PISA视域下高中物理新旧教材习题的比较研究——以粤教版《物理》必修2为例

张润生 肖 洋 李德安 邓浩仪 杨诗淇 熊雨山

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

《普通高中物理课程标准（2017年版）》注重发展学生的物理学科核心素养，提倡创设情境培养学生对物理知识的整合与综合分析能力.［1］教材作为直接的课程资源与高考命题素材的重要来源，所提供的情境与涉及的情境活动在教学与考试等方面具有重要研究价值.［2］而教育领域中规模最大的综合性评估项目——PISA，其理念与新教材习题编制的要求不谋而合：强调考查学生的综合性素养，认为教育应致力于提升学生在生活情境中运用知识和技能解决实际问题的能力.［3，4］因此，本文以PISA2015科学素养测评框架为基础，对我国粤教版高中《物理》必修2新旧教材例题、习题的设置水平进行研究，探讨新旧教材习题设置特点的变化，为中学一线教师科学进行习题教学提供参考.

1 研究框架

PISA2015科学素养测评框架如图1所示，包括情境、能力、知识、态度4个部分.［5］根据与学生生活的远近程度，情境维度划分为个人、地区/国家、全球3类.在此基础上，本文还考虑到去情境化的习题，补充了无情境这一类别.能力维度具体划分为科学地解释现象、评估与设计科学探究、科学地解释数据和证据3个方面.知识维度指问题解决过程中所涉及到的科学知识类型，即指向“是什么”的内容性知识、指向“怎么做”的程序性知识、指向“为什么这样做”的认识论知识.态度维度包括了对科学的兴趣等3个方面，往往需要结合问卷或答卷信息进行分析，单从题目本身出发可能难以评定.因此，本文不将其纳入分析框架.此外，PISA2015框架还借鉴韦伯的知识深度模型引入认知需求维度.这与2017年版普通高中物理课程标准中逐级进展的学业质量水平要求相类似.结合两者，本文从情境复杂度、思维加工深度、涉及的物理学知识综合程度，将认知需求分为“低、中、高”3个水平等级.此外，问题信息传递的表现形式（即语境表征维度）也是影响问题解决的重要因素，有学者将其划分为纯语言数字描述类（A类）、模型及数据图表类（B类）.［6］这种划分方式也被纳入本文的分析要素.综上所述，本文基于PISA和相关研究构建的物理教材习题分析框架如表1所示，包括情境、语境表征、知识、能力、认知需求5个维度，每个维度分别包括2-4个子类别.

图1 PISA2015科学素养测评框架

在研究过程中，研究团队共同研读分析框架并挑选出部分习题，根据框架对习题进行试评并达成一致后，再对全部习题进行分析，最终对仍然存在异议的习题进行讨论并得到一致的结果.最终，得到每道习题按照表1所示的基于分析框架构建的编码结果.

表1 物理教材习题分析框架

例如，图2是新粤教版必修2第8页的一道例题，对该题的编码结果如下：（1）该题创造了“小船渡河”单一的生活情境；（2）语境表征为纯语言数字描述类；（3）其模型是运动合成与分解的典型应用，要求结合运动的独立性原理绘制小船速度的合成示意图，涉及学生内容性知识的掌握及熟练运用程序性知识进行自主探究，属于认识性知识；（4）需要信息获取并进行转换加工，根据需求选择小船合适的运动方向，从而求解小船渡河所用的时间和航程，能力涉及科学地解读数据与证据；（5）问题由单一情境和综合知识构成，问题解决涉及多个步骤，对思维能力考查有一定难度，因此认定为中水平认知需求.经过小组讨论分析后，该习题在各维度的类型如表2所示.

图2 新粤教版必修2“小船渡河”例题

表2 “小船过河”例题分析结果

2 研究结果

2.1 新教材习题情境更加关注个人、地区/国家

新旧教材在习题数量上相近，其习题情境类型的统计结果如表3所示.利用SPSS软件进行Pearson卡方检验，发现新旧教材习题关于情境类型分布的差异是显著的［x2（3）=14.954，p=0.002］.为了更直观地显示分布差异，绘制如图3所示直方图.从总体上来看，旧教材无情境比例最多，情境化水平明显低于新教材；新教材习题情境更加关注个人、地区/国家，其中个人情境比例最大.不同情境在促进学生科学素养的形成方面都有不同的关键作用，新教材相对而言更贴近学生生活，容易引起学生的情感共鸣，有利于学生提高为生活做准备的素质和解决生活中实际问题的能力，培养正确的价值观和科学态度.

图3 新旧教材习题情境的分布比重

表3 新旧教材习题情境分布统计

2.2 新教材习题语境表征更加平衡

经检验发现新旧教材习题语境的表征方式有显著差异［x2（1）=26.172，p＜0.001］.由图4可见，旧教材习题A类表征和B类表征的占比分别为75.82%和24.18%，习题表征方式以文字描述为主，模型、数据图表、真实图片较为缺乏，缺少生动性；新教材习题A类表征和B类表征的占比分别为42.96%和57.04%，表征方式更加平衡，突出问题的真实性，以帮助学生解决实际的问题.

图4 新旧教材习题语境表征的分布比重

2.3 新旧教材习题知识维度的分布保持稳定

经检验发现新旧教材中习题知识维度的分布无显著差异［x2（2）=2.735，p=0.260］.通过图5可知，新旧教材习题中内容性知识占比在22%-25%之间，程序性知识占比在12%-22%之间，认识性知识占比在64%-66%之间，分布比重维持稳定.有学者利用该知识分类理论对新课标要求掌握的知识点数量进行统计，发现必修2中内容性知识、程序性知识和认识性知识数量的分布比例近似满足“2∶1∶2.5”，［7］与本文研究比例接近.不难发现，新旧教材习题均关注新课标要求知识点的覆盖，其中新教材习题除了注重对基本概念原理、知识本质的理解和应用外，还逐步加重了对解决程序性知识思维的考查.

图5 新旧教材习题知识维度的分布比重

2.4 新教材习题增加对评估与设计科学探究能力的考查

经检验发现新旧教材中习题能力维度的分布存在显著差异［x2（2）=13.848，p=0.001］.科学能力是学生经历物理学习过程后，内化为自身科学素养的有效体现，为学生的终身学习奠定基础.［6］如图6所示，从整体上来看，新旧教材习题中科学地解释现象和科学地解读数据与证据的频数差异不大，评估与设计科学探究能力更多体现在实验操作和作图上，可能是受限于篇幅长度的原因，习题数量较少；相对而言，新教材关于评估与设计科学探究的习题数量明显增加，更加注重对科学探究能力的考查，有利于学生科学探究精神的培养.

图6 新旧教材习题能力维度的分布比重

2.5 新教材习题增加对高水平认知需求的考查

经检验发现新旧教材习题对认知需求的考查有显著差异［x2（2）=12.080，p=0.002］.如图7所示，从总体上看，旧教材和新教材中的中水平认知需求习题占比是最大，分别达到66.67%和57.04%，其次是低水平认知需求，分别占比30.72%和29.58%，占比最低为高水平认知需求，远远低于其他两种类型的占比.这与近几年全国物理高考试题的分布比例相近，［8］说明教材习题的设置关注学生的认知特点，不同层次的认知需求有利于反映不同的能力水平，能够起到检验和深化学习成效的重要作用.通过纵向分析发现，新教材明显增加了高水平认知需求的习题数量，从物理核心素养出发，增加了对物理观念、知识本质和分析、比较、总结等多步骤解决方法的考查.

图7 新旧教材习题认知需求的分布比重

3 研究启示

新粤教版必修2习题的设置相对于旧教材变化很大.当前，广东大部分地区高中物理教学采用新教材，上述研究结果对广东地区乃至全国范围中学物理教学具有一定的启发与借鉴意义.

3.1 注重创设情境，丰富教学手段

新教材习题情境化水平较高，考查方式更多地以实际问题的形式出现，在注重考查物理基本知识和基本规律的同时，更加注重在真实情境中运用学科知识综合分析和解决实际问题的能力的培养.对于这一变化，教师在习题教学中应尽可能多地联系学生学习和生活创设情境，丰富教学手段，以此激发学生的学习兴趣和对生活现象的思考，发展学生的逻辑思维，使其逐步形成良好的物理学习方法.

例如，新粤教版必修2第17页以“传送带输送饺子”为情境设计了一个平抛运动的应用例题.在进行该习题教学时，教师首先可以通过传送带演示仪的演示让学生形成直观认识；其次，可以通过画图的方式，将生活情境转化为物理情境，给学生建构物理模型，设计解题方案；随后，可以利用Geogebra等信息技术手段展示动态过程，建立起水平距离大小与传送带速度大小之间的联系，进而得出速度范围；最后，可以播放食品加工厂传送带运输工序的视频，将物理知识与生产实践和生活实际相联系，让学生感悟物理学习的魅力和价值.

3.2 活用教材习题资源，拓展习题的使用形式

新教材习题难度梯度分布合理，中、低水平认知需求习题占比大反映了新教材习题关注学生认知特点，具有较强的基础性和适用性.此外，新教材习题更加灵活的提问方式直接反映了编写者以发展学生核心素养为目标的编制理念.但由于习题多设置为章、节的课后练习，一些教师一味追求对学生进行解题技巧的训练，教学上存在与教材习题脱节或重视度不够的问题.［9］因此，教师要活用教材习题资源，深度挖掘教材课后习题中隐含的各种信息，借助隐含的信息设计有价值的问题，适当拓展和丰富习题的使用形式，发散学生的思维.

例如，新教材第61页节练习4谈对18世纪讽刺万有引力定律漫画事件的看法体现了科学态度与责任理念的渗透，但直白沉闷的表述形式容易让教师忽略其考查功能，对此教师可以对习题材料适当改编或重组，作为课堂教学内容的延伸和补充，引导学生思考体会科学探究过程的艰辛以及万有引力定律发现的伟大贡献；再例如，新教材第84页练习题1“分析水平力F分别在光滑水平面、粗糙水平面和光滑斜面推物体前进距离s所做的功”这类基础性习题可以设置为课前预习题，降低学生学习的难度，为新知识学习做铺垫，同时起到培养学生自学能力的作用.

3.3 改变传统观念，加强对学生实验学习方法的指导

新教材习题增加了对程序性知识、评估与评价科学探究能力的考查，更多地关注实验的基本技能和研究方法，考查学生理论与实验结合的能力.在物理实验教学中，有的教师将知识的结论视为课堂的全部内容，内容和方式较为单一，［10］导致课堂成效不高，缺乏对学生物理实验技能和学习方法的培养.因此，教师在实验习题教学中要改变传统观念，要求学生掌握概念、明确实验基本原理和解题思路，避免因过分讲解而导致教学效果差的现象；同时尽可能为学生创造自主探究、合作交流的空间，运用数字化媒体技术使学生形象感知物理现象，让学生参与利用科学方法解决问题的过程.

例如，新教材第50页章练习13利用直尺、小钢球、细线、秒表等器材修改实验方案验证向心力公式的习题，需要学生具备自主设计科学探究的思维能力.教师首先可以对学生进行合理分组，创造自主探究、思维碰撞的空间.其次，可以利用Flash动画形象生动地展示题目中原实验方案的过程，降低学生的理解难度.接着，引导学生从原有知识出发，通过对向心力公式的理解和讨论，明确实验的基本原理和实现条件.在教学过程中，学生通过合作交流、教师点播掌握解题的思路，有效培养物理思维能力、分析能力和合作交流能力.