基于物理核心素养的高中物理教材与课程标准的一致性研究——以2019年人教版必修1为例

刘健智 胡雪妍，2

（1.湖南师范大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081；2.江苏省苏州市吴江中学，江苏 苏州 215200）

1 问题的提出

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）充分考虑学科育人价值，凝练出了高中物理学科核心素养.这意味着高中教育从“知识本位”时代迈入“核心素养”时代.学生核心素养的发展，呼唤基于核心素养的教材，［1］作为最直接的课程资源，新教材理应围绕核心素养的要求展开，因此，有必要对2019年版物理新教材与新课标在物理核心素养上的一致性进行研究.

国外构建的一致性分析的工具主要有：SEC一致性分析模式、Webb 模式和Achieve 模式等.［2］国内教材与课程标准的一致性研究大多采用SEC一致性分析模式，因为其分析框架最简便，适用对象更广泛，主张从知识的种类和深度等，即从“内容主题”和“认知水平”两个维度进行评价.［3］由于教材内容相较于课程标准中的内容要求更加复杂，处理起来更加棘手，因此已有研究对教材的处理大多并非直接处理教材本身，而是将其转换为了对相应教师用书中教学目标的处理.这种间接处理教材的方式将在很大程度上影响一致性研究结果的科学性与准确性.

本文突破传统SEC一致性分析模式只关注内容主题和认知水平的局限性，将其拓展应用于物理核心素养上的一致性；还将利用SOLO 分类法呈现具体的处理教材内容的方式，以期为比较教材与课程标准的一致性提供新的研究思路，同时为教材的编写以及教师更好地培养学生物理核心素养提供参考和借鉴.

2 研究设计

2.1 研究对象

本文选择人民教育出版社2019 年出版的普通高中《物理》教科书（以下简称“新教材”）的必修1模块和《普通高中物理课程标准（2017年版）》为研究对象.这样选择是基于以下考虑：（1）人教版教材在全国范围内使用得最广泛；（2）高中物理教材的必修1模块是全体学生必须学习的课程内容，蕴含了丰富的物理核心素养素材，是发展学生物理核心素养的共同基础.［4］

2.2 研究工具

本文选择安德鲁·波特（Andrew Porter）等人开发的SEC 一致性模式为研究工具，其研究思路包括：（1）从“内容主题”和“认知要求”两个维度构建统一表述教学内容的二维矩阵；（2）描述评价项目与评价标准在“内容主题”和“认知要求”两个维度的不同表现水平，并分别在评价项目与评价标准的二维矩阵中进行编码与统计；（3）利用Porter一致性计算公式定量计算评价项目与评价标准之间的一致性指数，比较研究对象之间的一致性程度.Porter一致性指数的计算公式为

其中n表示二维矩阵的单元格总数；i表示某个特定单元格，i∈［0，1］；Xi表示评价标准的二维矩阵中第i个单元格所占的比率值；Yi表示评价项目的二维矩阵中第i 个单元格所占的比率值；P 表示Porter一致性指数，P∈［0，1］，P 值越大，表示评价项目与评价标准之间的一致性越高.［5］

鉴于本文比较物理核心素养，而非教学内容，因此需要将研究思路中的“内容主题”和“认知要求”修改为“素养主题”和“素养水平”两个维度.

2.3 构建二维矩阵

（1）划分素养主题.

笔者依据物理核心素养的4个方面包含的14个要素进行素养主题划分：物理观念包括物质观、运动与相互作用观和能量观3 个主题；科学思维包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新4个主题；科学探究包括问题、证据、解释、交流4个主题；科学态度与责任包括科学本质、科学态度和社会责任3个主题.

（2）划分素养水平.

在传统的SEC 一致性分析模式中，研究者通常采用布卢姆教育目标分类法（以下简称“布氏分类法”）进行教学内容中认知水平的记忆、理解、应用、分析、评价和综合6 个层次的划分，然而该划分实则是一种对思维复杂程度的线性积累，［6］与人认识事物时思维的螺旋式上升状态不符，因此无法直接应用于物理核心素养的素养水平维度划分.

为了解决布氏分类法中存在的问题，比格斯（J.B.Biggs）提出的SOLO 分类法将学生的学习水平由低到高分为5个层次：前结构水平（P）、单点结构水平（U）、多点结构水平（M）、关联结构水平（R）和拓展抽象结构水平（E）.

伯内特（Paul C.Burnett）等人认为，SOLO 分类法的5个层次之间的界限不够清晰，因此将M水平和R 水平进行了更细致的划分，修订为9层次的SOLO 分类法.［7］然而，增加子层次并不能完全解决评价者层次划分不一致的问题，在实际评价过程中要通过提升评价者水平、增加评价者数量来提高层次划分的一致性.［8］请3 位从事多年教育研究的一线教师对新教材与新课标进行素养主题和素养水平上的编码统计.

鉴于新教材与新课标中并不存在SOLO 分类法中的P水平和布氏分类法中的分析、评价水平，因此只研究SOLO 分类法中U、M、R、E 水平与布氏分类法中认识记忆、理解掌握、模仿应用和创新创造这4 个水平之间的关系.研究发现：认识记忆水平与表示定量关系的U、M 水平存在某种对应关系；理解掌握水平和模仿应用水平与表示定性关系的R 水平存在某种对应关系；创新创造水平与表示定性关系的E 水平存在某种对应关系.

本文最终将SOLO 分类法创新划分为以下5个层次：（1）单点结构水平（U），即学生能够识别或提取单个物理知识，直接使用单个物理知识回答问题；（2）多点结构水平（M），即学生能够识别或提取多个物理知识，直接使用多个物理知识回答问题；（3）低关联结构水平（R1），即学生能够领悟物理知识之间的联系，正确判断并合理解释相关问题；（4）高关联结构水平（R2），即学生能够运用所学物理知识解决相同或相似情境中的物理问题；（5）拓展抽象结构水平（E），即学生能够提出或选择创造性的方案，创新解决复杂情境中的物理问题.

（3）确定二维分析框架.

基于以上对素养主题和素养水平的划分，本研究将素养主题依据具体的物理核心素养要素划分为14 个维度，将素养水平依据创新修改的SOLO分类法划分为5个层次，由此构建“14×5”的“素养主题×素养水平”二维分析框架.

3 数据的编码与统计

3.1 新课标的编码与统计

对新课标的编码与统计依据新课标中的课程内容要求进行.

（1）新课标的素养主题编码.

由于每一条课程内容要求往往包含一个或多个知识点，笔者将每条内容要求拆分为只包含单个知识点的内容要求.由于新课标中的内容要求表述得过于概括，不利于编码者有效判断其中蕴含的素养主题的要求，因此本文结合《普通高中物理课程标准（2017 年版）解读》（以下简称“《解读》”），［9］判断拆分重组后的内容要求中蕴含的素养主题要求.

例如：根据《解读》将“1.1.3理解位移、速度和加速度”拆分为3条：（1）理解位移：蕴含着“运动的描述”这一运动与相互作用观；（2）理解速度：不仅蕴含“运动的描述”这一运动与相互作用观，还蕴含着“演绎推理”这一科学推理的思维方法；（3）理解加速度：蕴含着“运动的描述”这一运动与相互作用观.［9］

（2）新课标的素养水平编码.

课标的内容要求通常以“行为动词+物理知识点”形式构成，其素养水平理论上可以通过不同的行为动词来体现.然而新课标和《解读》并未呈现有关行为动词的层次划分说明，使得直接依据行为动词划分素养水平变得“无法可依”.本文将利用创新修改的SOLO 层次建立行为动词与素养水平之间的双向细目表（如表1 所示），依据行为动词划分素养水平的分析标准.

表1 行为动词与素养水平的双向细目表

需要说明，本文依据表1 并结合《解读》对新课标中内容要求的素养水平进行划分，当表1 中出现的行为动词与《解读》中要求的关键能力水平不一致时，我们将该内容要求置于与解读水平一致的行为动词中重新划分素养水平.

例如：内容要求1.2.2中的“能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题”涉及到的行为动词为“分析”，根据表1 本应直接将该内容要求置于R1水平，然而，《解读》要求学生能够运用共点力的平衡条件进行现实情境中的受力计算，解决现实情境中的复杂受力问题，即关键能力水平对应的行为动词是“解决”，而非“分析”，因此该内容要求的真实素养水平应为R2.

（3）新课标的编码数据采集与信效度分析.

3位编码者各自独立完成素养主题和素养水平编码.两两之间独立编码数据的肯德尔相关系数（双尾）分别为0.927**、0.870**、0.950**，检验结果表明：3组编码数据在P=0.01水平上具有极其显著的相关性，即编码结果有效.3位编码者针对编码数据中存在分歧的地方进行了相关讨论，确立了最终的编码数据，形成了统一的二维矩阵.为保证新教材与新课标的二维矩阵具有可比性，需要将二者的频数分布二维矩阵进行归一化处理，即将每个单元格中的频数转换为该频数在总频数中所占的比率，由此得到比率之和为1的比率分布二维矩阵.频数和比率分布的样表如表2所示.

表2 新课标“素养主题×素养水平”频数和比率分布二维矩阵（部分）

3.2 新教材的编码与统计

由于学生物理核心素养的发展应寓于物理知识的教学之中，［10］且新教材中的章节内容与新课标中的内容要求具有某种对应关系，能够保证新教材与新课标的内容主题一致，因此本文对新教材的编码主要依据新教材中各章节的具体内容进行，即直接处理教材本身.

（1）新教材的素养主题编码.

本文参考教材编写者编写的教师用书，直接对新教材本身进行编码.由于教师用书的“教材分析与教学建议”并未涉及新教材中“练习与应用”和“复习与提高”栏目，因此本文对新教材的研究将仅限于正文和部分栏目（“问题”“实验”“演示”“思考与讨论”“做一做”“科学方法”“拓展学习”“STSE”和“科学漫步”）.正文和栏目本身又含有多个段落，这样一来素养主题的统计将显得错综复杂，容易产生统计混乱等问题，笔者根据自定的以下3条原则进行编码.

编码原则1：正文中各知识板块与各栏目各自编码，绝不延伸，相互独立.

编码原则2：正文中各知识板块与各栏目中出现相同素养主题时只统计1次，问题素养除外.

编码原则3：依据教材编写者对各栏目的设计初衷统计各栏目的素养主题要求，若该栏目明确涉及其他素养主题的要求，则在原先统计的素养主题基础上进行相应的增加.例如：“问题”栏目的设计初衷是引发学生主动思考、培养问题意识及提出问题的能力，［11］因此本文只对该栏目进行问题素养上的统计；若该栏目还明确要求学生对相关问题进行交流讨论，则再增加“问题”栏目在交流素养上的统计.

（2）新教材的素养水平编码.

新教材中并不存在可直接体现素养水平的行为动词.鉴于SOLO 分类法具有螺旋式上升的层次结构，能够清晰地对应物理核心素养由量变上升到质变的复杂过程，［12］并且SOLO 各层次水平与行为动词之间存在着相互对应关系（如表1），因此，本文将采用创新修改的SOLO 层次水平进行新教材中素养水平维度的划分.

物理核心素养培养的是学生解决实际问题的能力，即学生能够在何种情境下解决何种层次问题的能力.［9］因此本文将建立SOLO 层次水平与问题复杂性程度的3个维度（情境复杂度、内容抽象度和应用综合度）之间的双向细目表（表3），由此构建依据SOLO 层次划分素养水平的分析标准.

表3 SOLO 层次与问题复杂性程度的双向细目表

问题复杂性程度中表示数量关系的情境因子数和知识内容数，表示需要学生通过相互独立的情境或知识内容获得相应素养，对应着SOLO 分类法中表示数量关系的U 和M 水平；问题复杂性程度中表示定性关系的其他各维度，表示需要学生通过相互关联的情境或知识内容获得相应素养，对应着SOLO 分类法中表示定性关系的R1、R2和E水平.依据表3划分的素养水平的具体表述如下.

U 水平：新教材中仅涉及单个情境或知识内容，并未对物理知识点作出详细解释.

M 水平：新教材中涉及多个情境或知识内容，且情境或知识内容间相互独立，并通过例证作出进一步解释.

R1水平：新教材中涉及多个情境或知识内容，且情境之间相互交叉或知识内容间相互综合、交叉，并迁移知识作出简单解释、推断或区分.

R2水平：新教材中涉及多个情境或物理知识，且情境间相互交叉、对象抽象或知识内容之间相互综合、交叉，并对相同或相似情境作出详细解释、应用和扩展.

E水平：新教材中涉及多个情境或物理知识，且情境交叉创新、对象与情境抽象或知识内容间相互综合、交叉，并进行了拓展应用或在新情境中获得了普适性的结论.

特别说明：进行新教材中素养水平编码时，还应考虑不同内容的权重.笔者根据下列原则进行权重赋值.

原则1：若教师用书的“教材分析与教学建议”对某个正文知识板块或栏目提出了明确的教学建议，则表示教师在理论上对该部分内容进行教学的可能性为100%，权重赋值为1；若根本未提及或建议学生自学该正文知识板块或栏目，则表示教师在理论上对该部分内容进行教学的可能性为50%，权重赋值为0.5.

原则2：若某个正文知识板块或栏目的问题复杂性程度与表3的某种SOLO 层次完全对应，则表示该部分内容100%符合这种SOLO 层次代表的素养水平，权重赋值为1；若该内容只在应用综合度上符合某种SOLO 层次，在情境复杂度或内容抽象度上却未达到该SOLO 层次，则表示该部分内容符合这种SOLO 层次代表的素养水平的可能性为50%，权重赋值为0.5.

综合以上编码原则，某个正文知识板块或栏目的最终权重赋值为“教学可能性权重×素养水平可能性权重”.例如：某个栏目的教学可能性权重赋值为0.5，素养水平可能性权重赋值为0.5，则该栏目的最终权重赋值应为0.25.

（3）新教材的编码数据采集与信效度分析.

依据上述编码方法，3位编码者再次独立完成新教材在必修1模块的素养主题和素养水平编码.3位编码者两两之间独立编码所得数据的肯德尔相关系数（双尾）分别为0.955**、0.974**、0.970**，双尾检验结果表明：3组编码数据在P=0.01水平上具有极其显著的相关性，即3位编码者的编码结果也基本一致，编码有效.3位编码者针对编码数据中存在分歧的地方进行了相关讨论，确立了新教材最终的编码数据，形成了统一的二维矩阵.

根据SEC一致性分析模式的要求，频数分布二维矩阵进行归一化处理后，得到新教材的“素养主题×素养水平”比率分布二维矩阵.频数和比率分布的样表如表4所示.

表4 新教材“素养主题×素养水平”频数和比率分布二维矩阵（部分）

4 新教材与新课标的一致性特征分析

4.1 Porter一致性指数分析

计算新课标与新教材在物理核心素养整体上的Porter一致性指数，并调用MATLAB 软件中的Unidrnd函数循环操作20000次仿真模拟Porter一致性指数的分布函数，得到0.05 显著性水平下的Porter临界区间.［13］由于样本容量较大，根据中心极限定理可知，拟合得到的函数将服从正态分布.若Porter一致性指数位于相应的临界区间内，则表示二者具有统计学意义上的显著一致性；若位于临界区间外，则表示二者不具有统计学意义上的一致性.计算得到新课标与新教材在核心素养整体上的Porter一致性指数为0.524，临界区 间 为［0.610，0.734］，0.524∉［0.610，0.734］，说明新教材与新课标在物理核心素养整体上不具有统计学意义上的显著一致性.通过进一步仿真模拟，计算得到物理核心素养4 个方面的Porter一致性指数和相应临界区间，发现新教材与新课标在物理核心素养整体上的偏差主要来源于科学探究和科学态度与责任2个方面（新教材在素养主题维度上的占比大多略低于新课标，对素养水平维度的要求略高于新课标），而在物理观念和科学思维2个方面则具有统计学意义上的显著一致性.

4.2 重点分布分析

利用表2和表4 中的相关数据，分别绘制能体现重点分布的曲面图，如图1、图2所示.比较图1和图2可以发现：

图1 新课标的重点分布曲面图

图2 新教材的重点分布曲面图

（1）整体中心分布有同有异.两者具有一个相同的重点分布中心，该中心位于运动与相互作用观的R1水平.这说明新课标与新教材最为侧重的素养主题与素养水平一致.相异之处在于新课标的重点分布中心只有1 个，而新教材的重点分布中心有2个.这说明新课标在物理核心素养上的重点分布较为集中，而新教材在物理核心素养上的重点分布较为分散.

（2）素养主题分布有同有异.两者比重高于（低 于）0.050 的 素 养 主 题 数 量 一 致，均 为5 个（9个）.这说明二者在必修1模块都有明显侧重的素养主题要求.相异之处在于两者比重高于0.050的5个素养主题并不完全一致，二者仅在其中的运动与相互作用观、问题和证据素养3 个素养主题上一致.这说明新课标与新教材在必修1 模块明显侧重的素养主题并不完全相同，存在一些差异.

（3）素养水平分布有同有异.两者素养水平要求均以R1水平为主、R2水平为辅.这说明必修1模块是培养物理核心素养的重要基础，是提升学生素养水平的重要基石.相异之处在于新课标在R1和R2水平上的占比均达到了0.100以上，而新教材只在R1水平上的占比达到了0.100以上，并未在R2水平上的占比达到0.100.此外新教材在E水平上的占比达到了0.050 以上，打破了新课标中E水平占比为0.000的局面.这说明新课标在素养水平的侧重分布上更加集中，而新教材则在新课标的基础上对素养水平要求进行了适当的拓展提升.

4.3 素养主题维度的分析

为了更加形象直观地呈现新课标与新教材在素养主题单个维度上的一致性情况，根据表2 和表4中各素养主题下的素养水平比率之和，绘制如图3所示的新课标与新教材中素养主题分布的柱形图.从图3可以发现以下特点.

图3 新课标与新教材的素养主题分布

（1）从整体上看，新教材中要求的素养主题数量明显多于新课标.

（2）从物理核心素养的4个方面看，新课标与新教材在物理观念、科学思维2 个方面的素养主题占比上的排列顺序一致，均为运动与相互作用观＞模型建构＞科学推理＞物质观＞科学论证（质疑创新）≥能量观，而二者在科学探究和科学态度与责任2个方面的素养主题占比上的排列顺序存在较大差异.

（3）从新课标与新教材均具有的单个素养主题看，新课标在单个素养主题上的占比总体高于新教材，造成这种问题的原因在于新教材在必修1模块除了注重新课标中要求的素养主题外，还将素养主题要求延伸至了科学论证、质疑创新和科学态度素养.

将表2和表4 中的比率数据进行相关性分析，计算得到的皮尔逊相关性系数（双尾）为0.791**.这说明新课标与新教材在素养主题维度在0.01水平上极其显著相关，即二者之间一致性水平高.

4.4 素养水平维度的分析

为了更加直观地呈现新课标与新教材在素养水平单个维度上的一致性，根据表2 和表4 中各素养水平下的素养主题比率之和，绘制图4 所示的能体现新课标与新教材中素养水平分布的柱形图.

图4 新课标与新教材的素养水平分布

将表2和表4 中的比率数据进行相关性分析，计算得到的皮尔逊相关性系数（双尾）为0.509.这说明新课标与新教材在素养水平维度并不具有显著相关性，即二者之间存在一定偏差.观察图4 所示的素养水平分布图，可以发现以下特征.

（1）从整体上看，两者的素养水平要求存在数量上的差异，新教材中要求的素养水平数量明显多于新课标，并且新课标对素养水平的要求主要集中于前4个水平，即U、M、R1、R2水平，而新教材对素养水平的要求主要集中于后3 个水平，即R1、R2和E水平.这说明新教材对素养水平的总体要求比新课标高.

（2）两者在各素养水平占比上的排列顺序有较大差异，但在素养水平上的重点比率分布较一致，即二者占比最低的两个素养水平均为U 和M，占比最高的两个素养水平均为R1和R2.

（3）两者在单个素养水平上的占比存在明显差异，即使是在占比最为接近的M 水平，二者的占比差值也近似达到了0.100.造成这种差异的原因可能在于新课标规定的素养水平仅为达成学业质量的最低水平，而新教材却是培养全体学生素养水平的共同基础，不能仅局限于学业质量的最低水平.

5 结论与建议

5.1 研究结论

研究表明：从整体上看，新教材与新课标在物理观念和科学思维两个方面具有统计学意义上的显著一致性，在科学探究和科学态度与责任2 个方面存在一些偏差，具体表现为新教材在素养主题维度上的占比大多略低于新课标，而对素养水平维度的要求略高于新课标.从单个维度上看，新教材与新课标在素养主题维度上具有显著相关性，即二者之间的一致性水平较高；而在素养水平维度不具有显著相关性，即二者之间存在一定偏差.特别说明：由于本研究的样本仅限于新教材的正文和部分栏目，并未涉及新教材中“练习与应用”和“复习与提高”栏目，因此研究结论可能会受样本影响存在一些偏差.

5.2 对教材编写的建议

（1）详尽地利用物理课程标准进行教材编写.

教材是依据课程标准编写的，教材编写的依据主要是课程标准中的“课程内容”，因此各版本教材的编写者在依据物理课程标准编写教材时主要集中于对课程标准中“课程内容”的研究，容易忽视对课程标准中可用于指导教材编写的其他部分的研究.物理新课标在“教材编写建议”部分以落实立德树人的根本任务为总导向，以提升学生物理核心素养为总目标，分别从内容选择、内容呈现、编写原则和辅助资源4 个方面对教材的编写提出了详细且可行的建议.笔者认为，物理新课标中的这种“教材编写建议”不能只是停留于理论的建议，应当被各版本教材的编写者仔细研究，然后应用于教材的实际编写当中.因此，笔者建议各版本的教材编写者在依据物理课程标准进行物理教材编写时，能够详尽地利用物理课程标准这一教材编写依据，真正实现物理教材紧紧围绕落实物理核心素养的要求来编写.

（2）显性化教材中体现的物理学科核心素养.

笔者认为，学生物理核心素养的形成与发展不是取决于教师一方，而是取决于教师与学生双方.倘若学生连“何为物理核心素养”都不明白，那么无论教师在教学时多么注重培养学生的物理核心素养都将无济于事.因此，笔者建议各版本的教材编写者在编写教材时，能够将教材中体现的物理核心素养要求显性化，即通过旁批或栏目的形式明示学生该部分内容致力于培养学生的何种物理核心素养，让学生在阅读教材时能够主动地发现物理核心素养，以便教师在进行实际物理教学过程中实现与学生在核心素养上的双边互动，更加有效地培养学生的物理核心素养.

5.3 对教师教学的建议

（1）依据《解读》进行教学.

课程标准是教学的重要参考依据，然而在实际参考课程标准的过程中，往往会发现新课标中的核心素养要求和内容要求有时表述过于概括，难以从中精确地获取与具体教学内容相对应的核心素养要求和内容要求.为了增强操作性，《解读》可以为教师理解新课标提供强有力的帮助.《解读》作为学习物理新课标的权威读本，对高中物理课程改革中的成就与问题、高中物理课程标准修订的背景、高中物理核心素养、高中物理课程的课程结构与课程内容、高中物理课程的实施与评价等多方面进行了全面且详细的解读，能够有效帮助物理教师在实际教学过程中将课程标准精神落地.因此，物理教师除了要依据课程标准外，还要充分利用《解读》进行教学，确定物理学科核心素养的素养主题和素养水平.

（2）发挥教材的双重支架作用.

教材在内容编排上包含了目录、序言、使用说明、章小结示例、教学提示和各类独具特色的栏目等部分.这些不同的内容编排对教学具有技术上和教学上的支架指导作用.例如序言、目录、使用说明等就起到了技术性支架的作用.这些技术性支架可以凸显不同版本教材的特色，帮助师生更好地了解教材；而章小结示例、教学提示、不同的教材栏目等就起到了教学性支架的作用.这些教学性支架能够帮助师生更好地使用教材，促进师生的教与学.以物理新教材在“自由落体运动”一节的“科学漫步”和“STSE”栏目为例，“科学漫步”详细介绍了伽利略对自由落体运动的研究过程与开创的近代科学发展的研究方法，“STSE”栏目主要介绍了伽利略的成功且坎坷的一生，并由此引发了关于科学与社会发展之间关系的思考，两者蕴含极为丰富的物理学史内容.这些物理学史料展现了科学家探索物理概念和规律的研究过程，以及在研究过程中所采用的科学思维方法和锲而不舍的科学精神，是教师培养学生物理核心素养，尤其是培养学生物理观念和科学态度与责任的重要素材.因此，教师在教学过程中要充分利用教材的支架作用，以促使物理核心素养在实际教学中真正落地.