葉德偉 肖龍海

(1. 杭州市文暉中學(xué),浙江 杭州 310005; 2. 浙江大學(xué)教育學(xué)院,浙江 杭州 310028)

課程標(biāo)準(zhǔn)是課程實(shí)施的指導(dǎo)性文件,也是教材編寫的重要依據(jù).2018年,教育部發(fā)布了經(jīng)過修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(下簡稱“物理課標(biāo)”),其指出課程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)“本著為編寫教材服務(wù)、為教學(xué)服務(wù)、為考試評價(jià)服務(wù)的原則,突出課程標(biāo)準(zhǔn)的可操作性,切實(shí)加強(qiáng)對教材編寫、教學(xué)實(shí)施、考試評價(jià)的指導(dǎo)”.[1]可以看出,物理課標(biāo)是高中物理新教材編寫、實(shí)施與評價(jià)的重要依據(jù).課后習(xí)題是高中物理新教材的重要組成部分,是評價(jià)學(xué)生依托物理新教材進(jìn)行學(xué)習(xí)后是否達(dá)成了物理課標(biāo)所規(guī)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)的重要載體.為確保評價(jià)的準(zhǔn)確性與有效性,我們有必要著手對高中物理新教材課后習(xí)題與物理課標(biāo)的一致性進(jìn)行研究,為物理新教材課后習(xí)題的編寫提供有效的建議.

自物理課標(biāo)發(fā)布后,各大出版社紛紛出版了高中物理新教材.其中,由人民教育出版社于2019年出版的新版物理教材——《普通高中教科書 物理》(下簡稱“人教版”)最具有代表性.因此,我們以人教版必修內(nèi)容(共3冊)課后習(xí)題為研究對象,分析物理新教材課后習(xí)題與物理課標(biāo)的一致性.

1 研究方法

為客觀判斷人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題與物理課標(biāo)的一致性,本研究采用由美國學(xué)者安德魯·波特(Andrew Porter)和約翰·史密森(John Smithson)等學(xué)者共同開發(fā)的SEC一致性分析模式(Survey of Enacted Curriculum).該模式的基本框架是首先建立一個(gè)二維矩陣,接著通過波特(Porter)一致性公式計(jì)算兩個(gè)維度的匹配程度,從而檢驗(yàn)研究對象之間的一致性程度.

SEC一致性分析模式的運(yùn)用主要圍繞以下幾個(gè)步驟展開: (1) 根據(jù)內(nèi)容主題和認(rèn)知水平要求建立編碼框架;

(2) 對物理課標(biāo)的內(nèi)容主題與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題進(jìn)行編碼,并將編碼結(jié)果分別統(tǒng)計(jì)入兩個(gè)二維矩陣中,為了更加科學(xué)地對兩個(gè)矩陣的一致性進(jìn)行比較,需要將編碼結(jié)果進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”處理; (3) 利用Python軟件計(jì)算出兩個(gè)矩陣的一致性臨界值; (4)通過Porter一致性公式計(jì)算出兩個(gè)矩陣的一致性系數(shù)P,其公式可表示為

此處的n表示矩陣中的單元格數(shù)目,i表示其中某個(gè)特定的單元格,其數(shù)值是從1到n.Xi和Yi分別表示矩陣X和矩陣Y第i個(gè)單元格的數(shù)值.P的取值范圍為0～1,P值越大則表明一致性程度越高,[2]P值超過一致性臨界值則說明兩個(gè)矩陣在統(tǒng)計(jì)學(xué)上保持一致.

2 研究框架

運(yùn)用SEC一致性分析模式的基本框架,對人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題與物理課標(biāo)之間的一致性進(jìn)行分析.

2.1 編碼框架的構(gòu)建

編碼框架根據(jù)內(nèi)容主題和認(rèn)知水平兩個(gè)維度建構(gòu),形成“內(nèi)容主題×認(rèn)知水平”的二維矩陣.內(nèi)容主題的劃分主要依據(jù)物理課標(biāo)進(jìn)行,分為9個(gè)主題,分別是:必修1劃分為“機(jī)械運(yùn)動與物理模型”、“相互作用與運(yùn)動定律”兩個(gè)主題;必修2劃分為“機(jī)械能及其守恒定律”、“曲線運(yùn)動與萬有引力定律”、“牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步”3個(gè)主題;必修3劃分為“靜電場”、“電路及其應(yīng)用”、“電磁場與電磁波初步”、“能源與可持續(xù)發(fā)展”4個(gè)主題.[1]認(rèn)知水平的劃分依據(jù)布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)修訂版,其將認(rèn)知水平分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價(jià)和創(chuàng)造六級水平.[3]

2.2 物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題的編碼及結(jié)果

用“9×6”的二維框架分別編碼物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題,分別代表9個(gè)內(nèi)容主題和6個(gè)認(rèn)知水平.物理課標(biāo)編碼的方法是先對各個(gè)主題進(jìn)行編碼,再將各主題中的每一條內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)拆分為涉及單個(gè)知識點(diǎn)的具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn),明確其認(rèn)知水平并編碼.對人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題編碼的方法為分析每一道習(xí)題及其解答過程、明確考查的知識點(diǎn)及認(rèn)知水平;接著,在物理課標(biāo)的編碼表中找到相對應(yīng)的知識點(diǎn),以對習(xí)題進(jìn)行編碼.

根據(jù)以上的二維框架和編碼方法,經(jīng)過多輪討論、協(xié)商并結(jié)合專家意見,得到物理課標(biāo)和人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題的編碼結(jié)果.為了方便比較,對編碼結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,即將每個(gè)單元格中的數(shù)據(jù)除以對應(yīng)表格中所有單元格數(shù)據(jù)之和,形成兩個(gè)相對應(yīng)的比率表,所有單元格數(shù)據(jù)之和為1,具體結(jié)果如表1和表2所示.

表1 物理課標(biāo)編碼結(jié)果比率表

表2 人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題編碼結(jié)果比率表

續(xù)表

2.3 計(jì)算一致性臨界值

在進(jìn)行一致性比較前,需要計(jì)算出P值在什么范圍內(nèi),才能說明兩個(gè)矩陣在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有顯著一致性.因此,我們在Python軟件中,先利用random函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù),隨機(jī)獲得“9×6”的矩陣;再對其進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”處理,根據(jù)Porter一致性公式計(jì)算P值,得到20000個(gè)P值樣本;隨后利用numpy函數(shù)計(jì)算樣本的均值、方差;最后作出正態(tài)分布圖像,并利用SciPy科學(xué)計(jì)算庫中的stats.norm.interval函數(shù)計(jì)算得到表示達(dá)到0.05顯著性水平的參考值.

2.4 計(jì)算一致性系數(shù)

2.5 繪制曲面圖和柱狀圖進(jìn)一步進(jìn)行分析

由于一致性系數(shù)P僅能描述物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題之間總體的一致性情況,因此我們繪制曲面圖和柱狀圖,進(jìn)一步分析物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題在內(nèi)容上側(cè)重于哪些主題、在認(rèn)知上集中于哪些水平.

3 研究結(jié)果

3.1 一致性分析

利用Python軟件進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn),對于“9×6”的二維矩陣,為使其在0.05水平上達(dá)成顯著一致性,其對應(yīng)的一致性系數(shù)臨界值P0=0.5914.接著,將物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題的編碼結(jié)果比率數(shù)據(jù)代入Porter一致性公式中,計(jì)算出物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題之間的一致性系數(shù)為P=0.4948,小于臨界值P0.因此,物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題之間不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上顯著的一致性.

3.2 曲面圖分析

為進(jìn)一步分析物理課標(biāo)和人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題在內(nèi)容主題和認(rèn)知水平方面的側(cè)重點(diǎn),我們可以將表1和表2所示的比率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在曲面圖上,兩圖的形狀與顏色深淺分布越相似,說明兩者的契合程度越高.具體如圖1和圖2所示.

圖1 物理課標(biāo)曲面圖

圖2 人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題曲面圖

根據(jù)圖1我們發(fā)現(xiàn),物理課標(biāo)有以下幾塊區(qū)域較為集中,分別是機(jī)械運(yùn)動與物理模型主題的理解水平、相互作用與運(yùn)動定律主題的記憶水平、曲線運(yùn)動與萬有引力定律主題的記憶水平、靜電場主題的記憶水平、電磁場與電磁波初步主題的記憶水平以及能源與可持續(xù)發(fā)展主題的記憶水平.從圖2可知,人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題有以下幾塊區(qū)域較為集中,分別是機(jī)械運(yùn)動與物理模型主題的應(yīng)用水平、相互作用與運(yùn)動定律的應(yīng)用水平、機(jī)械能及其守恒定律主題的應(yīng)用水平、靜電場的理解水平與應(yīng)用水平、電路及其應(yīng)用的應(yīng)用水平.由上述曲面圖可知,物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題所重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容主題不同、認(rèn)知水平也有較大的差異.

3.3 柱狀圖分析

為進(jìn)一步定量比較物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題在內(nèi)容主題和認(rèn)知水平上的吻合程度,建立如圖3和圖4所示的柱狀圖.

圖3 內(nèi)容主題比較柱狀圖

圖4 認(rèn)知水平比較柱狀圖

由圖3可知,在物理課標(biāo)中,相互作用與運(yùn)動定律在所有主題中所占的比率最高;在人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題中,曲線運(yùn)動與萬有引力定律主題在所有主題中所占的比率最高.具體來看,人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題在相互作用與運(yùn)動定律、機(jī)械能及其守恒定律、電路及其應(yīng)用主題的比率值略高于物理課標(biāo),在機(jī)械運(yùn)動與物理模型、曲線運(yùn)動與萬有引力定律和靜電場主題的比率遠(yuǎn)高于物理課標(biāo).相反,人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題在牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步、電磁場與電磁波初步和能源與可持續(xù)發(fā)展主題的比率遠(yuǎn)低于物理課標(biāo).

由圖4可知,物理課標(biāo)的認(rèn)知水平以記憶為主(48.75%),人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題的認(rèn)知水平以應(yīng)用為主(50.35%).總體上看,人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題的認(rèn)知水平高于物理課標(biāo).具體來看,物理課標(biāo)記憶水平的比率遠(yuǎn)高于人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題;人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題應(yīng)用水平的比率遠(yuǎn)高于物理課標(biāo);物理課標(biāo)與人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題理解與分析水平的比率基本相同;人教版必修內(nèi)容少量課后習(xí)題的認(rèn)知水平達(dá)到了評價(jià)和創(chuàng)造水平,而物理課標(biāo)并未達(dá)到該水平.

4 討論與建議

4.1 完善課標(biāo)要求——重視學(xué)生高階認(rèn)知水平的發(fā)展需求

物理課標(biāo)規(guī)定了學(xué)生經(jīng)過高中物理學(xué)習(xí)后應(yīng)掌握的知識、發(fā)展的能力、內(nèi)化的品格,是師生開展物理教學(xué)活動的方向標(biāo).在新課改背景下,物理課標(biāo)的要求應(yīng)指向?qū)W生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成.研究發(fā)現(xiàn),物理課標(biāo)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生的認(rèn)知水平要求主要以低階的記憶、理解和應(yīng)用水平為主,僅有極少數(shù)涉及高階的分析水平,對評價(jià)和創(chuàng)造水平更是沒有涉及.以低階認(rèn)知水平為主的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)固然能夠指向?qū)W生“雙基”的牢固掌握,但學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成離不開分析、綜合、辨別、判斷、創(chuàng)造等高階認(rèn)知活動的開展.因此,物理課標(biāo)可在滿足學(xué)生低階認(rèn)知水平需求的前提下,進(jìn)一步增加體現(xiàn)分析、評價(jià)和創(chuàng)造等高階認(rèn)知水平的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn),對學(xué)生開展高階認(rèn)知活動提出要求,促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成.

4.2 基于課標(biāo)評價(jià)——設(shè)計(jì)符合物理課標(biāo)要求的課后習(xí)題

課后習(xí)題是評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要載體,直接反映了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果.在以物理課標(biāo)為指導(dǎo)的教學(xué)與評價(jià)體系下,高中物理教材課后習(xí)題應(yīng)與物理課標(biāo)保持一致.但研究結(jié)果表明,人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題與物理課標(biāo)的一致性較低.為確保教材與課標(biāo)具有良好的一致性,編者應(yīng)在教材編寫完成后對教材與物理課標(biāo)的一致性進(jìn)行分析,對與物理課標(biāo)不一致的課后習(xí)題及時(shí)進(jìn)行修訂和調(diào)整,確保教材能夠準(zhǔn)確評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)是否符合物理課標(biāo)的要求.當(dāng)然,受到經(jīng)濟(jì)、文化、制度等因素的影響,不同省份學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力也存在著較大的差異.在“一標(biāo)多本”的新課改背景下,地方對于教材的編寫具有一定的權(quán)利,在滿足物理課標(biāo)基本要求的前提下,地方編寫的物理新教材可根據(jù)學(xué)生的學(xué)情、地方的文化、學(xué)業(yè)水平考試的要求適當(dāng)調(diào)整課后習(xí)題的數(shù)量、難度、側(cè)重點(diǎn)等.

4.3 豐富習(xí)題內(nèi)容——提高課后習(xí)題內(nèi)容主題的覆蓋程度

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成離不開學(xué)生對物理的全面認(rèn)識.研究發(fā)現(xiàn)人教版必修內(nèi)容課后習(xí)題忽視了牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步、電磁場與電磁波初步、能源與可持續(xù)發(fā)展3個(gè)主題.牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步主題的學(xué)習(xí),不僅有利于學(xué)生時(shí)空觀的更新,更有利于其認(rèn)識到科學(xué)是由人類對自然界的層層深入探索而更新的;電磁場與電磁波初步主題的學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)對技術(shù)的重要推動作用,體會科學(xué)技術(shù)對社會發(fā)展的重要影響;能源與可持續(xù)發(fā)展主題對于學(xué)生理解科學(xué)與環(huán)境之間的關(guān)系,了解科學(xué)對環(huán)境、能源等社會性問題解決以促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展的重要價(jià)值.無論是對學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀更新的作用,還是對學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境之間關(guān)系的價(jià)值,物理新教材課后習(xí)題都應(yīng)增加對這些內(nèi)容的考察.

4.4 面向全體學(xué)生——合理設(shè)計(jì)課后習(xí)題的認(rèn)知水平梯度

物理必修新教材的使用者既包括選擇物理作為高考科目的學(xué)生,也包括未選擇物理作為高考科目、僅需要參加高中會考的學(xué)生,因此物理新教材課后習(xí)題的編寫應(yīng)面向全體學(xué)生,考慮不同學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與需求.研究表明,人教版必修內(nèi)容超過半數(shù)課后習(xí)題的認(rèn)知水平為應(yīng)用水平,注重對概念、規(guī)律的運(yùn)用,僅有少數(shù)課后習(xí)題處于較低的記憶和理解認(rèn)知水平、極少數(shù)課后習(xí)題處于較高的分析、評價(jià)與創(chuàng)造認(rèn)知水平.顯然,這樣的設(shè)計(jì)未考慮不同基礎(chǔ)學(xué)生的發(fā)展需求.為滿足所有學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,物理新教材在滿足物理課標(biāo)基本要求的前提下,應(yīng)合理設(shè)計(jì)課后習(xí)題的認(rèn)知水平梯度,并按照認(rèn)知水平由低到高的順序安排習(xí)題.這樣既保證了不同學(xué)生按照其學(xué)習(xí)需求選擇需要完成的課后習(xí)題,又為有更高學(xué)習(xí)需求的學(xué)生搭建了由易到難、由簡到繁的學(xué)習(xí)支架.