中美主流高中物理教材应用性习题的比较与启示

中图分类号：G633.7 文献标识码：A

高中物理学习评价是以学生发展为本、基于物理学科核心素养的评价，其目的主要在于促进学生的学习和改进教师的教学[1]。教材习题作为教学评价的测量形式之一，是落实评价育人的重要载体。从2019年秋季学期起，全国各省（区、市）开始分步启用新教材。人教版新教材在习题方面作出了较大的优化，习题栏目由原先的“问题与练习”改为“练习与应用”，体现“应用性"的习题（以下简称“应用性习题”）数量大幅提升。加强对应用性习题的研究与开发，能够有效引导学生关心身边的物理问题，关注科学发展和社会进步，体会物理学在生产生活中的应用价值，激发学生学习物理的兴趣，培养学生学以致用、知行合一的意识和躬身实践的能力[2]。本文旨在通过对中美主流高中物理教材应用性习题的比较分析，揭示新教材中的习题在体现“应用性”上的优势和不足，进而对教材习题的编制与教学提出建议。

1 研究设计

1.1 “应用性习题”的意蕴

《中国高考评价体系》中提出，应用性要求以贴近时代、贴近社会、贴近生活的生活实践或学习探索问题情境为载体，将陈述性知识与程序性知识的有机整合和运用作为考查目标，设计生产文章编号：1003-6148（2025）4-0027-5生活中的实际问题，体现对即将进入高等学校的学习者迁移课堂所学内容、理论联系实际水平的测量与评价[3]。由此可见，应用性习题应该具备问题情境真实、知识运用灵活和任务指向实践的特征。

下面展示一个应用性习题案例：

案例1新人教版物理教材第三章《相互作用——力》章末习题B组第7题：

国际拔河比赛规定，每个队由8名运动员组成，按8名运动员体重的总和，分成若干重量级别，同等级别的两个队进行比赛。还规定，运动员必须穿“拔河鞋”或没有鞋跟等突出物的平底鞋，不能戴手套。

（1）竞赛为什么要作出上述规定？试从物理学角度进行说明。（2）专业的拔河运动员在拔河时身体向后倾倒，跟地面的夹角很小，为什么要这样做？请从物理原理上分析说明。

案例解读：该习题以贴近学生生活的拔河比赛为问题情境，需要学生灵活运用摩擦力、牛顿第三定律和杠杆原理等物理知识来解释物理现象。该问题的解决不仅能够强化学生的理论知识，锻炼学生的科学论证能力，也对学生从事相关活动具有实践指导意义。

1.2 研究样本

1.2.1 主样本选择

为了研究的代表性，国内教材选取的是人教版2019年第1版的普通高中教科书《物理》（以下简称"人教版教材"），共6册。美国教材选取的是2017年版《豪尔特物理》（以下简称“HP教材"），共1册。HP教材在美国的选用率高，广受美国物理教师青睐，是美国高中常规课程最受欢迎的物理教材[4]。本文习题样本选择包括人教版教材“练习与应用"和“复习与提高"栏目中的习题（共计1216道），以及HP教材“SECTIONRE-VIEW”"Review”和“StandardizedTestPrep”栏目中的习题（共计1597道）。两版教材习题栏目对照如表1所示。

1.2.2 应用性习题样本选择

为探究中美教材应用性习题的结构特征与要素特征，需从主样本中遴选出应用性习题样本

进行分析。经统计，人教版教材应用性习题共计306道，HP教材应用性习题共计217道。

1.3 习题编码分析框架

本文首先从应用性习题的数量占比、内容板块分布两个方面对教材习题进行整体和结构化分析。其次，依据前文对应用性习题的解读，从情境主题、思维层级、应用类型和实践范式4个维度，对应用性习题的要素特征进行编码分析，分析框架如表2所示。

下面给出一个编码案例：

案例2 HP教材第十四章《反射》第三节“光学现象”小结复习第4题：

一场暴风雨过后，一个男人走到他的门廊上。向东看，他看到了在邻居的房子上方形成的彩虹。该时刻处于一天中的什么时候，早上还是晚上？

编码分析：在情境主题上，该习题关联了自然界中常见的彩虹现象，故属于自然现象情境；在思维层级上，该习题需要学生运用光的折射、反射原理以及地理常识来解决，知识点间的关联性强，故属于关联结构；在应用类型上，该习题让学生预测所述现象发生的时间，故属于预测类应用；在实践范式上，该习题仅依靠学生阅读书本内容即可解决，但题干所述现象易于教师做演示实验或学生自主观察，故属于可操作实践，

为降低编码主观性对研究结果的影响，本文由两位编码者对两套教材中的习题进行独立编码。编码时，计算题、多项目的判断题按小题序号拆分成单独的题目进行分析。对两位编码者的编码结果进行一致性检验，4项编码内容的Kappa系数均大于0.8，编码结果信度较高。

2 研究结果

2.1 整体与结构化分析

整体上看，人教版教材应用性习题占习题总数的 2 5 . 1 6 % ，HP教材的占比为 1 3 . 5 9 % ，人教版教材中的习题在“应用性"的体现上显著优于HP教材。这种差异源于两国物理课程结构的不同。美国物理课程根据难度级别可划分为常规物理、概念物理、荣誉物理和先修物理，不同课程会选用不同类型的教科书。例如，先修物理课程中使用率最高的教材是《物理：原理与应用》，该教材中的习题以物理学的实际应用为主，而HP教材主要运用于常规物理课程和荣誉物理课程，这两种课程相较于先修课程更注重学生物理学科基础的培养，因而习题更注重基础性，而非应用性；中国高中物理课程结构缺乏大学预科课程，教材肩负着夯实基础与迁移应用的双重职能，因此其中的应用性习题占比较高。

两套教材应用性习题内容板块分布的统计结果如图1所示。人教版教材的应用性习题主要分布在电磁学和力学两个板块，分别占比 3 8 % 和 3 2 % ；运动学和热学次之，分别占比 1 3 % 和 10 % ·光学和近代物理占比最少，仅有 4 % 和 3 % 。HP教材的应用性习题主要分布在力学、电磁学和运动学三个板块，分别占比 4 0 % ） 1 8 % 和 1 7 % ；热学、光学和近代物理占比则非常接近，分别是 9 % 9 % 和 8 % 。

对比两套教材应用性习题内容板块分布情况，不难发现，二者对热学、光学和近代物理板块的应用性习题开发相对匮乏，主要是因为这三个板块在教材中所占篇幅较短，知识内容较少。不同的是，HP教材应用性习题在光学和近代物理板块占比显著高于人教版教材。主要原因有：首先，人教版教材将大量的实际应用案例设置在“STSE”和“科学漫步"等栏目中作为学生的拓展阅读内容，而非以习题的形式呈现。其次，HP教材部分章节的习题具有“同质化"现象，如运用“碳定年法”估测古物年份的试题就有6道。最后，HP教材对光学和近代物理板块实际应用案例的挖掘更为广泛。

2.2 情境主题分析

两套教材应用性习题情境主题占比的统计结果如图2所示。在所统计的5种情境主题中，人教版教材占比最高的是“生产生活”，占比 5 9 . 5 4 % ，其次是“前沿科技"和“大国工程”，占比较少的是“自然现象"和“历史文化”；HP教材占比最高的是“生产生活”，高达 6 4 . 9 8 % ，其次是“自然现象”，而“大国工程”“前沿科技"和“历史文化"的占比较少。

由此可见，两套教材都十分注重物理知识与生产生活实践的有机结合。不同的是，HP教材应用性习题情境主题高度集中于“生产生活"和“自然现象”，而人教版教材更注重情境的丰富度，“大国工程”“前沿科技"和“历史文化"3种情境主题占比均高于HP教材，这表明两套教材对应用性习题育人价值的理解存在差异。HP教材受美国实用主义教育理念的影响，习题的情境主题与学生所处的自然生活空间高度融合，选择的应用案例是学生最熟悉、最容易直接接触的；而人教版教材对应用性习题育人价值的理解不再局限于培养学生解决实际问题的能力，还注重引导学生关注科学发展和社会进步，增强文化自信，深刻感知物理学在现代生活中的广泛应用。

2.3 思维层级分析

两套教材应用性习题思维层级占比的统计结果如图3所示。人教版教材中“多点结构”占比最高，“单点结构"次之，“关联结构"和“抽象拓展”占比略低，四者占比分布相对均衡；HP教材以“单点结构”为主，“多点结构"次之，“关联结构"和“抽象拓展”占比最少。

整体看来，人教版教材应用性习题对学生思维水平的要求高于HP教材，这种差异源于前文所述的教材职能和情境主题的不同。双重职能决定了人教版教材应用性习题必须突出对学生高阶科学思维能力的考查，它是即将进入高等学校的学习者在面对与物理相关的问题时所必须具备的综合能力[5。此外，“大国工程”“前沿科技”和“历史文化"情境主题包含的物理知识往往更为广泛、综合，且与学生的日常生活有一定的距离感，学生无法依靠直接经验来解决问题，必须在新颖的情境中调动高阶思维，对知识进行理解、分析与整合。

2.4 应用类型分析

两套教材应用性习题应用类型占比的统计结果如图4所示。两套教材中“计算类应用"均占比最高，分别为 4 7 . 3 9 % 和 4 4 . 7 0 % ，“解释类应用”占比HP教材比人教版教材高约 10 % ，“预测类应用"差别较小，“设计类应用”占比人教版教材比HP教材高约 9 % 。

解释与预测是学生在实际生活中最常见的知识输出方式，相较于数值计算，二者能够让学生更直接地体会物理学的应用价值。HP教材中的习题选取了大量来源于生产生活和自然界的现象，利用更真实开放的应用类型帮助学生建立连接理论与实践的桥梁，这是值得借鉴的地方。但在“设计类应用”上，人教版教材明显占优。以人教版教材必修一为例，该册教材设置了频闪摄影测量重力加速度、观察微小形变、自动冲水装置、测量动摩擦因数、测量电梯加速度、设计加速度计等丰富的设计类习题任务，这些任务对培养学生的实践意识和创新能力大有裨益。

2.5 实践范式分析