PISA視域下高中物理新舊教材習題的比較研究
——以粵教版《物理》必修2為例

張潤生 肖 洋 李德安 鄧浩儀 楊詩淇 熊雨山

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

《普通高中物理課程標準（2017年版）》注重發展學生的物理學科核心素養，提倡創設情境培養學生對物理知識的整合與綜合分析能力.［1］教材作為直接的課程資源與高考命題素材的重要來源，所提供的情境與涉及的情境活動在教學與考試等方面具有重要研究價值.［2］而教育領域中規模最大的綜合性評估項目——PISA，其理念與新教材習題編制的要求不謀而合：強調考查學生的綜合性素養，認為教育應致力于提升學生在生活情境中運用知識和技能解決實際問題的能力.［3，4］因此，本文以PISA2015科學素養測評框架為基礎，對我國粵教版高中《物理》必修2新舊教材例題、習題的設置水平進行研究，探討新舊教材習題設置特點的變化，為中學一線教師科學進行習題教學提供參考.

1 研究框架

PISA2015科學素養測評框架如圖1所示，包括情境、能力、知識、態度4個部分.［5］根據與學生生活的遠近程度，情境維度劃分為個人、地區/國家、全球3類.在此基礎上，本文還考慮到去情境化的習題，補充了無情境這一類別.能力維度具體劃分為科學地解釋現象、評估與設計科學探究、科學地解釋數據和證據3個方面.知識維度指問題解決過程中所涉及到的科學知識類型，即指向“是什么”的內容性知識、指向“怎么做”的程序性知識、指向“為什么這樣做”的認識論知識.態度維度包括了對科學的興趣等3個方面，往往需要結合問卷或答卷信息進行分析，單從題目本身出發可能難以評定.因此，本文不將其納入分析框架.此外，PISA2015框架還借鑒韋伯的知識深度模型引入認知需求維度.這與2017年版普通高中物理課程標準中逐級進展的學業質量水平要求相類似.結合兩者，本文從情境復雜度、思維加工深度、涉及的物理學知識綜合程度，將認知需求分為“低、中、高”3個水平等級.此外，問題信息傳遞的表現形式（即語境表征維度）也是影響問題解決的重要因素，有學者將其劃分為純語言數字描述類（A類）、模型及數據圖表類（B類）.［6］這種劃分方式也被納入本文的分析要素.綜上所述，本文基于PISA和相關研究構建的物理教材習題分析框架如表1所示，包括情境、語境表征、知識、能力、認知需求5個維度，每個維度分別包括2-4個子類別.

圖1 PISA2015科學素養測評框架

在研究過程中，研究團隊共同研讀分析框架并挑選出部分習題，根據框架對習題進行試評并達成一致后，再對全部習題進行分析，最終對仍然存在異議的習題進行討論并得到一致的結果.最終，得到每道習題按照表1所示的基于分析框架構建的編碼結果.

表1 物理教材習題分析框架

例如，圖2是新粵教版必修2第8頁的一道例題，對該題的編碼結果如下：（1）該題創造了“小船渡河”單一的生活情境；（2）語境表征為純語言數字描述類；（3）其模型是運動合成與分解的典型應用，要求結合運動的獨立性原理繪制小船速度的合成示意圖，涉及學生內容性知識的掌握及熟練運用程序性知識進行自主探究，屬于認識性知識；（4）需要信息獲取并進行轉換加工，根據需求選擇小船合適的運動方向，從而求解小船渡河所用的時間和航程，能力涉及科學地解讀數據與證據；（5）問題由單一情境和綜合知識構成，問題解決涉及多個步驟，對思維能力考查有一定難度，因此認定為中水平認知需求.經過小組討論分析后，該習題在各維度的類型如表2所示.

圖2 新粵教版必修2“小船渡河”例題

表2 “小船過河”例題分析結果

2 研究結果

2.1 新教材習題情境更加關注個人、地區/國家

新舊教材在習題數量上相近，其習題情境類型的統計結果如表3所示.利用SPSS軟件進行Pearson卡方檢驗，發現新舊教材習題關于情境類型分布的差異是顯著的［x2（3）=14.954，p=0.002］.為了更直觀地顯示分布差異，繪制如圖3所示直方圖.從總體上來看，舊教材無情境比例最多，情境化水平明顯低于新教材；新教材習題情境更加關注個人、地區/國家，其中個人情境比例最大.不同情境在促進學生科學素養的形成方面都有不同的關鍵作用，新教材相對而言更貼近學生生活，容易引起學生的情感共鳴，有利于學生提高為生活做準備的素質和解決生活中實際問題的能力，培養正確的價值觀和科學態度.

圖3 新舊教材習題情境的分布比重

表3 新舊教材習題情境分布統計

2.2 新教材習題語境表征更加平衡

經檢驗發現新舊教材習題語境的表征方式有顯著差異［x2（1）=26.172，p＜0.001］.由圖4可見，舊教材習題A類表征和B類表征的占比分別為75.82%和24.18%，習題表征方式以文字描述為主，模型、數據圖表、真實圖片較為缺乏，缺少生動性；新教材習題A類表征和B類表征的占比分別為42.96%和57.04%，表征方式更加平衡，突出問題的真實性，以幫助學生解決實際的問題.

圖4 新舊教材習題語境表征的分布比重

2.3 新舊教材習題知識維度的分布保持穩定

經檢驗發現新舊教材中習題知識維度的分布無顯著差異［x2（2）=2.735，p=0.260］.通過圖5可知，新舊教材習題中內容性知識占比在22%-25%之間，程序性知識占比在12%-22%之間，認識性知識占比在64%-66%之間，分布比重維持穩定.有學者利用該知識分類理論對新課標要求掌握的知識點數量進行統計，發現必修2中內容性知識、程序性知識和認識性知識數量的分布比例近似滿足“2∶1∶2.5”，［7］與本文研究比例接近.不難發現，新舊教材習題均關注新課標要求知識點的覆蓋，其中新教材習題除了注重對基本概念原理、知識本質的理解和應用外，還逐步加重了對解決程序性知識思維的考查.

圖5 新舊教材習題知識維度的分布比重

2.4 新教材習題增加對評估與設計科學探究能力的考查

經檢驗發現新舊教材中習題能力維度的分布存在顯著差異［x2（2）=13.848，p=0.001］.科學能力是學生經歷物理學習過程后，內化為自身科學素養的有效體現，為學生的終身學習奠定基礎.［6］如圖6所示，從整體上來看，新舊教材習題中科學地解釋現象和科學地解讀數據與證據的頻數差異不大，評估與設計科學探究能力更多體現在實驗操作和作圖上，可能是受限于篇幅長度的原因，習題數量較少；相對而言，新教材關于評估與設計科學探究的習題數量明顯增加，更加注重對科學探究能力的考查，有利于學生科學探究精神的培養.

圖6 新舊教材習題能力維度的分布比重

2.5 新教材習題增加對高水平認知需求的考查

經檢驗發現新舊教材習題對認知需求的考查有顯著差異［x2（2）=12.080，p=0.002］.如圖7所示，從總體上看，舊教材和新教材中的中水平認知需求習題占比是最大，分別達到66.67%和57.04%，其次是低水平認知需求，分別占比30.72%和29.58%，占比最低為高水平認知需求，遠遠低于其他兩種類型的占比.這與近幾年全國物理高考試題的分布比例相近，［8］說明教材習題的設置關注學生的認知特點，不同層次的認知需求有利于反映不同的能力水平，能夠起到檢驗和深化學習成效的重要作用.通過縱向分析發現，新教材明顯增加了高水平認知需求的習題數量，從物理核心素養出發，增加了對物理觀念、知識本質和分析、比較、總結等多步驟解決方法的考查.

圖7 新舊教材習題認知需求的分布比重

3 研究啟示

新粵教版必修2習題的設置相對于舊教材變化很大.當前，廣東大部分地區高中物理教學采用新教材，上述研究結果對廣東地區乃至全國范圍中學物理教學具有一定的啟發與借鑒意義.

3.1 注重創設情境，豐富教學手段

新教材習題情境化水平較高，考查方式更多地以實際問題的形式出現，在注重考查物理基本知識和基本規律的同時，更加注重在真實情境中運用學科知識綜合分析和解決實際問題的能力的培養.對于這一變化，教師在習題教學中應盡可能多地聯系學生學習和生活創設情境，豐富教學手段，以此激發學生的學習興趣和對生活現象的思考，發展學生的邏輯思維，使其逐步形成良好的物理學習方法.

例如，新粵教版必修2第17頁以“傳送帶輸送餃子”為情境設計了一個平拋運動的應用例題.在進行該習題教學時，教師首先可以通過傳送帶演示儀的演示讓學生形成直觀認識；其次，可以通過畫圖的方式，將生活情境轉化為物理情境，給學生建構物理模型，設計解題方案；隨后，可以利用Geogebra等信息技術手段展示動態過程，建立起水平距離大小與傳送帶速度大小之間的聯系，進而得出速度范圍；最后，可以播放食品加工廠傳送帶運輸工序的視頻，將物理知識與生產實踐和生活實際相聯系，讓學生感悟物理學習的魅力和價值.

3.2 活用教材習題資源，拓展習題的使用形式

新教材習題難度梯度分布合理，中、低水平認知需求習題占比大反映了新教材習題關注學生認知特點，具有較強的基礎性和適用性.此外，新教材習題更加靈活的提問方式直接反映了編寫者以發展學生核心素養為目標的編制理念.但由于習題多設置為章、節的課后練習，一些教師一味追求對學生進行解題技巧的訓練，教學上存在與教材習題脫節或重視度不夠的問題.［9］因此，教師要活用教材習題資源，深度挖掘教材課后習題中隱含的各種信息，借助隱含的信息設計有價值的問題，適當拓展和豐富習題的使用形式，發散學生的思維.

例如，新教材第61頁節練習4談對18世紀諷刺萬有引力定律漫畫事件的看法體現了科學態度與責任理念的滲透，但直白沉悶的表述形式容易讓教師忽略其考查功能，對此教師可以對習題材料適當改編或重組，作為課堂教學內容的延伸和補充，引導學生思考體會科學探究過程的艱辛以及萬有引力定律發現的偉大貢獻；再例如，新教材第84頁練習題1“分析水平力F分別在光滑水平面、粗糙水平面和光滑斜面推物體前進距離s所做的功”這類基礎性習題可以設置為課前預習題，降低學生學習的難度，為新知識學習做鋪墊，同時起到培養學生自學能力的作用.

3.3 改變傳統觀念，加強對學生實驗學習方法的指導

新教材習題增加了對程序性知識、評估與評價科學探究能力的考查，更多地關注實驗的基本技能和研究方法，考查學生理論與實驗結合的能力.在物理實驗教學中，有的教師將知識的結論視為課堂的全部內容，內容和方式較為單一，［10］導致課堂成效不高，缺乏對學生物理實驗技能和學習方法的培養.因此，教師在實驗習題教學中要改變傳統觀念，要求學生掌握概念、明確實驗基本原理和解題思路，避免因過分講解而導致教學效果差的現象；同時盡可能為學生創造自主探究、合作交流的空間，運用數字化媒體技術使學生形象感知物理現象，讓學生參與利用科學方法解決問題的過程.

例如，新教材第50頁章練習13利用直尺、小鋼球、細線、秒表等器材修改實驗方案驗證向心力公式的習題，需要學生具備自主設計科學探究的思維能力.教師首先可以對學生進行合理分組，創造自主探究、思維碰撞的空間.其次，可以利用Flash動畫形象生動地展示題目中原實驗方案的過程，降低學生的理解難度.接著，引導學生從原有知識出發，通過對向心力公式的理解和討論，明確實驗的基本原理和實現條件.在教學過程中，學生通過合作交流、教師點播掌握解題的思路，有效培養物理思維能力、分析能力和合作交流能力.