中美高中物理教材中科学本质呈现的比较研究

贺 琳

(华东师范大学教师教育学院，上海 200062)

帮助学生发展对科学本质(Nature of science,简称NOS)的认识,越来越成为全球科学教育改革的核心内容,也是我国《普通高中物理课程标准》(2017年)中作为核心素养之一的“科学态度与责任”的核心内容.国际上许多研究一致表明,绝大多数的学生和教师对科学本质观的主要方面的理解仅达到质朴水平(Naive view).美国教育家Khalick认为导致这一现状的主要因素在于NOS在教科书中的表现形式有所偏差.[1]基于此,本文对中美高中物理教科书进行对比研究,分析各自的特点和差异,期望对改进我国高中物理教材编写有所帮助.

1 研究方法

1.1 分析框架

由于科学的发展性和科学本质的复杂性,不同学者对科学本质的理解仍有分歧,但对于现代科学本质的一些基本特性,学者还是有一些共识.科学本质观可以分为个人的和社会性的两个层面.从分析高中物理课本中科学本质呈现情况的角度而言,应该讨论的是学生个人的科学本质观.

刘健智认为,中学生的科学本质观包括科学知识观、科学探索观和科学事业观3个层面,并对每个层面进行二级维度的划分.[2]黄晓以刘健智的科学本质观与McComas(1998)、Lederman(2002)等7位学者提出的不同的科学本质进行分析对比,发现不同学者对此维度分类基本能达成共识.[3]栗素姣从科学本质的视角,从科学知识、科学过程和科学事业3个方面分析了中美高中物理教材中的科学史部分.[4]牛波使用Alshamrani的科学本质框架对中美高中生物教科书科学本质表征进行对比研究,框架包含科学知识并不完全客观、科学家们使用创造等12个维度.[5]

本文在建构主义的指导下,以刘健智的中学生科学本质观为基础,借鉴栗素姣和牛波等分析教科书的框架,确立了本研究的理论框架.将科学知识观分为科学知识、科学探索和科学事业3个层面,其中科学知识观(K)包括认识性(K1)、暂时性(K2)、累积性(K3)、重复性(K4)、局限性(K5)、统一性(K6)、简明性(K7);科学探究观(I)包括实证性(I1)、创造性(I2)、质疑性(I3)、非绝对客观性(I4)、方法多样性(I5)、公开性(I6)和逻辑推理性(I7);科学事业观(C)包括科学与道德(C1)、STS(C2)、科学家身份(C3)和科学共同体(C4).在此基础上,对各维度进行内涵界定,由于篇幅限制,本文仅列举每个层面各两个维度,如表1所示.

表1 科学本质的各维度内涵及操作性定义

1.2 研究对象的选择

国外教材选择了美国高中主流物理教材《物理原理与问题》(Physics Principles and Problems,2005版)的中译版.[6]据统计,美国有近五成教师使用该版本教材.[7]我国教材选择了人教版高中物理教材(2006)[8]的必修和选修3系列为研究对象.

1.3 分析规则

在本研究的理论框架的基础上,对每一维度进行编码,并赋予适当的操作性定义,如表1所示.

对于科学本质内容的呈现形式,主要包括序言、正文和栏目.序言指教材中“走进物理课堂之前”、“物理学和人类文明”、“致同学们”以及各章节的引入部分.正文指以文字或图片形式呈现在教材的正文部分的内容.栏目指在教科书中以非基本教学内容呈现的,目的在于拓展学生视野和能力的部分,如人教版中的“科学漫步”、“STS”、美国版“未来技术”、“物理学前沿”、“起步实验”和“迷你实验”等,由于序言和栏目不是基本教学内容,所以将这两部分归类为非正文部分.

分析单位选择教材中的小标题下所包含的若干段落内容作为一个分析单位,除去教材中的习题、例题之外,教材中的序言和各栏目也都看作一个独立的分析单位.在同一分析单位中,若出现体现某科学本质维度,无论出现内容多少,均记为一次,不做重复处理.

需要说明的是在用内容分析法分析教材时,应注意理解划分.在操作性定义中出现的各“××字眼”是笔者在对教材初步分析的基础上, 抽取教材中经常出现的体现该维度内涵的词语,但在分析过程中并非出现该字眼就一定体现了该维度,要看该处教材内容是否真正体现了该维度含义.

1.4 研究工具的信度分析

由笔者作为主评分员A,并邀请两位物理课程论的研究生B和C作为评分员,对研究工具进行信度检验.经计算得出该研究工具的信度为0.946,大于标准0.8,说明本研究工具符合要求.

2 结果及讨论

根据分析统计,中美高中物理教科书中科学本质在3个层面上的总体呈现情况如表2所示.并分析了内容的呈现形式的分布,如表3所示.

由表3可以看出,两版本教材均有各自的侧重点,美国版在科学本质层面的认识性、累积性、局限性和统一性维度,科学探究层面的创造性、质疑性和逻辑推理性维度呈现比例相对高于人教版.虽然两版本教材在科学事业层面的3个维度的频数差别不大,但考虑到教材总量的差异性(人教版共7册,美国版共3册),美国版在科学事业层面的呈现内容占教材全文的总比例要好于人教版.基于此结果的具体分析如下.

表2 各版本教材科学本质各维度呈现情况

表3 各版本教材科学本质呈现形式统计

2.1 科学本质部分维度的欠缺

两个版本对科学本质的呈现情况各有侧重,但都出现部分维度呈现过低的情况.人教版主要在重复性、创造性、质疑性和科学与道德维度过低.教科书作为教师教学的导向,创造性和质疑性的缺失将不利于教师培养学生成为具有质疑品质、创新能力和灵活运用科学方法的创新型人才.美国版主要在暂时性、重复性、简明性、非绝对客观性、方法多样性和科学与道德维度过低.美国教材在每一章首都有起步实验引入新课,正文穿插迷你实验,并在每章结尾以物理实验作进一步巩固.

2.2 科学本质大多处于隐性呈现水平

根据以上统计分析可知,我国高中物理教材在科学本质的不同维度都有所体现,但在内容上仍有不足,呈现方式大多是隐性呈现.例如在科学知识层面,人教版对于认识性的呈现大多处于每章节引文部分,呈现形式也过于单一,大多是以问题引入的方式涉及到对自然界的认识,后文也较少对前文的问题进行解释.而美国教材会以小标题的显著形式解释生活中的自然现象.例如美国教材第361页“热膨胀”中,以“冰为什么会漂浮在水面上”的小标题引出对此问题的具体解释,而且从分子层面对这一问题进行深层次分析,有利于学生对自然现象的深刻认识.在科学事业层面,我国教材在内容上大多是简单的陈述.如在科学家身份维度,多数只是简单表述某科学家提出了××理论,并未对科学家的科学探究过程进行深入介绍.而在美国教材中,阐述科学定律和科学方法时,均会用“科学家一般会……”的字眼,强调科学家的身份.

2.3 文本话语对科学本质的不确切表述

教材中呈现科学本质的文本话语的科学性影响学生对于科学本质的认识.分析数据发现,教材中对于科学探究层面的实证性和逻辑推理性呈现比例相近.在正文部分美国教材中实证性呈现比例为27.12%,逻辑推理性为30.39%;人教版中实证性占21.65%,逻辑推理性占22.75%,原因在于并未对观察与推理进行显性区分.教材中常常会强调科学家的观察和实验,紧接着对观察现象进行解释和推理,这样会使得学生认为推论就是观察的结果,科学认识就是对自然世界的“拷贝性发现”.另外,对于科学定律和科学理论的区分,人教版中也并未显性呈现,而在美国教材第23页科学方法中,以“模型、定律和理论”的小标题显性引出解释说明.

2.4 科学本质内容大多处于非正文部分

虽然人教版总体呈现频数较多,但仅有59.95%的内容体现在正文部分,而美国教材有74.88%呈现在正文部分,这会弱化教学过程中对学生科学本质的培养力度.从各维度在正文的呈现比例来看,人教版只有认识性、简明性和方法多样性维度的呈现内容出现在正文部分的比例高于美国版.例如,对于暂时性维度,人教版主要是在必修1的序言、科学漫步和科学足迹中有所体现(87%),STS则主要体现在科学漫步中(45%).美国教材中经常将科学内容与科学史内容相结合,使得学生能够在学习科学知识的同时对科学知识的产生过程有更深刻的了解.如在美国教材“气体定律”中,以玻意耳定律和查理定律定律的产生先后为时间线,介绍科学家在实验的基础上得出了气体与压强的关系,同时也介绍了当时的条件限制对科学的影响.

3 对改进我国高中物理教材编写的建议

3.1 加强科学本质的显性呈现与合理编排

从教材分析中发现,我国教材大多重视的是对科学知识的呈现,正文部分用大量篇幅介绍知识内容以及应用方式,对于科学知识的产生和认识过程,科学对社会的影响仅在非正文部分有所显现.科学本质教育一直以隐形化为主,希望学生从科学知识的学习中潜移默化的理解科学本质,学生只能从零星内容中推断出来,但这种方法无疑是低效的.因此,教材应该全面立体的描述科学知识,从教材内容的选择与组织,文本话语的科学描述等方面,准确把握科学本质的内涵,显性呈现科学本质内容,使得教材中的科学本质内容能真正发挥作用.

3.2 使教科书的文本话语符合当代科学本质观

随着科学的发展,科学本质观也是在不断发展的,由逻辑实证主义哲学范式的传统科学本质观发展为建构主义哲学范式下的当代科学本质观.教师受传统科学本质观下的教科书文本话语的影响,会将结论性知识作为教学重点,形成“拷贝性”教学方式,以知识掌握度作为评价标准.因此,教科书中的文本话语也应随之发生转变.教科书文本话语应较少使用“客观性”、“真理性”、“确定性”、“证明”、“发现”,应较多使用“观察”、“推论”、“猜测”等.[9]

3.3 重视物理学史的的合理编排

研究中发现,在本文所涉及的3个版本高中物理教材中,利用科学史(主要是物理学史)呈现科学本质的内容均达到50%以上,由此可见科学史是促进学生理解科学本质的重要素材.但我国高中物理教材物理学史内容主要集中在非正文部分,以阅读材料的形式呈现.科学本质内容相对科学知识而言,更为复杂抽象,单凭学生自己阅读,很难理解其中所蕴含的科学本质内容,也就失去了阅读材料的教学价值.因此,建议教科书编写时,选取物理学史中较为典型的科学事迹放置于正文中,有选择性的介绍在科学的发展过程中,不同科学家的思想观点甚至研究中出现的错误,让学生认识到科学发展的真实过程,使学生能够真正领悟科学本质.