美國中學科學教科書中科學本質觀的實證研究

辛文逸 郭桂周 唐釩淞

摘 要：科學本質教學是科學教育的重要目標?？茖W教科書作為科學教學的核心課程資源，對教師的課堂教學和學生科學本質觀的形成發揮著重要作用。本文應用內容分析法對美國《科學入門》教科書中科學本質觀的分析表明，該教科書呈現了較為完整的科學本質觀;突出科學的實證性、暫定性與發展性;為科學劃界，區分科學與非科學;顯性呈現關于科學與技術的關系;注重體現社會文化對科學的影響;所呈現的科學觀是實踐優位的。該教科書呈現的科學本質觀能夠為我國理科教科書編寫提供多方面的啟示。

關鍵詞：科學本質;科學教科書;內容分析;實踐優位

中圖分類號：G40-03 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7615（2020）02-0118-07

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2020.02.019

Abstract：The teaching of the nature of science is an important goal of science education. Science textbooks， as the core curriculum resources of science teaching， play an important role in the classroom teaching of teachers and the formation of students views on the nature of science. By the method of the content analysis， the analysis of the concept of the nature of science in the textbook ABCs of Science in the United States shows that the textbook presents a rather complete view of the nature of science; highlights the empirical， tentative， and developmental nature of science; delimits and distinguishes science and non-science; presents of the relationship between science and technology in an explicit way; focus on reflecting the impact of social culture on science;presents the scientific outlook which put practice in a superior position. The view of ?the nature of science presented in this textbook is able to provide a variety of inspirations for the compilation of science textbooks in China.

Key words：the nature of science; science textbooks; content analysis; practice as priority

科學本質也就是對“科學是什么”的回答。J.Osborne等學者早在2003年就指出，科學本質教學是科學教育的核心目標[1]。同時，世界各國均將“提升學生對科學本質的理解”作為科學教育的重要內容[2]。我國小學科學和中學理科課程同樣注重在科學教學中培養學生的科學本質觀，如我國最新頒布的《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出，要通過高中物理學習使學生“能正確認識科學的本質”。

科學教科書作為科學教育的核心課程資源，在中小學生科學素養的培養和科學本質觀的形成中發揮著重要的作用。“科學教科書究竟呈現了什么樣的科學本質觀”，這是一個有待探究的重要課題。本文即以美國中學科學教科書《科學入門（ABCs of Science）》為例展開研究，認識美國中學科學教科書中科學本質呈現的內容、特征及存在問題，進而為我國理科課程改革和教科書的編寫提供一定的啟示。

一、研究樣本、方法與框架

（一）研究樣本

本研究選擇美國初中核心理科教科書Introduction to Physical Science，Earth Science，Life Science中的《科學入門》。該教科書是由麥格勞·希爾（MacGraw-Hill）出版公司出版的一套初中科學教科書。該套教科書由浙江科學技術出版社于2011年在我國翻譯出版，共分15本，其中生命科學5本，物質科學5本，地球科學4本，《科學入門》1本。《科學入門》共分為兩章：第一章“科學的本質”側重于使學生從宏觀角度認識科學;第二章“測量法”側重于介紹一些科學研究中的必備知識，包括測量法、國際單位制和圖表等。

第一章“科學的本質”包括“什么是科學”“科學事業”“科學實踐”“科學中的模型”“評價科學解釋”五部分內容。這一章即是本研究的目標對象。

（二）研究方法

采用內容分析法。我國臺灣學者歐用生指出，內容分析法是以客觀及系統化的態度，對文件內容進行分類、統計、分析，以計量方法推論產生該項文件內容的環境背景及意義，是傳統教科書研究最常使用的研究方法[3]。在研究過程中，首先根據語義對研究樣本中與科學本質有關的語句進行掃描、抽取并編碼，之后將這些與科學本質有關的語句根據科學本質分析檢查表（如表1）進行歸類。通過對科學本質檢查表“有哪些內容，沒有哪些內容;哪些內容多，哪些內容少”等維度進行頻次統計，從總體上檢視教科書編寫者對科學本質的呈現意圖。在此基礎上，結合教科書中的內容對科學本質各維度進行微觀分析，從而進一步揭示該教科書呈現的具體的科學本質。

這一過程由3位研究者分別獨立進行后，通過研究者內容歸類的一致性（94.8%）保證研究的信度。

（三）研究框架

選擇韓國學者Lee Young Hee等建構的“基于科學素養四主題的科學本質框架”[4]。該框架將“科學本質”分級為“科學知識的本質”“科學探究的本質”“科學思維的本質”和“科學、技術與社會（STS）交互作用的本質”4個一級維度，進而又將這4個維度分解為18項可操作的二級維度（如表1）。該框架較為科學、全面、簡潔，可操作性強，并且經過檢驗具有較好的效度。

二、研究結果與分析

（一）內容歸類與宏觀分析

首先對教科書樣本，也就是“第一章 科學的本質”以及與科學本質有關的話語進行掃描，根據所表達的語義分別進行提?。ㄈ缫痪湓挶磉_了不止一個方面的含義則分別進行提?。⑦M行編碼。之后將這些與科學本質有關的話語分別歸入到科學本質觀二級維度下（如表2）。

由表1可知，《科學入門》呈現了較為完整、全面的科學本質觀，但科學本質的四個方面又有所側重：“與科學知識的本質”有關的內容占了24.1%，與“科學探究的本質”有關的內容占了31.0%，與“科學思維的本質”有關的內容占了12.1%，與“科學、技術與社會（STS）交互作用的本質”有關的內容占了32.8%。從總體上看，該教科書更加注重呈現“科學、技術與社會（STS）交互作用的本質”。其中，“科學知識解釋并預測自然”“科學知識是暫定性的但又是持久的”“科學基于實證證據”“科學依賴于觀察與推理”和“科學及其方法不能解決社會中的所有問題（科學的限度）”這五個方面出現的頻率均超過6次，占了科學本質觀相關內容的55.9%。也就是說，該教科書更加注重呈現科學本質這五個方面的內容。

（二）微觀分析

1.科學知識的本質

從表2可以看出，該教科書對科學知識本質的呈現主要集中于“科學知識解釋并預測自然”和“科學知識是暫定性的但又是持久的”這兩個方面。其中，在“科學知識解釋并預測自然”的相關文本中，有4次涉及到科學知識解釋自然，有3次涉及到科學知識預測自然。也就是說，對于科學知識對自然的解釋功能和預測功能，教科書的呈現是比較均衡的。教科書中與“科學知識是暫定性的但又是持久的”相關內容出現了6次。通過對這些話語文本的分析可以發現，教科書主要傾向于呈現科學知識的暫定性，如“當出現可以利用的新資料時，過去的解釋可以被修正或摒棄，或者重新構想出新的、更合理的解釋”。

該教科書中，與“科學以事實、概念、原理與定律等形式組成學科”相關的內容出現了1次，主要表明科學主要由生命科學、地球科學和物質科學三個分支組成，但對科學事實、概念、規律與定律等幾乎沒有涉及。

2.科學探究的本質

對于科學探究的本質，教科書主要呈現了“科學基于實證證據”和“科學依賴于觀察與推理”這兩個方面的內容。“科學基于實證證據”相關的內容主要是向學習者表明，科學知識必須經過大量的（如“這些科學知識來自大量觀察和實驗的結果”）、不同科學家（如“多個科學家重復一項實驗并得到相同的結果，數據才能被認為是可靠的”）的重復實驗證實，才能成為科學知識或者科學定律。

教科書中，與“科學依賴于觀察與推理”相關的內容中，均強調了科學觀察在科學研究中的重要地位，科學推理僅出現1次。由此可見，該教科書主要強調觀察在科學研究中的重要意義。在科學研究中，科學觀察往往是科學研究的起點，但科學推理同樣發揮著重要作用，沒有科學推理，科學觀察僅僅停留在經驗層面，還不能成其為科學理論。

對于科學方法，教科書認為科學研究不僅有一種方法（“在研究某個問題時雖然有很多不同的科學方法……”），同時指出了觀察預測、調查、研究、建模、測量、分析和推斷等在科學研究中的重要意義。

對于實驗之于檢驗科學思想的重要作用，教科書認為，實驗獲得的數據可能導致科學理論的變化或者完善，并用惠普爾博士對哈雷彗星的預測來證明這一觀點（“所有這些觀察和數據都支持了惠普爾博士最初的假設，有了這些觀察結果的支持，惠普爾博士的假設成為了一個被人們所接受的科學理論”）。

3.科學思維的本質

關于科學思維的本質，教科書對其4個維度均有所涉及，不僅指出了科學推理和想象力在科學研究中的重要作用，同時也認為科學知識并不是絕對客觀的。教科書還試圖避免偏見（“在進行科學實驗時，必須保證你設計的實驗是用于客觀的驗證假設的，否則，你的個人偏好將會影響實驗結果”），認為科學并不是靜態的知識體系，而是歷史發展的，并且強調了批判性思維對于科學研究的重要價值（“雖然科學家對他們的問題并不總是能找到答案，但他們在研究中多采用批判性思維”）。

4.科學技術與社會（STS）交互作用的本質

對于“科學技術與社會（STS）交互作用的本質”，教科書主要向學習者呈現的主題是“科學方法并不能解決所有問題”以及“科學能應用于社會”。在前一個主題，教科書主要呈現了如下觀點：科學解釋的問題必須“有可觀察的、可測量的和可測試的變量”，并且“科學并沒有解釋宇宙中的所有問題和疑團”。同時文學藝術、政治、個人喜好、道德或者信仰的問題，科學很難或者根本不能給出答案。這里其實涉及到一個科學劃界的問題，即什么是科學，哪些不是科學。

而科學之于社會的應用，教科書指出，科學方法不僅有助于解決日常生活問題，并且其與職業有關的問題能夠幫助我們發現對人類有意義的事物。同時，教科書用李森科的例子指出了錯誤的科學知識和觀念可能會對人類帶來嚴重的負面影響。

對于科學與技術的相互關系，教科書認為，技術就是應用科學（“技術是科學發現在實際中的應用”“技術是科學知識應用于解決日常問題的產物”），但技術又推動著科學的發展（“科學設備及實驗方法的改進使科學知識不斷積累，從而推動科學的發展”）。需要指出的是，將技術僅僅看作是應用科學的觀點是片面的，科學與技術實際上是既相互獨立又相互作用的共同體。

教科書主要是通過科學家的學術交流活動體現科學的社會復雜性，包括發表文章、出席會議等。教科書通過李森科的例子證明社會文化對科學的影響，同時也用圖片形式肯定了團隊合作在科學研究中的重要意義。

三、《科學入門》中科學本質觀的主要特征

（一）呈現了較為完整的科學本質觀

教科書對科學知識、科學探究、科學思維、科學技術與社會的交互作用這四個方面的本質均有所涉及，并且每一部分所占比例均在10%上，雖然各個維度出現頻次存在一定差異，但從總體上來說為學習者呈現了完整的、全面的科學本質。這樣有助于學習者通過學習形成完整的科學本質圖景，也就是說，能夠使學生對科學知識、科學探究、科學思維和科學技術與社會的交互作用的本質都有一定的認識及把握。

（二）突出科學的實證性、暫定性與發展性

實證性是近代自然科學的核心特征之一。實證即利用實驗的方法對科學理論、假設進行證實或者證偽。科學的暫定性和發展性是緊密相連的，科學知識并不是永恒不變的真理，科學知識是歷史發展的，科學知識是業已被證明為真的或者說還沒有被證偽的理論、學說。可以說，科學的實證性和發展性是科學的核心特征。傳統的科學認識論將科學看作真理的化身，已經被證實的、廣泛認可的科學知識即是科學真理，因此，傳統科學課程所呈現的即是系統化的科學知識。但這種科學認識論忽視了科學的發展性和動態性，易造成靜態的科學本質觀和科學發展觀?！犊茖W入門》突出科學的實證性、暫定性和發展性，有助于學生認識科學的核心特征及其動態發展本質。

（三）為科學劃界，區分科學與非科學

《科學入門》不僅注重從內涵的角度呈現科學本質，而且注重從劃界的角度呈現科學本質，即哪些屬于科學的范疇，哪些不屬于科學的范疇，通過限定科學的范疇使學習者認識科學的內在規定性。不僅如此，該教科書還對科學的功能與價值進行了限定，即科學并不是萬能的，科學并不能解決所有問題，只有那些涉及“可觀察的、可測量的和可測試的變量”的問題才屬于科學的范疇，而有關藝術、政治、信仰、個人喜好或者道德的問題，“科學很難給出答案，科學不能告訴你什么是對的，什么是錯的，什么是好的，什么是壞的”。也就是說，藝術、政治、信仰、個人愛好或者道德等方面的問題均不屬于科學的范疇，并且，即使屬于科學范疇內的問題，科學也并不總能給出完美的解決方案，“科學并沒有解釋宇宙中的所有問題和疑團”。

（四）顯性呈現科學與技術的關系

認識科學與技術、社會、環境（STSE）的關系是科學素養的重要組成部分。但科學與技術之間是一種什么樣的關系，一直都是課程標準或者理科教科書較少討論的重要議題。中國的理科課程標準或者教科書一般將科學與技術連用或者混用（“科學技術”或者簡稱“科技”），但這種處理方式模糊了科學與技術的區別，是一種“科學—技術”一體化模型，這種模型不區分科學與技術，正如我國著名物理學家吳大猷早在上世紀80年代就指出的那樣：“我們通常將基礎科學、應用科學和技術三者，籠統地用‘科技兩字概括起來，其實這個簡稱，它導致了社會上很多人對科學和技術的混淆了解和因此而來的政策和措施上的偏差。”[5]由此可見，區分科學與技術，認識科學與技術的復雜關系，無論在認識上還是實踐中都具有重要的價值?！犊茖W入門》用一個版塊專門呈現科學與技術的關系，雖然對于科學與技術的關系的認識存在不足，但對于我們仍具有重要的借鑒意義。

（五）體現社會文化對科學的影響

科學植根于一定的社會文化中。社會文化包括自由的思想、理性的精神和民主的氛圍等，對于近代自然科學的起源與發展起到了重要作用，這一點已經被公認?！犊茖W入門》用前蘇聯科學家李森科的例子，一方面表明錯誤的科學知識和觀念可能會對人類帶來嚴重的后果，同時也表明社會文化同樣會對科學的發展帶來影響，這種影響可能是正面的也可能是負面的，即社會文化可能會促進也可能會阻礙科學的良性發展，而科學的發展又會反作用于社會文化。

（六）實踐優位的價值取向

在傳統科學看來，科學是某種表征體系，其目的在于精確地描述世界，因而是理論優位的。實驗受到理論支配與指導，實驗是為理論服務的。然而，這種傳統科學觀的根本錯誤在于忽視了科學實踐的作用與意義，很大程度上忘記了科學研究實質上是一種實踐活動[6]。以往的科學教科書即以這種科學觀作為指導，所呈現的是系統化的科學知識。而科學實踐哲學更加關注科學的實踐性、活動性、動態性和與境性，并且科學實踐哲學認為科學知識及其活動都是地方性的，科學知識的普遍化不過是從一個地方轉移到另外一個地方。這種實踐優位的科學觀促使科學課程從注重靜態的知識呈現到注重動態的活動組織轉向，為科學課程注重探究與實踐、建構本土化的科學課程提供了學理支撐。

（七）肯定邊緣弱勢群體在科學活動中的地位與作用

常識科學觀認為，科學是少數聰明人、男性從事的工作，從而導致女性等弱勢群體對科學的參與度低。在國際科學教育改革中，各國科學課程標準都主張科學要面向全體學生，“不論性別、文化或種族背景，無論身體或智力殘疾與否，不論未來理想或科學興趣”[7]，都要為他們提供合適的科學教育。但女性、有色人種以及處于經濟不利地位的群體在科學教育中仍處于弱勢群體地位?！犊茖W入門》注重肯定女性、非歐洲或者美洲裔在科學活動中的地位與作用：該教科書第一章“科學的本質”中涉及到人物的圖片共26張，其中15張與女性參與科學活動有關。同時，這15張圖片中，有11張是以僅有女性的形式呈現的，有4張呈現了女性與男性合作共同展開科學研究或進行科學學習。這些與女性有關的圖片，不僅呈現了進行科學學習的中學女生，從事科學研究的中老年女性，而且呈現了從事科學研究的青年女性。女性科學家中，不僅有白人女性，而且有黑人女性科學家，從而肯定了女性和有色人種在科學活動中的地位與作用，這對于弱勢邊緣群體的科學學習會產生積極的暗示。

四、對我國理科教科書編寫的啟示

（一）重視科學本質在教科書中的顯性呈現

我國科學教科書主要是通過隱性的方式呈現科學本質，對科學本質顯性呈現的教材非常少，或者說尚沒有意識到編寫科學本質觀教育有關的教科書的重要性，這也是我國科學本質觀教育實踐發展相對落后的原因之一。因此，我們應當廣泛吸收國外相關科學教科書的優點，編寫本土化、科學本質觀顯性化的理科教科書?？茖W本質顯性化的科學教科書有助于青少年更好地認識科學的本質，了解科學與技術、社會的關系，對培養更多、更好的具備科學素養的公民具有重要意義。

（二）動態展示科學與技術的復雜關系

我國的科學課程標準或教科書往往將科學技術合用而不加以區分，很少呈現科學與技術的差異性。如《義務教育初中科學課程標準（2011版）》就指出，學生需要通過科學學習“初步認識科學推動技術進步，技術又促進科學發展的相互關系”“了解科學技術在當代社會經濟發展中的重要作用”[8]。但正如李醒民所指出的那樣：“科學和技術在歷史上的絕大多數時間是分離的，科學大規模地轉化為技術也寥寥可數。況且科學和技術在諸多方面確實有天淵之別。無論是從追求目的、活動取向、思維方式、構成要素還是最終結果來看，科學與技術都存在著巨大差異，只是到了現代，科學才趨于技術化和技術趨于科學化[9]。并且科學與技術之間的關系是歷史發展的，在不同的歷史階段呈現不同的特征。呈現科學與技術的差異與聯系同樣是科學本質觀教育的一部分。我國的科學課程標準和教科書需要加入科學與技術相互區別的課程內容。

（三）加入科學劃界相關的內容

我國理科教科書主要關注系統化科學知識的呈現，對于科學本質的呈現主要是隱性的，同時對科學本質的呈現也主要聚焦于科學對社會的影響以及科學內在的實證性本質等[10]，很少關注科學的劃界問題，即哪些屬于科學的范疇，哪些不屬于科學甚至是偽科學。但與科學劃界有關的知識非常重要：一方面有助于我們更客觀地認識什么是科學，什么不是科學;另一方面有助于破除“科學萬能論”的錯誤觀念，即科學能做什么，哪些是科學無能為力的。因此，我國的理科教科書需要加入科學劃界的內容，并且列舉生活實例，使學生加深對于科學本質的理解。

（四）注重呈現女性在科學活動中的作用

有研究表明，我國理科教科書所呈現的性別文化存在著諸多問題，如中學物理教科書男性出現的頻次明顯比女性出現的頻次高，并且在地位方面女性也處于弱勢地位[11]。而有研究亦表明，我國中學物理教教科書所呈現的是歐洲男性中心主義的科學觀[12]。因此，我國的理科教科書編寫需要關注女性等弱勢群體在教科書中的呈現：首先，要增加女性形象在理科教科書中的比例，包括進行科學學習的女生，從事科學研究的女性科學家，以及參與其他科學活動的女性等;其次，要改善女性在理科教科書中的地位與形象;再次，要關注不同年齡階段女性在教科書中的呈現;最后，要注重多樣化科學活動中女性形象的呈現。

（五）從科學知識向科學實踐轉向

我國以往的理科教科書注重呈現系統化的學科知識，這種教科書編寫方式帶來的負面影響是教師的教學以及學生的學習過于注重靜態、系統化的學科知識，而科學活動的組織和參與較少，科學探究能力比較弱，學生既不知道如何應用科學知識解決現實問題，也無法認識到科學與社會生活及個人發展的聯系?？茖W實踐哲學指出，科學不僅僅是現成的、靜態的知識體系，更是一種認識與探索自然的過程，從而實現了科學哲學的實踐轉向。以此為指導，近年來各國理科課程改革均注重從科學知識向科學實踐轉變。在新課程改革的深化階段，我國的理科課程改革也正在實現這種從科學知識到科學實踐的轉向，這種轉向標志著科學課程從知識取向、理論取向和個體取向向活動取向、實踐取向和社會取向的轉變，不僅能使學生獲得科學知識，并且更加注重培養學生的科學思維能力以及動手操作、合作探究的能力。

參考文獻：

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（責任編輯：鐘昭會）