中美高中物理教材中科學(xué)本質(zhì)呈現(xiàn)的比較研究

賀 琳

(華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院，上海 200062)

幫助學(xué)生發(fā)展對(duì)科學(xué)本質(zhì)(Nature of science,簡(jiǎn)稱NOS)的認(rèn)識(shí),越來越成為全球科學(xué)教育改革的核心內(nèi)容,也是我國(guó)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年)中作為核心素養(yǎng)之一的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的核心內(nèi)容.國(guó)際上許多研究一致表明,絕大多數(shù)的學(xué)生和教師對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀的主要方面的理解僅達(dá)到質(zhì)樸水平(Naive view).美國(guó)教育家Khalick認(rèn)為導(dǎo)致這一現(xiàn)狀的主要因素在于NOS在教科書中的表現(xiàn)形式有所偏差.[1]基于此,本文對(duì)中美高中物理教科書進(jìn)行對(duì)比研究,分析各自的特點(diǎn)和差異,期望對(duì)改進(jìn)我國(guó)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(xué)的發(fā)展性和科學(xué)本質(zhì)的復(fù)雜性,不同學(xué)者對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解仍有分歧,但對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)本質(zhì)的一些基本特性,學(xué)者還是有一些共識(shí).科學(xué)本質(zhì)觀可以分為個(gè)人的和社會(huì)性的兩個(gè)層面.從分析高中物理課本中科學(xué)本質(zhì)呈現(xiàn)情況的角度而言,應(yīng)該討論的是學(xué)生個(gè)人的科學(xué)本質(zhì)觀.

劉健智認(rèn)為,中學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀包括科學(xué)知識(shí)觀、科學(xué)探索觀和科學(xué)事業(yè)觀3個(gè)層面,并對(duì)每個(gè)層面進(jìn)行二級(jí)維度的劃分.[2]黃曉以劉健智的科學(xué)本質(zhì)觀與McComas(1998)、Lederman(2002)等7位學(xué)者提出的不同的科學(xué)本質(zhì)進(jìn)行分析對(duì)比,發(fā)現(xiàn)不同學(xué)者對(duì)此維度分類基本能達(dá)成共識(shí).[3]栗素姣從科學(xué)本質(zhì)的視角,從科學(xué)知識(shí)、科學(xué)過程和科學(xué)事業(yè)3個(gè)方面分析了中美高中物理教材中的科學(xué)史部分.[4]牛波使用Alshamrani的科學(xué)本質(zhì)框架對(duì)中美高中生物教科書科學(xué)本質(zhì)表征進(jìn)行對(duì)比研究,框架包含科學(xué)知識(shí)并不完全客觀、科學(xué)家們使用創(chuàng)造等12個(gè)維度.[5]

本文在建構(gòu)主義的指導(dǎo)下,以劉健智的中學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀為基礎(chǔ),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(xué)知識(shí)觀分為科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探索和科學(xué)事業(yè)3個(gè)層面,其中科學(xué)知識(shí)觀(K)包括認(rèn)識(shí)性(K1)、暫時(shí)性(K2)、累積性(K3)、重復(fù)性(K4)、局限性(K5)、統(tǒng)一性(K6)、簡(jiǎn)明性(K7);科學(xué)探究觀(I)包括實(shí)證性(I1)、創(chuàng)造性(I2)、質(zhì)疑性(I3)、非絕對(duì)客觀性(I4)、方法多樣性(I5)、公開性(I6)和邏輯推理性(I7);科學(xué)事業(yè)觀(C)包括科學(xué)與道德(C1)、STS(C2)、科學(xué)家身份(C3)和科學(xué)共同體(C4).在此基礎(chǔ)上,對(duì)各維度進(jìn)行內(nèi)涵界定,由于篇幅限制,本文僅列舉每個(gè)層面各兩個(gè)維度,如表1所示.

表1 科學(xué)本質(zhì)的各維度內(nèi)涵及操作性定義

1.2 研究對(duì)象的選擇

國(guó)外教材選擇了美國(guó)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(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)有近五成教師使用該版本教材.[7]我國(guó)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(duì)象.

1.3 分析規(guī)則

在本研究的理論框架的基礎(chǔ)上,對(duì)每一維度進(jìn)行編碼,并賦予適當(dāng)?shù)牟僮餍远x,如表1所示.

對(duì)于科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容的呈現(xiàn)形式,主要包括序言、正文和欄目.序言指教材中“走進(jìn)物理課堂之前”、“物理學(xué)和人類文明”、“致同學(xué)們”以及各章節(jié)的引入部分.正文指以文字或圖片形式呈現(xiàn)在教材的正文部分的內(nèi)容.欄目指在教科書中以非基本教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)的,目的在于拓展學(xué)生視野和能力的部分,如人教版中的“科學(xué)漫步”、“STS”、美國(guó)版“未來技術(shù)”、“物理學(xué)前沿”、“起步實(shí)驗(yàn)”和“迷你實(shí)驗(yàn)”等,由于序言和欄目不是基本教學(xué)內(nèi)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(biāo)題下所包含的若干段落內(nèi)容作為一個(gè)分析單位,除去教材中的習(xí)題、例題之外,教材中的序言和各欄目也都看作一個(gè)獨(dú)立的分析單位.在同一分析單位中,若出現(xiàn)體現(xiàn)某科學(xué)本質(zhì)維度,無論出現(xiàn)內(nèi)容多少,均記為一次,不做重復(fù)處理.

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

1.4 研究工具的信度分析

由筆者作為主評(píng)分員A,并邀請(qǐng)兩位物理課程論的研究生B和C作為評(píng)分員,對(duì)研究工具進(jìn)行信度檢驗(yàn).經(jīng)計(jì)算得出該研究工具的信度為0.946,大于標(biāo)準(zhǔn)0.8,說明本研究工具符合要求.

2 結(jié)果及討論

根據(jù)分析統(tǒng)計(jì),中美高中物理教科書中科學(xué)本質(zhì)在3個(gè)層面上的總體呈現(xiàn)情況如表2所示.并分析了內(nèi)容的呈現(xiàn)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(cè)重點(diǎn),美國(guó)版在科學(xué)本質(zhì)層面的認(rèn)識(shí)性、累積性、局限性和統(tǒng)一性維度,科學(xué)探究層面的創(chuàng)造性、質(zhì)疑性和邏輯推理性維度呈現(xiàn)比例相對(duì)高于人教版.雖然兩版本教材在科學(xué)事業(yè)層面的3個(gè)維度的頻數(shù)差別不大,但考慮到教材總量的差異性(人教版共7冊(cè),美國(guó)版共3冊(cè)),美國(guó)版在科學(xué)事業(yè)層面的呈現(xiàn)內(nèi)容占教材全文的總比例要好于人教版.基于此結(jié)果的具體分析如下.

表2 各版本教材科學(xué)本質(zhì)各維度呈現(xiàn)情況

表3 各版本教材科學(xué)本質(zhì)呈現(xiàn)形式統(tǒng)計(jì)

2.1 科學(xué)本質(zhì)部分維度的欠缺

兩個(gè)版本對(duì)科學(xué)本質(zhì)的呈現(xiàn)情況各有側(cè)重,但都出現(xiàn)部分維度呈現(xiàn)過低的情況.人教版主要在重復(fù)性、創(chuàng)造性、質(zhì)疑性和科學(xué)與道德維度過低.教科書作為教師教學(xué)的導(dǎo)向,創(chuàng)造性和質(zhì)疑性的缺失將不利于教師培養(yǎng)學(xué)生成為具有質(zhì)疑品質(zhì)、創(chuàng)新能力和靈活運(yùn)用科學(xué)方法的創(chuàng)新型人才.美國(guó)版主要在暫時(shí)性、重復(fù)性、簡(jiǎn)明性、非絕對(duì)客觀性、方法多樣性和科學(xué)與道德維度過低.美國(guó)教材在每一章首都有起步實(shí)驗(yàn)引入新課,正文穿插迷你實(shí)驗(yàn),并在每章結(jié)尾以物理實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步鞏固.

2.2 科學(xué)本質(zhì)大多處于隱性呈現(xiàn)水平

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析可知,我國(guó)高中物理教材在科學(xué)本質(zhì)的不同維度都有所體現(xiàn),但在內(nèi)容上仍有不足,呈現(xiàn)方式大多是隱性呈現(xiàn).例如在科學(xué)知識(shí)層面,人教版對(duì)于認(rèn)識(shí)性的呈現(xiàn)大多處于每章節(jié)引文部分,呈現(xiàn)形式也過于單一,大多是以問題引入的方式涉及到對(duì)自然界的認(rèn)識(shí),后文也較少對(duì)前文的問題進(jìn)行解釋.而美國(guó)教材會(huì)以小標(biāo)題的顯著形式解釋生活中的自然現(xiàn)象.例如美國(guó)教材第361頁(yè)“熱膨脹”中,以“冰為什么會(huì)漂浮在水面上”的小標(biāo)題引出對(duì)此問題的具體解釋,而且從分子層面對(duì)這一問題進(jìn)行深層次分析,有利于學(xué)生對(duì)自然現(xiàn)象的深刻認(rèn)識(shí).在科學(xué)事業(yè)層面,我國(guó)教材在內(nèi)容上大多是簡(jiǎn)單的陳述.如在科學(xué)家身份維度,多數(shù)只是簡(jiǎn)單表述某科學(xué)家提出了××理論,并未對(duì)科學(xué)家的科學(xué)探究過程進(jìn)行深入介紹.而在美國(guó)教材中,闡述科學(xué)定律和科學(xué)方法時(shí),均會(huì)用“科學(xué)家一般會(huì)……”的字眼,強(qiáng)調(diào)科學(xué)家的身份.

2.3 文本話語(yǔ)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的不確切表述

教材中呈現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的文本話語(yǔ)的科學(xué)性影響學(xué)生對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí).分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),教材中對(duì)于科學(xué)探究層面的實(shí)證性和邏輯推理性呈現(xiàn)比例相近.在正文部分美國(guó)教材中實(shí)證性呈現(xiàn)比例為27.12%,邏輯推理性為30.39%;人教版中實(shí)證性占21.65%,邏輯推理性占22.75%,原因在于并未對(duì)觀察與推理進(jìn)行顯性區(qū)分.教材中常常會(huì)強(qiáng)調(diào)科學(xué)家的觀察和實(shí)驗(yàn),緊接著對(duì)觀察現(xiàn)象進(jìn)行解釋和推理,這樣會(huì)使得學(xué)生認(rèn)為推論就是觀察的結(jié)果,科學(xué)認(rèn)識(shí)就是對(duì)自然世界的“拷貝性發(fā)現(xiàn)”.另外,對(duì)于科學(xué)定律和科學(xué)理論的區(qū)分,人教版中也并未顯性呈現(xiàn),而在美國(guó)教材第23頁(yè)科學(xué)方法中,以“模型、定律和理論”的小標(biāo)題顯性引出解釋說明.

2.4 科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容大多處于非正文部分

雖然人教版總體呈現(xiàn)頻數(shù)較多,但僅有59.95%的內(nèi)容體現(xiàn)在正文部分,而美國(guó)教材有74.88%呈現(xiàn)在正文部分,這會(huì)弱化教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)的培養(yǎng)力度.從各維度在正文的呈現(xiàn)比例來看,人教版只有認(rèn)識(shí)性、簡(jiǎn)明性和方法多樣性維度的呈現(xiàn)內(nèi)容出現(xiàn)在正文部分的比例高于美國(guó)版.例如,對(duì)于暫時(shí)性維度,人教版主要是在必修1的序言、科學(xué)漫步和科學(xué)足跡中有所體現(xiàn)(87%),STS則主要體現(xiàn)在科學(xué)漫步中(45%).美國(guó)教材中經(jīng)常將科學(xué)內(nèi)容與科學(xué)史內(nèi)容相結(jié)合,使得學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的同時(shí)對(duì)科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生過程有更深刻的了解.如在美國(guó)教材“氣體定律”中,以玻意耳定律和查理定律定律的產(chǎn)生先后為時(shí)間線,介紹科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出了氣體與壓強(qiáng)的關(guān)系,同時(shí)也介紹了當(dāng)時(shí)的條件限制對(duì)科學(xué)的影響.

3 對(duì)改進(jìn)我國(guó)高中物理教材編寫的建議

3.1 加強(qiáng)科學(xué)本質(zhì)的顯性呈現(xiàn)與合理編排

從教材分析中發(fā)現(xiàn),我國(guó)教材大多重視的是對(duì)科學(xué)知識(shí)的呈現(xiàn),正文部分用大量篇幅介紹知識(shí)內(nèi)容以及應(yīng)用方式,對(duì)于科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生和認(rèn)識(shí)過程,科學(xué)對(duì)社會(huì)的影響僅在非正文部分有所顯現(xiàn).科學(xué)本質(zhì)教育一直以隱形化為主,希望學(xué)生從科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)中潛移默化的理解科學(xué)本質(zhì),學(xué)生只能從零星內(nèi)容中推斷出來,但這種方法無疑是低效的.因此,教材應(yīng)該全面立體的描述科學(xué)知識(shí),從教材內(nèi)容的選擇與組織,文本話語(yǔ)的科學(xué)描述等方面,準(zhǔn)確把握科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵,顯性呈現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容,使得教材中的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容能真正發(fā)揮作用.

3.2 使教科書的文本話語(yǔ)符合當(dāng)代科學(xué)本質(zhì)觀

隨著科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)本質(zhì)觀也是在不斷發(fā)展的,由邏輯實(shí)證主義哲學(xué)范式的傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀發(fā)展為建構(gòu)主義哲學(xué)范式下的當(dāng)代科學(xué)本質(zhì)觀.教師受傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀下的教科書文本話語(yǔ)的影響,會(huì)將結(jié)論性知識(shí)作為教學(xué)重點(diǎn),形成“拷貝性”教學(xué)方式,以知識(shí)掌握度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).因此,教科書中的文本話語(yǔ)也應(yīng)隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變.教科書文本話語(yǔ)應(yīng)較少使用“客觀性”、“真理性”、“確定性”、“證明”、“發(fā)現(xiàn)”,應(yīng)較多使用“觀察”、“推論”、“猜測(cè)”等.[9]

3.3 重視物理學(xué)史的的合理編排

研究中發(fā)現(xiàn),在本文所涉及的3個(gè)版本高中物理教材中,利用科學(xué)史(主要是物理學(xué)史)呈現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容均達(dá)到50%以上,由此可見科學(xué)史是促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的重要素材.但我國(guó)高中物理教材物理學(xué)史內(nèi)容主要集中在非正文部分,以閱讀材料的形式呈現(xiàn).科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容相對(duì)科學(xué)知識(shí)而言,更為復(fù)雜抽象,單憑學(xué)生自己閱讀,很難理解其中所蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容,也就失去了閱讀材料的教學(xué)價(jià)值.因此,建議教科書編寫時(shí),選取物理學(xué)史中較為典型的科學(xué)事跡放置于正文中,有選擇性的介紹在科學(xué)的發(fā)展過程中,不同科學(xué)家的思想觀點(diǎn)甚至研究中出現(xiàn)的錯(cuò)誤,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展的真實(shí)過程,使學(xué)生能夠真正領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì).