HPS視域下高中物理教科書科學(xué)本質(zhì)表征分析與啟示
——以“動(dòng)量守恒定律”為例

魯加偉 錢長(zhǎng)炎 崔普巨

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

科學(xué)本質(zhì)是國(guó)際科學(xué)教育改革的核心主題，隨著我國(guó)基礎(chǔ)教育物理課程改革的不斷深入，正確理解科學(xué)本質(zhì)已成為我國(guó)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立的重點(diǎn)課程目標(biāo)，高中物理課程的重要內(nèi)容如何體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)已經(jīng)是教科書的編寫和教師課堂教學(xué)討論的重要課題.

HPS(history of science,philosophy of science,sociology of science,簡(jiǎn)稱HPS)融入科學(xué)教育用于體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)一直以來(lái)都是科學(xué)教育改革的熱點(diǎn)話題之一.教科書作為重要的教學(xué)資源，其科學(xué)本質(zhì)表征在一定程度上影響學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解.因此，基于 HPS視域探究教科書中科學(xué)本質(zhì)表征的呈現(xiàn)情況對(duì)落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀念有著重要意義.

“動(dòng)量守恒定律”是高中物理課程重要的內(nèi)容，其中涉及的物理概念和規(guī)律的建立科學(xué)家們都經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的探索過(guò)程，能夠從多個(gè)維度體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵.本研究以我國(guó)不同時(shí)期的代表性高中物理教科書中“動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容為研究對(duì)象，基于已有的HPS和科學(xué)本質(zhì)研究建立科學(xué)本質(zhì)表征分析框架，對(duì)教科書中科學(xué)本質(zhì)表征進(jìn)行分析,尋找不同時(shí)期教科書中科學(xué)本質(zhì)呈現(xiàn)的特點(diǎn)，以期為我國(guó)教科書的編寫和課堂教學(xué)提出建議.

1 HPS視域下高中物理教科書中科學(xué)本質(zhì)表征分析方法

基于HPS視域分析高中物理教科書中科學(xué)本質(zhì)的表征，首先需要認(rèn)識(shí)HPS與科學(xué)本質(zhì)的聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上選擇合適的方法對(duì)教科書中科學(xué)本質(zhì)的表征進(jìn)行統(tǒng)計(jì).

1.1 高中物理教科書中科學(xué)本質(zhì)表征分析的維度及其內(nèi)涵

關(guān)于什么是科學(xué)本質(zhì)，研究者們對(duì)這一問(wèn)題的探討百年來(lái)從未停止，其中有代表性的研究認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)包含10個(gè)維度：實(shí)證性、觀察與推論的區(qū)別、創(chuàng)造性、理論負(fù)載性、暫定性、科學(xué)研究途徑的多樣性、科學(xué)理論的本質(zhì)、科學(xué)定理的本質(zhì)、科學(xué)知識(shí)構(gòu)建的社群性、科學(xué)中社會(huì)與文化的嵌入性[1].

關(guān)于如何在教學(xué)中體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)，自20世紀(jì)80年代HPS教育興起以來(lái)，國(guó)際上關(guān)于利用HPS教育促進(jìn)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解的研究日益涌現(xiàn)，其中有研究者基于HPS視角探討了科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)3個(gè)維度對(duì)促進(jìn)理解科學(xué)本質(zhì)的作用[2]，其各維度的內(nèi)涵如表1所示. HPS的3個(gè)維度恰好帶領(lǐng)我們從歷史、哲學(xué)和社會(huì)3個(gè)方面認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，一定程度上概括了前人對(duì)什么是科學(xué)本質(zhì)的探討，成為體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的重要途徑之一.

表1 HPS視域下科學(xué)本質(zhì)表征分析的維度及其內(nèi)涵

根據(jù)科學(xué)本質(zhì)表征分析的維度，可以選取不同時(shí)期的代表性高中物理教科書，建立科學(xué)本質(zhì)表征分析框架，選擇合適的方法對(duì)教科書中科學(xué)本質(zhì)各表征維度進(jìn)行量化處理.

1.2 高中物理教科書中科學(xué)本質(zhì)表征維度的統(tǒng)計(jì)方法

關(guān)于我國(guó)高中物理教科書的發(fā)展,以20世紀(jì)80年代的教科書為代表.1983年，為適應(yīng)重點(diǎn)高中的教學(xué)要求，甲種本(以下簡(jiǎn)稱1983版)應(yīng)運(yùn)而生[3]，其知識(shí)內(nèi)容的編排對(duì)之后教科書的改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.隨著基礎(chǔ)教育物理課程改革的不斷推進(jìn)，2003年出版了以教學(xué)大綱為基礎(chǔ)的最后一版教科書[4].在2003年高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)頒布之后，以課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)的教科書相繼出版，直到2010年完成了多次修訂(以下簡(jiǎn)稱2010版)[5].2017年高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)頒布后，以培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，教科書的內(nèi)容也發(fā)生了相應(yīng)的變化(以下簡(jiǎn)稱2020版)[6].

以科學(xué)本質(zhì)各表征維度為基礎(chǔ)，以上述我國(guó)不同時(shí)期4個(gè)版本教科書中“動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容為研究對(duì)象，確定了本研究的科學(xué)本質(zhì)表征分析框架，如表2所示.

表2 “動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容中科學(xué)本質(zhì)各表征維度的操作性定義

根據(jù)各表征維度的操作性定義，采用文本分析法，從定量和定性兩個(gè)角度探究教科書中科學(xué)本質(zhì)表征的呈現(xiàn)情況.內(nèi)容的選擇主要包括正文和非正文兩個(gè)部分，正文是指教科書中以圖片和文字呈現(xiàn)的正文部分內(nèi)容，非正文是指各種閱讀材料.以1個(gè)事例或完整的表述為1個(gè)單位，如出現(xiàn)1次動(dòng)量定理的應(yīng)用即為出現(xiàn)一次科學(xué)社會(huì)學(xué)維度.內(nèi)容不包括例題和練習(xí)題，并且實(shí)際分析過(guò)程中需考慮其在語(yǔ)境中的真正含義.

2 HPS視域下高中物理教科書中科學(xué)本質(zhì)表征統(tǒng)計(jì)的結(jié)果和討論

確定了科學(xué)本質(zhì)表征分析的維度和統(tǒng)計(jì)方法之后，我們可以對(duì)教科書中科學(xué)本質(zhì)表征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析.

2.1 不同時(shí)期代表性教科書中科學(xué)本質(zhì)表征的量化統(tǒng)計(jì)

本文的3個(gè)作者分別獨(dú)立分析4個(gè)版本教科書中“動(dòng)量守恒定律”的文本內(nèi)容.統(tǒng)計(jì)結(jié)果利用SPSS進(jìn)行計(jì)算，得出3位分析者的一致性系數(shù)為0.85，表明3位作者的統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有良好的內(nèi)部一致性.統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示.

根據(jù)對(duì)“動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容中科學(xué)本質(zhì)表征量化統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，為使分析內(nèi)容更加全面，下文從表征數(shù)量和表征特點(diǎn)兩個(gè)層面探究科學(xué)本質(zhì)表征的變遷規(guī)律.

表3 “動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容中科學(xué)本質(zhì)各表征維度頻次 單位：次

2.2 不同時(shí)期代表性教科書中科學(xué)本質(zhì)表征總量的分析

據(jù)表3可知，4個(gè)版本教科書中“動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)表征在總頻次上整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì).2003版相較于1983版由于在科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)維度的減少，使之在總頻次上減少了一個(gè)頻次.隨著基礎(chǔ)教育物理課程改革對(duì)科學(xué)本質(zhì)關(guān)注度的提高，2010版中引入了大量的科學(xué)史內(nèi)容和科學(xué)社會(huì)學(xué)內(nèi)容，如科學(xué)家們對(duì)動(dòng)量概念的爭(zhēng)論，動(dòng)量定理在生活中的應(yīng)用等，因此在總頻次上比2003版多了11個(gè)頻次.另外，2020版作為最新版教科書，在“動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容中其科學(xué)本質(zhì)表征的總頻次高于其他3個(gè)版本，這也體現(xiàn)了新版教科書更加重視科學(xué)本質(zhì)教育，契合了高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的要求.

2.3 不同時(shí)期代表性教科書在科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)維度的特點(diǎn)

有研究表明，增進(jìn)科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識(shí)的教學(xué)策略一般可歸納為內(nèi)隱途徑和外顯途徑，利用即顯性的方法提高學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)更加有效[7].為進(jìn)一步研究科學(xué)本質(zhì)各表征維度變化趨勢(shì)，我們有必要對(duì)3個(gè)維度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行整理，如圖1所示.

圖1 “動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容中科學(xué)本質(zhì)各表征維度變化趨勢(shì)

可以看出，科學(xué)哲學(xué)維度始終呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是2020版作為最新版教科書，其科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)維度相較于2010版呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)維度在教科書的改革過(guò)程中并不是持續(xù)增加的，呈現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢(shì).除此之外科學(xué)史內(nèi)容都編排在非正文部分，科學(xué)社會(huì)學(xué)維度減少的內(nèi)容也在正文部分，不利于學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解.因此，4個(gè)版本教科書中表征科學(xué)本質(zhì)均以隱性呈現(xiàn)為主.

科學(xué)史的重要教育功能之一就是幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)[8]，同時(shí)，物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，它與社會(huì)和環(huán)境的聯(lián)系是非常緊密的，既有對(duì)社會(huì)發(fā)展的巨大促進(jìn)作用，也有對(duì)環(huán)境的巨大改變作用[9].所以，在教科書的改革過(guò)程中要充分發(fā)揮科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)的教育作用，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀念.

2.4 不同時(shí)期代表性教科書在科學(xué)哲學(xué)維度的特點(diǎn)

各種科學(xué)都是從觀察、假設(shè)和推理開始，而語(yǔ)言是描述現(xiàn)象和記錄結(jié)果的不可或缺的工具[9].因此，在用語(yǔ)言描述現(xiàn)象和記錄結(jié)果時(shí)，我們要明確觀察、假設(shè)和推理的區(qū)別，提高語(yǔ)言的準(zhǔn)確性.表征準(zhǔn)確性分為理性和質(zhì)樸兩類，其中理性指的是完整的、準(zhǔn)確的表征，與普遍認(rèn)同的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵一致；質(zhì)樸則是傳達(dá)了與科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容相矛盾或者相混淆的信息[10].下文以4個(gè)版本教科書中引入“動(dòng)量守恒定律”的實(shí)驗(yàn)和推理的內(nèi)容為例，對(duì)4個(gè)版本教科書中科學(xué)哲學(xué)維度的文本內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4所示.

表4 4個(gè)版本教科書中“動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容的文本分析

從表中可以看出，2010版和2020版在“小球碰撞實(shí)驗(yàn)”中，觀察的結(jié)果應(yīng)該是“小球的質(zhì)量不同時(shí)上升的高度不同”，而“小球質(zhì)量不同，速度的變化也不同”是分析推理得出的結(jié)論.其表述容易使學(xué)生混淆推理與觀察的區(qū)別.而1983版和2003版給出了詳細(xì)的推理過(guò)程卻沒(méi)有以對(duì)實(shí)驗(yàn)或某一現(xiàn)象的觀察為基礎(chǔ).可以看出，雖然4個(gè)版本教科書中科學(xué)本質(zhì)表征在科學(xué)哲學(xué)維度上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是科學(xué)本質(zhì)表征不準(zhǔn)確的問(wèn)題在教科書的改革過(guò)程中仍然存在.

3 總結(jié)與啟示

基于HPS視域，對(duì)我國(guó)不同時(shí)期4個(gè)版本教科書中“動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)表征進(jìn)行分析，從表征數(shù)量和表征特點(diǎn)兩個(gè)層面揭示了科學(xué)本質(zhì)表征變遷的特點(diǎn).以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀為目標(biāo)，可以提出一些教科書編寫和課堂教學(xué)方面的建議.

首先，教科書中科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)的內(nèi)容，不僅使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)時(shí)能夠追尋概念和規(guī)律建立的歷史過(guò)程，還能被物理學(xué)家們實(shí)事求是，追尋真理的探索精神所熏陶，學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系．所以在教科書的改革過(guò)程中，要不斷地開拓創(chuàng)新，增加教科書中科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)的內(nèi)容以及其在正文部分的比重，充分體現(xiàn)教科書改革的主旨．

其次，教科書在改革過(guò)程中要不斷地完善文本話語(yǔ)，適當(dāng)減少“證實(shí)”“實(shí)驗(yàn)說(shuō)明”“事實(shí)表明”等用詞，應(yīng)較多使用“觀察”“推論”和“猜測(cè)”等詞匯，提升科學(xué)本質(zhì)表征的準(zhǔn)確性，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)本質(zhì)觀念[11].

最后，教科書在表征科學(xué)本質(zhì)時(shí)的弊端要求教師提升自身的科學(xué)本質(zhì)觀念，在課堂教學(xué)中應(yīng)該適當(dāng)?shù)匾肟茖W(xué)本質(zhì)有關(guān)的內(nèi)容，如利用展開小組討論、播放相關(guān)視頻或小故事等方式來(lái)彌補(bǔ)教科書的不足之處.