高中物理新教材科学探究内容的实证研究及教学建议

肖白云 郭桂周 辛文逸

摘要：对人教版高中物理新教材中的科学探究内容从分册分布、栏目分布、知识领域分布、开放水平四个维度进行统计分析，并应用《科学探究任务评估表》进行微观分析。据此，提出一些建议：高中物理教师应当整合资源，为学生呈现全面、多样化的科学探究内容;在日常教学中加强科学探究理解教育;同时，提升自身对科学探究及科学本质的理解。

关键词：高中物理新教材;科学探究;实证研究

科学探究是理科教学的重要方式，同时又是理科课程的重要目标，即使学生通过科学探究活动养成科学思维、塑造科学探究能力。在我国此轮课程改革中，科学探究是物理学科核心素养的重要维度，是物理课程设计的重要指导思想。物理教材作为最核心的课程资源，作为课程改革理念的贯彻者，究竟呈现了什么样的科学探究内容？在此基础上，物理教学应当如何展开？为了对这些问题作出回应，我们以2019年审定的人教版高中物理教材（以下简称“新教材”）为样本，对其中的科学探究内容进行了实证研究，并尝试提出高中物理教学的一些建议。

一、科学探究的定义与核心要素

为了研究科学探究，首先需要确定哪些内容属于科学探究，即明确科学探究的定义与核心要素。通过对相关文献以及国内外理科诸学科课程标准的梳理，我们这样界定科学探究——个体通过自主地调查和研究来认识和解释自然的活动。

参考郑长龙、李雁冰等学者的观点，我们认为，科学探究的核心要素包括“问题”“寻求证据”和“解释”。其中，问题是科学探究的起点，科学探究是面向问题的，没有问题就没有探究;通过探究，最终为问题寻找答案，提供解释;而解释需要证据，科学探究的过程实际上就是一个为解释寻求可靠证据的过程。

二、新教材中科学探究内容的宏观研究

新教材“整体上以探究的方式展开”，“科学探究体现在整个学习过程中”，“没有设置单独的‘探究栏目’”。为了研究的可操作性，我们聚焦新教材中具体的科学探究活动。根据上述对科学探究及其核心要素的界定，我们对教材中的科学探究内容进行扫描、分析、确认与统计。虽然新教材每一节的开始都设置了一个情境性问题（即《问题》栏目），但是由于只有问题，并没有指出需要教师带领学生探究，并且也没有呈现任何其他的探究要素，因此我们暂将之排除在外。同时，教材中的演示实验、验证性实验和测量性实验等并没有明显体现科学探究的特征，因此也不计入科学探究的范畴。

经统计确认，新教材中的科学探究共24个（详见表1）。为了保证统计的信度与效度，减小误差，该过程由两位研究者同时分别完成。

下面，我们分维度开展统计分析。

（一）科学探究内容在不同分册的分布

24个科学探究中，隶属必修一分册的最多，有8个;必修二和必修三分册次之，各有4个;选择性必修一和选择性必修二分册各有3个;选择性必修三分册最少，只有2个。可以看出，科学探究内容在不同分册的分布呈现这样一些特征：（1）每一分册中均有科学探究内容，有利于在整个高中阶段持续培养学生的科学探究素养;（2）必修一分册中的科学探究内容最多，随着学习的深入，新教材中的科学探究内容数量呈下降的趋势。这可能是因为，必修部分主要涉及运动学相关的内容，比较贴近生活，容易设计与开展科学探究活动;而选择性必修部分的一些内容涉及微观层面，不太适合设计与开展科学探究活动。

（二）科学探究内容在不同栏目的分布

新教材除了正文以外，还设计了《问题》《实验》《课题研究》《演示》《做一做》等11个栏目。我们对教材中的科学探究内容所在的栏目进行了统计，发现：《实验》栏目中，科学探究最多，共有11个，占总数的45.8%;其次是《课题研究》栏目，共有6个;正文中共有5个;《演示》与《做一做》栏目中各有1个;其他栏目中没有编排。如前所述，《问题》栏目中的问题没有被归为科学探究内容。而有些栏目，如《科学方法》《STSE》和《科学漫步》，确实很难设计科学探究活动。

（三）科学探究内容在不同知识领域的分布

对科学探究内容在不同知识领域的统计分析表明，“力与运动”领域涉及的科学探究最多，达15个之多;其次是“电磁学”领域，有7个;“热学”领域有2个;“光学”和“原子与量子物理”領域没有设计科学探究内容。“力与运动”“电磁学”领域知识大多属于比较经典的宏观物理学，学生比较容易展开科学探究;而“原子与量子物理”领域知识比较微观，不适合设计科学探究。但是，“热学”和“光学”领域的科学探究内容明显偏少，尤其是光学，实际上有较多相关的科学探究内容可以挖掘。

（四）科学探究内容的开放水平

根据Aldahmash等人的相关研究，我们将科学探究的开放水平分为四个层次，分别为：水平1——完全以教师为中心;水平2——适度以教师为中心;水平3——适度以学生为中心;水平4——完全以学生为中心。

统计表明：教材中“适度以学生为中心”的科学探究最多，有11个;其次是“完全以教师为中心”，有9个;再次是“适度以教师为中心”，有4个;没有“完全以学生为中心”的科学探究。需要肯定的是，新教材中“适度以教师为中心”和“适度以学生为中心”的科学探究达到了15个，并且“适度以学生为中心”的科学探究比较多，可以说，新教材中的科学探究内容开放性较好。但我们认为，新教材（尤其是在选择性必修分册）完全可以设置一两个“完全以学生为中心”的科学探究，以充分彰显学生的科学探究素养水平。

三、新教材中科学探究内容的微观分析

我们选用的分析工具是北京师范大学杨文源、刘恩山等开发的教材《科学探究任务评估表》（如下页表2所示）。该评估表经过检验，具有比较强的信度与效度。该评估表共分为三个一级维度，每个一级维度又分为若干二级维度。研究者只需要根据内容作出“是”或“否”的判断，最后再进行统计分析，具有比较强的可操作性。

我们将新教材中的每一个科学探究按照表2中的维度分别进行归类、计数，最后进行统计，结果如图1所示。

由此，我们可以得出如下结论：

1.新教材中的科学探究内容除《课题研究》栏目中的以外，其核心概念均与新教材中的教学内容直接相关，因此科学探究内容所涉及的科学概念与教材相关内容目标一致，并且理解这些核心概念有助于理解所在章节的核心思想。由于《课题研究》栏目是独立的研究主题，因此其设计的核心概念与教材相关内容目标存在不一致性也是合理的。

2.新教材中的科学探究内容应用到的比较多的探究技能包括“观察”“推理”“测量”“控制变量”和“解释数据”，“操作性定义”和“形成假设”也占有一定的比重。而“交流”“分类”“预测”“提出问题”和“建立模型”等技能涉及较少。

3.新教材中科学探究内容的文本所呈现的对科学探究理解的内容总体上不多，并且大多是以隐性的形式呈现的。其中，绝大多数科学探究内容仅呈现了探究问题或者主题，并没有提出相应的假设——其潜台词是“检验一个假设并不是必要的”。新教材中的所有科学探究都是围绕问题展开的。如“探究弹簧弹力与形变量的关系”活动，围绕“弹簧弹力与形变量存在什么关系？”以及“如何测量相关数据？”两个问题展开。并且，新教材中的许多科学探究并没有限定一种探究方案，学生可以自主设计探究方案，也可以参考教材中的探究方案。很多时候，新教材会给学生提供两个参考案例。如“探究加速度与力、质量的关系”活动，就提供了“用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系”和“通过位移之比测量加速度之比”两种参考方案。

4.科学解释需要科学数据，但是仅仅有数据是不够的，还需要其他的支持，如理论、推理等。这些在教材中有一定程度的体现。如在“探究加速度与力、质量的关系”活动之后，新教材并没有直接给出牛顿第二定律的内容和公式，而是指出“到此为止，我们的结论仍然带有猜想和推断的性质。只有根据这些结论推导出的新结果都与事实一致时，这样的结论才能成为‘定律’”。

5.新教材缺少对“应用相同程序的科学家有可能得不到相同的结果”“探究过程可能会影响结果”这两个对科学探究的理解要素的体现。

四、相关教学建议

以上，我们分析了人教版新教材中科学探究内容的情况。据此，我们认为，为了更好地应用新教材培养学生的科学探究能力与对科学探究的理解，教师可以采取以下几个方面的措施：

（一）补充资源，呈现全面、多样化的科学探究内容

任何版本的教材都有其特色、优点与不足，教师为了实现教学的最优化，需要在教学设计的过程中以课程标准为指导，整合多方面的资源，对当前使用教材中的教学内容进行调整、补充、创新等，可资利用与借鉴的资源包括国内其他版本的高中物理教材、国外的优秀教材以及国内外的优秀科学探究教学案例等。教师既可以在整合资源的基础上根据教学需要对新教材中的科学探究内容进行补充，如科学探究中的问题提出、研究假设、模型建构、交流汇报等;也可以根据相关创新教学资源（包括教学论文、教学设计、创新教学视频等）对新教材中的科学探究内容进行二次开发、重新设计。

例如，针对新教材中“光学”和“热学”领域的科学探究内容较少的情况，教师可以借鉴鲁科版高中物理教材“热学”部分编排的“科学探究：气体压强与体积的关系”一节内容，以及粤教版高中物理教材“光学”部分编排的“测定介质的折射率”的探究性实验。

（二）加强科学探究理解教育

在核心素养的理念下，高中物理教学不仅需要进一步推进科学探究，更需要加强科学探究理解的教学，即不仅注重培养学生的科学探究能力，而且注重促进学生对科学探究的认识与理解。只有这样，才能全面提升学生的科学探究素养。如鲁科版高中物理教材就在科学探究内容之外设计了相关栏目，以提升学生对科学探究的理解。

此外，高中物理教师还需要提升自身对科学探究及科学本质的理解。已有调查表明，我国中学物理教师对科学探究和科学本质的认识与理解还相对不足，制约了科学探究教学活动的开展。并且，从现实来看，即使教師能够开展科学探究教学，对科学探究理解教学的意识和能力也存在明显不足。因此，教师需要通过职后培训与主动学习，提升对科学探究与科学本质的认识与理解。教师只有自身具备了对科学探究的深刻理解，才能够在物理教学中提升学生对科学探究的理解。

参考文献：

[1] 郑长龙.关于科学探究教学若干问题的思考[J].化学教育，2006（8）.

[2] 李雁冰.科学探究、科学素养与科学教育[J].全球教育展望，2008（12）.

[3] A.H. Aldahmash， N.S. Mansour， S.M. Alshamrani， et al. An Analysis of Activities in Saudi Arabian Middle School Science Textbooks and Workbooks for the Inclusion of Essential Features of Inquiry[J].Research in Science Education， 2016（6）.

[4] Yang Wenyuan， Liu Enshan. Development and validation of an instrument for evaluating inquirybased tasks in science textbooks[J].International Journal of Science Education， 2016（18）.