高中物理教材中科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容與表征的評價研究
——以“運(yùn)動與相互作用”主題為例

莊浩麗，蘆星月

1.廣東省廣州市執(zhí)信中學(xué)，廣州 510030

2.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006

教材是課程標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)到教學(xué)實(shí)踐的中間媒介。已有研究發(fā)現(xiàn)，我國初高中科學(xué)教材涉及的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容較不均衡，且大多采用“隱性”的表征方式[1-2]。教材對科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容與表征的不足，是師生的科學(xué)本質(zhì)觀處于質(zhì)樸水平的主要影響因素之一[3]。

我國先后發(fā)布了兩個版本的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)，逐漸開始重視科學(xué)本質(zhì)的培養(yǎng)。以物理學(xué)科為例，相較于2003版課標(biāo)，2017版課標(biāo)明確提及科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)容要求更多，涉及科學(xué)本質(zhì)的維度更全面，對科學(xué)本質(zhì)理解水平的要求也更高[4]?？紤]到課程標(biāo)準(zhǔn)對教材編寫的指導(dǎo)作用，本文對基于2003版和2017版課標(biāo)編寫的普通高中物理教材中科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容與表征的變遷特點(diǎn)進(jìn)行分析，以提升教師對科學(xué)本質(zhì)教育的理解。

1 研究設(shè)計

1.1 研究對象

本團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn)，基于2003版課標(biāo)編寫的五套普通高中物理教材中，人教版和粵教版教材相對完整地呈現(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)的維度[2]。本研究將繼續(xù)選取基于2017版課標(biāo)編寫的人教版和粵教版新教材，以“運(yùn)動與相互作用”為分析主題，進(jìn)行新教材的科學(xué)本質(zhì)表征分析。

1.2 概念框架

盡管研究者對科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵仍持有不同的觀點(diǎn)[5]，但在國際科學(xué)教育領(lǐng)域認(rèn)可度較高的是以李德曼（Lederman）、赫里克（Khalick）等為代表的主張，即作為科學(xué)認(rèn)識論的科學(xué)本質(zhì)，描述了科學(xué)知識及其發(fā)展過程中固有的概念和價值[3，5-6]。在此基礎(chǔ)上，赫里克提出了科學(xué)本質(zhì)的10個維度及其表征的明確性和準(zhǔn)確性，已被成功地用于分析各類科學(xué)教科書，具有較好的一致性和效度[3，6]。因此，本研究也采用赫里克提出的框架，如表1所示。

表1 科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容各維度的內(nèi)涵

依據(jù)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容表征的明確性程度，可以分為隱性和顯性兩個水平，這種劃分可以追溯到對科學(xué)本質(zhì)“隱性”和“顯性-反思”教學(xué)法的爭議。隱性表征往往將科學(xué)本質(zhì)隱含在文本材料當(dāng)中，需要學(xué)生自己進(jìn)一步推敲或教師加以引導(dǎo)才能理解；顯性表征則通過提供充分明確的論述或反思機(jī)會，讓學(xué)生自己通過思考來形成對科學(xué)知識產(chǎn)生與發(fā)展的正確理解。

依據(jù)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容表征的準(zhǔn)確性程度，可以分為質(zhì)樸和正確且完整兩個水平。其中，質(zhì)樸傳達(dá)了與當(dāng)代對科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識相矛盾的信息；正確且完整則傳達(dá)了與當(dāng)代對科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識完全一致的信息。

1.3 分析過程

本研究的分析過程可劃分為三個階段（圖1）。

圖1 分析過程

在綜合所有文本材料單元對科學(xué)本質(zhì)表征的明確性和準(zhǔn)確性后，根據(jù)赫里克劃分的評分標(biāo)準(zhǔn)（表2），可以進(jìn)一步對教材整體對科學(xué)本質(zhì)某一維度表征的質(zhì)量進(jìn)行評價[3，6]。因此，對每套教材，科學(xué)本質(zhì)各維度表征質(zhì)量的得分范圍為“-3”分至“+3”分；10個維度求和后可得每套教材的總分，范圍為“-30”分至“+30”分。

表2 教材整體對科學(xué)本質(zhì)各維度表征質(zhì)量的評分標(biāo)準(zhǔn)

分析由兩名研究者一起完成。首先，選取舊人教版必修1的內(nèi)容進(jìn)行試評，在充分研讀概念框架后，研究者們獨(dú)立對舊人教版必修1進(jìn)行試分析。表征的數(shù)量、準(zhǔn)確性和正確性的評分者一致性都較好，信度分別為0.682、0.785和0.687（一致率分別為73.0%、89.0%、88.0%）。對于試評中存在不一致以及對概念框架存疑的地方，兩位研究者討論協(xié)商后達(dá)到一致。隨后，進(jìn)行正式分析，獨(dú)立對剩余的教材進(jìn)行分析。表征的數(shù)量、準(zhǔn)確性和正確性的評分者一致性得到了進(jìn)一步提升，信度分別為0.714、0.828和0.742（一致率分別為74.8%、92.3%、89.4%）。最終，兩位研究者對評分不一致的地方再次進(jìn)行協(xié)商，得到新、舊人教版和粵教版教材科學(xué)本質(zhì)表征數(shù)量和質(zhì)量的結(jié)果。

2 高中物理教材中科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容與表征的特點(diǎn)

2.1 科學(xué)本質(zhì)表征數(shù)量

2.1.1 表征頻次整體提升，側(cè)重“實(shí)證性”和“暫定性”

教材科學(xué)本質(zhì)各維度的表征頻次如表3所示。結(jié)果表明，各版教材都完整地表征了科學(xué)本質(zhì)的10個維度。具體來看，兩版新教材在“實(shí)證性”“觀察與推論的區(qū)別”“科學(xué)研究途徑的多樣性”“科學(xué)中社會與文化的嵌入性”維度上的頻次有所提升，這可能與學(xué)界對科學(xué)探究認(rèn)識的不斷深入和對社會科學(xué)議題的重視有關(guān)[7-8]。兩版新教材在“科學(xué)理論的本質(zhì)”“科學(xué)定律的本質(zhì)”維度的表征頻次有不同程度的下降?？傮w而言，教材均側(cè)重“實(shí)證性”和“暫定性”維度，對科學(xué)本質(zhì)各維度的表征不均衡。

表3 教材中科學(xué)本質(zhì)的表征頻次

2.1.2 表征分布不均衡，集中于“前言和后記”和物理學(xué)史豐富的內(nèi)容

促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的深層理解需要長期的滲透，教材對科學(xué)本質(zhì)的表征不應(yīng)僅局限于某部分內(nèi)容[2]。為進(jìn)一步研究科學(xué)本質(zhì)在不同內(nèi)容中的分布情況，將“運(yùn)動與相互作用”主題細(xì)分為20個子內(nèi)容，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，科學(xué)本質(zhì)在教材不同內(nèi)容中的分布并不均衡，一直主要集中在“前言和后記”“萬有引力定律及應(yīng)用”“經(jīng)典力學(xué)的局限性”等內(nèi)容。

圖2 科學(xué)本質(zhì)表征的分布情況

值得注意的是，“前言和后記”對科學(xué)本質(zhì)的表征大多采用內(nèi)容通用型的方式[9]。例如，新粵教版必修1的前言對“實(shí)證性”的表征提到，“物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)中任何新思想正確與否需由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)……”，這一表述就未與具體的科學(xué)知識結(jié)合。而“萬有引力定律及應(yīng)用”“經(jīng)典力學(xué)的局限性”等章節(jié)則與上述相反，對科學(xué)本質(zhì)的表征采用了內(nèi)容嵌入的方式[9]。例如，新人教版“自由落體運(yùn)動”一節(jié)，通過在“科學(xué)漫步”欄目中介紹“伽利略研究落體運(yùn)動的歷史”表征了“理論負(fù)載性”“實(shí)證性”“科學(xué)研究途徑的多樣性”；在“STSE”欄目中講述“從伽利略的一生看科學(xué)與社會”表征了“科學(xué)中社會與文化的嵌入性”。

2.2 科學(xué)本質(zhì)表征質(zhì)量

依據(jù)評分框架對科學(xué)本質(zhì)表征質(zhì)量進(jìn)行分析，最終各維度的得分情況如表4所示?？傮w來看，新教材對科學(xué)本質(zhì)的表征質(zhì)量都有所提升，人教版和粵教版分別增加了6分和5分。科學(xué)本質(zhì)表征質(zhì)量主要受準(zhǔn)確性和明確性兩個指標(biāo)的影響，下面將從這兩個方面進(jìn)行深入分析。

表4 科學(xué)本質(zhì)各維度的得分

2.2.1 表征準(zhǔn)確性得到小幅度提升，體現(xiàn)在“科學(xué)研究途徑的多樣性”

科學(xué)本質(zhì)表征質(zhì)量的提升主要是因?yàn)椤翱茖W(xué)研究途徑的多樣性”維度準(zhǔn)確性的提高。在舊人教版和舊粵教版教材中，“科學(xué)研究途徑的多樣性”都處于“顯性或隱性的混合表征”水平（-2分），傳達(dá)了與當(dāng)代對科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識相矛盾的信息。例如，舊人教版在介紹“伽利略研究落體運(yùn)動的歷史”時，指出存在“一套對近代科學(xué)的發(fā)展極為有益的科學(xué)方法”，總結(jié)為“觀察、假設(shè)、推論、檢驗(yàn)、假說修正和推廣”“五步”科學(xué)方法。這種表述在一定程度上會影響教師在授課時過分強(qiáng)調(diào)固定的科學(xué)方法，使學(xué)生產(chǎn)生一種科學(xué)研究都必須按照這樣一套流程步驟的錯誤認(rèn)識。而新人教版中則在“科學(xué)漫步”欄目介紹了“伽利略研究落體運(yùn)動的歷史”，但不再強(qiáng)調(diào)伽利略的這套方法是科學(xué)研究的固定步驟，而且強(qiáng)調(diào)存在“一些方法”，“這些方法能發(fā)展人類的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法”。

2.2.2 表征明確性仍然以隱性為主，但少部分維度轉(zhuǎn)向了顯性表征

新教材對科學(xué)本質(zhì)大部分維度的表征仍以隱性為主，少部分維度的表征采用了顯性的方式。如表5所示，舊粵教版在后記中關(guān)于現(xiàn)代物理學(xué)與經(jīng)典力學(xué)關(guān)系的論述對“暫定性”進(jìn)行了表征，這一論述雖然表達(dá)了經(jīng)典力學(xué)的局限性，但未明確闡述現(xiàn)代物理學(xué)是對經(jīng)典力學(xué)的補(bǔ)充與進(jìn)步，因此被判定為隱性的表征方式。而新粵教版則通過補(bǔ)充“人類對自然界的探索正是這樣不斷地向前發(fā)展”，明顯地表達(dá)“科學(xué)知識不是絕對的、確定的，科學(xué)主張是會隨著人類的探索而不斷改變”，但也還是沒有完整、具體地表達(dá)出何種情況（如“概念和技術(shù)的進(jìn)步會帶來新證據(jù)的出現(xiàn)”）可能會改變科學(xué)主張，因此對“暫定性”的表征被判定為“顯性、正確但不完整”（2分）。

表5 粵教版在“暫定性”維度的文本材料摘錄

3 彰顯科學(xué)本質(zhì)教育的教材編寫：分布均衡、顯性表征、細(xì)化發(fā)展

通過對新、舊人教版和粵教版教材“運(yùn)動與相互作用”主題科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容與表征的對比，可以窺見我國科學(xué)本質(zhì)教育正在不斷進(jìn)步。如何在科學(xué)教材及教學(xué)中持續(xù)落實(shí)科學(xué)本質(zhì)教育的要求，是新課程實(shí)施過程中需要繼續(xù)深入探索的問題。

3.1 科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容在教材中合理分布

本研究發(fā)現(xiàn)，教材的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容表征一直較全，但是不均衡。這種現(xiàn)象不僅體現(xiàn)在對科學(xué)本質(zhì)各維度的頻次上，更體現(xiàn)在涉及科學(xué)本質(zhì)的章節(jié)內(nèi)容上。在所統(tǒng)計的20個章節(jié)中，都至少有6個章節(jié)沒有涉及對科學(xué)本質(zhì)的任一方面。

教材應(yīng)該為學(xué)生提供連續(xù)沉浸在科學(xué)本質(zhì)學(xué)習(xí)當(dāng)中的機(jī)會，這樣才能引導(dǎo)學(xué)生通過各種學(xué)習(xí)活動形成對科學(xué)本質(zhì)的正確理解[10]。因此，應(yīng)盡可能地將科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容合理地分布于整本教材當(dāng)中，應(yīng)充分考慮內(nèi)容的選擇、活動的安排、文字的撰寫等是否符合學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的心理特點(diǎn)和認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，從而長期地向?qū)W生滲透科學(xué)本質(zhì)教育。

3.2 科學(xué)本質(zhì)在教材中采用顯性表征

科學(xué)本質(zhì)觀念是一種對科學(xué)知識的產(chǎn)生、發(fā)展和價值信念的認(rèn)識，這種意識形態(tài)的認(rèn)識較難理解。針對這一問題，大部分研究者們達(dá)成的共識是采用顯性的方式表征科學(xué)本質(zhì)方能有效促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解；也有研究者對教材中的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行了“顯性”的改編，發(fā)現(xiàn)能有效改進(jìn)教師的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)和學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀念[11-12]。

因此，建議未來的教材編寫更多地顯性表征科學(xué)本質(zhì)的各個方面，給學(xué)習(xí)者提供更多關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的反思機(jī)會。除了結(jié)合物理學(xué)史從認(rèn)識論的角度闡述表征科學(xué)本質(zhì)，還可以適當(dāng)增加關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的反思性問題，明確指引教師在教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)的教育；引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考科學(xué)的本質(zhì)，從而幫助學(xué)生內(nèi)化對科學(xué)本質(zhì)的理解。

3.3 科學(xué)本質(zhì)教育的進(jìn)階發(fā)展應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化

2017版課標(biāo)明確了科學(xué)本質(zhì)的教育目標(biāo)，也提出了“通過物理學(xué)習(xí)認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)”的教學(xué)建議，并要求在教學(xué)中要注重“學(xué)生在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、形成科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感方面的發(fā)展水平”的評價。科學(xué)本質(zhì)中存在著一些能夠更容易被學(xué)生認(rèn)識到或先理解的維度（如“實(shí)證性”），而另外一些維度教師和學(xué)生可能都較難理解（如“科學(xué)中社會與文化的嵌入性”）。因此，我國不同學(xué)段的科學(xué)課標(biāo)也可以針對具體學(xué)段的發(fā)展，進(jìn)一步細(xì)化科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。這樣將有助于引導(dǎo)教師在教學(xué)中逐步滲透科學(xué)本質(zhì)教育，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)理解的進(jìn)階發(fā)展。