核心素養視角下我國5版高中物理新教材的比較研究

鄧 磊，蔣 敏

1.西南大學科學教育研究中心，重慶 400700

2.西南大學附屬中學，重慶 400700

自2003年教育部頒布 《普通高中物理課程標準（實驗）》以來，基于不同地區的社會、文化及學生的認知差異，我國相繼出現了人教版、司南版（魯科版）、滬科教版、教科版和粵教版5個版本的高中物理實驗版教材。隨著基礎教育課程改革的不斷深入，教育部于2018年頒布了修訂后的《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》），2019年秋，經國家教材委員會專家委員會審核通過的前述5版修訂后的高中物理新教材在浙江等6個省市開始試用，并于2020年9月開始全國使用。

作為當前我國高中物理課程育人功能的載體，提升學生物理學科核心素養的直接課程資源，這5版以立德樹人為指導思想的“新”教材在編寫原則、內容選擇與呈現、輔助資源利用與開發上集中體現著我國近20年來普通高中物理課程改革的成果[1]。

研究發現，修訂后的新教材在物理學科核心素養表征、實驗設計、欄目設置和編寫體例等方面各有特色。為了能更精準地領悟《課標》的理念，實現對學生物理學科核心素養的培養，更合理地使用與開發修訂后的新教材，完善更高效、生動的課堂教學，本研究將對現行高中物理新教材進行分析與解構。

1 5版高中物理新教材（必修）簡析

新人教版、新司南版、新滬科教版、新教科版和新粵教版高中物理新教材以《課標》為依據，在對高中物理課程傳承的基礎上進行了一系列以培養高中學生物理學科核心素養為宗旨的改革[1]。

在必修及選擇性必修模塊，新人教版共13章60節（章均4.62節，最大章節數為6節，標準偏差為0.650），通過每節的情境創設和問題驅動，引領學生的學習與實踐活動[2]。新教科版共13章70節（含3節選學，章均5.38節，最大章節數為9節，標準偏差為1.710），以圖片、問題、活動、導言來創設情境，以教學內容、習題選編與課外拓展來聚焦生活、生產及科研方面的實際[3]。新粵教版共15章70節（章均4.667節，最大章節數為7節，標準偏差為1.234），在內容上完整而系統地體現了物理學科的基礎性和時代性，在編寫原則上體現著“以學生為本，全面發展”的指導思想[4]。新滬科教版共15章61節（章均4.067節，最大章節數為7節，標準偏差為1.163），通過簡潔、詼諧的欄目設置，強化著教材的可讀性[5]。新司南版共16章65節（章均4.06節，最大章節數為6節，標準偏差為0.998），在教材的編制上“立意更高，寓意更深，更重實踐，更富邏輯，更重評價，更加拓展”[6]。

由統計分析可知，新司南版章均節數最少，新教科版最多；新人教版的章節數最平均，新教科版的章節數差異最大。單因素方差檢驗顯示，5版新教材在平均章節數目上存在顯著性差異（F=2.913，P 值=0.028＜0.05），說明 5 版新教材在每章知識點的劃分和容量上存在顯著差異，即在對學生認知負荷上存在顯著差異。

2 5版高中物理新教材（必修）的比較

修訂后的高中物理新教材在很多方面都發生了變化，最顯著的是在編排體系、例題、實驗和欄目設置等方面。

2.1 5版高中物理新教材（必修）編排體系與順序比較

（1）5版高中物理新教材（必修）的編排體系

5版高中物理新教材（必修）的編排體系跟《課標》必修課程主題的組成非常相似。在章內容構成上，新粵教版和新滬科教版都包括15章，分別是必修1的4章：“機械運動與物理模型”2章，“相互作用與運動定律”2章；必修2的5章：“機械能及其守恒定律”1章，“曲線運動與萬有引力定律”3章，“牛頓力學的局限性與相對論初步”1章；必修3的6章：“靜電場”2章，“電路及其應用”2章，“電磁場與電磁波初步”1章，“能源與可持續發展”1章。以這15章為基礎，新司南版由于在必修1“相互作用與運動定律”主題增加了“力與平衡”1章，所以共16章；而新人教版由于在“牛頓力學的局限性與相對論初步”“能源與可持續發展”這兩個以科學態度與責任為主的主題上未設專章，所以只有13章；新教科版因為在“靜電場”“電路及其應用”兩個主題分別僅設置了體量巨大的1章，所以也只有13章。

統計分析顯示，5版新教材版均14.4章，標準偏差為1.341，與必修課程的9個主題進行獨立樣本t檢驗顯示，5版新教材的章數目相較于《課標》主題數存在非常顯著的差異，即新教材的章數目非常顯著多于《課標》主題數（t=9.000，P值=0.001＜0.01），說明各版本新教材對《課標》主題都進行了深入的解構，才得到了相似的體系。

（2）5版高中物理新教材（必修）的編排順序

5版新教材的章節順序基本上都與《課標》中必修課程主題出現的先后相同，只有些微差異：

①在必修1新教材中：只有新人教版將“牛頓第三定律”一節設置在“相互作用力”一章，其他4版都將其置于“牛頓運動定律”一章中，這樣的設置對新人教版而言是強化了相互作用觀的邏輯性，對其他版本來說是強調了牛頓定律形成的系統性。

②在必修2新教材中：只有新司南版和新滬科教版是按照《課標》順序將“機械能及其守恒定律”主題的內容設在該冊首章，而其他3版則將其設在“曲線運動與萬有引力定律”主題的3個章節后。這樣的設置反映出的是兩類知識編排的邏輯：新司南版和新滬科教版希望學生在學習“曲線運動與萬有引力定律”時能用相互作用觀和能量觀來加強對物體運動觀的認識；而另外3版則希望學生在學完“曲線運動與萬有引力定律”后，循序漸進地形成物體的運動觀、相互作用觀和能量觀。

③在必修3新教材中：新人教版、新粵教版將“電磁場與電磁波初步”主題內容設置在冊末；新人教版將“能源與可持續發展”主題設置在“電能 能量守恒定律”一章的最后一節，新粵教版將該主題單獨成章放在本冊倒數第二章；其他3版則用專章將該主題設置在冊末。新人教版和新粵教版的做法有利于幫助學生通過電路認識電能，逐步形成能量觀；而其他版本則更有利于整合必修3冊的所有內容，幫助學生達成能量觀。

單因素方差分析顯示，5版新教材在知識結構及編排順序存在顯著性差異 （F=3.543，P值=0.011＜0.05），這說明不同版本新教材對物理知識的編排體系與邏輯順序的認識存在顯著的差異，同時也反映了5版新教材對高中學生物理觀念的培養也存在顯著差異[7]。

2.2 5版高中物理新教材例題設計比較

5版高中物理新教材非常關注對 “物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”的測評，所以都很重視例題在促進學生發展、提升學生學業質量水平以及啟發學生應用知識、歸納方法、培養能力和發展思維層面的育人功能。

舊版教材在例題部分最多只有“分析”和“解”兩個環節。5版新教材例題設置如表1所示。比較發現，新教材例題所包括環節的平均數為3.20個，增加了60%，標準偏差為1.30。配對樣本t檢驗顯示5版新教材例題所含環節的平均數雖與舊版教材相比沒有顯著性增加 （t=1.871,P值=0.135＞0.05），但新教材的例題環節卻強化了“通過問題解決促進物理學科核心素養達成”的意識。

表1 5版高中物理新教材例題名稱及環節

美國統計學家戴明（Deming）提出的問題解決4階段說——“戴明輪”就體現了物理問題解決的意識。 戴明輪是計劃（Plan）、執行（Do）、檢查（Check）和處理（Act）四個階段的循環。通過對5版新教材例題環節的分析發現，只有新司南版明確包括“分析”條件，明確問題的計劃（Plan）階段，實施（Do）計劃的“解”階段，“討論”與評估結果的檢查（Check）階段，“遷移”推廣及進行標準化“策略提煉”的處理（Act）階段。新教科版缺少明確的檢查階段，新人教版、新粵教版和新滬科教版則僅含計劃和執行兩個階段。

對5版新教材例題環節的比較顯示，新司南版“例題”的功能最全面，對培養學生在問題解決過程中分析條件建立模型、運用規律形成結論、評估數據解釋預測及提煉歸納與舉一反三的科學思維能力最明確；新滬科教版的“案例分析”由于不僅包括涉及數值計算的傳統例題，還包括對具體生活生產中有價值情境的文字推理、分析，所以對學生發展科學思維，增強實踐意識也很有幫助。

2.3 5版高中物理新教材實驗設計比較

《課標》提出了21個學生必做實驗的基本要求，5版新教材實驗設置的命名及環節如表2所示。

表2 5版高中物理新教材實驗設置的命名及環節

在實驗環節上，新教科版最多（8個），新粵教版最少（4個），5版新教材的平均數為6.40，標準偏差為1.517。與科學探究所包括的問題、假設、計劃、證據、解釋、交流、評估反思7個環節相比，單總體t檢驗顯示，新教材實驗的環節數平均減少了約10%，但是兩者并沒有顯著性差異（t=-0.885，P 值=0.426＞0.05），說明新教材對實驗的重視。

對5版新教材實驗設置環節的聚類分析顯示，新司南版包括6個探究要素（問題、計劃、證據、解釋、交流、評估），新滬科教版（問題、計劃、證據、解釋、交流）和新教科版（問題、計劃、證據、解釋、交流）各包含5個探究要素，新人教版（計劃、證據、解釋）和新粵教版（問題、證據、交流）各包含3個探究要素。統計檢驗顯示，5版新教材所含的探究要素平均為4.4個，標準偏差為1.342，與科學探究所含7個要素所進行的單總體t檢驗顯示，新教材的探究要素均少于完整探究的要素，兩者之間存在顯著性差異 （t=-4.333,P值=0.012＜0.05），說明高中物理新教材在實驗設置上并未完全按照科學探究的要素來設計，但保留了實驗的深入與規范，以及對提出問題、獲得證據、進行科學論證與解釋及合作交流等能力的重視。

在整體設計上，新司南版、新人教版和新教科版分別以“科學測量”“科學探究”與“實驗”為節名來突出學生必做實驗；新粵教版和新滬科教版則以“實驗與探究”和“學生必做實驗”欄目來加以凸顯。對5版教材的比較發現，新司南版的實驗皆以情境導入，突出了科學實驗的規范性；新人教版突出了對證據的重視；新粵教版突出了實驗設計的邏輯性；新滬科教版則突出了對探究方法的重視。

2.4 5版高中物理新教材欄目設置比較

5版高中物理新教材在欄目設置上既有統一性，又有各自的鮮明特色。如表3所示，新人教版有11個欄目、新司南版有16個欄目、新粵教版有8個欄目、新滬科教版有13個欄目、新教科版有12個欄目。

表3 5版高中物理新教材欄目統計表

統計顯示，5版新教材平均欄目數為12，標準偏差為2.915。獨立樣本t檢驗顯示新教材之間存在顯著差異（t=3.068，P 值=0.037＜0.05），新司南版的欄目數顯著多于新粵教版。各版新教材的欄目設置除了反映教材多方面的教育功能以外，還豐富了學生的學習過程，增強了個體學習的體驗。

總體來說，新人教版與新粵教版教材欄目偏向于教學過程設計，能幫助師（生）有效地掌握教材結構，完成教（學）任務；新司南版和新滬科教版教材欄目的功能性和選擇性更強。

3 5版高中物理新教材的使用與開發建議

通過對5版高中物理新教材的比較，可以看到不同版本教材的特點和優勢，如果能在同一主題教學時對各版教材加以整合，則能更好地實現學生學科核心素養的培養。

3.1 滲透物理觀念

滲透物理觀念就是讓物理概念和規律在學生頭腦中進行提煉與升華，使學生能從物理學的視角解釋自然現象和解決實際問題。對物理觀念的滲透反映在教材的各章節中，如：新滬科教版用 “怎樣描述運動的快慢”“分析物體的受力情況”“怎樣求合力”“怎樣分解力”的節名來幫助學生升華對物理概念和規律的認識；新教科版則通過在相關章節設置不同主題，在第三章相互作用中，設置主題一“常見的力”、主題二“力的合成和分解”和主題三“共點力的平衡”去幫助學生形成物理觀念（相互作用觀）；新司南版通過單元、章和節的框架層次結構幫助學生從大結構、大概念的角度學習物理；新人教版以每節的“問題”為核心，幫助學生用物理學的視角解釋自然現象和實際問題；新粵教版在“本章小結”中用“知識結構”幫助學生構建物理觀念。

3.2 培養科學思維

培養科學思維就是讓學生能用模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等思維方法對物質世界的本質屬性、內在規律及相互關系進行認識。對學生科學思維的培養在教材的物理習題與例題中顯現得最為直接。如：新粵教版在“勻變速直線運動與汽車安全行駛”一節中用3道層層遞進的“例題”幫助學生用嚴密的科學推理來論證為什么要嚴禁酒后開車；新人教版通過“例題”的詳細“分析”和“解”題的規范步驟，幫助學生建構模型；新司南版用“策略提煉”“討論”“遷移”等欄目構筑起幫助學生認識物質世界相互關系的網絡；新教科版以“例題示范”為載體，在“解”的過程中強調多元解法，在“拓展”中設置更復雜的情境以培養學生的創新思維；新滬科教版在“案例分析”中始終以“分析”為重，凸顯模型建構的重要性。

3.3 實踐科學探究

實踐科學探究是指讓學生通過問題、證據、解釋、交流等方式實現物理問題解決。學生科學探究的實踐在教材的實驗中較為凸顯。如：新滬科教版 “學生必做實驗”以“思考與討論”提出問題，進而“設計實驗”“收集證據”，這里的問題、證據就是科學探究；新教科版在“實驗”中通過“處理數據”“繪制圖像”來強調證據與解釋；新粵教版讓學生通過“實驗探究”完成“實驗數據表”，得出實驗結論，突出證據與交流；新人教版 “實驗”中的“數據處理”“數據分析”，充分體現證據的價值；新司南版以“科學測量”和“科學探究”實現對“實驗結論”的“討論”，凸顯解釋和交流的重要性。

探究不僅是一種教學方法，也是學生物理實踐的重要能力，對學生提出問題、尋找證據、基于證據解釋和有效交流能力的培養可以從不同版本教材的實驗中找到線索。若以培養學生提出問題能力為目標，則可以借鑒新滬科教版的“學生必做實驗”；若要培養學生的證據意識，可參考新人教版的“實驗”；若想提升學生用證據解釋問題的能力，則可以借鑒新教科版的“實驗”；若以培養學生交流能力為目標，新司南版的“科學測量”“科學探究”以及新粵教版的“實驗探究”有較好的參考價值。

3.4 養成科學態度與責任

科學態度與責任的養成反映的是讓學生形成科學本質觀和科學態度與社會責任感。培養學生實事求是的科學態度和遵守道德規范、保護環境的社會責任感在5版高中物理新教材中很多時候是以豐富多彩的欄目來呈現的。如：新司南版中的“安全警示”能讓學生在實驗中學會安全規范；新人教版的“STSE”能讓學生形成科學·技術·社會·環境的意識和理念；新粵教版的“資料活頁”可以幫助學生形成正確的科學本質觀；新教科版的“發展空間”可以幫助學生提升社會責任感；新滬科教版的“課題研究”能達成對學生科學態度的培養等。

科學態度與責任不是一朝一夕就能養成的，也不是僅通過物理概念和規律的教學過程可以強化的，它需要從教學的各個方面滲透，所以我們可以借鑒不同版本教材的欄目，有意識地從科學本質、科學態度和社會責任的不同角度進行設計。