人教版物理新教材“課題研究”欄目分析

摘 要 針對(duì)新版人教版高中物理教科書(shū)中的“課題研究”欄目，結(jié)合普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）開(kāi)展STEM“學(xué)科核心概念”和“跨學(xué)科概念”兩個(gè)維度的內(nèi)涵解讀，并以此兩個(gè)維度構(gòu)建教材欄目分析框架，挖掘教材中“課題研究”欄目設(shè)計(jì)在調(diào)動(dòng)學(xué)生STEM領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行遷移和應(yīng)用上的的深層內(nèi)涵。

關(guān)鍵詞 STEM教育 物理教材 “課題研究”欄目設(shè)計(jì)

科學(xué)和技術(shù)是一個(gè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力中占有主導(dǎo)地位的重要因素。2015年，中國(guó)教育部明確指出要探索STEM教育。2018年，強(qiáng)調(diào)從基礎(chǔ)教育層面落實(shí)科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的《中國(guó)STEM教育2029行動(dòng)計(jì)劃》啟動(dòng)。

教材作為課程改革的助推劑是課程改革順利進(jìn)行的重要保障。物理作為科學(xué)課程中重要的自然科學(xué)基礎(chǔ)，是在普通高中開(kāi)展STEM教育的重要載體。在新一輪課程標(biāo)準(zhǔn)出版之后，物理新版教材也相繼出版。在五個(gè)版本教材中，新版人教版和教科版在每一冊(cè)教材最后都設(shè)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(tǒng)性和深層性，是在學(xué)生經(jīng)過(guò)系統(tǒng)知識(shí)學(xué)習(xí)和能力訓(xùn)練后，借助課題研究項(xiàng)目開(kāi)展的綜合性科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，進(jìn)一步對(duì)學(xué)生的研究素養(yǎng)和創(chuàng)造能力進(jìn)行培養(yǎng)。這與STEM教育所注重的綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)相契合。

一、物理課程下的STEM“學(xué)科核心概念”

STEM，強(qiáng)調(diào)的是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)學(xué)科之間的整合教育。在2013年，Bybee R W等學(xué)者就“STEM如何實(shí)現(xiàn)各學(xué)科間的整合”問(wèn)題指出，STEM的發(fā)生需要以學(xué)科核心概念和實(shí)踐活動(dòng)為基礎(chǔ)，倡導(dǎo)在關(guān)注學(xué)科核心概念的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科概念的聯(lián)系和知識(shí)的建構(gòu)[1]。而在特定學(xué)科課程下如何開(kāi)展STEM素養(yǎng)培育，讓STEM教育與傳統(tǒng)分科教育形成針對(duì)性互補(bǔ)，有必要先在特定學(xué)科課程下分析STEM各學(xué)科要素所包含的具體內(nèi)容（如表1）。

1.物理課程下的科學(xué)

G. Yakman所提出的“STEM金字塔結(jié)構(gòu)框架”中，將物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、地理與空間科學(xué)及其中科學(xué)探究等列為“科學(xué)”下的特定內(nèi)容[2]。就普通高中物理課程而言，就是在這個(gè)框架里的“物理學(xué)”一級(jí)主題下來(lái)開(kāi)展。在高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，凝練出的“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”以及“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四大物理學(xué)科核心素養(yǎng)很好地闡明了物理學(xué)科內(nèi)涵，即從物理學(xué)科視角開(kāi)展對(duì)自然世界關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量等物理核心概念以及客觀事物內(nèi)在規(guī)律的科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識(shí)，并在觀察和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用多種研究方法來(lái)開(kāi)展科學(xué)實(shí)踐與探究。也就是在以核心素養(yǎng)為主導(dǎo)的基礎(chǔ)之上，強(qiáng)調(diào)以生活和自然為基礎(chǔ)、以學(xué)科核心概念知識(shí)為支撐來(lái)落實(shí)物理課程獨(dú)特的育人價(jià)值[3]。這也與NGSS中關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的闡述是一致，而科學(xué)本質(zhì)也是科學(xué)教育中最為重要的組成因素[4]。

2.物理課程下的技術(shù)

技術(shù)教育已成為科學(xué)教育中的重要部分。高中物理教材在內(nèi)容的選擇上，注重與科學(xué)技術(shù)應(yīng)用之間的聯(lián)系，而這也是培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)特有的一種課程載體。參考NGSS中對(duì)于“科學(xué)與技術(shù)”方面的闡述，課題研究中將技術(shù)構(gòu)成要素劃分為技術(shù)知識(shí)、技術(shù)實(shí)踐以及技術(shù)與社會(huì)。

技術(shù)知識(shí)，包括技術(shù)原理、技術(shù)發(fā)展等。很多物理原理知識(shí)在實(shí)踐中具體化了就是一種技術(shù)知識(shí)。

技術(shù)實(shí)踐，包含技術(shù)的使用規(guī)范、流程以及技術(shù)使用方案設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)等。在物理課程下最為直接的體現(xiàn)就是在物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，各類(lèi)實(shí)驗(yàn)器材的使用就是具體技術(shù)的操作規(guī)范、流程等的具體體現(xiàn)之一。例如電流表的使用中，要求電流正極進(jìn)負(fù)極出以及不能超過(guò)其最大量程，這就是技術(shù)操作規(guī)范的一種。再如，游標(biāo)卡尺的使用，要求學(xué)生先要明確游標(biāo)精度、檢查主尺和游標(biāo)尺的零刻線是否對(duì)齊，用完后需要復(fù)原等，這就是技術(shù)操作流程。而在方案設(shè)計(jì)方面，新版人教版中同樣滲透了技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，例如在牛頓第二定律中讓學(xué)生設(shè)計(jì)“一種在太空中測(cè)量質(zhì)量的方法”。

技術(shù)與社會(huì)，是指技術(shù)對(duì)于社會(huì)各行各業(yè)（制造業(yè)、信息、能源等）以及環(huán)境的影響。例如，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展推動(dòng)了社會(huì)機(jī)械化和電氣化，但是又帶來(lái)了能源的過(guò)渡開(kāi)發(fā)和環(huán)境污染，這個(gè)過(guò)程中要引導(dǎo)學(xué)生辯證的看待技術(shù)發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

3.物理課程下的工程

生產(chǎn)生活中工程知識(shí)基礎(chǔ)許多是來(lái)自物理的核心概念和規(guī)律。參考NGSS中相關(guān)“科學(xué)與工程實(shí)踐”方面的闡述，課題研究中將工程分為工程意識(shí)和工程實(shí)踐兩個(gè)方面。

工程意識(shí)，包括生產(chǎn)生活中工程學(xué)成果、原理等，細(xì)化分為系統(tǒng)意識(shí)、質(zhì)量意識(shí)、環(huán)保意識(shí)、安全責(zé)任意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)等。T J Moore等學(xué)者認(rèn)為，基于生活問(wèn)題的工程設(shè)計(jì)在STEM教育中應(yīng)理解為學(xué)習(xí)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(guī)律的探究，在教授的過(guò)程中都強(qiáng)調(diào)注重真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，而真實(shí)工程情境的浸入，亦是促進(jìn)學(xué)生增強(qiáng)工程意識(shí)的常用方法之一。例如在講“電磁感應(yīng)”的時(shí)候，用“射電望遠(yuǎn)鏡”作為實(shí)踐例子做導(dǎo)入，用具體的工程讓學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)中初步具有工程意識(shí)。在概念建立后或者規(guī)律探究后亦關(guān)注其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，例如，在講“加速度”的時(shí)候，以城市交通網(wǎng)絡(luò)的形成和發(fā)展作為結(jié)尾，并進(jìn)一步提出“交通工具的速度是不是越快越好？”以此增強(qiáng)安全責(zé)任意識(shí)。

工程實(shí)踐，主要是指運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等知識(shí)對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)解決的過(guò)程。過(guò)程主要包括了“描述工程問(wèn)題”“建?！薄斑\(yùn)用數(shù)學(xué)與計(jì)算思維”“方案設(shè)計(jì)”“方案實(shí)施”“數(shù)據(jù)分析與論證”“方案優(yōu)化”以及“評(píng)價(jià)與交流”等內(nèi)容[6]。

4.物理課程下的數(shù)學(xué)

數(shù)學(xué)作為工具學(xué)科，“數(shù)理不分家”早已成為物理教師的共識(shí)，不管是在物理規(guī)律公式的推導(dǎo)中，還是在具體物理解題中對(duì)“函數(shù)法”“圖象法”等的引入，在物理教學(xué)中處處都能看到“數(shù)學(xué)方法”“數(shù)學(xué)工具”的滲透。數(shù)學(xué)方法早已經(jīng)成為物理學(xué)科教學(xué)和研究中不可或缺的重要部分。參考“STEM金字塔結(jié)構(gòu)框架”在數(shù)學(xué)學(xué)科下的特定內(nèi)容的描述，課題研究中將物理課程下的數(shù)學(xué)理解為“數(shù)據(jù)分析”“測(cè)量方法”“數(shù)學(xué)思維”“推理與證明”等方面的內(nèi)容[7]。

二、物理課程下的STEM“跨學(xué)科概念”

STEM教育在學(xué)界公認(rèn)的內(nèi)涵特征之一是“跨學(xué)科概念”。NGSS中，為了讓學(xué)生理解并建立不同學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)科核心概念之間的關(guān)系，提出了“跨學(xué)科概念”，也就是在不同學(xué)科、不同的學(xué)習(xí)時(shí)間段反復(fù)出現(xiàn)的概念[8]。參考NGSS中提出的7個(gè)跨學(xué)科概念——“模型”“因果關(guān)系”“尺度、比率和數(shù)量”“系統(tǒng)和系統(tǒng)模型”“物質(zhì)和能量”“結(jié)構(gòu)和功能”以及“穩(wěn)定和變化”[9]，結(jié)合普通高中（聚焦NGSS中9-12年）物理課程所涉及的自然科學(xué)領(lǐng)域，做相關(guān)方面的內(nèi)涵理解（如表2），并結(jié)合物理課程所涉及的自然科學(xué)領(lǐng)域給出例子。

三、人教版物理新教材學(xué)科核心概念及跨

學(xué)科概念分布

結(jié)合以上分析，基于STEM“學(xué)科核心概念”和“跨學(xué)科概念”兩個(gè)維度來(lái)構(gòu)建相關(guān)教材“課題研究”欄目分析框架是可行且有意義的。對(duì)新版人教版物理教材在“課題研究”欄目中關(guān)于STEM“學(xué)科核心概念”“跨學(xué)科概念”的分布情況進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3。

“科學(xué)”方面，“課題研究”內(nèi)容均是對(duì)相應(yīng)課程每個(gè)階段所修學(xué)科知識(shí)的遷移應(yīng)用，其科學(xué)（物理及其科學(xué)探究）內(nèi)容達(dá)到100%。作為學(xué)科綜合探究實(shí)踐活動(dòng)，欄目編排在內(nèi)容上注重在科學(xué)探究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生內(nèi)化物理知識(shí)和原理，將學(xué)科知識(shí)遷移到現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象的解釋和問(wèn)題解決中，在具體科學(xué)內(nèi)容的選擇上更聚焦于單一學(xué)科重中之重的核心概念，而這樣也更有助于學(xué)生在一定的單一學(xué)科核心概念基礎(chǔ)上，更好更深入地構(gòu)建跨學(xué)科概念。

“技術(shù)”方面，占比最多的是技術(shù)實(shí)踐，這一結(jié)果離不開(kāi)物理學(xué)科特有的實(shí)驗(yàn)屬性?！罢n題研究”中，除了常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材的使用，更是擴(kuò)展到了生產(chǎn)生活中壓力傳感器、燃?xì)庠畹鹊募夹g(shù)實(shí)踐。技術(shù)知識(shí)占比為66.7%，集中在技術(shù)原理上。較少的是技術(shù)與社會(huì)，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(dú)開(kāi)辟了“STSE”欄目有關(guān)，大部分的“技術(shù)與社會(huì)”都前置在教材章節(jié)中。

“工程”方面，總占比相對(duì)其他三個(gè)學(xué)科是最少，在必修1和選擇性必修1中沒(méi)有體現(xiàn)。在其余四個(gè)“課題研究”中工程意識(shí)和工程實(shí)踐的占比相同，工程意識(shí)注重工程學(xué)成果（性能、原理）的體現(xiàn)，而工程實(shí)踐更多傾向于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)功能優(yōu)化上（節(jié)能、“仿生”工具優(yōu)化等）進(jìn)行問(wèn)題解決，而在“工程設(shè)計(jì)”上略顯不足。其中，由于“科學(xué)探究”和“工程實(shí)踐”二者間有部分共同和相互聯(lián)系的之處[12]，在課題研究中，將涉及共同步驟的“建模”“方案設(shè)計(jì)”“數(shù)據(jù)分析與論證”等未計(jì)入在“工程實(shí)踐”中。

“數(shù)學(xué)”方面，作為科學(xué)研究的常規(guī)工具，數(shù)學(xué)工具的使用幾乎和課題研究分不開(kāi)，在6冊(cè)的教材“課題研究”中，都充分使用了各種的數(shù)學(xué)工具、數(shù)學(xué)思維等。

2.跨學(xué)科概念分布

針對(duì)在NGSS中強(qiáng)調(diào)的7個(gè)跨學(xué)科概念，新版人教版必修和選擇性必修6冊(cè)教材中的“課題研究”中跨學(xué)科概念的整體分布如圖1所示?？梢钥闯鰴谀吭O(shè)計(jì)在聚焦科學(xué)本質(zhì)和學(xué)科核心概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合物理學(xué)科特有的屬性，對(duì)跨學(xué)科概念進(jìn)行了有效的融合。其中模型、尺度比率和數(shù)量、物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)和功能、以及穩(wěn)定與變化的分布較為平衡，較少的是因果關(guān)系以及系統(tǒng)和系統(tǒng)模型。而這一結(jié)果也與高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一致的。對(duì)于因果關(guān)系，欄目文本中基本都有涉及相關(guān)科學(xué)解釋和推理論證，因此在研究中這類(lèi)未計(jì)入因果關(guān)系中。

值得指出的是，在教材文本描述中沒(méi)有對(duì)其中所使用的跨學(xué)科概念進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)調(diào)說(shuō)明或者進(jìn)行問(wèn)題聯(lián)系，而大部分學(xué)生也不會(huì)自發(fā)的在不同學(xué)科、不同的時(shí)段對(duì)共有的相關(guān)概念產(chǎn)生聯(lián)系。因此在“課題研究”過(guò)程中，需要學(xué)科教師在完善自身相關(guān)“跨學(xué)科概念”的理解之上，也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生相關(guān)概念理解的引導(dǎo)，厘清物理學(xué)科研究的方式方法在其他學(xué)科上的應(yīng)用，橫向鏈接學(xué)科間的核心概念，提升學(xué)生跨學(xué)科思維品質(zhì)。

四、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)如今，如何將碎片化的知識(shí)進(jìn)行整合并遷移到現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解決中已經(jīng)成為“知識(shí)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(huì)學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考和研究”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步給出相關(guān)系列開(kāi)放選題，引導(dǎo)學(xué)生在模仿的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步通過(guò)小組活動(dòng)“提出問(wèn)題、分析問(wèn)題”“建立模型”“方案設(shè)計(jì)與實(shí)施”“數(shù)據(jù)分析與論證”“方案優(yōu)化”等系列研究步驟，調(diào)動(dòng)學(xué)生STEM領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行遷移和應(yīng)用，在過(guò)程中落地學(xué)生核心素養(yǎng)的培育。

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

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