從我國(guó)5版高中物理新教材的難度探索教材改革和發(fā)展路徑

鄧 磊 蔣 敏

（1.西南大學(xué)科學(xué)教育研究中心，重慶 400715；2.西南大學(xué)附屬中學(xué)，重慶 400700）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)（2017版）》，因此與之對(duì)應(yīng)的原實(shí)驗(yàn)版高中物理教材也隨之修訂.作為“立德樹(shù)人”理念的載體，提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的直接課程資源，修訂后的新人教版、新司南版（魯科版）、新滬科教版、新教科版、新粵教版是否集中反映了我國(guó)近20年普通高中物理課程改革的成果？5版新教材中新的知識(shí)和方法不斷被補(bǔ)充，豐富教材內(nèi)容的同時(shí)是否會(huì)加重學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)？5版新教材與新課標(biāo)的要求是否一致、適切？5版新教材的難度有什么特點(diǎn)？本研究將從教材改革和發(fā)展路徑的角度來(lái)探索5版新教材的難度.

高中物理教材難度與教材廣度、深度有關(guān).教材的廣度（G總）是指教材的容量，即教材內(nèi)容的多少.教材內(nèi)容由知識(shí)、實(shí)驗(yàn)、習(xí)題和拓展4個(gè)維度的內(nèi)容構(gòu)成.即，教材的廣度由知識(shí)、實(shí)驗(yàn)、習(xí)題和拓展的數(shù)量決定（G總=G知+G實(shí)+G題+G拓）；教材的深度（S總）由構(gòu)成教材內(nèi)容的上述4個(gè)維度的深度總和來(lái)體現(xiàn)（S總=S知+S實(shí)+S題+S拓）；教材的平均深度是指教材單位內(nèi)容點(diǎn)的深度；教材的難度為N總=S總／S總max.

為了探索5版高中物理新教材的難度，本研究將先在組成其內(nèi)容的知識(shí)、實(shí)驗(yàn)、習(xí)題、拓展維度上進(jìn)行難度比較.

1 5版新教材知識(shí)難度的比較

教材的知識(shí)難度模型由知識(shí)深度和廣度構(gòu)成：知識(shí)深度S知=G知1+2G知2+3G知3；知識(shí)廣度G知=G知1+G知2+G知3；知識(shí)難度N知=S知／S知max；平均深度.對(duì)知識(shí)深度的層次劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 知識(shí)層次劃分標(biāo)準(zhǔn)

5版新教材知識(shí)深度、難度、廣度和平均深度的排名如表2所示.在難度上新教科版最大，新粵教版和新滬科教版排名2、3，新司南版和新人教版最小.獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)顯示：新教科版和新粵教版在知識(shí)難度上非常顯著的高于其他3版新教材（t=7.934，P=0.004＜0.01）.

表2 知識(shí)深度、廣度、難度、平均深度

教材的難度受到廣度的影響，新教材的廣度會(huì)如何影響其難度？新教材的廣度是否符合新課標(biāo)的要求？新課標(biāo)在必修1有38個(gè)知識(shí)點(diǎn)，其中主題1“機(jī)械運(yùn)動(dòng)與物理模型”包括16個(gè)，主題2“相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律”包括22個(gè).5版新教材在主題1的平均知識(shí)個(gè)數(shù)為21.6個(gè)，在主題2為28.4個(gè)（圖1）.單樣本t檢驗(yàn)顯示：5版新教材在主題1的知識(shí)廣度顯著多于新課標(biāo)要求（t=3.434，P=0.026＜0.05），在主題2卻與新課標(biāo)沒(méi)有顯著差異（t=2.518，P=0.065＞0.05）.

圖1 知識(shí)廣度

對(duì)5版新教材知識(shí)的認(rèn)知深度比較發(fā)現(xiàn)（圖2）：在“了解”深度：新粵教版、新滬科教版、新教科版、新人教版和新司南版排名1-5，單樣本t檢驗(yàn)顯示這5版新教材在該深度與新課標(biāo)要求沒(méi)有顯著差異（t=-0.506，P=0.640＞0.05）.在“理解”深度：新粵教版、新教科版、新司南版和新人教版排名1-4，單樣本t檢驗(yàn)顯示上述4版新教材在“理解”深度顯著高于新課標(biāo)要求（t=3.472，P=0.033＜0.05）；而與新課標(biāo)要求一致的新滬科教版排名最末.在“應(yīng)用”深度：新教科版、新滬科教版、新粵教版排名前3，單樣本t檢驗(yàn)顯示上述3版新教材在“應(yīng)用”深度顯著高于新課標(biāo)要求（t=9.291，P=0.011＜0.05）；新人教版和新司南版排名4、5，單樣本t檢驗(yàn)顯示這2版新教材與新課標(biāo)要求沒(méi)有顯著差異（t=5.000，P=0.126＞0.01）.由此可知，新司南版和新人教版在“了解”“應(yīng)用”深度與課標(biāo)差異不顯著，除新滬科教版外的其他4版在“理解”深度顯著的深于新課標(biāo)要求.

圖2 知識(shí)深度

2 5版新教材實(shí)驗(yàn)難度的比較

實(shí)驗(yàn)難度的計(jì)算模型由實(shí)驗(yàn)廣度（G實(shí)）和實(shí)驗(yàn)深度（S實(shí)）兩方面構(gòu)建而成.其中，實(shí)驗(yàn)廣度是指教材中的實(shí)驗(yàn)容量，主要指實(shí)驗(yàn)的個(gè)數(shù)；實(shí)驗(yàn)深度是指實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度，主要由實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放程度、包含的探究要素及在教材中所占篇幅等因素決定.本研究將實(shí)驗(yàn)深度劃分為“演示”“驗(yàn)證”“探究”3個(gè)層次，以1、2、3來(lái)賦值，每個(gè)層次對(duì)應(yīng)的廣度分別為G實(shí)1、G實(shí)2、G實(shí)3（表3）.實(shí)驗(yàn)廣度G實(shí)=G實(shí)1+G實(shí)2+G實(shí)3；實(shí)驗(yàn)深度S實(shí)=G實(shí)1+2G實(shí)2+3G實(shí)3；實(shí)驗(yàn)難度N實(shí)=S實(shí)／S實(shí)max；平均深度.

表3 實(shí)驗(yàn)層次劃分標(biāo)準(zhǔn)

5版新教材實(shí)驗(yàn)難度、深度、廣度和平均深度排名如表4所示：新粵教版最大，新司南版次之，新滬科教版和新人教版居中，新教科版最低.獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)顯示：新粵教版和新司南版在實(shí)驗(yàn)難度上顯著的高于其他版本（t=-5.269，P=0.013＜0.05）.

實(shí)驗(yàn)難度在一定程度上受到實(shí)驗(yàn)廣度的影響，為了進(jìn)一步研究不同主題下5版新教材的實(shí)驗(yàn)廣度，引入新課標(biāo)的實(shí)驗(yàn)要求作為衡量標(biāo)準(zhǔn)（圖3）：新課標(biāo)在必修1部分有6個(gè)實(shí)驗(yàn)要求，其中4個(gè)是學(xué)生必做實(shí)驗(yàn).主題1“機(jī)械運(yùn)動(dòng)與物理模型”包括2個(gè)實(shí)驗(yàn)（其中1個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)），主題2“相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律”包括4個(gè)實(shí)驗(yàn)（其中3個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)）.5版新教材在主題1和主題2的平均實(shí)驗(yàn)數(shù)分別為4.4個(gè)和10.80個(gè)，單樣本t檢驗(yàn)顯示新教材在主題1的實(shí)驗(yàn)廣度顯著大于新課標(biāo)要求（t=2.954，P=0.042＜0.05），在主題2與新課標(biāo)沒(méi)有顯著差異（t=2.744，P=0.052＞0.05）.

圖3 實(shí)驗(yàn)廣度

表4 實(shí)驗(yàn)深度、廣度、難度、平均深度

進(jìn)一步分析顯示（圖4），新粵教版在所有深度與大多版本保持一致；新司南版展現(xiàn)出了顯著多的“演示”實(shí)驗(yàn)來(lái)提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化物理的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，但在“驗(yàn)證”與“探究”實(shí)驗(yàn)深度則保持了與其他教材或新課標(biāo)的一致性；新人教版在“演示”與“驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)深度與大多數(shù)教材較一致，但在“探究”實(shí)驗(yàn)深度較為薄弱.

圖4 實(shí)驗(yàn)深度

3 5版新教材習(xí)題難度的比較

習(xí)題難度的計(jì)算模型由習(xí)題廣度（G題）和習(xí)題深度（S題）構(gòu)成.其中，習(xí)題廣度是指習(xí)題的數(shù)量；習(xí)題深度是指習(xí)題所涉及的思維深度，包括習(xí)題的綜合程度、計(jì)算量和應(yīng)用水平等.本研究將習(xí)題深度劃分為簡(jiǎn)單、中等、難三個(gè)層次，以1、2、3來(lái)賦值（表5）.習(xí)題廣度G題=G題1+G題2+G題3；習(xí)題深度S題=G題1+2G題2+3G題3；習(xí)題難度N題=S題／S題max；平均深度.

表5 習(xí)題層次劃分標(biāo)準(zhǔn)

5版新教材習(xí)題深度、難度、廣度和平均深度的排名如表6所示.在難度上新司南版最大，新粵教版、新人教版、新滬科教版和新教科版排名2-5.單樣本t檢驗(yàn)顯示：新司南版習(xí)題難度非常顯著的高于其他4版新教材（t=-20.104，P=0.000＜0.01），新教科版最低且非常顯著的低于除了新司南版之外的其他3版（t=12.738，P=0.006＜0.01）.

表6 習(xí)題深度、廣度、難度、平均深度

對(duì)新課標(biāo)2個(gè)主題習(xí)題廣度的比較顯示（如圖5），在主題1排名與廣度一致；在主題2新司南版、新滬科教版、新人教版、新粵教版和新教科版排名1-5.

圖5 習(xí)題廣度

對(duì)習(xí)題深度的認(rèn)知水平比較發(fā)現(xiàn)（圖6）：在“簡(jiǎn)單”深度新司南版最多且非常顯著的多于其他版本（t=-9.661，P=0.002＜0.01），新教科版最少但少得并不顯著（t=2.109，P=0.126＞0.05）；在“中等”深度，依然是新司南版最多，同時(shí)也非常顯著的多于其他版本（t=-5.770，P=0.00975＜0.01），新人教版最少并顯著的少于其他版本（t=3.183，P=0.04998＜0.05）；在“難”深度，還是新司南版最多，依然非常顯著的多于其他版本（t=-10.842，P=0.002＜0.01），新教科版最少但與其他版本并無(wú)顯著差異（t=-2.106，P=0.126＞0.05）.說(shuō)明新司南版在習(xí)題的不同深度均著墨較重，能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力不同層次的有效培養(yǎng)，讓不同層次學(xué)生通過(guò)習(xí)題都能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)的有效評(píng)價(jià)，改變了傳統(tǒng)教材習(xí)題過(guò)少過(guò)易，教師需要多本教輔才能檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的缺陷，減輕了學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)壓力，強(qiáng)化了教材功能的全面性.

圖6 習(xí)題深度

4 5版新教材拓展難度的比較

高中物理教材中的拓展主要有物理學(xué)史、STSE、高等物理、信息化及其他拓展等幾種類型，大部分以欄目或板塊的形式專門(mén)呈現(xiàn).拓展文本的呈現(xiàn)方式有三個(gè)層次，相應(yīng)的深度從低到高分別賦值為1、2、3.拓展的廣度G拓=G拓1+G拓2+G拓3，深度S拓=G拓1+2G拓2+3G拓3，難度N拓=S拓／S拓max，平均深度，不同層次拓展的標(biāo)準(zhǔn)如表7所示.

表7 拓展層次劃分標(biāo)準(zhǔn)

5版新教材拓展難度的排名如表8所示：新教科版第1，新粵教版和新司南版并列第4，新滬科教版和新人教版居中.單樣本t檢驗(yàn)顯示：新教科版在拓展難度上非常顯著的高于其他4版新教材（t=-5.966，P=0.009＜0.01）.

表8 拓展深度、廣度、難度、平均深度

對(duì)不同主題拓展廣度的比較顯示（如圖7）：在主題1新滬科教版最小；新人教版和新粵教版并列最大且與其他3版之間沒(méi)有顯著差異（t=2.683，P=0.075＞0.05）；在主題2新粵教版最小，新滬科教版最大且較其他4版新教材廣度顯著大（t=-4.825，P=0.017＜0.05）.說(shuō)明拓展廣度的差異主要出現(xiàn)在相互作用主題.

圖7 拓展廣度

對(duì)拓展深度的認(rèn)知水平比較發(fā)現(xiàn)（如圖8）：在“了解”深度，新滬科教版最深，新教科版最淺且顯著的少于其他4版教材（t=4.000，P=0.028＜0.05）；在“理解”（t=-9.000，P=0.003＜0.01）和“應(yīng)用”（t=-12.124，P=0.001＜0.01）深度，新教科版都非常顯著的深于其他4版新教材.這說(shuō)明新教科版對(duì)拓展內(nèi)容主要不是描述性地呈現(xiàn)，更關(guān)注推理及應(yīng)用，而其他4版新教材則較為統(tǒng)一地以介紹為主，較少進(jìn)行深入分析.

圖8 拓展深度

5 5版新教材難度的比較

對(duì)5版新教材難度的比較發(fā)現(xiàn)：只有新司南版在習(xí)題維度上不管是廣度、深度、平均深度還是難度都非常顯著的高于其他版本，到底習(xí)題對(duì)教材難度的影響有多大？是否習(xí)題維度的數(shù)據(jù)會(huì)影響5版新教材的難度排名？

在控制習(xí)題維度的相關(guān)數(shù)據(jù)后，5版新教材在知識(shí)、實(shí)驗(yàn)和拓展3個(gè)維度的難度、深度、廣度和平均深度排名確實(shí)發(fā)生了較大變化（表9）.在難度上新教科版、新粵教版、新滬科教版、新司南版和新人教版分別排名1-5；在廣度上新粵教版和新教科版排名前2，其他版本排名與難度一致；在平均深度上新教科版、新滬科教版、新人教版、新司南版和新粵教版排名1-5.

表9 教材新深度、廣度、難度、平均深度

6 研究結(jié)論與教材改革路徑建議

6.1 結(jié)論

（1）5版新教材難度排序.

排除習(xí)題維度后，新司南版在難度、廣度和平均深度上非常統(tǒng)一地排名第4；新教科版在難度和平均深度上均排名第1，在廣度上排名第2；新粵教版廣度第1，難度第2，平均深度第5.難度比較的結(jié)果顯示：新司南版難在習(xí)題，新粵教版難在廣度，新教科版難在對(duì)內(nèi)容的闡釋.

（2）5版新教材知識(shí)排序.

5版新教材知識(shí)難度的排序?yàn)椋盒陆炭瓢妫拘禄浗贪妫拘聹平贪妫拘氯私贪妫拘滤灸习妫辉谥R(shí)廣度上的排序?yàn)椋盒禄浗贪妫拘陆炭瓢妫拘聹平贪妫拘氯私贪妫拘滤灸习?；在平均深度上的排序?yàn)椋盒滤灸习妫拘陆炭瓢妫拘氯私贪妫拘聹平贪妫拘禄浗贪?從知識(shí)難度、廣度和平均深度的排序可以發(fā)現(xiàn)：新司南版和新人教版的知識(shí)量最少，但對(duì)每個(gè)知識(shí)的闡述最深入；新粵教版的知識(shí)量最大，但平均深度顯示其對(duì)知識(shí)的闡述卻最簡(jiǎn)單；新教科版則體現(xiàn)了“廣而深”的取向.

對(duì)知識(shí)在課標(biāo)不同主題的比較顯示：新司南版和新人教版在知識(shí)廣度上與新課標(biāo)之間不存在顯著差異，與課標(biāo)要求較為一致.對(duì)知識(shí)深度在認(rèn)知水平上的比較顯示：新司南版和新人教版在“了解”“應(yīng)用”深度與課標(biāo)差異不顯著，與新教科版和新粵教版一樣都在“理解”深度顯著高于課標(biāo)要求.

（3）5版新教材實(shí)驗(yàn)排序.

5版新教材實(shí)驗(yàn)難度排序?yàn)椋盒禄浗贪妫拘滤灸习妫拘聹平贪妫拘氯私贪婧托陆炭瓢?實(shí)驗(yàn)廣度排序?yàn)椋盒滤灸习妫拘禄浗贪妫拘氯私贪妫拘聹平贪妫拘陆炭瓢?實(shí)驗(yàn)平均深度排序?yàn)椋盒陆炭瓢妫拘聹平贪妫拘禄浗贪妫拘氯私贪妫拘滤灸习?

對(duì)實(shí)驗(yàn)在課標(biāo)不同主題的比較顯示：新人教版和新司南版在新課標(biāo)主題1和主題2廣度最大，且都顯著多于其他版本.在實(shí)驗(yàn)類型上，新司南版“演示”實(shí)驗(yàn)深度最大，但在“驗(yàn)證”“探究”實(shí)驗(yàn)深度與其他新教材保持一致；新人教版則在“探究”實(shí)驗(yàn)深度比較薄弱；新粵教版在3個(gè)深度層次與大多數(shù)新教材保持一致.

（4）5版新教材習(xí)題排序.

5版新教材習(xí)題難度排序?yàn)椋盒滤灸习妫拘禄浗贪妫拘氯私贪妫拘聹平贪妫拘陆炭瓢?廣度排序?yàn)椋盒滤灸习妫拘禄浗贪妫拘聹平贪妫拘氯私贪妫拘陆炭瓢?平均深度排序?yàn)椋盒滤灸习妫拘氯私贪妫拘聹平贪妫拘禄浗贪妫拘陆炭瓢?從習(xí)題排序可知：新司南版習(xí)題既深且廣，非常適宜于不同層次學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)；新教科版習(xí)題量較少，以中等難度為主，較少涉及難題.

（5）5版新教材拓展排序.

5版新教材拓展難度排序?yàn)椋盒陆炭瓢妫拘聹平贪妫拘氯私贪妫拘禄浗贪妫拘滤灸习?廣度排序?yàn)椋盒聹平贪妫拘陆炭瓢妫拘氯私贪妫拘禄浗贪婧托滤灸习妫ú⒘校?平均深度排序?yàn)椋盒陆炭瓢妫拘氯私贪妫拘聹平贪妫拘禄浗贪婧托滤灸习妫ú⒘校?從拓展難度、廣度和平均深度排名可知：新教科版拓展內(nèi)容更偏向推理和應(yīng)用，其他4版以介紹、描述為主.

6.2 教材改革和發(fā)展路徑建議

（1）知識(shí)方面的建議.

對(duì)5版新教材知識(shí)的比較發(fā)現(xiàn)，幾乎所有版本在知識(shí)深度的認(rèn)知水平上都是“了解”最多，“應(yīng)用”最少，雖然這與新課標(biāo)的要求存在一定聯(lián)系，但也反映出新教材對(duì)知識(shí)的闡釋都不夠深入的特點(diǎn).建議新教材盡量以新課標(biāo)的廣度和深度來(lái)設(shè)置知識(shí)，在對(duì)物理概念和規(guī)律的闡釋時(shí)最好增加與學(xué)生生活相關(guān)的實(shí)例作為背景引入問(wèn)題，有效利用學(xué)生前概念建立物理概念和規(guī)律之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生從物理學(xué)視域理解自然，形成物理觀念.

（2）實(shí)驗(yàn)方面的建議.

對(duì)5版新教材實(shí)驗(yàn)的比較發(fā)現(xiàn)，版本間實(shí)驗(yàn)并不均衡，有的“演示”實(shí)驗(yàn)顯著多，有的“驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)顯著多，但在“探究”實(shí)驗(yàn)上雖然都滿足課標(biāo)要求，但并沒(méi)有顯著多的現(xiàn)象.建議適當(dāng)增加探究實(shí)驗(yàn)數(shù)來(lái)增大實(shí)驗(yàn)深度；此外，在對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平、學(xué)生學(xué)習(xí)順序等加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的關(guān)注，設(shè)計(jì)一些有一定深度的物理實(shí)驗(yàn).對(duì)不同主題實(shí)驗(yàn)的比較發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)主題的實(shí)驗(yàn)顯著少于相互作用主題的實(shí)驗(yàn)，版本間不同主題的實(shí)驗(yàn)并不均衡，建議適當(dāng)考慮各板塊實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的均衡，根據(jù)新課標(biāo)要求及學(xué)生興趣平衡各主題實(shí)驗(yàn)容量；第三，建議加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)性評(píng)價(jià)，促進(jìn)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)落到實(shí)處.

（3）習(xí)題方面的建議.

對(duì)5版新教材習(xí)題的比較發(fā)現(xiàn)，新司南版在習(xí)題數(shù)量和不同深度習(xí)題配置上非常突出，建議其他版本教材適當(dāng)增加不同深度的習(xí)題數(shù)量，使其盡量符合學(xué)業(yè)質(zhì)量水平分布，滿足對(duì)各層次學(xué)生的學(xué)業(yè)成就檢測(cè)；此外，建議新教材能從良構(gòu)和劣構(gòu)2個(gè)方面設(shè)計(jì)習(xí)題類型，多層面測(cè)評(píng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力；第三，希望加強(qiáng)習(xí)題的趣味性、開(kāi)放性和探究性，并結(jié)合前沿?zé)狳c(diǎn)，拓展學(xué)生視野.

（4）拓展方面的建議.

對(duì)5版新教材拓展的比較發(fā)現(xiàn)，大部分教材都僅僅對(duì)拓展內(nèi)容進(jìn)行了描述性介紹，在推理和應(yīng)用部分較為缺失.建議對(duì)所拓展內(nèi)容進(jìn)行比較深入的呈現(xiàn)，盡量讓學(xué)生“知其然也知其所以然”；其次，建議增加課程思政和本土文化的內(nèi)容，融合價(jià)值觀教育——將本國(guó)地理、歷史、藝術(shù)、文化、科技等滲透到不同主題的教材中，以培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)國(guó)、愛(ài)鄉(xiāng)的情感和社會(huì)責(zé)任感.