人教版物理新教材“課題研究”欄目分析

摘 要 針對新版人教版高中物理教科書中的“課題研究”欄目，結合普通高中物理課程標準和美國《新一代科學教育標準》（NGSS）開展STEM“學科核心概念”和“跨學科概念”兩個維度的內涵解讀，并以此兩個維度構建教材欄目分析框架，挖掘教材中“課題研究”欄目設計在調動學生STEM領域知識進行遷移和應用上的的深層內涵。

關鍵詞 STEM教育 物理教材 “課題研究”欄目設計

科學和技術是一個國家競爭力中占有主導地位的重要因素。2015年，中國教育部明確指出要探索STEM教育。2018年，強調從基礎教育層面落實科技創新人才培養的《中國STEM教育2029行動計劃》啟動。

教材作為課程改革的助推劑是課程改革順利進行的重要保障。物理作為科學課程中重要的自然科學基礎，是在普通高中開展STEM教育的重要載體。在新一輪課程標準出版之后，物理新版教材也相繼出版。在五個版本教材中，新版人教版和教科版在每一冊教材最后都設置了“課題研究”特色欄目，“課題研究”欄目相較“做一做”“思考與討論”等欄目更具有系統性和深層性，是在學生經過系統知識學習和能力訓練后，借助課題研究項目開展的綜合性科學實踐活動，進一步對學生的研究素養和創造能力進行培養。這與STEM教育所注重的綜合創新實踐能力培養相契合。

一、物理課程下的STEM“學科核心概念”

STEM，強調的是科學、技術、工程和數學四個學科之間的整合教育。在2013年，Bybee R W等學者就“STEM如何實現各學科間的整合”問題指出，STEM的發生需要以學科核心概念和實踐活動為基礎，倡導在關注學科核心概念的基礎上，引導學生進行跨學科概念的聯系和知識的建構[1]。而在特定學科課程下如何開展STEM素養培育，讓STEM教育與傳統分科教育形成針對性互補，有必要先在特定學科課程下分析STEM各學科要素所包含的具體內容（如表1）。

1.物理課程下的科學

G. Yakman所提出的“STEM金字塔結構框架”中，將物理學、化學、生命科學、地理與空間科學及其中科學探究等列為“科學”下的特定內容[2]。就普通高中物理課程而言，就是在這個框架里的“物理學”一級主題下來開展。在高中物理課程標準中，凝練出的“物理觀念”“科學思維”“科學探究”以及“科學態度與責任”四大物理學科核心素養很好地闡明了物理學科內涵，即從物理學科視角開展對自然世界關于物質、運動和相互作用、能量等物理核心概念以及客觀事物內在規律的科學本質認識，并在觀察和實驗基礎上采用多種研究方法來開展科學實踐與探究。也就是在以核心素養為主導的基礎之上，強調以生活和自然為基礎、以學科核心概念知識為支撐來落實物理課程獨特的育人價值[3]。這也與NGSS中關于科學本質的闡述是一致，而科學本質也是科學教育中最為重要的組成因素[4]。

2.物理課程下的技術

技術教育已成為科學教育中的重要部分。高中物理教材在內容的選擇上，注重與科學技術應用之間的聯系，而這也是培養學生技術素養特有的一種課程載體。參考NGSS中對于“科學與技術”方面的闡述，課題研究中將技術構成要素劃分為技術知識、技術實踐以及技術與社會。

技術知識，包括技術原理、技術發展等。很多物理原理知識在實踐中具體化了就是一種技術知識。

技術實踐，包含技術的使用規范、流程以及技術使用方案設計、評價等。在物理課程下最為直接的體現就是在物理實驗技術中，各類實驗器材的使用就是具體技術的操作規范、流程等的具體體現之一。例如電流表的使用中，要求電流正極進負極出以及不能超過其最大量程，這就是技術操作規范的一種。再如，游標卡尺的使用，要求學生先要明確游標精度、檢查主尺和游標尺的零刻線是否對齊，用完后需要復原等，這就是技術操作流程。而在方案設計方面，新版人教版中同樣滲透了技術方案的設計，例如在牛頓第二定律中讓學生設計“一種在太空中測量質量的方法”。

技術與社會，是指技術對于社會各行各業（制造業、信息、能源等）以及環境的影響。例如，內燃機的發展推動了社會機械化和電氣化，但是又帶來了能源的過渡開發和環境污染，這個過程中要引導學生辯證的看待技術發展，培養學生的社會責任感。

3.物理課程下的工程

生產生活中工程知識基礎許多是來自物理的核心概念和規律。參考NGSS中相關“科學與工程實踐”方面的闡述，課題研究中將工程分為工程意識和工程實踐兩個方面。

工程意識，包括生產生活中工程學成果、原理等，細化分為系統意識、質量意識、環保意識、安全責任意識、創新意識等。T J Moore等學者認為，基于生活問題的工程設計在STEM教育中應理解為學習情境而存在[5]。在高中物理課程中，不管是概念的建立還是規律的探究，在教授的過程中都強調注重真實情境的創設，而真實工程情境的浸入，亦是促進學生增強工程意識的常用方法之一。例如在講“電磁感應”的時候，用“射電望遠鏡”作為實踐例子做導入，用具體的工程讓學生在知識學習中初步具有工程意識。在概念建立后或者規律探究后亦關注其在生產生活中的應用，例如，在講“加速度”的時候，以城市交通網絡的形成和發展作為結尾，并進一步提出“交通工具的速度是不是越快越好？”以此增強安全責任意識。

工程實踐，主要是指運用科學、技術、數學等知識對現實問題進行系統解決的過程。過程主要包括了“描述工程問題”“建模”“運用數學與計算思維”“方案設計”“方案實施”“數據分析與論證”“方案優化”以及“評價與交流”等內容[6]。

4.物理課程下的數學

數學作為工具學科，“數理不分家”早已成為物理教師的共識，不管是在物理規律公式的推導中，還是在具體物理解題中對“函數法”“圖象法”等的引入，在物理教學中處處都能看到“數學方法”“數學工具”的滲透。數學方法早已經成為物理學科教學和研究中不可或缺的重要部分。參考“STEM金字塔結構框架”在數學學科下的特定內容的描述，課題研究中將物理課程下的數學理解為“數據分析”“測量方法”“數學思維”“推理與證明”等方面的內容[7]。

二、物理課程下的STEM“跨學科概念”

STEM教育在學界公認的內涵特征之一是“跨學科概念”。NGSS中，為了讓學生理解并建立不同學科領域的學科核心概念之間的關系，提出了“跨學科概念”，也就是在不同學科、不同的學習時間段反復出現的概念[8]。參考NGSS中提出的7個跨學科概念——“模型”“因果關系”“尺度、比率和數量”“系統和系統模型”“物質和能量”“結構和功能”以及“穩定和變化”[9]，結合普通高中（聚焦NGSS中9-12年）物理課程所涉及的自然科學領域，做相關方面的內涵理解（如表2），并結合物理課程所涉及的自然科學領域給出例子。

三、人教版物理新教材學科核心概念及跨

學科概念分布

結合以上分析，基于STEM“學科核心概念”和“跨學科概念”兩個維度來構建相關教材“課題研究”欄目分析框架是可行且有意義的。對新版人教版物理教材在“課題研究”欄目中關于STEM“學科核心概念”“跨學科概念”的分布情況進行分析，統計結果如表3。

“科學”方面，“課題研究”內容均是對相應課程每個階段所修學科知識的遷移應用，其科學（物理及其科學探究）內容達到100%。作為學科綜合探究實踐活動，欄目編排在內容上注重在科學探究的基礎上，進一步引導學生內化物理知識和原理，將學科知識遷移到現實現象的解釋和問題解決中，在具體科學內容的選擇上更聚焦于單一學科重中之重的核心概念，而這樣也更有助于學生在一定的單一學科核心概念基礎上，更好更深入地構建跨學科概念。

“技術”方面，占比最多的是技術實踐，這一結果離不開物理學科特有的實驗屬性。“課題研究”中，除了常規實驗器材的使用，更是擴展到了生產生活中壓力傳感器、燃氣灶等的技術實踐。技術知識占比為66.7%，集中在技術原理上。較少的是技術與社會，在“課題研究”欄目文本中的占比為16.7%。這與教材編排中單獨開辟了“STSE”欄目有關，大部分的“技術與社會”都前置在教材章節中。

“工程”方面，總占比相對其他三個學科是最少，在必修1和選擇性必修1中沒有體現。在其余四個“課題研究”中工程意識和工程實踐的占比相同，工程意識注重工程學成果（性能、原理）的體現，而工程實踐更多傾向于引導學生對系統功能優化上（節能、“仿生”工具優化等）進行問題解決，而在“工程設計”上略顯不足。其中，由于“科學探究”和“工程實踐”二者間有部分共同和相互聯系的之處[12]，在課題研究中，將涉及共同步驟的“建模”“方案設計”“數據分析與論證”等未計入在“工程實踐”中。

“數學”方面，作為科學研究的常規工具，數學工具的使用幾乎和課題研究分不開，在6冊的教材“課題研究”中，都充分使用了各種的數學工具、數學思維等。

2.跨學科概念分布

針對在NGSS中強調的7個跨學科概念，新版人教版必修和選擇性必修6冊教材中的“課題研究”中跨學科概念的整體分布如圖1所示。可以看出欄目設計在聚焦科學本質和學科核心概念的基礎上，結合物理學科特有的屬性，對跨學科概念進行了有效的融合。其中模型、尺度比率和數量、物質與能量、結構和功能、以及穩定與變化的分布較為平衡，較少的是因果關系以及系統和系統模型。而這一結果也與高中物理課程標準中對于課程結構設計是一致的。對于因果關系，欄目文本中基本都有涉及相關科學解釋和推理論證，因此在研究中這類未計入因果關系中。

值得指出的是，在教材文本描述中沒有對其中所使用的跨學科概念進一步進行強調說明或者進行問題聯系，而大部分學生也不會自發的在不同學科、不同的時段對共有的相關概念產生聯系。因此在“課題研究”過程中，需要學科教師在完善自身相關“跨學科概念”的理解之上，也應加強對學生相關概念理解的引導，厘清物理學科研究的方式方法在其他學科上的應用，橫向鏈接學科間的核心概念，提升學生跨學科思維品質。

四、結束語

現如今，如何將碎片化的知識進行整合并遷移到現實問題的解決中已經成為“知識就是力量”的新闡述。在新版人教版教材中，“課題研究”欄目不僅給出了研究樣例，還在教會學生“像科學家一樣思考和研究”的基礎上進一步給出相關系列開放選題，引導學生在模仿的基礎上更進一步通過小組活動“提出問題、分析問題”“建立模型”“方案設計與實施”“數據分析與論證”“方案優化”等系列研究步驟，調動學生STEM領域知識進行遷移和應用，在過程中落地學生核心素養的培育。

參考文獻

[1] Bybee R W.The case for STEM education：Challenges and opportunities[M].Arlington，Virginia：National Science Teachers Association（NSTA）Press，2013：85.

[2][7] Georgette Yakman.STEM Education：an overview of creating a model of integrative education[J].Pupils Attitudes Towards Technology 2006 Annual Proceedings，2008：341-342.

[3] 廖伯琴.《普通高中物理課程標準》（2017年版）要點解讀[J].物理教學，2020（02）：2-5.

[4][6] 黃瑄，周丐曉，楊銘，等.基于STEM跨學科視域的科學教材分析——以加拿大英屬哥倫比亞省科學教材BC Science為例[J].中國電化教育，2018（06）：68-76.

[5] T J Moore，K A Smith.Advancing the state of the art of STEM Integration[J].Journal of STEM Education，2014，15（01）：5-10.

[8][11] 湯晨毅.物理教學中的跨學科概念——以穩定與變化為例[J].物理教學，2018（10）：12-14.

[9] NGSS Lead States.Next Generation Science Standards：For States，By States[M].Washington D.C.：National Academies Press，2013.

[10] 靳冬雪，劉恩山.跨學科概念“尺度”的含義及特征[J].基礎教育課程，2019，（23）：30-36.

[12] 鄧磊.NGSS對我國中學物理課程改革的影響及啟示研究[J].物理教學探討，2019，（12）：1-4.

[作者：林冰冰（1987-），女，福建福清人，福建教育學院理科研修部，講師，碩士。]

【責任編輯 孫曉雯】