4、5，单样本t检验显示这2版新教材与新课标要求没有显著差异（t=5.000，P=0.126＞0.01）.由此可知，新司南版和新人教版在“了解”“应用”深度与课标差异不显著，除新沪科教版外的其他4版在“理解”深度显著的深于新课标要求.

图2 知识深度

2 5版新教材实验难度的比较

实验难度的计算模型由实验广度（G实）和实验深度（S实）两方面构建而成.其中，实验广度是指教材中的实验容量，主要指实验的个数；实验深度是指实验的复杂度，主要由实验的开放程度、包含的探究要素及在教材中所占篇幅等因素决定.本研究将实验深度划分为“演示”“验证”“探究”3个层次，以1、2、3来赋值，每个层次对应的广度分别为G实1、G实2、G实3（表3）.实验广度G实=G实1+G实2+G实3；实验深度S实=G实1+2G实2+3G实3；实验难度N实=S实／S实max；平均深度.

表3 实验层次划分标准

5版新教材实验难度、深度、广度和平均深度排名如表4所示：新粤教版最大，新司南版次之，新沪科教版和新人教版居中，新教科版最低.独立样本t检验显示：新粤教版和新司南版在实验难度上显著的高于其他版本（t=-5.269，P=0.013＜0.05）.

实验难度在一定程度上受到实验广度的影响，为了进一步研究不同主题下5版新教材的实验广度，引入新课标的实验要求作为衡量标准（图3）：新课标在必修1部分有6个实验要求，其中4个是学生必做实验.主题1“机械运动与物理模型”包括2个实验（其中1个学生必做实验），主题2“相互作用与运动规律”包括4个实验（其中3个学生必做实验）.5版新教材在主题1和主题2的平均实验数分别为4.4个和10.80个，单样本t检验显示新教材在主题1的实验广度显著大于新课标要求（t=2.954，P=0.042＜0.05），在主题2与新课标没有显著差异（t=2.744，P=0.052＞0.05）.

图3 实验广度

表4 实验深度、广度、难度、平均深度

进一步分析显示（图4），新粤教版在所有深度与大多版本保持一致；新司南版展现出了显著多的“演示”实验来提升学生学习兴趣，强化物理的实验基础，但在“验证”与“探究”实验深度则保持了与其他教材或新课标的一致性；新人教版在“演示”与“验证”实验深度与大多数教材较一致，但在“探究”实验深度较为薄弱.

图4 实验深度

3 5版新教材习题难度的比较

习题难度的计算模型由习题广度（G题）和习题深度（S题）构成.其中，习题广度是指习题的数量；习题深度是指习题所涉及的思维深度，包括习题的综合程度、计算量和应用水平等.本研究将习题深度划分为简单、中等、难三个层次，以1、2、3来赋值（表5）.习题广度G题=G题1+G题2+G题3；习题深度S题=G题1+2G题2+3G题3；习题难度N题=S题／S题max；平均深度.

表5 习题层次划分标准

5版新教材习题深度、难度、广度和平均深度的排名如表6所示.在难度上新司南版最大，新粤教版、新人教版、新沪科教版和新教科版排名2-5.单样本t检验显示：新司南版习题难度非常显著的高于其他4版新教材（t=-20.104，P=0.000＜0.01），新教科版最低且非常显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 习题深度、广度、难度、平均深度

对新课标2个主题习题广度的比较显示（如图5），在主题1排名与广度一致；在主题2新司南版、新沪科教版、新人教版、新粤教版和新教科版排名1-5.

图5 习题广度

对习题深度的认知水平比较发现（图6）：在“简单”深度新司南版最多且非常显著的多于其他版本（t=-9.661，P=0.002＜0.01），新教科版最少但少得并不显著（t=2.109，P=0.126＞0.05）；在“中等”深度，依然是新司南版最多，同时也非常显著的多于其他版本（t=-5.770，P=0.00975＜0.01），新人教版最少并显著的少于其他版本（t=3.183，P=0.04998＜0.05）；在“难”深度，还是新司南版最多，依然非常显著的多于其他版本（t=-10.842，P=0.002＜0.01），新教科版最少但与其他版本并无显著差异（t=-2.106，P=0.126＞0.05）.说明新司南版在习题的不同深度均着墨较重，能实现对学生科学思维能力不同层次的有效培养，让不同层次学生通过习题都能实现对学习的有效评价，改变了传统教材习题过少过易，教师需要多本教辅才能检验学生所学知识的缺陷，减轻了学生的学业负担和经济压力，强化了教材功能的全面性.

图6 习题深度

4 5版新教材拓展难度的比较

高中物理教材中的拓展主要有物理学史、STSE、高等物理、信息化及其他拓展等几种类型，大部分以栏目或板块的形式专门呈现.拓展文本的呈现方式有三个层次，相应的深度从低到高分别赋值为1、2、3.拓展的广度G拓=G拓1+G拓2+G拓3，深度S拓=G拓1+2G拓2+3G拓3，难度N拓=S拓／S拓max，平均深度，不同层次拓展的标准如表7所示.

表7 拓展层次划分标准

5版新教材拓展难度的排名如表8所示：新教科版第1，新粤教版和新司南版并列第4，新沪科教版和新人教版居中.单样本t检验显示：新教科版在拓展难度上非常显著的高于其他4版新教材（t=-5.966，P=0.009＜0.01）.

表8 拓展深度、广度、难度、平均深度

对不同主题拓展广度的比较显示（如图7）：在主题1新沪科教版最小；新人教版和新粤教版并列最大且与其他3版之间没有显著差异（t=2.683，P=0.075＞0.05）；在主题2新粤教版最小，新沪科教版最大且较其他4版新教材广度显著大（t=-4.825，P=0.017＜0.05）.说明拓展广度的差异主要出现在相互作用主题.

图7 拓展广度

对拓展深度的认知水平比较发现（如图8）：在“了解”深度，新沪科教版最深，新教科版最浅且显著的少于其他4版教材（t=4.000，P=0.028＜0.05）；在“理解”（t=-9.000，P=0.003＜0.01）和“应用”（t=-12.124，P=0.001＜0.01）深度，新教科版都非常显著的深于其他4版新教材.这说明新教科版对拓展内容主要不是描述性地呈现，更关注推理及应用，而其他4版新教材则较为统一地以介绍为主，较少进行深入分析.

图8 拓展深度

5 5版新教材难度的比较

对5版新教材难度的比较发现：只有新司南版在习题维度上不管是广度、深度、平均深度还是难度都非常显著的高于其他版本，到底习题对教材难度的影响有多大？是否习题维度的数据会影响5版新教材的难度排名？

在控制习题维度的相关数据后，5版新教材在知识、实验和拓展3个维度的难度、深度、广度和平均深度排名确实发生了较大变化（表9）.在难度上新教科版、新粤教版、新沪科教版、新司南版和新人教版分别排名1-5；在广度上新粤教版和新教科版排名前2，其他版本排名与难度一致；在平均深度上新教科版、新沪科教版、新人教版、新司南版和新粤教版排名1-5.

表9 教材新深度、广度、难度、平均深度

6 研究结论与教材改革路径建议

6.1 结论

（1）5版新教材难度排序.

排除习题维度后，新司南版在难度、广度和平均深度上非常统一地排名第4；新教科版在难度和平均深度上均排名第1，在广度上排名第2；新粤教版广度第1，难度第2，平均深度第5.难度比较的结果显示：新司南版难在习题，新粤教版难在广度，新教科版难在对内容的阐释.

（2）5版新教材知识排序.

5版新教材知识难度的排序为：新教科版＞新粤教版＞新沪科教版＞新人教版＞新司南版；在知识广度上的排序为：新粤教版＞新教科版＞新沪科教版＞新人教版＞新司南版；在平均深度上的排序为：新司南版＞新教科版＞新人教版＞新沪科教版＞新粤教版.从知识难度、广度和平均深度的排序可以发现：新司南版和新人教版的知识量最少，但对每个知识的阐述最深入；新粤教版的知识量最大，但平均深度显示其对知识的阐述却最简单；新教科版则体现了“广而深”的取向.

对知识在课标不同主题的比较显示：新司南版和新人教版在知识广度上与新课标之间不存在显著差异，与课标要求较为一致.对知识深度在认知水平上的比较显示：新司南版和新人教版在“了解”“应用”深度与课标差异不显著，与新教科版和新粤教版一样都在“理解”深度显著高于课标要求.

（3）5版新教材实验排序.

5版新教材实验难度排序为：新粤教版＞新司南版＞新沪科教版＞新人教版和新教科版.实验广度排序为：新司南版＞新粤教版＞新人教版＞新沪科教版＞新教科版.实验平均深度排序为：新教科版＞新沪科教版＞新粤教版＞新人教版＞新司南版.

对实验在课标不同主题的比较显示：新人教版和新司南版在新课标主题1和主题2广度最大，且都显著多于其他版本.在实验类型上，新司南版“演示”实验深度最大，但在“验证”“探究”实验深度与其他新教材保持一致；新人教版则在“探究”实验深度比较薄弱；新粤教版在3个深度层次与大多数新教材保持一致.

（4）5版新教材习题排序.

5版新教材习题难度排序为：新司南版＞新粤教版＞新人教版＞新沪科教版＞新教科版.广度排序为：新司南版＞新粤教版＞新沪科教版＞新人教版＞新教科版.平均深度排序为：新司南版＞新人教版＞新沪科教版＞新粤教版＞新教科版.从习题排序可知：新司南版习题既深且广，非常适宜于不同层次学生对学习效果的评价；新教科版习题量较少，以中等难度为主，较少涉及难题.

（5）5版新教材拓展排序.

5版新教材拓展难度排序为：新教科版＞新沪科教版＞新人教版＞新粤教版＞新司南版.广度排序为：新沪科教版＞新教科版＞新人教版＞新粤教版和新司南版（并列）.平均深度排序为：新教科版＞新人教版＞新沪科教版＞新粤教版和新司南版（并列）.从拓展难度、广度和平均深度排名可知：新教科版拓展内容更偏向推理和应用，其他4版以介绍、描述为主.

6.2 教材改革和发展路径建议

（1）知识方面的建议.

对5版新教材知识的比较发现，几乎所有版本在知识深度的认知水平上都是“了解”最多，“应用”最少，虽然这与新课标的要求存在一定联系，但也反映出新教材对知识的阐释都不够深入的特点.建议新教材尽量以新课标的广度和深度来设置知识，在对物理概念和规律的阐释时最好增加与学生生活相关的实例作为背景引入问题，有效利用学生前概念建立物理概念和规律之间的联系，帮助学生从物理学视域理解自然，形成物理观念.

（2）实验方面的建议.

对5版新教材实验的比较发现，版本间实验并不均衡，有的“演示”实验显著多，有的“验证”实验显著多，但在“探究”实验上虽然都满足课标要求，但并没有显著多的现象.建议适当增加探究实验数来增大实验深度；此外，在对教材中的实验内容设计时应根据学生认知水平、学生学习顺序等加强对学生实验的关注，设计一些有一定深度的物理实验.对不同主题实验的比较发现，运动主题的实验显著少于相互作用主题的实验，版本间不同主题的实验并不均衡，建议适当考虑各板块实验内容的均衡，根据新课标要求及学生兴趣平衡各主题实验容量；第三，建议加强实验的表现性评价，促进将实验教学落到实处.

（3）习题方面的建议.

对5版新教材习题的比较发现，新司南版在习题数量和不同深度习题配置上非常突出，建议其他版本教材适当增加不同深度的习题数量，使其尽量符合学业质量水平分布，满足对各层次学生的学业成就检测；此外，建议新教材能从良构和劣构2个方面设计习题类型，多层面测评学生的科学思维和科学探究能力；第三，希望加强习题的趣味性、开放性和探究性，并结合前沿热点，拓展学生视野.

（4）拓展方面的建议.

对5版新教材拓展的比较发现，大部分教材都仅仅对拓展内容进行了描述性介绍，在推理和应用部分较为缺失.建议对所拓展内容进行比较深入的呈现，尽量让学生“知其然也知其所以然”；其次，建议增加课程思政和本土文化的内容，融合价值观教育——将本国地理、历史、艺术、文化、科技等渗透到不同主题的教材中，以培养学生爱国、爱乡的情感和社会责任感.