中美高中物理教材中科學本質呈現的比較研究

賀 琳

(華東師范大學教師教育學院，上海 200062)

幫助學生發展對科學本質(Nature of science,簡稱NOS)的認識,越來越成為全球科學教育改革的核心內容,也是我國《普通高中物理課程標準》(2017年)中作為核心素養之一的“科學態度與責任”的核心內容.國際上許多研究一致表明,絕大多數的學生和教師對科學本質觀的主要方面的理解僅達到質樸水平(Naive view).美國教育家Khalick認為導致這一現狀的主要因素在于NOS在教科書中的表現形式有所偏差.[1]基于此,本文對中美高中物理教科書進行對比研究,分析各自的特點和差異,期望對改進我國高中物理教材編寫有所幫助.

1 研究方法

1.1 分析框架

由于科學的發展性和科學本質的復雜性,不同學者對科學本質的理解仍有分歧,但對于現代科學本質的一些基本特性,學者還是有一些共識.科學本質觀可以分為個人的和社會性的兩個層面.從分析高中物理課本中科學本質呈現情況的角度而言,應該討論的是學生個人的科學本質觀.

劉健智認為,中學生的科學本質觀包括科學知識觀、科學探索觀和科學事業觀3個層面,并對每個層面進行二級維度的劃分.[2]黃曉以劉健智的科學本質觀與McComas(1998)、Lederman(2002)等7位學者提出的不同的科學本質進行分析對比,發現不同學者對此維度分類基本能達成共識.[3]栗素姣從科學本質的視角,從科學知識、科學過程和科學事業3個方面分析了中美高中物理教材中的科學史部分.[4]牛波使用Alshamrani的科學本質框架對中美高中生物教科書科學本質表征進行對比研究,框架包含科學知識并不完全客觀、科學家們使用創造等12個維度.[5]

本文在建構主義的指導下,以劉健智的中學生科學本質觀為基礎,借鑒栗素姣和牛波等分析教科書的框架,確立了本研究的理論框架.將科學知識觀分為科學知識、科學探索和科學事業3個層面,其中科學知識觀(K)包括認識性(K1)、暫時性(K2)、累積性(K3)、重復性(K4)、局限性(K5)、統一性(K6)、簡明性(K7);科學探究觀(I)包括實證性(I1)、創造性(I2)、質疑性(I3)、非絕對客觀性(I4)、方法多樣性(I5)、公開性(I6)和邏輯推理性(I7);科學事業觀(C)包括科學與道德(C1)、STS(C2)、科學家身份(C3)和科學共同體(C4).在此基礎上,對各維度進行內涵界定,由于篇幅限制,本文僅列舉每個層面各兩個維度,如表1所示.

表1 科學本質的各維度內涵及操作性定義

1.2 研究對象的選擇

國外教材選擇了美國高中主流物理教材《物理原理與問題》(Physics Principles and Problems,2005版)的中譯版.[6]據統計,美國有近五成教師使用該版本教材.[7]我國教材選擇了人教版高中物理教材(2006)[8]的必修和選修3系列為研究對象.

1.3 分析規則

在本研究的理論框架的基礎上,對每一維度進行編碼,并賦予適當的操作性定義,如表1所示.

對于科學本質內容的呈現形式,主要包括序言、正文和欄目.序言指教材中“走進物理課堂之前”、“物理學和人類文明”、“致同學們”以及各章節的引入部分.正文指以文字或圖片形式呈現在教材的正文部分的內容.欄目指在教科書中以非基本教學內容呈現的,目的在于拓展學生視野和能力的部分,如人教版中的“科學漫步”、“STS”、美國版“未來技術”、“物理學前沿”、“起步實驗”和“迷你實驗”等,由于序言和欄目不是基本教學內容,所以將這兩部分歸類為非正文部分.

分析單位選擇教材中的小標題下所包含的若干段落內容作為一個分析單位,除去教材中的習題、例題之外,教材中的序言和各欄目也都看作一個獨立的分析單位.在同一分析單位中,若出現體現某科學本質維度,無論出現內容多少,均記為一次,不做重復處理.

需要說明的是在用內容分析法分析教材時,應注意理解劃分.在操作性定義中出現的各“××字眼”是筆者在對教材初步分析的基礎上, 抽取教材中經常出現的體現該維度內涵的詞語,但在分析過程中并非出現該字眼就一定體現了該維度,要看該處教材內容是否真正體現了該維度含義.

1.4 研究工具的信度分析

由筆者作為主評分員A,并邀請兩位物理課程論的研究生B和C作為評分員,對研究工具進行信度檢驗.經計算得出該研究工具的信度為0.946,大于標準0.8,說明本研究工具符合要求.

2 結果及討論

根據分析統計,中美高中物理教科書中科學本質在3個層面上的總體呈現情況如表2所示.并分析了內容的呈現形式的分布,如表3所示.

由表3可以看出,兩版本教材均有各自的側重點,美國版在科學本質層面的認識性、累積性、局限性和統一性維度,科學探究層面的創造性、質疑性和邏輯推理性維度呈現比例相對高于人教版.雖然兩版本教材在科學事業層面的3個維度的頻數差別不大,但考慮到教材總量的差異性(人教版共7冊,美國版共3冊),美國版在科學事業層面的呈現內容占教材全文的總比例要好于人教版.基于此結果的具體分析如下.

表2 各版本教材科學本質各維度呈現情況

表3 各版本教材科學本質呈現形式統計

2.1 科學本質部分維度的欠缺

兩個版本對科學本質的呈現情況各有側重,但都出現部分維度呈現過低的情況.人教版主要在重復性、創造性、質疑性和科學與道德維度過低.教科書作為教師教學的導向,創造性和質疑性的缺失將不利于教師培養學生成為具有質疑品質、創新能力和靈活運用科學方法的創新型人才.美國版主要在暫時性、重復性、簡明性、非絕對客觀性、方法多樣性和科學與道德維度過低.美國教材在每一章首都有起步實驗引入新課,正文穿插迷你實驗,并在每章結尾以物理實驗作進一步鞏固.

2.2 科學本質大多處于隱性呈現水平

根據以上統計分析可知,我國高中物理教材在科學本質的不同維度都有所體現,但在內容上仍有不足,呈現方式大多是隱性呈現.例如在科學知識層面,人教版對于認識性的呈現大多處于每章節引文部分,呈現形式也過于單一,大多是以問題引入的方式涉及到對自然界的認識,后文也較少對前文的問題進行解釋.而美國教材會以小標題的顯著形式解釋生活中的自然現象.例如美國教材第361頁“熱膨脹”中,以“冰為什么會漂浮在水面上”的小標題引出對此問題的具體解釋,而且從分子層面對這一問題進行深層次分析,有利于學生對自然現象的深刻認識.在科學事業層面,我國教材在內容上大多是簡單的陳述.如在科學家身份維度,多數只是簡單表述某科學家提出了××理論,并未對科學家的科學探究過程進行深入介紹.而在美國教材中,闡述科學定律和科學方法時,均會用“科學家一般會……”的字眼,強調科學家的身份.

2.3 文本話語對科學本質的不確切表述

教材中呈現科學本質的文本話語的科學性影響學生對于科學本質的認識.分析數據發現,教材中對于科學探究層面的實證性和邏輯推理性呈現比例相近.在正文部分美國教材中實證性呈現比例為27.12%,邏輯推理性為30.39%;人教版中實證性占21.65%,邏輯推理性占22.75%,原因在于并未對觀察與推理進行顯性區分.教材中常常會強調科學家的觀察和實驗,緊接著對觀察現象進行解釋和推理,這樣會使得學生認為推論就是觀察的結果,科學認識就是對自然世界的“拷貝性發現”.另外,對于科學定律和科學理論的區分,人教版中也并未顯性呈現,而在美國教材第23頁科學方法中,以“模型、定律和理論”的小標題顯性引出解釋說明.

2.4 科學本質內容大多處于非正文部分

雖然人教版總體呈現頻數較多,但僅有59.95%的內容體現在正文部分,而美國教材有74.88%呈現在正文部分,這會弱化教學過程中對學生科學本質的培養力度.從各維度在正文的呈現比例來看,人教版只有認識性、簡明性和方法多樣性維度的呈現內容出現在正文部分的比例高于美國版.例如,對于暫時性維度,人教版主要是在必修1的序言、科學漫步和科學足跡中有所體現(87%),STS則主要體現在科學漫步中(45%).美國教材中經常將科學內容與科學史內容相結合,使得學生能夠在學習科學知識的同時對科學知識的產生過程有更深刻的了解.如在美國教材“氣體定律”中,以玻意耳定律和查理定律定律的產生先后為時間線,介紹科學家在實驗的基礎上得出了氣體與壓強的關系,同時也介紹了當時的條件限制對科學的影響.

3 對改進我國高中物理教材編寫的建議

3.1 加強科學本質的顯性呈現與合理編排

從教材分析中發現,我國教材大多重視的是對科學知識的呈現,正文部分用大量篇幅介紹知識內容以及應用方式,對于科學知識的產生和認識過程,科學對社會的影響僅在非正文部分有所顯現.科學本質教育一直以隱形化為主,希望學生從科學知識的學習中潛移默化的理解科學本質,學生只能從零星內容中推斷出來,但這種方法無疑是低效的.因此,教材應該全面立體的描述科學知識,從教材內容的選擇與組織,文本話語的科學描述等方面,準確把握科學本質的內涵,顯性呈現科學本質內容,使得教材中的科學本質內容能真正發揮作用.

3.2 使教科書的文本話語符合當代科學本質觀

隨著科學的發展,科學本質觀也是在不斷發展的,由邏輯實證主義哲學范式的傳統科學本質觀發展為建構主義哲學范式下的當代科學本質觀.教師受傳統科學本質觀下的教科書文本話語的影響,會將結論性知識作為教學重點,形成“拷貝性”教學方式,以知識掌握度作為評價標準.因此,教科書中的文本話語也應隨之發生轉變.教科書文本話語應較少使用“客觀性”、“真理性”、“確定性”、“證明”、“發現”,應較多使用“觀察”、“推論”、“猜測”等.[9]

3.3 重視物理學史的的合理編排

研究中發現,在本文所涉及的3個版本高中物理教材中,利用科學史(主要是物理學史)呈現科學本質的內容均達到50%以上,由此可見科學史是促進學生理解科學本質的重要素材.但我國高中物理教材物理學史內容主要集中在非正文部分,以閱讀材料的形式呈現.科學本質內容相對科學知識而言,更為復雜抽象,單憑學生自己閱讀,很難理解其中所蘊含的科學本質內容,也就失去了閱讀材料的教學價值.因此,建議教科書編寫時,選取物理學史中較為典型的科學事跡放置于正文中,有選擇性的介紹在科學的發展過程中,不同科學家的思想觀點甚至研究中出現的錯誤,讓學生認識到科學發展的真實過程,使學生能夠真正領悟科學本質.