中美科學教科書中科學史內容的比較研究

王健 張前進

摘 要：科學史融入科學教科書有助于學生對科學的理解。此研究從科學史內容的呈現方式、類型和維度分布三個方面對中國和美國的三套高中生物學教科書中關于“分子與細胞”的內容做了分析。結果顯示，我國教科書中科學史單元的比例和每頁平均科學史單元數目都高于美國。在呈現方式方面，中美教科書中科學史單元大都出現在正文中。在類型方面，美國教科書四種類型的比重相對均衡，而中國教科書以描述科學家的生平、性格或愛好的類型為主。在維度分布方面，美國教科書分布較為均衡，我國教科書在三個維度的分布比例不均衡，過于注重科學知識的傳授，而科學探究和科學情境的比例偏低。在教科書修訂時可適當調整三個維度的比重，以更好地從不同角度詮釋科學。

關鍵詞：科學史；教科書；核心素養

中圖分類號：G40-09 文獻標識碼：A 文章編號：1671-6124（2016）02-0045-06

在科學教育中，科學史是一種重要的課程資源，具有重要的教育價值。許多國家將科學史內容融入到科學課程和教科書中 [1 ]。本研究主要從科學史內容的視角分析我國和美國高中生物學教科書中“分子與細胞”部分內容，探討中美高中生物學教科書在科學史內容呈現方式、類型和維度分布等方面的特點和差異，以期為我國教科書編寫和修訂提供參考。

一、教科書中科學史內容的類型及呈現方式

在分析教科書中的科學史內容時，首先要確定最基本的分析單元，本研究以一個完整的自然段落或意群作為一個分析單元。

1. 科學史分析單元的判定標準

在教科書中，科學史內容常常與科學家的事跡或工作緊密相連，在判定相關內容是否屬于科學史分析單元時，根據是否出現科學家的姓名確定了如下四項標準，只要符合其中一項，即可判定為科學史分析單元 [3 ]。

標準1：包含科學家的姓名，并且至少同時包含以下信息中的一條。

（1）科學家生活的年代，或者科學理論或模型等的提出時間；（2）對科學家生活時代的描述，或者對其朋友同行的描述；（3）科學家國籍、職業或職位；（4）對科學家的貢獻、發明或出版物等的描述；（5）描述科學家研究過程的行為動詞，如提出、觀察、猜測、發現等；（6）科學家投入研究事業的時間；（7）科學研究發生的地點；（8）科學家的語錄或者書信；（9）科學家或科學研究相關的圖片；（10）科學家的故事或傳記；（11）科學家的性格、獎項與榮譽。

標準2：不包含科學家姓名，但相應的內容描述歷史上的一個科學觀點、理論或概念的發展過程或影響（意義），不同觀點間的相互作用，面臨的科學挑戰，起主導作用的科學觀點等。

標準3：不包含科學家姓名，但相應的內容描述一個科學術語被科學家、公眾、社會或政府命名、接受、廣為人知或應用的過程。

標準4：不包含科學家姓名，但相應的內容描述一個科學實驗、儀器或工具（技術），描述其在科學發展過程中的應用或在科學歷史上的作用。

2. 科學史分析單元的類型

根據以上科學史單元的判定標準，及其呈現的內容特性，可以將科學史單元分為以下四種類型。

類型Ⅰ：描述科學家的生平、性格、愛好等；

類型Ⅱ：描述科學想法、發現、發明、理論或概念的發展過程或其影響；

類型Ⅲ：描述科學術語的命名過程或被公眾接受的過程；

類型Ⅳ：描述科學實驗的裝置或原理。

3. 科學史分析單元的呈現方式

教科書在版塊構成方面，除了最重要的正文版塊外，通常還包括多個輔助版塊或欄目，如“科學家的故事”“資料分析”等。在內容的呈現方式方面，除了文字，還包括圖片、表格等形式。根據科學史分析單元在教科書中出現的位置以及內容構成要素，可以分為六種呈現方式（表1）。

二、教科書中科學史內容的分析維度

將科學史融入到科學課程中，能夠促進學生的概念建構和對科學本質的理解，改進他們對科學的學習興趣和態度，同時還能拓寬學生的視野，并促進學生對科學與人文交流的理解 [2 ]。基于此，在分析教科書中的科學史內容時，可以從三個維度（表2）進行解讀：對科學知識的理解、對科學探究的理解和對科學情境的理解 [3 ]。

三、教科書樣本的選擇

在選擇教科書樣本時，共選擇了三套高中生物學教科書。中國的兩套《生物》教科書是依據我國《普通高中生物課程標準（實驗）》編寫的，美國的一套《生物》教科書是依據《美國國家科學教育標準》編寫的。這些教科書在兩國的用量相對較廣，具有一定的代表性。教科書的基本信息如表3所示。

四、研究結果

1. 中國教科書中科學史內容所占的比例高于美國教科書

根據科學史單元的判定標準對教科書中的分析單元進行分析，統計科學史單元的數目，并計算其所占的比例，以及每頁教科書中的平均科學史單元數目，結果如表4所示。

根據表4可以看出，在科學史單元所占比例方面，最高的是人教版，為15.6%，浙科版和美版比例接近，人教版遠高于另外兩個版本。從總體上看，中國的兩個版本中科學史單元所占的比例平均為13.2%，高于美國教科書（8.7%）。在每頁教科書中平均的科學史單元數量方面，最高的仍為人教版（0.55個/頁），其次為美版和浙科版。從總體上看，中國教科書中平均每頁的科學史單元數目為0.42個/頁，高于美國教科書。由此可以看出，中國高中生物學教科書中“分子與細胞”部分比美國教科書更重視科學史的滲透和教育，符合我國《普通高中生物課程標準（實驗）》的要求——注重生物科學史的學習 [4 ]。

從科學史分析單元所分布的內容主題來看，兩國教科書中的科學史內容主要分布在細胞學說、細胞膜結構模型、光合作用等重要內容主題中，對于幫助學生理解重要概念，并掌握科學研究方法具有重要教學價值。

2. 中國教科書中科學史內容在正文和特定欄目中的比例約各占一半，而美國教科書中的科學史內容主要分布在正文中

通過對各版本教科書中科學史內容呈現方式的分析，結果如圖1所示。

根據圖1可以看出，人教版教科書中科學史內容的呈現方式涵蓋了所有6種方式，其中分布在正文（T或T+F）中的科學史內容約占40%，分布在特定版塊或欄目（B和B+F）中的科學史內容約占56%，后者高于前者，這與人教版教科書中版塊或欄目的類型多有很大的關系。在正文中出現的科學史大都是與學科重要概念直接相關的內容，例如與光合作用、細胞膜結構模型、細胞學說等相關的科學史研究素材。而在其他欄目中涉及的科學史內容大都屬于拓展閱讀性質的材料，可以拓展學生對相關科學史的了解，以及提升學生的學習興趣。如“科學史話”欄目中“世界上第一個人工合成蛋白質的誕生”，“資料分析”欄目中的“關于酶本質的探索”，“科學家的故事”欄目中的“細胞世界探微三例”，“科學前沿”欄目中的“國際人類蛋白質組計劃”等。

浙科版只有3種呈現方式，正文中約占58%，特定版塊或欄目中的占42%。與人教版不同的是，科學史的內容比例明顯偏低，許多重要的科學史內容在教科書中未提及，如細胞膜結構模型的提出過程，還有一些科學史內容沒有出現在正文中，而是出現在“小資料”或“課外讀”等欄目中，如關于光合作用的研究歷史等。

對于美版教科書來講，科學史內容的呈現方式主要涉及4種，以正文文字（T）和旁注或腳注（S/F）為主，不包括正文圖文配合（T+F）、特定版塊或欄目圖文配合（B+F）兩種形式。雖然美版的教科書欄目較多，但教科書從編寫體例上來講更加注重對學生實驗探究能力的培養，在素材的選擇方面，更多地以知識性描述和實驗活動形式呈現。所以，一些重要的科學史內容并未出現在教科書中，如光合作用和細胞膜結構模型等內容均未涉及科學史的內容。這一點與浙科版教科書非常相似。

通過中美比較，兩國教科書中科學史內容的呈現方式都以正文為主，約占一半，美國（55%）略高于中國（46%）。這與教科書的編排方式和體例是一致的，即正文是教科書的主體內容。

3. 中美教科書中的科學史內容都涵蓋了四種類型，美國教科書各類型比例相對均衡，而中國教科書中反映關于科學術語命名或被公眾接受過程的科學史比例偏低

教科書中的科學史內容共分為四種類型，不同的類型具有不同的教育價值。類型Ⅰ是對科學家生平、性格、愛好等方面的描述，能夠幫助學生了解科學家與普通人并無二致，只是從事的職業不同，同時也能夠提高學生的學習興趣。類型Ⅱ主要是描述科學想法、發現、發明、理論或概念的發展過程或其影響，這是科學發展史的核心所在，能夠幫助學生逐漸構建關于科學概念或理論的認識和理解。類型Ⅲ是關于科學術語的命名過程或被公眾接受的過程，能夠幫助學生理解科學知識的傳播過程可能會受到諸多因素的限制，從而使其更好地理解科學與社會、人文等之間的關系。類型Ⅳ主要是關于科學實驗裝置或原理的描述，能夠幫助學生理解科學研究的過程，以及科學與技術之間的關系。

通過對三套教科書中科學史單元的類型進行分析，結果如圖2所示。

根據圖2可以看出，人教版教科書中有一半科學史單元是描述科學家生平、性格或愛好的（類型I），其次為描述科學想法、理論或概念等的發展過程或其影響（類型II，占1/4），所占比例最少的是描述科學術語的命名過程或被公眾接受的過程（類型III），只占6%。浙科版教科書與人教版中科學史單元的類型特點比較相似，只是類型I和IV的比例接近，都占1/3略多。

從中美教科書的比較來看，科學史單元的類型分布方面存在較明顯的差異。中國教科書中科學史單元的類型以類型I為主，約占一半；類型II和類型IV比例相當，各約占1/4；比例最少的為類型III，僅為6%。這說明我國的教科書在科學史內容的類型方面，更加強調讓學生了解科學家的生平等個人信息，注重通過科學史激發學生的學習興趣。但是，對于科學術語或理論的被認可過程描述相對較少，影響了學生對科學發展過程的全面了解。

在美國教科書中，類型I和IV的比例比中國教科書都有所下降，而類型III的比例（36%）則明顯高于中國教科書，更強調科學術語的命名和被認可的過程。由此可以看出，相對中國教科書而言，美國教科書中科學史單元的類型分布更為均衡，有助于發揮科學史的多重教育功能。

由于科學史不同于一般的歷史材料，在科學教育中具有多重作用，所以教科書中的科學史內容不僅僅是呈現科學家的傳記（類型I）和科學想法、概念或原理的發展過程（類型II），還應充分體現其區別于其他歷史材料的特點——科學本質和科學探究（類型IV）。此外，還應特別注意體現科學術語的命名過程或被認可的過程，這是我國教科書在融入科學史內容時需要進一步加強的一個方面，盡量做到不同類型的科學史材料之間保持一定的均衡性，從而更有利于發揮科學史教育的多重價值。

4. 中國教科書中的科學史內容更注重科學知識的傳授，而美國教科書則同時注重科學知識、科學探究和科學情境的均衡體現

根據科學史內容的分析框架，對三套教科書中的科學史單元劃分為科學史、科學探究和科學情境三類，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，浙科版與美版教科書中科學史內容的維度分布比例非常接近，較為均衡。不僅讓學生從科學史內容中習得科學知識，而且還能幫助學生理解科學研究的方法和歷程，以及影響科學研究的諸多因素（社會因素，科研人員的心理因素等），從而幫助學生全方位地綜合理解科學的本質，對于提高學生的科學素養起到催化劑的作用。

人教版教科書中科學史單元在科學知識維度的分布比例最大，占71%，科學探究和科學情境維度的分布比例分別為17%和12%。由此可以看出，中國的教科書更注重通過科學史呈現科學知識，而對科學探究和科學情境的重視程度不夠，反映出教材編寫者在科學史素材教育價值的知識本位思想，這也是在課程和教學中應該警惕的環節。

從中美的比較來看，我國教科書的科學史內容在科學知識維度的分布比例為62%，其次為科學探究和科學情境。而美國教科書在三個維度上的分布相對均衡。這說明我國教科書非常重視通過科學史媒介，幫助學生學習相關的科學知識。

從科學史內容的維度分布比例來看，我國的教科書更加注重強調其體現科學知識的屬性，對于科學探究和科學情境的體現不足。而美國教科書中這三個維度的比例分布相對均衡。但是這并非意味著三個維度的比重各占1/3，科學知識是科學素養的基礎，這一維度所占的比重可能會高于另外兩個維度。這一觀點與教科書中科學素養四個主題的比重有類似之處 [5 ]。

從科學史服務于教科書的角度來看，科學知識的傳授是第一位的，也是最容易做到的，但是要讓學生更好地理解科學本質，僅僅了解科學知識是不夠的，他們還應理解這些科學知識是如何提出和不斷發展的（科學探究，動態性），以及這些科學知識是在何種背景下被提出和得以不斷發展的。因此，這三個維度分布均衡時，才能更好地幫助學生理解科學是如何運作的，從而更好地構建相關的科學概念，有效地達到科學教育的三維目標。

五、討論及啟示

1. 教科書中科學史內容的分析維度與學科核心素養保持一致，符合當前課改的理念和要求

當前的基礎教育課程改革提出了學科核心素養，將其作為課程的DNA。學生的核心素養涉及學生知識、技能、情感態度價值觀等多方面的要求，是個體能夠適應未來社會、促進終身學習、實現全面發展的基本保障。這些素養不僅能夠促進個體發展，同時有助于形成運作良好的社會 [6 ]。對于生物學科來講，其核心素養主要包括生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任等四方面。

生命觀念是學生應該在較好地理解了生物學概念性知識的基礎上形成的學科認識，如結構與功能觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀、物質與能量觀等，并能夠運用這些觀念認識生命世界、解釋生命現象。在教科書科學史內容的分析框架中，科學知識這一維度包括重要的科學概念、原理、理論或學說，它們都是形成生命觀念的重要基礎。換句話說，生命觀念是科學知識的進一步升華。

理性思維是一種科學思維方式，要求學生能夠運用歸納與概括、演繹與推力、模型與建模、批判性思維等方法探討生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。而科學探究則要求學生能夠發現現實世界中的生命科學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、設計實驗、實施方案以及結果的交流與討論。而在教科書科學史內容的分析框架中，科學探究這一維度既涉及認知層面的科學思維習慣，又涉及實踐層面的探究技能。由此可以看出，教科書科學史內容分析框架的科學探究維度與生物學科的理性思維和科學探究這兩項核心素養高度一致。

社會責任是指基于生物學的認識參與個人與社會事物的討論，作出理性解釋和判斷，嘗試解決生產生活中的生物學問題。而學生在學習過程中，首先要理解科學研究的影響因素，包括科學家的個人心理素質、經濟和社會發展、技術等，在此基礎上才能形成對科學研究的情境認知，這對其進行社會決策和行使社會責任都將產生直接的影響。因此，學生對科學情境的理解是發展其社會責任這一核心素養的前提和基礎。

基于以上分析可以看出，本研究中提出的科學知識、科學探究和科學情境三個維度的教科書科學史內容分析框架與生物學科的四個核心素養是高度一致的，因此，分析框架符合當前基礎教育課程改革的理念和要求。

2. 教科書科學史內容的選擇應服務于培養學生的學科核心素養

作為重要課程資源形式的教科書來講，其中的科學史內容也應該承擔培養學生學科核心素養的任務。那么，在科學史素材的選擇方面，應該體現學科核心素養的各個維度。

不同的科學史內容承載的學科核心素養任務不同。對于涉及重要概念的科學史內容，通常能夠落實生命觀念的核心素養，這些內容是教學的重點內容，應該呈現在正文中。例如，關于細胞學說建立過程的科學史素材，重點闡明細胞學說是如何逐步被提出的，有助于幫助學生掌握細胞學說的觀點，并最終促進學生關于結構與功能觀這一生命觀念。通過對中國浙科版、中國人教版和美國版高中生物教科書相應內容的比較分析，可以發現關于細胞學說的科學史材料都呈現在正文中，這為上述觀點提供了充足的證據支持。

有些科學史內容從科學知識的角度來看，并不是教學重點，但是可以拓展學生的視野，幫助學生理解科學家的形象，進而使其理解科學家所從事的職業特點，最終幫助學生將來作出職業判定和選擇，從這一點上來看，這些科學史素材可以培養學生的社會責任這一核心素養。例如，人教版的教科書中在“細胞器——系統內的分工合作”一節內容的最后安排了一個欄目“科學家的故事”，其主題為“細胞世界探微三例”，主要介紹科學家在研究細胞時的一些經歷，幫助學生了解科學家的相關工作，進而為他們將來的職業選擇奠定基礎。

3. 教科書中科學史內容的選擇需服務于學生將來的職業選擇

學生對科學家的認識存在刻板印象，例如他們認為科學家大多是白種人，身著白色實驗服，整天在實驗室工作，他們身邊圍繞許多實驗器材，而且工作具有一定的危險性 [7 ]。因此，在將來的職業選擇時，由于對科學事業的認同度低，同時對科學家形象的認識存在偏差，導致他們不愿意選擇科學家這一職業。在諸多影響因素中，教科書是其中之一。

科學史內容承載著多重教育功能，由于科學史內容本身就是介紹科學家的相關工作，科學家是科學史的核心人物主體，因此科學史將擔負著向讀者傳達真實科學家形象的使命。在選擇科學史素材時，應充分展示科學家作為普通人和專業研究人員的雙面形象，從而幫助學生正確地認識科學家這一職業，并進一步為其將來的職業選擇奠定基礎。

教科書中科學史內容的設計決定了科學教育向學生傳達何種關于科學、科學家和科學實踐活動的形象。為了更好地發揮科學史的作用，促進學生對科學知識、科學探究和科學情境的多重理解，教科書中科學史內容的選擇及其呈現和組織方式都應該以提高學生的學科核心素養作為關鍵目標，既能充分體現基礎教育課程改革的理念和最新趨勢，同時也能為新課程的有效實施提供有利的資源保障。

參考文獻：

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[6]辛 濤，姜 宇，劉 霞.我國義務教育階段學生核心素養模型的構建[J].北京師范大學學報（社會科學版），2013 （1）：5-11.

[7]Schibeci R. Student images of scientists：what are they？ do they matter？[J].Teaching Science，2006（2）：12-16.

Abstract：History of science（HOS）is helpful for students to understand science. In this study，the topic of "molecular and cell" in three high school biology textbooks from China and USA were selected as samples to analyze the representation of history of science with respect to format，presentation styles and dimension. Results indicate that： （a） Both the HOS unit percentage and the average number of HOS unit per page of Chinese biology textbook are higher than those of the United States.（b）In terms of presentation，the history of science elements is most likely to be in the Main Text style for all three high school biology textbooks.（c）The percentages of four HOS presentations styles of American textbook are more balanced than that of Chinese.（d）HOS units in every textbook examined devoted more attention to the conceptual domain than to other two domains.

Key words：history of science；textbook；key competencies