美国中学科学教科书中科学本质观的实证研究

辛文逸 郭桂周 唐钒淞

摘 要：科学本质教学是科学教育的重要目标。科学教科书作为科学教学的核心课程资源，对教师的课堂教学和学生科学本质观的形成发挥着重要作用。本文应用内容分析法对美国《科学入门》教科书中科学本质观的分析表明，该教科书呈现了较为完整的科学本质观;突出科学的实证性、暂定性与发展性;为科学划界，区分科学与非科学;显性呈现关于科学与技术的关系;注重体现社会文化对科学的影响;所呈现的科学观是实践优位的。该教科书呈现的科学本质观能够为我国理科教科书编写提供多方面的启示。

关键词：科学本质;科学教科书;内容分析;实践优位

中图分类号：G40-03 文献标识码：A 文章编号：1674-7615（2020）02-0118-07

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2020.02.019

Abstract：The teaching of the nature of science is an important goal of science education. Science textbooks， as the core curriculum resources of science teaching， play an important role in the classroom teaching of teachers and the formation of students views on the nature of science. By the method of the content analysis， the analysis of the concept of the nature of science in the textbook ABCs of Science in the United States shows that the textbook presents a rather complete view of the nature of science; highlights the empirical， tentative， and developmental nature of science; delimits and distinguishes science and non-science; presents of the relationship between science and technology in an explicit way; focus on reflecting the impact of social culture on science;presents the scientific outlook which put practice in a superior position. The view of  the nature of science presented in this textbook is able to provide a variety of inspirations for the compilation of science textbooks in China.

Key words：the nature of science; science textbooks; content analysis; practice as priority

科学本质也就是对“科学是什么”的回答。J.Osborne等学者早在2003年就指出，科学本质教学是科学教育的核心目标[1]。同时，世界各国均将“提升学生对科学本质的理解”作为科学教育的重要内容[2]。我国小学科学和中学理科课程同样注重在科学教学中培养学生的科学本质观，如我国最新颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，要通过高中物理学习使学生“能正确认识科学的本质”。

科学教科书作为科学教育的核心课程资源，在中小学生科学素养的培养和科学本质观的形成中发挥着重要的作用。“科学教科书究竟呈现了什么样的科学本质观”，这是一个有待探究的重要课题。本文即以美国中学科学教科书《科学入门（ABCs of Science）》为例展开研究，认识美国中学科学教科书中科学本质呈现的内容、特征及存在问题，进而为我国理科课程改革和教科书的编写提供一定的启示。

一、研究样本、方法与框架

（一）研究样本

本研究选择美国初中核心理科教科书Introduction to Physical Science，Earth Science，Life Science中的《科学入门》。该教科书是由麦格劳·希尔（MacGraw-Hill）出版公司出版的一套初中科学教科书。该套教科书由浙江科学技术出版社于2011年在我国翻译出版，共分15本，其中生命科学5本，物质科学5本，地球科学4本，《科学入门》1本。《科学入门》共分为两章：第一章“科学的本质”侧重于使学生从宏观角度认识科学;第二章“测量法”侧重于介绍一些科学研究中的必备知识，包括测量法、国际单位制和图表等。

第一章“科学的本质”包括“什么是科学”“科学事业”“科学实践”“科学中的模型”“评价科学解释”五部分内容。这一章即是本研究的目标对象。

（二）研究方法

采用内容分析法。我国台湾学者欧用生指出，内容分析法是以客观及系统化的态度，对文件内容进行分类、统计、分析，以计量方法推论产生该项文件内容的环境背景及意义，是传统教科书研究最常使用的研究方法[3]。在研究过程中，首先根据语义对研究样本中与科学本质有关的语句进行扫描、抽取并编码，之后将这些与科学本质有关的语句根据科学本质分析检查表（如表1）进行归类。通过对科学本质检查表“有哪些内容，没有哪些内容;哪些内容多，哪些内容少”等维度进行频次统计，从总体上检视教科书编写者對科学本质的呈现意图。在此基础上，结合教科书中的内容对科学本质各维度进行微观分析，从而进一步揭示该教科书呈现的具体的科学本质。

这一过程由3位研究者分别独立进行后，通过研究者内容归类的一致性（94.8%）保证研究的信度。

（三）研究框架

选择韩国学者Lee Young Hee等建构的“基于科学素养四主题的科学本质框架”[4]。该框架将“科学本质”分级为“科学知识的本质”“科学探究的本质”“科学思维的本质”和“科学、技术与社会（STS）交互作用的本质”4个一级维度，进而又将这4个维度分解为18项可操作的二级维度（如表1）。该框架较为科学、全面、简洁，可操作性强，并且经过检验具有较好的效度。

二、研究结果与分析

（一）内容归类与宏观分析

首先对教科书样本，也就是“第一章 科学的本质”以及与科学本质有关的话语进行扫描，根据所表达的语义分别进行提取（如一句话表达了不止一个方面的含义则分别进行提取），并进行编码。之后将这些与科学本质有关的话语分别归入到科学本质观二级维度下（如表2）。

由表1可知，《科学入门》呈现了较为完整、全面的科学本质观，但科学本质的四个方面又有所侧重：“与科学知识的本质”有关的内容占了24.1%，与“科学探究的本质”有关的内容占了31.0%，与“科学思维的本质”有关的内容占了12.1%，与“科学、技术与社会（STS）交互作用的本质”有关的内容占了32.8%。从总体上看，该教科书更加注重呈现“科学、技术与社会（STS）交互作用的本质”。其中，“科学知识解释并预测自然”“科学知识是暂定性的但又是持久的”“科学基于实证证据”“科学依赖于观察与推理”和“科学及其方法不能解决社会中的所有问题（科学的限度）”这五个方面出现的频率均超过6次，占了科学本质观相关内容的55.9%。也就是说，该教科书更加注重呈现科学本质这五个方面的内容。

（二）微观分析

1.科学知识的本质

从表2可以看出，该教科书对科学知识本质的呈现主要集中于“科学知识解释并预测自然”和“科学知识是暂定性的但又是持久的”这两个方面。其中，在“科学知识解释并预测自然”的相关文本中，有4次涉及到科学知识解释自然，有3次涉及到科学知识预测自然。也就是说，对于科学知识对自然的解释功能和预测功能，教科书的呈现是比较均衡的。教科书中与“科学知识是暂定性的但又是持久的”相关内容出现了6次。通过对这些话语文本的分析可以发现，教科书主要倾向于呈现科学知识的暂定性，如“当出现可以利用的新资料时，过去的解释可以被修正或摒弃，或者重新构想出新的、更合理的解释”。

该教科书中，与“科学以事实、概念、原理与定律等形式组成学科”相关的内容出现了1次，主要表明科学主要由生命科学、地球科学和物质科学三个分支组成，但对科学事实、概念、规律与定律等几乎没有涉及。

2.科学探究的本质

对于科学探究的本质，教科书主要呈现了“科学基于实证证据”和“科学依赖于观察与推理”这两个方面的内容。“科学基于实证证据”相关的内容主要是向学习者表明，科学知识必须经过大量的（如“这些科学知识来自大量观察和实验的结果”）、不同科学家（如“多个科学家重复一项实验并得到相同的结果，数据才能被认为是可靠的”）的重复实验证实，才能成为科学知识或者科学定律。

教科书中，与“科学依赖于观察与推理”相关的内容中，均强调了科学观察在科学研究中的重要地位，科学推理仅出现1次。由此可见，该教科书主要强调观察在科学研究中的重要意义。在科学研究中，科学观察往往是科学研究的起点，但科学推理同样发挥着重要作用，没有科学推理，科学观察仅仅停留在经验层面，还不能成其为科学理论。

对于科学方法，教科书认为科学研究不仅有一种方法（“在研究某个问题时虽然有很多不同的科学方法……”），同时指出了观察预测、调查、研究、建模、测量、分析和推断等在科学研究中的重要意义。

对于实验之于检验科学思想的重要作用，教科书认为，实验获得的数据可能导致科学理论的变化或者完善，并用惠普尔博士对哈雷彗星的预测来证明这一观点（“所有这些观察和数据都支持了惠普尔博士最初的假设，有了这些观察结果的支持，惠普尔博士的假设成为了一个被人们所接受的科学理论”）。

3.科学思维的本质

关于科学思维的本质，教科书对其4个维度均有所涉及，不仅指出了科学推理和想象力在科学研究中的重要作用，同时也认为科学知识并不是绝对客观的。教科书还试图避免偏见（“在进行科学实验时，必须保证你设计的实验是用于客观的验证假设的，否则，你的个人偏好将会影响实验结果”），认为科学并不是静态的知识体系，而是历史发展的，并且强调了批判性思维对于科学研究的重要价值（“虽然科学家对他们的问题并不总是能找到答案，但他们在研究中多采用批判性思维”）。

4.科学技术与社会（STS）交互作用的本质

对于“科学技术与社会（STS）交互作用的本质”，教科书主要向学习者呈现的主题是“科学方法并不能解决所有问题”以及“科学能应用于社会”。在前一个主题，教科书主要呈现了如下观点：科学解释的问题必须“有可观察的、可测量的和可测试的变量”，并且“科学并没有解释宇宙中的所有问题和疑团”。同时文学艺术、政治、个人喜好、道德或者信仰的问题，科学很难或者根本不能给出答案。这里其实涉及到一个科学划界的问题，即什么是科学，哪些不是科学。

而科学之于社会的应用，教科书指出，科学方法不仅有助于解决日常生活问题，并且其与职业有关的问题能够帮助我们发现对人类有意义的事物。同时，教科书用李森科的例子指出了错误的科学知识和观念可能会对人类带来严重的负面影响。

对于科学与技术的相互关系，教科书认为，技术就是应用科学（“技术是科学发现在实际中的应用”“技术是科学知识应用于解决日常问题的产物”），但技术又推动着科学的发展（“科学设备及实验方法的改进使科学知识不断积累，從而推动科学的发展”）。需要指出的是，将技术仅仅看作是应用科学的观点是片面的，科学与技术实际上是既相互独立又相互作用的共同体。

教科书主要是通过科学家的学术交流活动体现科学的社会复杂性，包括发表文章、出席会议等。教科书通过李森科的例子证明社会文化对科学的影响，同时也用图片形式肯定了团队合作在科学研究中的重要意义。

三、《科学入门》中科学本质观的主要特征

（一）呈现了较为完整的科学本质观

教科书对科学知识、科学探究、科学思维、科学技术与社会的交互作用这四个方面的本质均有所涉及，并且每一部分所占比例均在10%上，虽然各个维度出现频次存在一定差异，但从总体上来说为学习者呈现了完整的、全面的科学本质。这样有助于学习者通过学习形成完整的科学本质图景，也就是说，能够使学生对科学知识、科学探究、科学思维和科学技术与社会的交互作用的本质都有一定的认识及把握。

（二）突出科学的实证性、暂定性与发展性

实证性是近代自然科学的核心特征之一。实证即利用实验的方法对科学理论、假设进行证实或者证伪。科学的暂定性和发展性是紧密相连的，科学知识并不是永恒不变的真理，科学知识是历史发展的，科学知识是业已被证明为真的或者说还没有被证伪的理论、学说。可以说，科学的实证性和发展性是科学的核心特征。传统的科学认识论将科学看作真理的化身，已经被证实的、广泛认可的科学知识即是科学真理，因此，传统科学课程所呈现的即是系统化的科学知识。但这种科学认识论忽视了科学的发展性和动态性，易造成静态的科学本质观和科学发展观。《科学入门》突出科学的实证性、暂定性和发展性，有助于学生认识科学的核心特征及其动态发展本质。

（三）为科学划界，区分科学与非科学

《科学入门》不仅注重从内涵的角度呈现科学本质，而且注重从划界的角度呈现科学本质，即哪些属于科学的范畴，哪些不属于科学的范畴，通过限定科学的范畴使学习者认识科学的内在规定性。不仅如此，该教科书还对科学的功能与价值进行了限定，即科学并不是万能的，科学并不能解决所有问题，只有那些涉及“可观察的、可测量的和可测试的变量”的问题才属于科学的范畴，而有关艺术、政治、信仰、个人喜好或者道德的问题，“科学很难给出答案，科学不能告诉你什么是对的，什么是错的，什么是好的，什么是坏的”。也就是说，艺术、政治、信仰、个人爱好或者道德等方面的问题均不属于科学的范畴，并且，即使属于科学范畴内的问题，科学也并不总能给出完美的解决方案，“科学并没有解释宇宙中的所有问题和疑团”。

（四）显性呈现科学与技术的关系

认识科学与技术、社会、环境（STSE）的关系是科学素养的重要组成部分。但科学与技术之间是一种什么样的关系，一直都是课程标准或者理科教科书较少讨论的重要议题。中国的理科课程标准或者教科书一般将科学与技术连用或者混用（“科学技术”或者简称“科技”），但这种处理方式模糊了科学与技术的区别，是一种“科学—技术”一体化模型，这种模型不区分科学与技术，正如我国著名物理学家吴大猷早在上世纪80年代就指出的那样：“我们通常将基础科学、应用科学和技术三者，笼统地用‘科技两字概括起来，其实这个简称，它导致了社会上很多人对科学和技术的混淆了解和因此而来的政策和措施上的偏差。”[5]由此可见，区分科学与技术，认识科学与技术的复杂关系，无论在认识上还是实践中都具有重要的价值。《科学入门》用一个版块专门呈现科学与技术的关系，虽然对于科学与技术的关系的认识存在不足，但对于我们仍具有重要的借鉴意义。

（五）体现社会文化对科学的影响

科学植根于一定的社会文化中。社会文化包括自由的思想、理性的精神和民主的氛围等，对于近代自然科学的起源与发展起到了重要作用，這一点已经被公认。《科学入门》用前苏联科学家李森科的例子，一方面表明错误的科学知识和观念可能会对人类带来严重的后果，同时也表明社会文化同样会对科学的发展带来影响，这种影响可能是正面的也可能是负面的，即社会文化可能会促进也可能会阻碍科学的良性发展，而科学的发展又会反作用于社会文化。

（六）实践优位的价值取向

在传统科学看来，科学是某种表征体系，其目的在于精确地描述世界，因而是理论优位的。实验受到理论支配与指导，实验是为理论服务的。然而，这种传统科学观的根本错误在于忽视了科学实践的作用与意义，很大程度上忘记了科学研究实质上是一种实践活动[6]。以往的科学教科书即以这种科学观作为指导，所呈现的是系统化的科学知识。而科学实践哲学更加关注科学的实践性、活动性、动态性和与境性，并且科学实践哲学认为科学知识及其活动都是地方性的，科学知识的普遍化不过是从一个地方转移到另外一个地方。这种实践优位的科学观促使科学课程从注重静态的知识呈现到注重动态的活动组织转向，为科学课程注重探究与实践、建构本土化的科学课程提供了学理支撑。

（七）肯定边缘弱势群体在科学活动中的地位与作用

常识科学观认为，科学是少数聪明人、男性从事的工作，从而导致女性等弱势群体对科学的参与度低。在国际科学教育改革中，各国科学课程标准都主张科学要面向全体学生，“不论性别、文化或种族背景，无论身体或智力残疾与否，不论未来理想或科学兴趣”[7]，都要为他们提供合适的科学教育。但女性、有色人种以及处于经济不利地位的群体在科学教育中仍处于弱势群体地位。《科学入门》注重肯定女性、非欧洲或者美洲裔在科学活动中的地位与作用：该教科书第一章“科学的本质”中涉及到人物的图片共26张，其中15张与女性参与科学活动有关。同时，这15张图片中，有11张是以仅有女性的形式呈现的，有4张呈现了女性与男性合作共同展开科学研究或进行科学学习。这些与女性有关的图片，不仅呈现了进行科学学习的中学女生，从事科学研究的中老年女性，而且呈现了从事科学研究的青年女性。女性科学家中，不仅有白人女性，而且有黑人女性科学家，从而肯定了女性和有色人种在科学活动中的地位与作用，这对于弱势边缘群体的科学学习会产生积极的暗示。

四、对我国理科教科书编写的启示

（一）重视科学本质在教科书中的显性呈现

我国科学教科书主要是通过隐性的方式呈现科学本质，对科学本质显性呈现的教材非常少，或者说尚没有意识到编写科学本质观教育有关的教科书的重要性，这也是我国科学本质观教育实践发展相对落后的原因之一。因此，我们应当广泛吸收国外相关科学教科书的优点，编写本土化、科学本质观显性化的理科教科书。科学本质显性化的科学教科书有助于青少年更好地认识科学的本质，了解科学与技术、社会的关系，对培养更多、更好的具备科学素养的公民具有重要意义。

（二）动态展示科学与技术的复杂关系

我国的科学课程标准或教科书往往将科学技术合用而不加以区分，很少呈现科学与技术的差异性。如《义务教育初中科学课程标准（2011版）》就指出，学生需要通过科学学习“初步认识科学推动技术进步，技术又促进科学发展的相互关系”“了解科学技术在当代社会经济发展中的重要作用”[8]。但正如李醒民所指出的那样：“科学和技术在历史上的绝大多数时间是分离的，科学大规模地转化为技术也寥寥可数。况且科学和技术在诸多方面确实有天渊之别。无论是从追求目的、活动取向、思维方式、构成要素还是最终结果来看，科学与技术都存在着巨大差异，只是到了现代，科学才趋于技术化和技术趋于科学化[9]。并且科学与技术之间的关系是历史发展的，在不同的历史阶段呈现不同的特征。呈现科学与技术的差异与联系同样是科学本质观教育的一部分。我国的科学课程标准和教科书需要加入科学与技术相互区别的课程内容。

（三）加入科学划界相关的内容

我国理科教科书主要关注系统化科学知识的呈现，对于科学本质的呈现主要是隐性的，同时对科学本质的呈现也主要聚焦于科学对社会的影响以及科学内在的实证性本质等[10]，很少关注科学的划界问题，即哪些属于科学的范畴，哪些不属于科学甚至是伪科学。但与科学划界有关的知识非常重要：一方面有助于我们更客观地认识什么是科学，什么不是科学;另一方面有助于破除“科学万能论”的错误观念，即科学能做什么，哪些是科学无能为力的。因此，我国的理科教科书需要加入科学划界的内容，并且列举生活实例，使学生加深对于科学本质的理解。

（四）注重呈现女性在科学活动中的作用

有研究表明，我国理科教科书所呈现的性别文化存在着诸多问题，如中学物理教科书男性出现的频次明显比女性出现的频次高，并且在地位方面女性也处于弱势地位[11]。而有研究亦表明，我国中学物理教教科书所呈现的是欧洲男性中心主义的科学观[12]。因此，我国的理科教科书编写需要关注女性等弱势群体在教科书中的呈现：首先，要增加女性形象在理科教科书中的比例，包括进行科学学习的女生，从事科学研究的女性科学家，以及参与其他科学活动的女性等;其次，要改善女性在理科教科书中的地位与形象;再次，要关注不同年龄阶段女性在教科书中的呈现;最后，要注重多样化科学活动中女性形象的呈现。

（五）从科学知识向科学实践转向

我国以往的理科教科书注重呈现系统化的学科知识，这种教科书编写方式带来的负面影响是教师的教学以及学生的学习过于注重静态、系统化的学科知识，而科学活动的组织和参与较少，科学探究能力比较弱，学生既不知道如何应用科学知识解决现实问题，也无法认识到科学与社会生活及个人发展的联系。科学实践哲学指出，科学不仅仅是现成的、静态的知识体系，更是一种认识与探索自然的过程，从而实现了科学哲学的实践转向。以此为指导，近年来各国理科课程改革均注重从科学知识向科学实践转变。在新课程改革的深化阶段，我国的理科课程改革也正在实现这种从科学知识到科学实践的转向，这种转向标志着科学课程从知识取向、理论取向和个体取向向活动取向、实践取向和社会取向的转变，不仅能使学生获得科学知识，并且更加注重培养学生的科学思维能力以及动手操作、合作探究的能力。

参考文献：

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[5] 金吾倫.感悟科学：科学哲学探询[M].长沙：湖南人民出版社，2007：182.

[6] 吴彤.走向实践优位的科学哲学——科学实践哲学发展述评[J].哲学研究，2005（5）：86-93.

[7] 美国国家研究理事会.美国国家科学教育标准[M].戢守志，等译.北京：科学技术文献出版社，1999：262.

[8]中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2012：12.

[9]李醒民.科学论：科学的三维世界：上卷[M].北京：中国人民大学出版社，2010：88-102.

[10]郭桂周，黄晓庆，滕艳萍.初中物理教科书“前言”中科学本质观的实证研究——以人教版为例[J].中学物理，2018（10）：2-5.

[11]于冰，于海波.教科书的文化再生产——物理教科书插图的性别文化分析及其反思[J].当代教育与文化，2015（5）：79-83.

[12]郭桂周，易娜伊，周云.我国中学物理教科书中科学家形象建构的实证研究——以人教版初中物理教科书为例[J].教育导刊，2018（10）：54-59.

（责任编辑：钟昭会）