百年中学物理教科书中科学方法教育的变迁研究

李正福 谷雅慧

(1. 中国教育科学研究院课程教学研究中心,北京 100088; 2. 人民教育出版社物理编辑室,北京 100081)

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百年中学物理教科书中科学方法教育的变迁研究

李正福1谷雅慧2

(1. 中国教育科学研究院课程教学研究中心,北京 100088; 2. 人民教育出版社物理编辑室,北京 100081)

科学方法是科学素养的重要组成部分,将科学方法作为科学教育的内容是世界科学教育界长期以来的做法．通过对我国百年中学物理教科书中科学方法教育的变迁研究发现,物理科学方法教育从自发转变为自觉,教学理念上从隐性到显性,编写思路上从知识方法分离到知识方法融合,编写内容上从少到多、结构上从碎片到系统,呈现方式上从偶有散落到多栏目配合．在今后的物理教科书的编写中,应遵循科学方法教育的规律、全面规划物理科学方法教育体系、加强物理科学方法内容的配合与衔接、创新物理科学方法内容呈现方式．

物理教科书;科学方法教育;变迁

科学方法是科学知识体系的基本要素,是通向所有科学思维的关口,是科学素养的重要成分．[1]将科学方法作为科学教育的内容是世界科学教育界长期以来的自发做法．随着科学教育理论认识与实践探索的不断深化,科学方法的价值和地位得到越来越清楚的理解,科学方法也逐渐成为科学教育最为重要的基本内容之一而被国际科学教育组织和各国所关注． 2007年,国际教育科学院与联合国教科文组织国际教育局联合发行科学教育实践手册,认为“科学是一种认识自然的方式,一种学习自然的方法”．[2]《美国国家科学教育标准》明确将提出学生“在进行个人决策之时恰当地运用科学的方法和原理”列为学校科学教育的目标．[3]我国的物理课程标准中也将“过程与方法目标”确定为课程的三维目标之一．在此背景下,回顾我国物理教科书中科学方法教育的变迁,梳理变迁历程、提炼变迁特点、分析变迁原因,对于把握物理科学方法教育规律、编制物理课程标准与教材、提高物理科学方法教育效果都有重要的价值和意义．

1 研究内容

所谓方法,就是为了解决某一个具体问题,从实践或理论上所采取的各种手段或方式的总和．物理科学方法就是研究物理现象、描述物理现象、实施物理实验、建立物理概念、总结物理规律、检验物理规律时所应用的各种手段与方法．广义地讲,物理科学方法应该包括物理学的研究方法、物理学理论体系的建立方法,以及物理学理论的学习与传播方法．狭义物理科学方法主要是指研究物理学的方法．[4]本研究取狭义的物理科学方法．

自物理学进入中学教育以来已有100多年的历史．在我国早期的物理教学中,科学方法的启蒙功能得到重视,出现了科学方法教育早慧现象．比如,任鸿隽起草的《高级中学公共必修的科学概论课程纲要》(1923)就确定“注重科学精神及方法,以矫正吾国自来为学弊病”的目的后,并详细给出了科学方法教育的内容,包括“论理上的——比较,归纳,演绎”“实施上的——观察,试验,推理,假设,证验”．[5]此后,科学方法教育在物理教学中就再也未曾断绝过,有时成为教学的热点,有时又比较沉寂．那么,100多年来物理教科书中科学方法教育发生了怎样的变迁?有哪些特点?哪些因素影响了物理教科书中的科学方法教育?物理科学方法教育有何发展趋势?对今后物理教科书的编写有哪些启示?百年中学物理教科书中科学方法教育的变迁研究,将聚焦教科书如何促进科学方法教育的落实,为物理教科书的编写与改进提供参考和建议．

2 研究思路与工具

选取各时期主要的物理教科书,分析重要概念规律内容中的科学方法种类、频次、呈现方式等,然后进行统计分析,并剖析、比较典型案例,进而得出结论．为此,主要采用文献研究法、案例研究法和比较研究法．

2.1 物理教科书样本的选取

课题组参考社会历史发展和教育课程改革,根据教科书的发行量、再版次数、编写者和出版社的权威性以及在全国的使用范围等为依据,共选取了10套物理教科书进行研究．其中包括清末2套、民国3套、新中国4套．具体信息如表1所示．

表1 选取的物理教科书样本

2.2 重要概念规律内容的确定

选取中学物理10个重要概念规律作为案例进行分析．选取的内容涉及中学物理主要领域,包括力学、电磁学、光学、热学等部分内容,具体为万有引力定律、自由落体运动、牛顿第一定律、牛顿第二定律、动量守恒定律、库仑定律、楞次定律、全反射、气体定律、波的干涉．

2.3 物理科学方法的选定

选取依据主要有3个： (1) 典型科学方法论,比如逻辑经验主义、否证论、科学历史主义、科学实在论等理论的指导;[6](2) 新一轮课程标准提出的科学方法教育的内容,比如科学探究与实验的方法; (3) 物理教学中经常使用的、重要的科学方法,比如控制变量法、转换法、比值定义法等．据此选定了中学物理一些常见科学方法,包括观察、实验、逻辑思维(分析、综合、归纳、演绎、理想化、类比、假说方法)、数学方法、猜想．研究工具如表3所示,分析所选教科书内容中科学方法出现的种类、频次以及它们的汇总．

在确定物理教科书样本、典型内容和物理科学方法之后,为提高信度,课题组请专家共同就某一个内容的科学方法的认定进行了研究,取得共识后,再按照物理内容分组,分别研究不同版本物理教科书的科学方法教育情况．

表2

表3 选取的科学方法及其频次统计(以“自由落体运动”为例)

3 研究分析与结论

总体来看,100多年来,物理教科书中的科学方法教育发生了很大的变化．具体表现为,科学方法教育从自发转变为自觉,教学理念上从隐性到显性,编写思路上从知识方法分离到知识方法融合,编写内容上从少到多、结构上从碎片到系统,呈现方式上从偶有散落到多栏目配合．物理教科书科学方法内容的诸多变迁,为落实科学方法教育指明了方向、提供了材料、搭建了框架、铺就了道路,促进了科学方法教育质量的提升,推动了科学方法教育的不断发展．

3.1 知识方法兼顾的理念逐步落实

虽然科学方法在物理学中具有很高的地位和价值,但在物理教学中意识到这一点并努力加以落实却经历了很长一段时间．应该说,物理教科书就是一个缩影．早期的物理教科书,注重物理知识体系,强调知识和技能的掌握,对科学方法的要求却不明确,有些版本甚至在介绍重要规律发现过程时也很少出现科学方法．随着科学教育理论的发展,科学方法的重要性得到认识,科学方法跟知识同等重要甚至更重要的观点得到越来越多的认同．物理教科书也在编写中重视科学方法内容的引进,深刻剖析科学发现过程中科学方法的逻辑,并按照这一逻辑组织教材内容,促进知识与方法的深入的融合．比如,《牛顿第二定律》的编写就逐步体现了对科学方法的重视,晚清的物理教科书只有知识的陈述而没有科学方法的内容,民国时期的教科书就出现了实验和数学方法,最近的课程标准版教材就通过实验发现了加速度、质量和力的关系并进一步得出公式,兼顾了科学方法与科学知识．

3.2 科学方法教育方式的逐渐清晰

物理教科书科学方法的编写既受到科学方法教育方式的影响也会对之产生反作用．纵观百年物理教科书,科学方法的教育方式大体经历了无意识、隐性教育、显性教育、隐显结合．晚清时期的物理教科书,对科学方法基本没有要求,科学方法偶有显现,也不会真正开展科学方法教育;民国时期,物理教科书编写了一些科学方法的内容,但既不系统也不深入;建国以来,科学方法教育主要采取隐性教育方式,辅以显性教育;新课程改革以来,科学方法作为课程目标而受到物理教学的高度关注,显性教育方式成为主流,并在实践中与隐性教育方式相互配合,形成了隐显结合的教育方式．比如,《万有引力定律》引入科学方法内容后,编写方式最初采用渗透的方式,以科学方法来组织知识,而后的教材点明科学方法的名称、介绍物理史上的科学方法,课程标准版教材则更加注意教学的要求,采取了隐显结合的方式,既注意科学方法内容,更突出科学方法的作用．

3.3 科学方法的内容不断丰富

晚清至今,物理教科书中的科学方法内容从少到多,种类越来越丰富,表明越来越多的科学方法进入教科书．统计显示,晚清时期的两套物理教科书各将6种科学方法纳入其中,而新课程改革以来的物理教科书将科学方法数量增至11种(如图1所示)．一方面,物理学研究的基本方法始终得到教科书的关注,自晚清开始教科书就把实验方法、逻辑方法和数学方法作为重要内容呈现在相关章节中,并且受到越来越多的重视;另一方面,物理学研究中的一些非常规方法也逐渐得到理性处理,物理教科书也在适当的内容中加以体现,并且随着科学教育理论的发展,非常规方法受到更多的重视,比如在人教社课程教科书中,猜想出现了7次,远高于类比等方法．物理教科书中科学方法种类的增多,为教授和学习科学方法提供了素材,方便了师生接触科学方法、了解科学方法以及学习科学方法．

图1 各版本物理教科书中的科学方法种类数

按照时间顺序来看,科学方法在所选教材内容中出现的频次虽有微幅波动但整体呈增长趋势,表明科学方法被教科书关注的程度在提高．总体来看,晚清时期的物理教科书,科学方法频次在20次上下,民国时期的教科书在30次左右,改革开放以后的教科书在40次左右,而课程标准教科书达到70次．其中,科学方法频次最低的是1919年出版的《中华中学物理学教科书》,科学方法总频次为13;科学方法频次最高的是2011年出版的《普通高中物理课程标注试验版教科书物理》,科学方法总频次为70．

图2 各版本物理教科书中的科学方法的频次

各种科学方法在百年教科书中出现的频次存在差异,经典物理学常规方法出现的频次高,而一般思维方法直接出现的频次较低．出现频次前三位的分别是实验方法(102次)、数学方法(67次)和归纳法(47次),这三种方法是经典物理学最为基本的方法,是物理学得以建立和发展的基础,也是学习中学物理的重要内容和关键方式,得到足够的重视和充分的体现是理所当然的．假说(4次)、综合(8次)、分析(11次)出现的频次排在后三位,但并非表明这些方法不重要,而是因为教学目标和内容的不同而采取的差异化处理．总之,科学方法教育内容在物理教科书中越来越丰富,既反映了科学方法教育得到更多的关注,也明确了科学方法教育的内容,易于引发师生的注意,为科学、准确地学习各种科学方法创造了条件．

图3 百年教科书中各科学方法的总频次

3.4 科学方法的系统性增强

在物理学研究中,科学方法从来都不是单打独斗的,每个重大发现总是多种科学方法协同应用的结果,呈现出科学方法的系统性(如牛顿科学方法论就以培根的实验归纳方法为基础,又吸收了笛卡儿的数学演绎体系,形成了实验归纳、逻辑方法和数学方法相结合的科学方法体系)．比如,从万有引力教科书内容的演变来看,科学方法的系统性从较少体现转变到充分表达,按照万有引力的建立过程、遵循科学方法的内在逻辑系统地编写万有引力的内容成为基本编写方式．此外,新课程改革以来,按照科学探究的步骤将科学方法与科学知识融合于科学发现过程的编写方式,也呈现了科学方法的系统性．科学方法的系统呈现,较为完整地呈现了物理规律的发现与建立过程,缓解了早期物理教科书科学方法内容欠缺的问题,理顺了科学发现的逻辑思路,不仅能够引导学生重走物理规律发现之路,更能让他们较为全面地了解科学方法的内涵、体会科学方法的功能和感受科学方法论的力量,有助于科学方法教育的落到学生掌握的实处．

3.5 科学方法的内涵展现越来越充分

学习科学方法不仅要知道它的名称,还要了解科学方法的内涵,抓住科学方法的实质．百年来,物理教科书内容在科学方法上着墨增多、篇幅变大,在规律发现和建立的关键环节上更是细致地呈现出科学方法的步骤,更为深入地展现了科学方法的内涵．比如万有引力定律的建立过程,由张开圻编著、中华书局于1946年出版的《新中国教科书高级中学物理学》写道“更由卡文迪许于公元1797年,由屡次的实验,直接测定万有引力常数,著称为卡文迪许实验,方将万有引力用为运算．”该内容并没有详细介绍卡文迪许实验的原理和装置,其中应用的转换法和放大法也没有呈现．而在解放后的教科书中,不仅强调了实验在万有引力定律建立过程中的重要性,还通过文字和示意图详细地介绍了卡文迪许实验的原理和装置,很好地展现了实验方法的本质．科学方法内涵的呈现,不仅能够让学生知道科学方法的名称,更能够在学习知识的同时了解科学方法的适用范围、主要步骤、注意事项等内容,有利于他们真正掌握科学方法．

3.6 科学方法的编写呈现多样化

物理教科书中,科学方法的呈现由较为单一的方式走向多样的方式．早期的物理教科书本身内容就不多,科学方法也很少,呈现的方式也比较单一,基本就是简单提及其名,很少展开陈述;解放后,科学方法内容逐渐丰富起来,其呈现方式也越来越多样化,不仅有显性方式也有隐性方式,不仅提及名称也详细介绍,不仅与知识融合也有专题介绍,不仅有文字表达也有图表呈现,不仅出现在正文中也在注释、附录、阅读材料中出现．比如万有引力,晚清的教科书,多在介绍第谷和开普勒的工作中出现“观察”、在卡文迪许的工作中出现“实验”,显化程度比较低;而在课程标准版教科书中,专门设置了《科学足迹》栏目来系统介绍牛顿科学方法论,详细介绍经典物理学的基本科学方法,引导学生系统地掌握这些科学方法．科学方法多样化呈现,不仅是其内容增多的要求,更是编者对科学方法教育认识的加深和处理方式的优化,力促学生看得见科学方法名称、分得清科学方法使用条件、找得到科学方法主要步骤、感觉得到科学方法的作用,进而较为全面地掌握科学方法．

经过多年的发展,科学方法教育在物理教科书中得到了充分的重视和适当的呈现,这为物理教学落实科学方法教育目标提供了保障,也为科学方法教育的进一步发展奠定了基础．在科学方法教育逐步得到加强的同时,物理教科书也表现出一些不足、出现了一些新的问题．比如,物理教科书对于科学方法的性质陈述不够全面,一些基本观念尚未纳入教科书内容;科学方法的连贯性不强,各年级教学内容存在交叉、重复、错位、脱节的情况;科学方法内容的编排还不够完善,有些地方脱离了教育教学实践;等等．这些问题还有待于研究和解决．

4 物理教科书科学方法教育编写建议

物理课程旨在提高学生的科学素养．然而最近可查公开资料显示,2010年我国公民仅有3.27%具备科学素质,而掌握基本科学方法的公民比例为9.75%,在科学素质3个方面中得分最低．[7]这反映出加强科学方法教育的迫切性．为了更好地落实科学方法教育,提出以下物理教科书编写建议．

4.1 遵循物理科学方法教育的规律

提高科学方法教育质量必须遵循科学方法教育的规律,物理教科书也不例外．由于科学方法是一种比较特殊的学习内容,虽然可以从已有的学习理论中得到一些启示,但还非常有必要开展科学方法学习基础性研究,为包括教科书在内的科学方法教育提供依据．一方面要组织力量继续研究科学方法教育的规律,开展理论研究和实践探索,加深认识,摸清规律,提高效果;另一方面,物理教科书要根据教材编写的原则和要求,遵循科学方法教与学的规律,将科学方法教育创造性地落实在教科书中,为科学方法教育实践提供指导和素材．物理教科书遵循科学方法教育规律来组织编写科学方法内容,有助于物理教科书进一步提高科学方法教育的科学化、规范化、技术化水平．

4.2 全面规划物理科学方法教育体系

科学方法内容在物理教科书中呈现迅速增加的趋势,种类变多,频次增大,篇幅扩充．科学方法内容的不断增加,凸显了物理教科书对科学方法教育的重视,同时也出现了一些问题,比如科学方法内容出现重复、比较零散、深度不够等．针对这些问题,物理教科书有必要全面规划科学方法教育体系,并将之作为相关内容编写的指南．这一体系包括科学方法教育的价值体系、目标体系、内容体系、栏目体系、评价体系等,基础是目标体系和内容体系．要兼顾直接目标和间接目标、阶段目标和终结目标、课时目标和单元目标,通过科学方法教育目标的系统设置,增强物理教科书的整合程度．内容体系要处理好内容的层次、领域、环节等方面的关系,将常规科学方法和非常规科学方法、经典物理科学方法和现代物理科学方法、一般科学方法与物理学特殊方法、思维方法和实验方法、探究方法和解题方法等不同类型的科学方法综合起来统筹布局．物理教科书可以根据中学物理教学目标重点抓好一些主要科学方法的编写．加强科学方法教育的系统性,是进一步提高物理教科书科学方法教育质量的基础工作,科学方法教育体系的建立必将促进物理教科书科学方法教育上升到一个新的更高的层次．

4.3 加强物理科学方法内容的配合与衔接

物理教科书处理科学方法内容时,需要注意科学方法内容的连贯性．连贯性是高质量的教学标准、课程安排、教学指导和评价体系的基本要求．[8]物理科学方法教育不应该将学习目标仅仅看作是一些科学方法的堆积,而应该把学习目标看作是对科学方法理解的提高．这就需要加强科学方法内容的衔接与配合．一方面,掌握一种科学方法需要一个过程,可能还会跨越几个单元,这就需要将该科学方法的各部分内容适当分解并注意衔接,恰当放置在相关章节中,藕断丝相连,前呼后应,逐步推进,系统总结,最终完成该种科学方法的内容编写．另一方面,各种科学方法具有相对独立性,但科学发现从来都是多种科学方法共同作用的结果,不同科学方法之间的相互配合也必须引起重视．不同科学方法之间的配合,既可以在一节课里群体出现,也可以在一章里分节出现,还可以根据教学的需要阶段性重点突破．通过不同层面的相互配合,既可以牢固掌握某种科学方法,又可以较好地把握相互关联的多种科学方法,能够更好地发挥物理教科书科学方法教育的服务功能．

4.4 创新物理科学方法内容呈现方式

教科书的呈现方式不同,对学习者的学习兴趣、学习方式和学习效果的影响也不同．[9]物理教科书科学方法内容呈现方式要紧密围绕科学方法教育的目的、内容和任务,服务于师生科学方法教与学的活动．借鉴、移植新型媒体技术,融合传统媒介和新兴媒介,将纸质教科书与电子教学材料结合起来,积极使用科学方法教学视频课程,引导学生通过微课学习科学方法．丰富科学方法教育内容的载体,统筹文字、图表、照片等信息载体,提高信息传递的有效性．系统设置科学方法教育栏目,将科学方法融入物理教科书,在开篇语、序言、正文、小结、实验、总结中体现科学方法,在做一做、说一说、批注、科学足迹、问题与练习、科学漫步等栏目介绍科学方法,通过阅读材料、网络链接等拓展科学方法．通过科学方法内容呈现方式的创新,促进形式更好地服务与内容,进而提升物理教科书科学方法教育水平．

4.5 加强物理科学方法教育理论研究

理论具有实践的力量．科学方法教育理论的发展为物理教科书编写科学方法教育内容提供了动力．由于科学方法隐藏于知识背后,意识到科学方法的存在并将它们显化出来,已非易事,而将它们整理成体系,讨论清楚为何教、教什么、怎样教也需要一个长期的研究过程,离不开科学方法教育理论的引导和支持．科学方法教育理论的推动作用不仅表现为正向的动力,还表现在预防错误上．比如,Brian较为全面地梳理了“the scientific method”的不足以及对常见其的误解,指出科学研究中并不存在特定“the”的科学方法．[10]这就有助于我们更好地理解科学方法的性质,避免将科学方法固化．因此,要进一步加强科学方法教育理论研究与学习,深入思考和探索科学方法认识和实践上的问题,以便促进物理教科书更好地落实科学方法教育的要求．

1 H G Gauch,Jr.著.科学方法实践[M].王义豹,译. 北京:清华大学出版社,2005:Ⅸ.

2 J R Staver.TeachingScience[DB/OL].http://www.ibe.unesco.org/fileadmin/user_upload/archive/publications/EducationalPracticesSeriesPdf/Practice_17.pdf,2007:7.

3 [美]国家研究理事会. 美国国家科学教育标准[S]. 戢守志,金庆和,译. 北京:科学技术文献出版社,1999:17.

4 张宪魁. 物理科学方法教育[M]. 青岛:青岛海洋大学出版社,2000:30.

5 课程教材研究所. 20世纪中国中小学课程标准·教学大纲汇编(物理卷)[Z]. 北京:人民教育出版社,2001:7.

6 舒炜光,邱仁宗. 当代西方科学哲学述评(第2版)[M]. 北京:中国人民大学出版社,2007:13-18.

7 刘莉. 第八次中国公民科学素质调查结果显示:我国公民3.27%具备科学素质,为发达国家20年前水平[N]. 科技日报,2010年11月26日第001版.

8 美国科学促进会,著.中国科学技术协会,译. 科学素养的导航图[M]. 北京:科学普及出版社,2008.

9 张颖.新课程高中物理教科书呈现方式的研究[J].课程·教材·教法,2011(5):76-81.

10 A Brian. Woodcock.“The Scientific Method”as Myth and Ideal[J].Science & Education,2014,(23)： 2069-2093.

本文系国家社会科学基金重大课题“中国百年教科书整理与研究”(批准号:10&ZD095)子课题“百年中学物理教科书中科学方法教育的变迁研究”成果．

2016-12-26)