人教版高中物理新教材實(shí)驗(yàn)題特征分析

陳曉莎 袁海泉

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006)

教材內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)的練習(xí)題，具有建立概念規(guī)律、構(gòu)筑知識框架、檢測學(xué)習(xí)情況、鞏固知識內(nèi)容、培育實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑB(yǎng)成科學(xué)態(tài)度的功能，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)有導(dǎo)向作用.依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱新課標(biāo)),人民教育出版社物理編寫組編寫了必修以及選擇性必修共6本新教材.對其中的實(shí)驗(yàn)題進(jìn)行分析，有利于教師和學(xué)生更好地理解和使用教材，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)習(xí)題的核心素養(yǎng)教育功能.

1 整體特征

1.1 重點(diǎn)突出

在高中物理共27章125節(jié)教材中，實(shí)驗(yàn)部分有獨(dú)立小節(jié)實(shí)驗(yàn)11個(gè)、“實(shí)驗(yàn)”“演示”和“做一做”欄目下的實(shí)驗(yàn)分別是23個(gè)、36個(gè)、25個(gè)，涉及實(shí)驗(yàn)的“拓展學(xué)習(xí)”9個(gè)，以實(shí)驗(yàn)為背景的節(jié)首問題情境28個(gè).其中，與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的欄目定位分別是：“實(shí)驗(yàn)”是學(xué)生自己動腦、動手操作完成的實(shí)踐活動；“演示”是教師操作，學(xué)生觀察、討論的實(shí)踐活動；“做一做”是小型的動手操作類活動，目的是引發(fā)思考、體驗(yàn)和感悟；“拓展學(xué)習(xí)”體現(xiàn)彈性，屬于選學(xué)、選做的內(nèi)容，供有條件的學(xué)校選用[1,2].

新教材實(shí)驗(yàn)題一共70道，其中65道是課標(biāo)規(guī)定21個(gè)必做實(shí)驗(yàn)的鞏固和自我檢測，分布在獨(dú)立小節(jié)或有“實(shí)驗(yàn)”欄目小節(jié)的“練習(xí)與應(yīng)用”和章末的“復(fù)習(xí)與提高”中，學(xué)習(xí)導(dǎo)向明確，重點(diǎn)突出[3].

1.2 數(shù)量增加

筆者對2019年版新教材和2004年版舊教材實(shí)驗(yàn)題的數(shù)量和占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1和圖2所示.新教材的實(shí)驗(yàn)題總數(shù)是70道，比舊教材實(shí)驗(yàn)題總數(shù)31道多出2倍有余.

圖1 新教材實(shí)驗(yàn)題數(shù)量和占比統(tǒng)計(jì)

圖2 舊教材實(shí)驗(yàn)題數(shù)量和占比統(tǒng)計(jì)

由圖1和圖2的對比可見，數(shù)量上力學(xué)部分略有增加，其他部分顯著增加.新教材占比最高的是必修3，電學(xué)實(shí)驗(yàn)；而舊教材占比最高的是物理1，力學(xué)實(shí)驗(yàn).

新教材的必修3對應(yīng)的是舊教材的選修3-1，必修3比選修3-1多出15道題，在原來習(xí)題的基礎(chǔ)上增加數(shù)量，擴(kuò)大范圍.選擇性必修1和選擇性必修3對應(yīng)舊教材的選修3-3,3-4,3-5這3本教材，實(shí)驗(yàn)題數(shù)量前者總數(shù)為20道，后者只有3道，可見新教材對選擇性必修中實(shí)驗(yàn)的重視，未來的高考實(shí)驗(yàn)題很有可能不再是“一電一力”平分天下的局勢.

2 題目特征

2.1 提升科學(xué)思維層次 培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)

分析每一道實(shí)驗(yàn)習(xí)題中的每一小問的檢測形式，如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)題檢測形式分布

由表1可知，簡答題形式次數(shù)最多，占比約34.62%，設(shè)計(jì)題數(shù)量上排列第三，占比約13.46%，簡答題和設(shè)計(jì)題的總和占比約48.08%.可見實(shí)驗(yàn)題重視探究過程，提升科學(xué)思維層次、培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng).例如，必修1第四章“復(fù)習(xí)與提高”A組第7題，3個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析數(shù)據(jù)、得到結(jié)論等科學(xué)探究過程，體現(xiàn)習(xí)題核心素養(yǎng)教育功能.

填表型實(shí)驗(yàn)題數(shù)量明顯增多，因其結(jié)構(gòu)簡單、信息明確、知識覆蓋面廣、兼顧基礎(chǔ)和能力的綜合考查等特點(diǎn)，成了實(shí)驗(yàn)題的新寵.主要對象有3種.

第一種是給出完整的實(shí)驗(yàn)表格如表2所示，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖.

表2 必修1第三章第1節(jié)“練習(xí)與應(yīng)用”第5題實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

第二種是要求學(xué)生完善表格，例如表3所示，以表格的形式，整潔美觀、容量大、知識點(diǎn)之間聯(lián)系和對比外顯化.

表3 必修3第十一章第5節(jié)“練習(xí)與應(yīng)用”第1題實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

最后一種結(jié)合了前面兩種情況，先完善表格，再作圖，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)題的綜合性和全面性.如表4所示，依據(jù)紙帶上的數(shù)據(jù)算出速度，再作出v-t圖像.

表4 必修1第二章“復(fù)習(xí)與提高”A組第4題實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選擇題具有客觀、快捷、知識覆蓋廣等特點(diǎn)，是一種很好的試題題型，但不適合作為習(xí)題題型，因?yàn)橐讓?dǎo)致學(xué)生重結(jié)果，輕過程.所以，實(shí)驗(yàn)題除了其中一小問是對實(shí)驗(yàn)器材的選擇之外，再無選擇的檢測形式.

2.2 搭建梯度 學(xué)業(yè)質(zhì)量水平指向明確

新課標(biāo)將高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量分為5級水平，其中“學(xué)業(yè)質(zhì)量水平2是高中畢業(yè)生應(yīng)達(dá)到的合格要求，是學(xué)業(yè)水平合格性考試命題依據(jù)；學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4是高等院校招生錄取的學(xué)業(yè)水平等級考試的命題依據(jù).”

這樣設(shè)置滿足學(xué)生對物理課程知識層次的不同程度學(xué)習(xí)能力的要求，形成知識層次的梯度.

我們細(xì)化課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從情境的復(fù)雜性、內(nèi)容的抽象性和應(yīng)用的綜合性3個(gè)維度對新教材實(shí)驗(yàn)題的學(xué)業(yè)水平層次進(jìn)行分類，如圖3所示.

圖3 影響問題復(fù)雜程度的維度

這3個(gè)維度的數(shù)值越大，由這3個(gè)維度交點(diǎn)所對應(yīng)的長方體體積就越大，說明學(xué)業(yè)水平層次越高,分類結(jié)果具體參照表5.

依據(jù)表5中學(xué)生水平層次建構(gòu)的分類，對每一道實(shí)驗(yàn)題進(jìn)行定性的界定，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示(表中第2至第8欄數(shù)值是習(xí)題的個(gè)數(shù)).

表5 實(shí)驗(yàn)題學(xué)業(yè)水平層次分類參照

表6 人教版新教材中各學(xué)業(yè)水平習(xí)題數(shù)量統(tǒng)計(jì)

由表6可知，每一本教材中都是水平2的實(shí)驗(yàn)題占比最高，總體上也是水平2數(shù)量最多，占比57.75%.其次是水平3，占比18.31%，水平1和水平4在數(shù)量和占比上都接近，未出現(xiàn)達(dá)到水平5要求的實(shí)驗(yàn)題.必修部分水平1和水平2總數(shù)的占比多于選擇性必修部分，體現(xiàn)必修部分的基礎(chǔ)性.教材中實(shí)驗(yàn)題的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平指向明確.

必修2和選擇性必修2都未出現(xiàn)水平1的實(shí)驗(yàn)題，必修2的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)是必修1中力學(xué)實(shí)驗(yàn)的延伸，必修3是選擇性必修2的電磁學(xué)基礎(chǔ).比如測量做直線運(yùn)動物體的瞬時(shí)速度和驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律有多個(gè)共同的裝置，都需要使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、處理紙帶這些基本功，必修1到必修2，搭建梯度，同一知識點(diǎn)由淺入深，由易到難，層次分明.

選擇性必修1中的實(shí)驗(yàn)對能力和思維要求較高，特別是利用傳感器制作簡單的自動控制裝置，要求解釋新穎的實(shí)驗(yàn)裝置，或者要求根據(jù)裝置特點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，大多屬于水平3和水平4的習(xí)題.

3 核心素養(yǎng)指向特征

不同于試題的設(shè)計(jì)是為了考查學(xué)生對基本知識的掌握，習(xí)題的設(shè)計(jì)思路是怎樣讓學(xué)生學(xué)會做實(shí)驗(yàn)的基本技能.筆者對21個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)題的每個(gè)問題進(jìn)行學(xué)習(xí)導(dǎo)向分析，具體如表7所示.

表7 新教材學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)題學(xué)習(xí)導(dǎo)向統(tǒng)計(jì)

續(xù)表7

由表7可得出以下幾點(diǎn)核心素養(yǎng)指向特征：

3.1 全面考查科學(xué)探究能力

新教材實(shí)驗(yàn)題對科學(xué)探究中問題、證據(jù)、解釋、交流4個(gè)要素都有相應(yīng)的檢測.習(xí)題涉及知識點(diǎn)覆蓋面廣，21個(gè)必做實(shí)驗(yàn)中19個(gè)實(shí)驗(yàn)都有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)題.教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中要注意培養(yǎng)學(xué)生的全局意識，重視各個(gè)實(shí)驗(yàn)，重視知識結(jié)構(gòu)的完整性.

實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)導(dǎo)向?qū)哟呜S富.立足基礎(chǔ)，有讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)儀器的選擇，實(shí)驗(yàn)步驟的排序，單位換算，補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)圖，計(jì)算相關(guān)物理量等基礎(chǔ)技能導(dǎo)向，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣.重視能力，對實(shí)驗(yàn)的分析綜合能力導(dǎo)向涉及了35個(gè)問題.可見注重學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分析探究過程，解決問題的能力.

平常教學(xué)中我們不僅要重視學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理方法的了解，實(shí)驗(yàn)技能操作，數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)能力，還要注重學(xué)生設(shè)計(jì)性思維和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，注重學(xué)生科學(xué)探究能力的全面性、嚴(yán)謹(jǐn)性和靈活性.

3.2 重視實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練導(dǎo)向

實(shí)驗(yàn)題多次考查根據(jù)題目表格中的數(shù)據(jù)作圖.其中只有一次要求作U-I圖像給出的是既有坐標(biāo)又有量程的方格紙，其余都是只有坐標(biāo)沒有具體量程的空白方格紙，或者全部留白，學(xué)生自己建立坐標(biāo)、定比例等.數(shù)據(jù)處理是科學(xué)探究解釋素養(yǎng)的重要能力，重視學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)所內(nèi)化的經(jīng)驗(yàn)和處理數(shù)據(jù)的能力.

新教材中的實(shí)驗(yàn)題關(guān)注實(shí)踐意識和實(shí)踐能力的導(dǎo)向，其中用多用電表測量電學(xué)中的物理量考查的問題數(shù)最多，而且只考查如何使用和讀數(shù)，沒有涉及原理.引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范、安全、合理地操作實(shí)驗(yàn)器材及靈活地解決實(shí)驗(yàn)中各類問題.有利于將做過實(shí)驗(yàn)和沒做過實(shí)驗(yàn)的學(xué)生有效區(qū)分，引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真正開展.

注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和辯證思維，例如要求學(xué)生剪紙帶作v-t圖，接著判斷剪紙帶作v-t圖是否可行并說明理由.創(chuàng)設(shè)現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)操作片段，將筆頭習(xí)題和實(shí)驗(yàn)過程緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠行?dǎo)向，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)方法和思維能力，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中動手動腦.

3.3 注重形成物理觀念

實(shí)驗(yàn)題注重學(xué)生對物理概念的形成，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面.

一方面是有針對性地引導(dǎo)學(xué)生鞏固具有代表性的物理核心概念、規(guī)律、思想和方法，有利于物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華，體現(xiàn)物理觀念導(dǎo)向.例如，判斷物體的運(yùn)動是否為勻加速直線運(yùn)動體現(xiàn)了運(yùn)動與相互作用觀念；若要符合機(jī)械能守恒定律的結(jié)論，測得的物理量應(yīng)該滿足什么關(guān)系體現(xiàn)了能量觀念；估算油酸分子大小體現(xiàn)了物質(zhì)觀.這些核心、基礎(chǔ)的物理規(guī)律和方法，不斷促進(jìn)學(xué)生具體與抽象的協(xié)同思維，最終目的是形成物理觀念，解決實(shí)際問題.

另一方面是在高通路遷移中形成物理觀念.核心素養(yǎng)有兩個(gè)基本素養(yǎng)群：專家思維和復(fù)雜交往.而創(chuàng)新是專家思維的核心特征，學(xué)習(xí)科學(xué)往往用遷移來描述創(chuàng)新的機(jī)制.遷移也有不同的類別和層次，圖4展示了斯特恩對遷移分類與維度的4個(gè)象限，其中高通路遷移，需要高端的反思性學(xué)習(xí)，才能實(shí)現(xiàn)有意識的、深思熟慮的遷移.

新教材實(shí)驗(yàn)題注重高通路遷移，在原有的實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，拓展和遷移不同的實(shí)驗(yàn)方法.例如測電阻率遷移到測電導(dǎo)率，在掌握多用電表操作的基礎(chǔ)上應(yīng)用于排查電路故障，從原來的伏安法測電源電動勢和內(nèi)阻遷移到不用電流表的伏阻法.引導(dǎo)學(xué)生形成具體與抽象交錯(cuò)的復(fù)雜認(rèn)知結(jié)構(gòu).因此對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我們不能簡單地只按課本上的要求進(jìn)行重復(fù)性的操作，更應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解和應(yīng)用，關(guān)注學(xué)生高通路遷移能力的培養(yǎng).同時(shí)還要注意物理理論課與實(shí)驗(yàn)課相結(jié)合，二者相輔相成，相互促進(jìn).

3.4 突出科學(xué)態(tài)度要素

實(shí)驗(yàn)題常常以質(zhì)疑的態(tài)度審視實(shí)驗(yàn)：“你認(rèn)為可行嗎？這樣做有道理嗎？猜想是否成立？”.多次讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨析和處理，并依據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果才能得出結(jié)論.注重批判性接受精神，突出敢于質(zhì)疑、講究證據(jù)、實(shí)事求是、不迷信權(quán)威的科學(xué)態(tài)度.這也是新教材實(shí)驗(yàn)題的指向特征之一.