學科核心素養視域下高中物理新舊教材習題的比較研究*
——以人教版“萬有引力與宇宙航行”單元為例

何家傳

(蕪湖市第一中學 安徽 蕪湖 241000)

汪志榮

(安徽師范大學物理與電子信息工程學院 安徽 蕪湖 241000)

在高中物理課程實施過程中，為了更好地落實物理課程的育人功能，提升學生的物理學科核心素養，高中物理教材作為直接的課程資源應發揮重要作用[1].物理教材的編寫應該站在培養學生物理學科核心素養的高度，發揮教材的育人功能，落實物理課程在“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”等方面的要求，有效促進學生物理學科核心素養的形成[2].

教材習題作為教科書內容重要組成部分，對于實現課程培養目標具有無可替代的作用.然而，現行教材習題內容在實際教學中并沒有受到應有的重視.很多師生認為教材習題太簡單，為了應對高考，將大量的課外教輔材料當做必備的學習診斷和評價資料.采取這種“題海戰術”，不僅不利于培養學生的物理學科核心素養，甚至導致部分學生產生厭學情緒.因此，為提高習題教學質量，有必要深入研究物理教材的習題內容.

目前，中學物理教材習題研究并不多見.在CNKI中國基礎教育教與學資源總庫中，以篇名為檢索條件，設定“教材習題”為檢索內容，通過快速檢索全部期刊發現，近20年物理學科有關文獻共有18篇，物理教材習題比較研究僅有2篇.以下聚焦人教版物理教材中的習題部分，以“萬有引力與宇宙航行”單元為例，采用比較研究法，分析新舊教材的變化，著重關注新教材在落實育人功能、提升物理學科核心素養方面的改變，并提出教材習題改革的建議，以期為教師的課堂教學及教材編寫提供些許參考建議.

1 “萬有引力與宇宙航行”單元教材內容分析

1.1 《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下稱“新課標”)關于“萬有引力與宇宙航行”單元的內容要求

(1)通過史實，了解萬有引力定律的發現過程.知道萬有引力定律.認識發現萬有引力定律的重要意義.認識科學定律對人類探索未知世界的作用.

(2)會計算人造地球衛星的環繞速度.知道第二宇宙速度和第三宇宙速度.

(3)知道牛頓力學的局限性，體會人類對自然界的探索是不斷深入的.

(4)初步了解相對論時空觀.

(5)關注宇宙起源和演化的研究進展.

1.2 “萬有引力與宇宙航行”單元教材內容分析

舊教材是人民教育出版社2010年4月第3版普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修2》(以下稱“舊教材”)，分析內容為第六章“萬有引力與航天”.新教材是2019年7月第1版普通高中教科書《物理·必修》第二冊(以下稱“新教材”)，分析內容為第七章“萬有引力與宇宙航行”.從章編排上看，新教材將舊教材的第五章“曲線運動”分為第五章“拋體運動”和第六章“圓周運動”，這種編排更好地體現了新教材深度難度的漸進性，符合學生的認知規律.從章標題上看，新教材更切合教材內容和教學實際，體現內容的準確性和表述的規范性.從內容設置上看，新舊教材的節組成也略有不同(見表1).

表1 新舊教材目錄

新教材將舊教材中的第2節“太陽與行星間的引力”和第3節“萬有引力定律”合并成一節，即第2節“萬用引力定律”.新教材第5節“相對論時空觀與牛頓力學的局限性”涵蓋了舊教材第6節“經典力學的局限性”和舊教材選修3-4第十五章第2節“時間和空間的相對性”兩節的內容，并進行重新編排，有機整合.這些變化，使知識邏輯連貫性更強，有利于學生系統探究、建構知識，利于教學，也更符合新課標要求.

2 新舊教材“萬有引力與宇宙航行”單元習題編排整體分析

2.1 習題欄目和習題類型設置

舊教材在節末設置“問題與練習”，新教材在節末設置“練習與應用”.依據新課標，新教材在章末設置了體現綜合強化功能的章練習，分A,B兩組，A組對應新課標中必修內容的要求，B組比新課標中必修內容略有超出，供學有余力的學生選做(見表2).這種設置能夠滿足不同學生的學習需求，為學生有個性的發展搭建平臺.

表2 新舊教材習題欄目設置

節末習題欄目設置的細微變化，體現新教材更注重知識的應用，強調學以致用.

新舊教材習題類型統計如表3所示.

表3 新舊教材習題類型統計

通過表3對比可以看出，新舊教材節末習題題量和題型分布完全相同.這與新課標對教材編寫深度與廣度的要求一致，“注意不能隨意增減物理內容，也不能隨意拔高或降低要求”[1].兩套教材都沒有設置選擇題和填空題，編者抓住了習題“建構”和“培養”的功能，讓學生在解答問題的過程中，提升素養，而不是通過習題來甄別學生水平的高低，將習題和試題很好的區分開來，從發展物理學科核心素養的角度，教材習題的功能定位非常準確.新舊教材不同的是，新教材由于增設了章末習題，從而使本章總題量增加了13題，而且在章末習題中設置了實驗探究題，利于培養學生的科學思維和探究能力.

2.2 習題內容設置

通過對新舊教材相同題、不同題、情境題等內容的對比，對照新課標要求，分析兩版教材的優劣.

2.2.1 相同題

由于舊教材未設置章末習題，故只統計兩版教材的節末習題.分析發現，新舊教材中有12道相同題，在節末習題中占比約63%.其中完全相同的題目有8道，基本相同的題目有4道.

相比舊教材，新教材更加注重運用物理知識解決實際問題，例如在“萬有引力理論的成就”節末習題中，兩版教材的第1題，已知條件和前兩個小問完全相同，“已知月球的質量是7.3×1022kg，半徑是1.7×103km，月球表面的自由落體加速度多大？這對宇航員在月球表面的行動會產生什么影響？”.但新教材在第2問的基礎上增加了第3問，“若宇航員在地面上最多能舉起質量為m的物體，他在月球表面最多能舉起質量是多少的物體？”.使學生體驗了“由定性分析到定量計算”的過程，符合認知規律，鞏固學習效果，培養學生的能力.再如，新教材第3節習題第4題與舊教材第1節第4題，都以哈雷彗星運動為背景材料，舊教材的問題是已知哈雷彗星軌道的半長軸與地球公轉半徑的關系，估算哈雷彗星下次飛近地球大約是哪年？新教材提出了兩個問題，一個問題是通過預測哈雷彗星下次飛近地球的時間點，估算其軌道的半長軸與地球公轉半徑的關系，另一個問題是比較哈雷彗星在近日點和遠日點速度大小并求加速度大小之比.同樣的背景材料，兩版教材編排在不同節末，提出不同問題.不難看出，新教材提出問題的方式更符合客觀歷史事實，遵從科學性原則；本題安排在教材第3節后更合理，體現知識的循序漸進.

2.2.2 不同題

新舊教材節末習題有7題不同，其中最大的不同是，舊教材第6節“經典力學的局限性”課后設置了2道習題，而新教材第5節“相對論時空觀與牛頓力學的局限性”課后設置了3道習題，題目內容也完全不同，新教材3道題考查的知識都是相對論時空觀.另外，“萬有引力定律”節后習題第3題，舊教材設置的是計算兩個微觀粒子夸克之間的萬有引力，而新教材設置的是計算宏觀天體太陽和月球之間的引力.這些變化，更切合本章的研究內容和新課標的要求.

2.2.3 情境題

情境題是指以現實存在的事物(如自然現象、日常生活等)為背景引出物理知識和問題.物理概念的建立，需要在經驗情境的基礎上，經歷“概念共同屬性、抽象本質特征”的思想加工過程；物理規律的探究則需要創設問題情境；而運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學生將情境與知識相聯系的水平，即能否把問題中的實際情境轉化為解決問題的物理知識[2].因此，無論是教材編寫、習題設置還是教學設計實施過程中，都要重視情境的創設.

兩版教材均設置了較多的情境題(見表4).在節末練習中，舊教材情境題占比36.8%，新教材情境題占比52.6%，新教材節末習題更加重視創設情境.在章末習題中，情境題占比減少，題目更加注重對物理知識的綜合運用，發揮其“學業整合”的功能.

表4 新舊教材情境題統計

3 學科核心素養目標視域下新舊教材習題編制特點分析

3.1 創設情境促進學生形成物理觀念和培養科學態度與責任

在教學中，要創設真實的情境，讓學生經歷科學探究和思維加工，保證物理概念和規律的內化，形成學科思想[2].對比分析知，新教材設置了較多的情境題，通過創設情境引發學生積極思考、促成學生對概念規律的深度理解，最終形成物理觀念.例如哈雷彗星周期性運動、潮汐現象、“行星沖日”等問題，很好地體現了運動觀念、相互作用觀念和能量守恒觀念及其應用.研究這些問題的過程中，使學生逐步理解這些物理現象的科學本質，激發學生熱愛科學、立志成才，培養學生的科學態度和社會責任.

3.2 合理設問培養學生科學思維

“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素[1].

相比于舊教材，新教材習題的設問更注重模型建構、推理論證和質疑創新，多次出現“請你根據實際情況……”“請你幫助她完成……”“應該怎么理解……”等設問方式.

具體分析如表5所示.

表5 新教材問題設置

3.3 章末增設實驗題提升學生科學探究能力

新教材在章末復習與提高題中，特別設置了兩個實驗題.A組第6題，“在月球上的宇航員，需要選用哪些實驗器材，怎樣才能測出月球的質量？”.B組第1題，“如果你站在月球上，能否用一把刻度尺和一塊秒表估測月球的質量？如果能，請設計實驗……”.雖然這些實驗的前提是在月球上，看上去無法直接完成實驗，但仍可以運用已有的知識，經歷提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案,基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的過程，增強了科學探究意識，提升了科學探究能力.

4 結論與建議

通過比較可以看出，人教版物理新教材習題編寫以新課標為依據，從發揮育人功能和提升學生物理學科核心素養的角度看，價值很高，教師應該充分發掘這些優點并好好利用.但從另一個角度來看，教材習題的診斷和評價功能略顯不足.要使教師普遍重視物理教材習題，真正用好教材習題，還應從以下兩方面作些調整.

4.1 適當增加題量和難度

新教材雖然增加了章末習題，但節后習題偏少，5節內容共設置了19道習題，平均每節不足4題，而且難度偏低，基本是學業水平測試要求.雖然這些習題力求從不同角度提升學生的學科核心素養，但其數量和難度難以達到高考的要求，致使很多教師干脆放棄教材習題，自編習題或挑選其他資料.筆者認為，節后習題設置5～6題為宜，難度設置兼顧學業水平測試和高考.

4.2 題目設計應該多樣化

在題型上，章末習題可以適當設置一些選擇、填空題，與考試接軌，更好地發揮其診斷和評價功能.

在內容上,進一步增加情境題比例，關注前沿科技，引入與物理相關的生活現象和自然現象.例如，以北斗導航系統、墨子號量子科學實驗衛星、“天眼”等前沿科技為素材設置題目，使學生在解決問題的過程中形成崇尚科學、追求真理的價值觀.以太陽東升西落、四季更替等自然現象為題，從學生的角度出發,從熟悉和常見的現象中來實現學生情感、態度的引導.

在結構上，注意層次化和多樣化, 可以滿足不同層次的學生, 體現因材施教.按照習題類型、難易程度給出不同的層次.既要有簡單的物理概念定律的回顧, 也要有更深一步的學習,培養學生深度學習習慣，為高校輸送合格人才做準備.如提出概念題、探究性思考題、批判性思考題等.其實國內很多輔導教材中習題的結構值得借鑒, 如“想一想”“練一練”“做一做”等.