1. 问题的提出
情境创设被认为是提升学生科学思维能力和促进科学思维发展的一种有效方式和关键途径。在物理课堂教学中，要加强学生的科学思维能力，需要深化对物理知识的理解，而其中一个关键手段就是利用物理情境。物理情境不仅仅是促进学生对知识的理解，同时也是实现知识转化的重要途径[1]。借助现代信息技术，结合真实生活情境来展开教学，可以更好地提升学生的科学思维能力。
《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》[2]强调，核心素养的培养需要观察学生在面对复杂现实情境时所展现的外在表现。因此，在高中物理教科书中设置了大量的情境案例，其中多数情境来源于生产和生活实践，旨在弥补学生无法亲身体验的不足。这种安排对于协助学生理解所学内容并培养地理思维具有重要作用。因此，对物理教科书中习题所呈现的情境进行系统研究具有重要价值[3]。
当前关于教科书习题的研究主要聚焦于运用教育学理论或是教育统计方法。有学者基于不同的教育理论和学科角度对习题进行了多方面的研究。一些学者使用布鲁姆教育目标分类理论，着眼于分析习题所对应的认知水平[4]；而另一些学者则运用加涅学习结果分类理论，将习题的学习结果功能划分为了5个维度[5]。同时，其他学者采用了不同的一致性分析模型，如SEC一致性分析模型、韦伯一致性评价模型、Achieve工具等，以评估习题与课程标准的一致性程度[6]。在此之外，高菲等学者运用SOLO分类理论，分析了习题与情境的融合程度[7]。
总体而言，这些研究主要关注于教育目标和学科视角，对于从科学素养角度理解习题的研究相对较少。
2. PISA科学素养测评框架
PISA (Programme for International Student Assessment) [8]测试是一项由经济发展与合作组织(OECD)发起的国际学生能力测评项目, 这个项目非常注重创造特定情境，并已经建立了一个成熟的情境类型分析框架，为教学情境的理论研究提供了全新的观点。
PISA2015将科学素养(Scientific Literacy)定义为“具备反思能力的公民，能够应用科学知识参与相关科学议题”。这一定义认为，拥有良好科学素养的个体应具备三种核心能力：科学解释现象、设计和评价科学研究、以及科学阐释数据和证据[9]。这些能力被视为现代科技社会对学生科学素养发展的不可或缺的要求。因此，PISA的定义呈现了科学素养的本质，也突显了对于个体能力层面的内在需求。在评估方面，PISA不仅评估学生的基础知识和技能，还以问卷形式调查学生的学习动机和学习态度，从而形成对学生学习能力的全面评估，而PISA之所以备受推崇，与问题情境的精细设计密不可分。
有关“PISA科学素养”的关键词分析能反映2001~2023年PISA科学素养领域各个研究维度的重要论点、理论范式以及结构联系。因此对现有关于PISA科学素养的研究进行可视化分析，利用CiteSpace软件进行共现分析，以CNKI为数据源，以“PISA科学素养”为检索主题、选取期刊类型为CSSCI、北大核心来源期刊、时间区间为2001年1月到2023年12月，共检索文献147篇。可视化结果如图1所示，可以发现对于PISA科学素养的研究主要有四大模块，一是以PISA科学素养框架分析高考的试题，该比例占大部分；二是利用PISA科学素养数据分析，其中包括国际之间学生的科学素养水平比较、国内学生科学素养测评成绩原因分析与PISA科学素养的测评研究启示等，鲜少运用PISA科学素养框架对教材习题进行分析。
Figure 1. Co-occurrence analysis of the keywords “PISA science literacy”
图1. “PISA科学素养”关键词的共现分析
3. 研究方法
3.1. 研究对象
针对年龄介于十五至十六岁之间的青少年群体设计的PISA测试体系适用于评估高中的核心课程内容。即本研究选择的2019年人民教育出版社出版的普通高中教科书《物理第一册(必修)》和2019 年山东科学技术出版社出版的普通高中教科书《物理第一册(必修)》，简称为“人教版教材”和“鲁科版教材”。本研究的主要目的是分析比较这两个版本教材各章节习题的特点。
研究中对习题进行了编码，编码规则如下：第1码代表教材版本，第2码代表章节序号，第3码代表习题序号，第4码代表习题下细分问题的序号[10]。举例来说，鲁科版第一章总习题的第9大题第1小题的第1问编码式为b1-012-q9(1)a，其中b1指鲁科版《物理第一册(必修)》；012指第一章的章总习题；q9(1)a指第9题的第1小题的第1问。对于选择题，有些选项涉及不同情境，因此每个选择题的选项都被细分为每一个小问。最终编码结果显示人教版有212个分析单元，鲁科版有387个分析单元。
3.2. 科学素养测评框架
在2015年的PISA中，科学素养被定义为处理与科学相关事物的能力。其核心目标在于培养具备科学思维、推理能力的公民，并愿意对科学和技术现象做出合理解释。科学素养是一个综合性概念，由科学知识、科学能力、科学情境和科学态度四个要素构成。这些要素相互交织，共同构建了个体在科学学习和实际应用中的综合素养。具体来说，科学素养体现在个体能够运用自身掌握的科学知识和科学态度，在日常生活中处理和应对各种科学情境，并展现出相应的科学能力。这些要素之间相互关联，相辅相成，共同促进了个体对科学的全面理解和应用。科学知识是指个体对科学概念、原理和事实的理解和掌握。它构成了科学素养的基础，为个体在解决科学问题、理解科学现象提供了必要的知识储备。科学能力是指个体在科学实践中运用知识解决问题、分析和推理的能力。这涵盖了科学思维、实验设计、数据分析和科学推断等方面的技能。科学情境是指个体在日常生活中遇到的与科学相关的各种场景和问题。通过置身于不同的科学情境中，个体可以运用所学知识和技能，从中获取新的经验和认识。科学态度是指个体对科学的态度和价值取向，包括对科学方法的认可、对科学事实的尊重、持续学习和探究的意愿以及对科学的好奇心和探索精神。这四个要素相互关联、相互支撑，共同塑造了一个具备科学素养的个体。科学知识为科学能力的展现提供了基础，科学情境则为个体提供了实践和应用知识的场景，而科学态度则激励个体保持好奇心、勇于探索、尊重科学事实和方法。这些要素共同作用，促进了个体对科学的深入理解和积极应用。详细内容及要素之间关系见图2。
Figure 2. PISA2015 science literacy assessment framework
图2. PISA2015科学素养测评框架
本研究基于PISA框架中的“科学情境”维度构建了习题评价框架。PISA评估的情境设置涉及个人、地区/国家和全球三种背景，又细化为健康与疾病、自然资源、环境质量、危险、科学技术前沿等五个维度，形成了一个3 × 5的科学情境框架(详见表1)。
Table 1. Scientific context framework
表1. 科学情境框架
| 维度 |
个人的(A) |
地区/国家的(B) |
全球的(C) |
文化(D) |
去情境(E) |
| 健康与疾病(1) |
健康、意外、营养(A1) |
疾病控制、社会传播、食品选择、社群健康(B1) |
流行病、传染病的传播(C1) |
| 自然资源(2) |
物质和能源的个人消费(A2) |
人类的繁衍、生活质量、安全、食品的生产和分配、能源供应(B2) |
可再生和不可再生、自然系统、人口增长、物种的可持续利用(C2) |
| 环境质量(3) |
环保行为、材料和设备的使用和处理(A3) |
人口分布、垃圾处理、环境影响，当地气候(B3) |
生物多样性、生态可持续性、人口控制、土壤的养护和流失(C3) |
| 危险(4) |
关于居住问题的风险评估(A4) |
快速变化、缓慢和渐进的变化、风险评估(B4) |
大气变化、现代通信的影响(C4) |
文化(D) |
去情境(E) |
| 科学技术前沿(5) |
对自然科学解释的兴趣、科学有关的爱好、运动休闲音乐、个人技术(A5) |
新材料、装置和处理、基因转变、保健技术、交通(B5) |
物种灭绝、宇宙的起源和结构、太空探索(C5) |
为了便于后续编码，横向维度中的个人情境被编码为A，地区/国家情境被编码为B，全球情境被编码为C；纵向维度中的健康与疾病情境被编码为1，自然资源情境被编码为2，环境质量情境被编码为3，危险情境被编码为4，科学技术前沿情境被编码为5。个人的健康与疾病情境被编码为A1，其他情境以此类推。另外，发现教材融入了物理学史和古诗等情境，将其整合为“文化”情境，编码为D。并且部分习题缺乏明确情境，因此增加了“去情境”维度，编码为E。
这个评价框架考虑了PISA框架中的情境维度，并对缺乏情境或特殊情境进行了编码，以便更全面地评估教材习题。
3.3. 范例
对17个情境维度进行分析时，以人教版教材习题中的第一章章节末A节习题第1题的第1小题(a1-10A-q1(1))为例：“小敏观察蚂蚁拖动饭粒时，蚂蚁的肢体是如何分工的。以上蚂蚁的肢体是否能看成质点。”该问题的情境为蚂蚁拖动饭粒，属于对生态圈的观察，因此将其隶属于C3；以鲁科版教材习题中的第五章第五节第6题(b1-55-q6)为例：“了解在航天器上进行的微重力条件下的实验，并尝试设计一种微重力条件下进行实验的方案。”该问题的情境为研究航天器上的微重力，航天器涉及到对太空的探索，因此将其编码为C5。
Table 2. Examples of exercise coding
表2. 习题编码范例
| 情境 |
情境编码 |
题目编码 |
范例 |
| 个人(A) |
A1 |
b1-11-q6 |
请以秒为单位，估算自己从出生到现在已度过了多长时间。 |
| A2 |
b1-12-q1 |
某地出租车公司标明收费标准为“2元/公里”，其中的公里指的是“位移”还是“路程” |
| A3 |
a1-24-q4 |
有一照相机，其光圈(进光孔径)随被摄物体的亮度自动调节，而快门(曝光时间)是固定不变的。为估测这架照相机的曝光时间，实验者从某砖墙前的高度使一个石子自由落下，一只石子从地面以上2.5 m的高度下落，每块砖的平均厚度为6 cm，请估算这张照片的曝光时间。 |
| A4 |
b1-25-q3 |
高空坠物会造成极大的危害。某高楼住户，有一花盆从距地面20m处自由落下。取重力加速度g = 10 m/s2，不计空气阻力，花盆经过多长时间落到地面？到达地面时的速度有多大？ |
| A5 |
b1-10-q8 |
某著名短跑运动员百米赛跑的时间与位移信息如图所示。请根据图中数据，分析运动员运动快慢是否变化，如何变化。 |
| 地区/国家(B) |
B1 |
- |
- |
| B2 |
a1-20B-q2 |
晴天汽车在干燥的路面上以108 km/h的速度行驶时，得到的安全距离为120 m。通常情况下，人的反应时间和汽车系统的反应时间之和为1 s。设雨天汽车刹车时的加速度为晴天时的3/5，若要求安全距离仍为120 m，求汽车在雨天安全行驶的最大速度。 |
| B3 |
- |
- |
| B4 |
a1-40B-q3(1) |
为了安全，在公路上行驶的汽车之间应保持必要的距离。我国交通管理部门规定：高速公路上行驶的汽车安全距离为20 m，汽车行驶的最高速度为120 km/h。根据提供的资料，通过计算来说明安全距离为200 m的理论依据。 |
| B5 |
a1-11-q1b |
请你为战斗机创设两个问题，一个问题可以把它看成质点，另一个问题中不能把它看成质点。 |
| 全球(C) |
C1 |
- |
- |
| C2 |
- |
- |
| C3 |
a1-10A-q1(1) |
小敏观察蚂蚁拖动饭粒时，蚂蚁的肢体是如何分工的。以上蚂蚁的肢体是否能看成质点。 |
| C4 |
b1-20-q6(1) |
求航母舰载机在钩住阻拦索后减速过程中的加速度大小及滑行时间 |
| C5 |
b1-55-q6 |
了解在航天器上进行的微重力条件下的实验，并尝试设计一种微重力条件下进行实验的方案。 |
| 文化(D) |
D |
a1-11-q2(3) |
平常所说的“一江春水向东流”是什么物体在相对什么参考系运动 |
| a1-41-q2 |
伽利略在理想斜面实验中提出了以下结论：如果另一个斜面的倾角减小至0度，小球为达到原来的高度，将永远运动下去，请你说明他得到这个结论的理由。 |
| 去情境(E) |
E |
b1-20-q1 |
下列四个图像中，表示物体做匀加速直线运动的是 |
3.4. 内容分析的信效度
本研究利用PISA框架建立了科学情境的习题评价框架，并明确界定了各类别的含义。鉴于一些教材习题并未设置背景信息，因此添加了“去情境”维度，同时考虑到学科特性和相关政策要求，又额外增加了“文化”这一情境，最终形成了正式的习题评价框架与范例(详见表1和表2)，该框架具备内容效度。
编码由两位物理专业的研究生进行，在编码前先与一位物理教育专家共同讨论以明确情境类目内涵和范围，再依据习题评价框架对两个版本的教材习题进行独立编码。最终，评分者之间的一致性达到92.84%，本研究的信度较好。当对情境的编码存在不同意见时，两人会经过商议来取得统一的编号。
3.5. 研究步骤
为了解两个版本教材的习题情境分布特点，对人教版、鲁科版的教材习题利用SPSS软件进行频率分析，结果如表3、表4所示：
Table 3. Situation of People’s Version
表3. 人教版情境
| 人教版情境 |
| 情境编码 |
频率 |
百分比 |
有效百分比 |
累积百分比 |
| A3 |
21 |
9.9 |
9.9 |
9.9 |
| A4 |
1 |
0.5 |
0.5 |
10.4 |
| A5 |
33 |
16.0 |
16.0 |
26.4 |
| B2 |
1 |
0.5 |
0.5 |
26.9 |
| B4 |
2 |
0.9 |
0.9 |
27.8 |
| B5 |
49 |
23.1 |
23.1 |
50.9 |
| C2 |
4 |
2.4 |
2.4 |
53.3 |
| C3 |
6 |
2.8 |
2.8 |
56.1 |
| C5 |
8 |
4.2 |
4.2 |
60.4 |
| D |
3 |
1.42 |
1.42 |
61.82 |
| E |
84 |
39.6 |
39.6 |
100.0 |
| 总计 |
212 |
100.0 |
100.0 |
|
Table 4. Scenario of Luke version
表4. 鲁科版情境
| 鲁科版情境 |
| 情境编码 |
频率 |
百分比 |
有效百分比 |
累积百分比 |
| A1 |
9 |
2.3 |
2.3 |
2.33 |
| A2 |
1 |
0.3 |
0.3 |
2.58 |
| A3 |
52 |
13.4 |
13.4 |
16.02 |
| A4 |
1 |
0.3 |
0.3 |
16.28 |
| A5 |
52 |
13.4 |
13.4 |
29.72 |
| B2 |
8 |
2.1 |
2.1 |
31.78 |
| B5 |
78 |
20.2 |
20.2 |
51.94 |
| C2 |
4 |
1.0 |
1.0 |
52.97 |
| C3 |
5 |
1.3 |
1.3 |
54.26 |
| C4 |
7 |
1.8 |
1.8 |
56.07 |
| C5 |
12 |
3.1 |
3.1 |
59.17 |
| D |
8 |
2.07 |
2.07 |
61.24 |
| E |
150 |
38.8 |
38.8 |
100.00 |
| 总计 |
387 |
100.0 |
100.0 |
|
其次，在频率分析的基础上，为了进一步了解两个版本教材的习题情境对比，给予合适的建议，因此利用SPSS软件分别对该数据进行卡方检验，最终呈现结果如表5。
Table 5. Chi-square test
表5. 卡方检验
| 卡方检验 |
|
值 |
自由度 |
渐进显著性(双侧) |
| 皮尔逊卡方 |
6.074a |
4 |
0.194 |
| 似然比 |
8.665 |
4 |
0.070 |
| 线性关联 |
0.009 |
1 |
0.926 |
| 有效个案数 |
599 |
|
|
a. 1个单元格(10.0%)的期望计数小于5。最小期望计数为2.83。
进行卡方检验后，结果为χ2 (2, N = 599) = 6.074，p > 0.05，两个教材的总体情境分布特征显著性不大。
4. 必修一教材习题情境特点对比与分析
为了直观显示，对习题的情境分布以教材版本为划分类型，作出2个版本的教材习题情境分布比较的条形图如图3所示，并整合人教版与鲁科版的习题情境结果呈现为表6。由此图3和表6共同体现了2个版本教材习题的科学情境的分布特征。
Figure 3. Situational dimension distribution of exercises in two versions of textbooks
图3. 2个版本的教材习题情境维度分布
Table 6. Comparison of two versions of teaching material scenarios
表6. 2个版本教材情境对比
| 维度 |
编码 |
人教版 |
鲁科版 |
平均/% |
| 个人(A) |
A1 |
0% (0) |
2.33% (9) |
1.16% |
| A2 |
0% (0) |
0.26% (1) |
0.13% |
| A3 |
9.91% (21) |
13.44% (52) |
11.67% |
| A4 |
0.47% (1) |
0.26% (1) |
0.36% |
| A5 |
15.57% (33) |
13.44% (52) |
14.50% |
| 总和 |
25.94% (55) |
29.72% (115) |
27.83% |
| 地区/国家(B) |
B1 |
0% (0) |
0% (0) |
0% |
| B2 |
0.47% (1) |
2.07% (8) |
1.27% |
| B3 |
0% (0) |
0% (0) |
0% |
| B4 |
0.94% (2) |
0% (0) |
0.47% |
| B5 |
23.11% (49) |
20.16% (78) |
21.63% |
| 总和 |
24.53% (52) |
22.22% (86) |
23.38% |
| 全球(C) |
C1 |
0% (0) |
0% (0) |
0% |
| C2 |
1.89% (4) |
1.03% (4) |
1.46% |
| C3 |
2.83% (6) |
1.29% (5) |
2.06% |
| C4 |
0% (0) |
1.81% (7) |
0.90% |
| C5 |
3.77% (8) |
3.10% (12) |
3.44% |
| 总和 |
8.96% (19) |
7.24% (28) |
8.10% |
| 文化(D) |
D |
1.42% (3) |
2.07% (8) |
1.74% |
| 去情境(E) |
E |
39.62% (84) |
38.76% (150) |
39.19% |
| 总和(题数) |
212 |
387 |
- |
4.1. 情境维度分析
在维度划分上，可以发现两个版本的不同情境维度分布相当，2版教材在个人(25.94%~29.72%)和地区/国家(22.22%~24.53%)情境方面设计较多习题，但在全球(7.24%~8.96%)和文化维度的涵盖较少。2个版本的教材习题关于全球内容的选取集中在火箭发射这个情境，情境较为单一。在去情境维度的设计上，两者占比相当2个版本教材习题在去情境维度的占比都较高，分别是38.76%与39.62%，说明两者教材在习题的编写过程中依旧着重对知识进行直接而简单的测试，并将知识与生活进行割裂，以此来检验学生是否对知识掌握了解，但这不符合从生活中学习物理，应用知识于生活的物理课标理念。
4.2. 情境设置差异
2个版本之间也存在些许差异，人教版的文化情境少于鲁科版的情境设置，研读人教版教材发现，人教版鲜少将物理学史、古代文化等融入到课后习题中，更多作为知识拓展部分列于科学漫步栏目中。然而在习题中融入文化，这不仅应和了当代政策的要求，而且能促进学生在做题过程中潜移默化的吸收与理解文化。例如人教版在第一章运动的描述第一节《质点、参考系》中的课后习题“平常所说的‘一江春水向东流’说的是什么物体相对什么参考系在运动”。该情境尝试在习题中进行传统文化的融入，在理解古诗的基础上，学生又能领会其中的科学知识，这不失为一种传承方法。
对2个版本的教材习题情境运用SPSS27软件进行卡方检验，结果说明不同版本教材对科学情境的选用没有显著的倾向风格。因此主要针对教材习题的情境分布的共同特征进行分析与讨论，并给予相应的教学建议。
5. 结论与建议
5.1. 结论
2个版本必修教材去情境的习题达到40%。其中，个人化情境和地区化情境较多，全球化情境较少。与PISA2015的试题情境相比，我国物理必修教材中全球化情境的习题数目有待提升。
5.2. 建议
通过以上的对比研究，得出对教材习题的建议如下：
1) 增加实验情境
Lustick [11]提出，学生在情境化的问题中回忆的信息和展示的技能，明显超过了纯理论问题中的表现。分析当前的教材习题发现，2个版本的教材通常在实验习题上缺乏情境，这导致学生可能无法将所学的物理理论与实际生活情境有效地联系起来。根据教育研究和教学实践，如美国教育研究协会(AERA)和教育心理学领域的多项研究表明，将学科知识融入真实情境中有助于学生更深入地理解和应用知识。而实验设计缺乏情境可能限制了学生对物理概念在实际世界中的应用和理解。通过真实情境的实验设计，学生更有可能将学到的知识应用到实际问题解决中，同时也更容易理解抽象的物理概念。
因此，当前教材习题若能在实验设计上增加情境，能够帮助学生将理论知识与实际情境相结合，激发学生的学习兴趣，提高他们对物理学科的理解和应用能力。为解决当前教材习题在实验设计上缺乏情境的问题，可采取多种措施。其中包括引入情境式实验设计，使学生能在实验中直接运用物理概念并观察其在真实情境下的应用；整合跨学科内容，融合历史、文化和社会等元素，帮助学生从多个角度理解物理知识与实际生活的联系；鼓励探究式学习，培养学生自主探究和解决问题的能力；提供教师培训和资源支持，以及利用科技手段如虚拟实验等，为学生提供更多实验机会。这些综合措施旨在促进教学方法创新，提升学生的学习体验和效果，使其更好地将理论知识与实际情境相结合，发展出更为全面和深入的物理学习能力。
2) 改善文化融入方式
在物理教材中融入文化元素是政策指导下的必然趋势，但单纯依赖古诗句可能显得过于简单，学生并不能真正理解习题中的文化蕴意，文化情境成为了承载知识的空壳。因此为了更加丰富和深入地整合文化元素，应当整合多元文化要素，将历史事件与科学发展相联系，从文化角度诠释物理现象，深入探究物理学与人文科学的交汇点。
基于上述所讲的实验情境的短板，可以以物理学史为切入视角，探查物理学家发现真理的过程，将历史文化与实验相结合，这有助于学生从多角度理解物理现象。此外，激发学生创作与文化、物理相关的作品也是一种有效途径。这些做法将有助于学生更深层次地理解文化与物理的内在联系，培养他们跨学科思维和创造性思维，从而促进教育跨越学科边界的发展。而这样的教学方法不仅能够提升学生的综合素养和创新能力，更能够激发他们对学习的热情。通过将文化元素与物理知识相融合，学生将更全面地理解科学在不同文化和历史背景下的发展，进而培养出更为丰富和多样化的思维方式，为未来的学习和创新奠定坚实基础。
3) 增加情境的多样性
在当今信息技术高速发展的时代，青少年学生常常被淹没在大量非正式科学信息中，比如疫情期间涌现的各类药品广告以及媒体报道的疾病爆发事件。这些信息内容繁杂，且缺乏完整性和真实性的确证。学生们迫切需要培养迅速评估信息、合理筛选的能力。观察两个版本的习题情境，全球视角的情境多数着眼于科技进步，而实际教材版本的更新进展较为缓慢。尽管情境设计不应过度融入时事内容，但这种差异提醒着教师们，在日常教学中应该增加一些全球性情境的引入，以此提升学生的全球胜任力[12]。这样的做法有助于拓展学生对全球化社会现象及其本质的认知，使他们更好地理解和评价涉及社会问题的信息，培养他们做出正确判断的能力。通过这种方法，教师们可以为学生提供更加综合、全面的视角，帮助他们在信息爆炸的时代做出明智的选择。