人教版高中物理新教材(必修部分)習題設置特征分析

許月仙 袁海泉

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

人民教育出版社根據新修訂的2017年版《高中物理課程標準》編寫了必修及選擇性必修共6個模塊的教科書,為提高教師和學生的教材使用效率,充分發揮物理教材在鞏固學生知識、培養學生的問題解決能力等方面的作用,人教版新教材在習題設置方面具有較大特色.本文以新教材必修3冊書課后習題為研究對象,分析了新教材必修部分習題設置的幾個特色.

1 習題數量增加習題類型穩定

2017年人教版新教材改變了原來的課程結構,其中必修課程是全體學生必須學習的課程,是高中物理學科核心素養的共同基礎[1],2004年版教材中與新教材必修部分對應的是物理1、物理2和選修3-1.筆者對2017年人教版物理必修1,2,3和2004年人教版高中物理必修1,2及物理3-1共6冊教材中的習題數量進行了統計,2017年版教材必修1，2和3中，習題數量分別為140,132和173道，占比分別為31.46%，29.66%和38.88%；而2004版教材物理1，2和選修3-1中習題的數量分別為87,74和109道，占比分別為32.22%,27.41%和40.37%,結果如圖1和圖2所示.

圖1 2017年版

圖2 2004年版

人教版新教材中的習題包括節末的“練習題”以及章末的“復習與提高”兩個欄目.由統計結果可見,新教材的習題題量增加,3冊書共計445道,與2004年版教材相比,習題總數增加了175道.2017年版3冊書習題數量占比分別為31.46%，29.66%，38.88%,2004年版3冊書習題數量占比分別為32.22%，27.41%，40.37%,可以看出雖然2017年版教材習題總量增加，但是相應的各冊教材習題數量的占比保持穩定.

人教版新教材習題題型豐富,大致分為填空題、計算題、簡答題、作圖題、實驗題、證明題、實踐題、綜合題,綜合題指包含計算、簡答或作圖的題目.筆者還對新教材中的習題類型進行了統計,結果如表1所示.

表1 新教材中習題類型及數量統計

由表1可見,3冊教材中均以計算題和簡答題為主,占各冊書總題量的75.7%，82.6%，82.1%,這類題型要求學生具備一定的計算能力以及語言表達能力.從計算題來看,第二冊中的數量最多,表明第二冊的知識教學要求較高,需要學會應用.從作圖題來看,必修1中的數量超過必修2和必修3,作圖題主要來自于教材中涉及到力的章節(彈力、摩擦力、重力、力的合成與分解).選擇題作為練習題容易助長學生重結果輕過程的思維習慣,為了更好地發揮物理習題在提高學生核心素養方面的作用,新教材的習題中未出現選擇題.

2 習題設置層次分明學業質量水平指向明確

新教材的習題設置層次分明,體現彈性.具體可分為3個層次,節后練習題、章末練習A組、章末練習B組,A組相對容易一些,屬于共同要求,B組相對難一些,屬于選學內容.可見,習題設置既考慮到每一節知識的練習與鞏固,又考慮到一章內容的綜合練習和復習鞏固,在滿足教學基本要求的前提下,兼顧了不同層次的學生,有利于培養一般學生的成就感,同時考慮到對優秀學生的挑戰性.

習題的設置層次性還體現在同一層次題目的編排上.依據習題設置的目的,同一層次的習題編排大致為辨析概念、鞏固新知、訓練方法、綜合提高,由淺入深,由易到難.節后練習題和章末A組題中第1題基本為辨析概念,或運用所學知識進行簡單的定性分析,或運用公式進行簡單的計算,或舉出生活實例來進行說明等,屬于簡單題,考查的是學生對于基本知識的理解和掌握.

新教材設置了梯度型的分層分類習題,有易有難,力求與學業水平考試和高考接軌.本文從問題情境、推理水平、數學工具/運算水平對習題的學業水平層次進行分類,分類結果可參照表2.

表2 習題學業水平層次分類參照

根據上述的分類要求,以人教版新教材必修1為例,定性說明必修1各欄目習題所達到的學業水平層次,統計結果如表3所示.

表3 人教版新教材必修1中各學業

必修1節末習題多數是學業水平二級,占節末習題總數的72.41%；章末A組題大部分是水平二,少量習題達到水平三和水平四；章末B組題大部分是水平三和水平四，占章末B組習題總數的76.00%.總體上設置的學業水平二級習題數量最多,占比60.00%,目的是滿足高中畢業生應達到的合格要求,未出現達到水平五的習題.

學業質量水平四是高等院校招生考試的命題依據,難度較大,對學生的能力要求也更高,更多考查學生的綜合素養.必修1中處于水平四的習題數量占比15%.例如第四章“運動與力的關系”章末B組第7題,考查了學生受力分析、摩擦力、牛頓運動定律、勻變速直線運動，涉及的知識點個數為4個；該題共設置3小問，第3小問為“減小拉力F，經過一段時間，木塊沿鐵箱左側壁落到底部且不反彈，當鐵箱的速度為6 m/s撤去拉力，又經1 s時間木塊從左側到達右側，求鐵箱的長度”，木塊的運動過程相對較復雜，綜合考慮該題的背景和設問方式，問題情境劃分為較復雜；該題需推理出木塊恰好靜止在鐵箱后壁上時所受靜摩擦力達最大值、撤去外力以后木塊相對箱滑動等信息，推理次數相對較多，推理水平劃分為較復雜；該題需運用牛頓第二定律、勻變速直線運動等公式進行多步計算，因此數學工具劃分為較復雜，綜合幾個方面，我們將該題界定為學業水平四.

3 習題背景多樣化關注科技進步與社會發展

3.1 習題配圖多樣化

人教版新教材中習題插圖可分為模型及示意圖、生產生活相關圖、實驗圖、網格圖及數據表格,統計結果如表4所示.

人教版必修部分配有插圖的習題共計257題,占3冊書習題總數的57.75%,表明新教材重視習題插圖的作用.習題生動的配圖可以給學生提供一個清晰的問題情境,促進學生對文本的理解,培養學生的觀察、分析、實驗及數據處理能力.3冊中模型及示意圖的占比均最多,分別為56%，63.77%，81.42%.必修3的內容為靜電場、電路及其應用,電磁場和電磁波初步,能源及可持續發展,相對于必修1和2,必修3的內容更偏重于技術應用,因此更注重考查學生模型建構能力.

表4 新教材習題配圖數量統計

例如第十章第3節“電勢差與電場強度的關系”課后練習第3題,圖3是某初中地理教科書中的等高線圖(圖中數字的單位是m),也是一個模型示意圖.題目從小山坡的兩邊地勢陡峭程度、把一個球分別從山坡左右兩邊滾下的加速度的大小判斷(把山坡的兩邊看成兩個斜面,不考慮摩擦等阻礙)展開,學生根據已有的知識經驗可以正確回答出來,緊接著提出現在把該圖看成一個描述電勢高低的等勢線圖,圖中的單位是V,a和b哪一邊電勢降落得快,哪一邊的電場強度大,運用學生熟悉的等高線類比復雜抽象的等勢線,一步步的引導,幫助學生完成物理知識的建構.

圖3 等高線

新教材習題增加了數據表格的閱讀,習題中的表格呈現形式有3種,第一種是題目給出完整的實驗數據表格,如圖4所示,要求學生根據實驗數據在網格紙上描點作圖或分析實驗數據得出結論；第二種是要求學生根據題意進一步的完善表格,如圖5所示；第三種是拓展信息的表格,例如各種路面與輪胎間的動摩擦因數表、手機說明書、洗衣機的規格表等,如圖6所示,拓展了學生的知識面,學生需要科學地閱讀表格,篩選有用的數據進行解答.

圖4 第3章第1節課后習題配圖

圖5 第4章第2節課后習題配圖

圖6 第6章章末A組課后習題配圖

3.2 習題注重時代性關注科技進步和社會發展的需要

高中物理習題要用于提高學生的模型建構能力,就必須注重習題的實際情境設置,若經常出現物塊、小球、質點等抽象模型的問題,將不利于學生的模型建構能力及解決實際問題能力的提升.

由于必修1和必修2研究力和運動,因此教材設置的習題情境與實際問題的關系較為密切,有嫦娥三號登月探測器、航母艦載機的起飛、神州五號載人飛船、風力發電等與科技發展相關的背景,反映出我國科技的進步與發展,同時可以培養學生的愛國情懷；也有百米賽跑、跳傘、滑雪、蹦極、足球等體育運動相關的背景；還有空調外機的支架、地鐵、洗衣機、廣場噴泉等與生產生活相關的背景.習題充分聯系實際,背景呈現多樣化.

必修3的內容相對于必修1和2,與生活實際聯系的習題減少了,但是相對于原本的選修3-1,也增加了不少生產生活的素材,如心臟除顫器、質子療法、手機電池、脂肪測量儀等,學生在習題解答的過程中能夠感受到物理與科技、生產、生活之間的廣泛聯系,激發學習物理的興趣.

此外,新教材習題設置還突出了STSE的思想,強調科學技術的社會意義,有利于學生用科學、技術、社會相聯系的觀點看待問題[2],如第五章章末B組第2題,環保人員在檢查中發現有一根排污管正在向外滿口排出大量污水,環保人員只有一把卷尺,想估測該管道的排污量；第十一章第三節課后練習第2題,居民生活水平提高,純凈水已經進入千家萬戶,某市對市場上出售的純凈水質量進行了抽測,結果發現不少樣品的電導率不合格,在解題的過程中,讓學生認識到環境惡化已經成為關系人類社會可持續發展的大問題,從而提高學生保護環境的意識.

4 習題具有典型性關注物理問題解決能力的訓練

4.1 設置典型習題重視培養學生的遷移運用能力

新教材選擇了具有較大遷移力的典型習題,使學生通過訓練既能鞏固知識,又能觸類旁通,舉一反三,逐步發展物理能力[3].例如把重力G按照力的作用效果沿平行于斜面和垂直于斜面方向分解為兩個分力,在很多綜合題中均涉及到,學生掌握了分解的方法,在具體的復雜的實際問題中也能游刃有余.

除了設置具有較大遷移力的習題,新教材還重視考查學生的遷移運用能力,促進物理概念的理解,例如第九章第3節“靜電場及其應用”仿照電場強度的定義,你認為應該怎樣定義重力場強度的大小及方向.由于電場力與重力類似,電荷量與物體的質量類似,根據重力與質量的關系,電場力與電荷量的關系,學生將電場和重力場類比,將電場的相關知識遷移運用到重力場中,就能分析得出重力場的強度大小及方向.

4.2 關注學生的科學思維提升學生的核心素養

新教材對模型的建構要求更具體、明確,例如新教材習題中增加了“質點”的相關習題,要求學生知道將物體抽象為質點的條件,能將特定實際情境中的物體抽象成質點,體會建構物理模型的思維方式.在引導學生構建相應物理模型的過程中提高分析與解決實際問題的能力.

新教材中簡答題數量最多,簡答題是學生科學推理和科學論證思維的體現.除了傳統的簡答題,還包括辨析題、知識歸納類的簡答題,例如質點、位移和路程、加速度、時間和時刻等概念的辨析,第六章章末A組第1題要求學生根據加速度的特點,對7種運動進行分類,并畫出分類的樹狀結構圖.通過該類習題的練習有利于學生構建完整的知識體系,形成知識網絡.

證明題的設置也較好地考查了學生的科學論證能力,例如證明物體對彈簧測力計的壓力大小等于物體所受的重力；證明質點與圓心連線掃過的角度與質點速度方向改變的角度相等；證明ρT2是一個常量,即對任何行星都相同等.科學論證的過程離不開科學推理,通過證明題強化學生的證據意識,提高學生的科學推理能力.

4.3 增加圖像練習題和半定量化的估算題訓練學生物理問題解決的能力

在必修1第一章中x-t和v-t函數圖像出現次數頻繁,在物理圖像本身的斜率、物理圖像與坐標軸交點、兩條圖像的交點、物理圖像與坐標軸所圍面積含義上考查學生的理解,例如第一章第4節課后練習第5題,根據v-t圖像中的數據計算加速度的大小,并說明加速度的方向,章末B組第2題要求學生說明x-t圖像中每段運動過程的速度大小和方向,并作出v-t圖像,描述相應的過程.圖像作為一種常用的手段和方法,能夠很好地幫助學生理解物理概念、分析物理規律、簡化物理情境,2017版課程標準明確提出“能用公式、圖像等方法描述勻變速直線運動”,因此通過該類習題的設置引導教師在教學過程中要注重提高學生運用數學解決物理問題的能力.

新教材設置了半定量化的估算題,估算題貼近生活,聯系實際,例如第四章章末B組第5題,某人在地鐵上利用細繩、圓珠筆等測量地鐵啟動過程中的加速度,地鐵啟動后的某段加速過程中,細繩偏離了豎直方向,讓學生根據拍攝的當時情景的照片估算此時地鐵的加速度,并寫明測量步驟、數據、計算過程和結果.學生需要聯系所學知識借助粗糙的物理模型進行大致的、簡單的推理,對物理量的數量級進行大致的估算,培養學生對物理量的估算能力,提高學生的模型建構和科學推理能力.

5 增加實驗習題數量重視實驗技能訓練導向

人教版新教材重視實驗的考查,2017年版課程標準中設置了21個學生必做實驗,必修3冊書中共計12個,3冊書習題部分涉及到9個,共計24道實驗習題,實驗習題數量較多,引導教師和學生注重實驗技能的考查,必修部分學生必做實驗考查的次數統計如表5所示.

表5 學生必做實驗習題的考查次數統計

學生必做實驗的考查內容主要為實驗儀器的選擇、實驗操作的步驟、實驗數據圖像的繪制、根據圖像計算相應的物理量值、分析實驗數據得出實驗結論.新教材重視物理實驗的作用,加強學生實驗技能的考查,引導物理教師重視實驗,從而提供給學生更多的實驗機會.“用多用電表測量電學中的物理量”實驗習題次數最多,為7次,但考查難度相對較低,多用電表只要求使用,不要求掌握原理,因此考查內容為多用電表的各擋位讀數、多用電表的正確操作步驟.

依據實驗數據繪圖是數據處理的基本方法,作圖過程需要考慮圖像坐標軸數量、單位、線的方向、比例尺的選擇(使得圖像至少占據了網格的一半)、描出細而連續的光滑圖線等要求.新教材設置了5道相關的實驗習題,有根據提供的實驗數據繪圖,有在已經標好刻度的網格紙中作圖,也有在空白方格紙上作圖,對學生的要求不斷提高.

6 設置實踐性和開放性習題培養學生的質疑創新能力

新教材設置了一些有趣的實踐性習題,讓學生體驗物理情境,獲得感性的認識,學會科學的研究方法,培養質疑創新的能力.在必修1中設置了5道實踐類習題,分別為復制紙帶繪制v-t圖像、制作一把人的反應時間測量尺、懸掛法找出均勻三角形紙板的重心、手壓桌面往前移感受摩擦阻力、手機加速度傳感器測量電梯上升過程的加速度變化.

實踐性習題的設置將學生的物理知識與生活應用聯系起來,提高了學生的動手能力.例如第二章第1節課后練習第1題,讓學生用一張薄紙壓在圖中,復制打點計時器打出的紙帶,再把紙帶每隔0.1 s剪斷,得到若干短紙條.再把這些紙條并排貼在一張紙上,使這些紙條下端對齊,作為時間坐標軸,標出時間.最后將紙條上端中心連起來,于是得到v-t圖像.通過讓學生自己動手復制紙帶,繪制v-t圖像,讓學生體會科學思維中的抽象方法和物理問題研究中的極限方法,為后面勻變速直線運動位移公式的推導奠定基礎.

新教材關注學生的實驗設計能力,例如第三章第1節課后練習第5題,設計實驗,觀察力作用下的微小形變，第7題利用重心知識設計一個自動沖水的裝置；第三章章末習題A組第3題,設計一個測量紙跟桌面之間動摩擦因數的方法；第四章章末習題A組第9題,仿照以上裝置,設計一個“水平加速度測量儀”,并要求學生畫出示意圖進一步說明自己的方法,學生利用掌握的物理知識,結合自己的生活實際,設計滿足要求的實驗方案,在問題解決的過程中培養了質疑創新能力.