新舊版本物理教科書中HPS內容的比較研究
——以人教版普通高中物理必修1為例

何雨澤 周少娜

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

20世紀80年代末,以美國為首的西方國家相繼推行HPS教育,目的是讓學生通過學習科學史、科學哲學、科學社會學(History,Philosophy & Sociology of Science,HPS)來促進科學教育.[1]而我國也逐漸重視HPS教育. 特別是,2017年版普通高中物理課程標準中,物理教學目標從“三維目標”轉向了物理學科核心素養,物理學科核心素養主要指物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面.[2]HPS教育可以通過科學史實幫助學生梳理科學知識本身邏輯,[3]再通過對科學知識的哲學思考,幫助學生形成能基于事實和推理提出質疑和批判的科學思維.同時,通過強調社會因素在科學發展中的作用,HPS教育可以幫助學生認識科學與社會的關系,形成嚴謹認真和實事求是的科學態度與責任.[4]在物理課程中增加HPS內容可以使學生更好地把握科學本質,[5]增強學生物理學科核心素養. 教科書是教師教學的主要依據和學生學習的主要材料,也是發展學生核心素養的重要載體.[6]教科書滲透相關HPS內容,不但能讓學生了解科學知識,更能讓學生體會科學思想、科學精神和掌握科學方法.[7]本文通過以人民教育出版社出版的普通高中教科書物理必修1為研究對象,對2019年審核通過的最新版本教科書與2004年審核通過的舊版教科書進行對比,幫助教師和學生更好地感知和理解教科書.

1 新舊教科書中的HPS內容總體的呈現情況

表1中統計了HPS內容在兩本教科書中的頻數分布,從表中可以對比科學史、科學哲學、科學社會學3項內容在兩版教科書中的數量及比重.本研究根據張晶對HPS教育的概念界定和其對HPS教育對應的科學教育體系結構的定義,[8]分別對科學史、科學哲學、科學社會學融入兩本教科書的情況做了詳細地統計．

表1 新舊教科書中的HPS內容總數統計

由表1可以看出,新版教科書與舊版教科書相比HPS內容呈現的總次數基本一致,但3項內容各自的數量有所變化. 其中,科學史的呈現次數減少、占HPS內容總數的比例減小;科學哲學呈現次數增加、占HPS內容總數的比例增加;而科學社會學呈現次數增加、占HPS內容總數的比例不變. 舊版教科書中科學史、科學哲學、科學社會學3部分占比懸殊較大,其中科學史超過一半,科學哲學占比較小. 而新版教科書調整后,科學史、科學哲學、科學社會學3項占總數的比例相對趨于平均. 雖然科學史占總數的比例仍為最大,科學哲學占總數的比例仍為最小,但兩者差距減小.

通過以上變化可以發現,新版教科書的編寫比舊版教科書更加重視科學哲學的內容. 在2017版普通高中物理課程標準中“能正確認識科學的本質”[2]已明確成為課程目標之一. 而科學哲學通過對科學本質的哲學思辨,有助于學生理解科學的本質,樹立正確的科學觀.[9]例如新版必修1序言中有一段關于法拉第發明電磁感應定律的描述“磁能生電的規律是符合直覺的,但其產生的方式卻和最初的直覺很不相同. 可見,客觀規律是否與直覺一致,是不能一概而論的,需要針對具體情況通過認真的研究才能搞清楚.”通過這段描述,能夠有助于培養學生的辯證思維,幫助學生養成具體問題具體分析的科學思維,而不僅僅一味地肯定或否定某些科學方法. 這種辯證的科學思維能更好地幫助學生看待已有的科學定律,使學生達到課程目標中的“具有批判性思維的意識,能基于證據大膽質疑,從不同角度思考問題,追求科技創新.”[2]

新版教科書中增加的科學哲學內容中,有4處為有關“科學哲學認識論和方法論”的相關內容,通過增加這些科學哲學的內容強化學生的科學思維和對科學知識的認識方式. 例如新版必修1理想實驗的魅力這一知識點,在舊版的內容基礎上又增加一段補充文字“伽利略理想實驗的本質是想象著把實際中存在、影響物體運動的摩擦力去掉,抓住事物的本質”,能夠幫助學生更好地理解這種即便不可能通過現實中的實驗實現,但只要邏輯自洽,仍可以合理推理出科學定律的方法. 這些科學認識論和方法論的內容有助于拓寬學生的思維,令學生產生更多的創造性見解.

2 舊版教科書中的HPS內容在新版教科書中的保留情況

表2中統計了舊版物理必修1中所有HPS內容在新版教科書中的保留情況.新增指新版教科書中該處內容在舊教科書中沒有相關內容,刪除指新版教科書中不再含有舊版教科書中的該處內容,保留指新版教科書中保留了舊教科書的相關內容. 保留又分為相同、更新、增添、縮減、修改. 其中特別說明的是,更新是指舊版教科書中該處內容在新版教科書中更改為2004年以后的科學成果或因2004年以后的科學成果而產生變化. 如新版必修1第112頁(對應舊版必修1第94頁),舊版教科書中留下了“引力波是否真的存在?”的疑問,而新版教科書則是改為“直到2016年,科學家們用激光干涉儀代替鋁棒作為‘天線’,建成了引力波激光干涉儀探測裝置,才首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號.”表2還統計了在新版教科書保留的HPS內容中相同的數量,此處的相同指該內容新舊教科書基本一致,沒有新增其他的HPS內容,個別句子的改動,如不涉及知識內容的變動,仍算作相同.

表2 舊版教科書中HPS內容的保留情況統計

由以上表2可以看出,舊版教科書中的HPS內容大部分均保留至新版教科書中,其中舊版教科書中的科學史內容保留了17處,刪除了8處,如新版必修1的序言中刪除了舊版教科書里有關“長征二號”火箭的內容. 科學哲學內容保留了7處,刪除的最少,只有1處,為舊版必修1第67頁中比利時物理學家的一句話“物理學并不是自然界本身,是人類與自然界的對話.”科學社會學內容保留了13處,刪除3處,如新版必修1的靜摩擦力知識點刪除了舊版教科書里有關傳送帶和輪胎表面的內容.

在新版教科書保留的HPS內容中,科學史有7處與舊版教科書中的內容相同,科學哲學與科學社會學兩者均有6處內容與舊版教科書中的內容相同,但由于其保留總數不同,比例相差較大. 科學史共有7處相同,相同比例最低,占保留總數的41%,占舊版必修1中科學史內容總數的28%. 如舊版必修1第2章序言部分,有關世界上第一條商業運行的磁懸浮列車——“上海磁浮”的內容被完整地保留在了新版教科書中. 科學哲學共有6處相同,相同比例最高,占保留總數的85.7%,占舊版必修1科學哲學內容總數的75%. 如舊版必修1第3章序言部分,恩格斯的一段話“交互作用是我們從現代自然科學的觀點考察整個運動著的物質時首先遇到的東西. 自然科學證實了…交互作用時事物真正的終極原因”被完整的保留在了新版教科書第3章第1節中. 科學社會學共有6處相同,占保留總數的50%,占舊版必修1科學社會學內容的37. 5%. 如舊版必修1的路程和位移知識點中的一幅北京到重慶的地圖被保留在了新版必修1的位置和位移知識點中.

圖1 舊版教科書中HPS內容變動情況

圖1為桑基圖,通過始末端的分支寬度表示變化量,寬度之比與數量之比一致．由圖1可以清晰看出舊版教科書中科學史、科學哲學、科學社會學3項內容的保留和變動情況,可以明顯發現科學哲學的內容變動相對較小,而科學史、科學社會學的內容變動相對較大.科學哲學內容中,多數為理論性的知識或哲學思想,這些內容較為穩定,不會因時代的變遷而發生太多改變,所以在舊版教科書中涉及科學哲學的內容大多被保留且沒有改動. 而科學史與科學社會學中,大多涉及與時代相關的內容,在科學技術發展的過程中,舊版教科書中部分內容已經過時. 對于使用新版教科書的學生來說,這些內容已不熟悉,很多學生甚至從未聽聞過有關信息,不利于學生將課本知識與自身生活中的現實聯系起來,所以不做保留. 如舊版教科書中關于協和式飛機的討論,新教科書未做保留,原因是協和式飛機于2003年10月全部退出運營,而使用新教科書的這批高中學生此時才剛剛出生.

由圖1可以看到舊版教科書被刪除的HPS內容中,科學史占了大多數,被刪除的科學史內容中有一些是被證偽的科學史實,目的使教科書內容更加嚴謹. 例如伽利略的比薩斜塔實驗被后人證明為虛假史實,雖然舊版教科書中注釋已有解釋,但為了不誤導學生,新教科書中仍將比薩斜塔的部分刪除,而且在伽利略對自由落體運動的研究的部分加上了“利用邏輯推理說明了重物與輕物下落得同樣快”的語句. 新版教科書的嚴謹還體現一些細節內容的修改,例如“從伽利略的一生看科學與社會”內容中,將“時隔346年,羅馬教廷于1979年承認對伽利略的壓制是錯誤的”修改成了“時隔359年,羅馬教廷于1992年承認了對伽利略的壓制是錯誤的”. 這些科學史內容的刪除或更改,體現了2017版普通高中物理課程標準中,學科核心素養第4點“科學態度與責任”里所描述的“嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度”,[2]有利于促進學生的物理核心素養的發展.

3 新版教科書中HPS內容涉及最新科學成果的呈現情況

表3統計了新版物理必修1中所有涉及最新科學成果的HPS內容,此處的最新科學成果指的是該處內容為2004年以后的科學成果或因2004年以后的科學成果而產生變化.

表3 新版必修1中HPS涉及最新成果的統計

由表3可以看出,新版教科書中總共有10處HPS內容涉及2004年后的科學技術發展,占新教科書HPS內容的20%,主要集中在科學史部分. 舊版教科書2004年初審通過,新版教科書2019年審核通過,15年間有大量新的科學科技成果,對原有的HPS內容產生影響,舊教科書中一些內容已經過時或不符合新的科學發現. 新課標的基本理念中明確指出“注重課程的時代性,關注科技進度和社會發展需求”[2]故新版教科書對舊版教科書中原有的部分HPS內容做了更新或刪除.

新的科學科技成果能幫助學生更直觀地了解知識點,更貼合學生日常所見,能夠引起學生共鳴,并通過HPS教育促進社會發展. 例如智能手機測自由落體加速度圖片,一方面能讓學生通過手機屏幕,更加直觀地了解手機從下落到接住的多個過程中加速度的變化情況,并一方面又通過智能手機引發學生更大的學習興趣和熱情. 我國推進ETC(電子不停車收費系統)建設進度緩慢,新版教科書通過有關ETC的習題,讓學生計算車輛通過ETC通道相比人工收費通道節省的時間,進而了解ETC系統的便捷性,從而促進學生乃至學生家長對ETC的支持和重視,體會我國ETC的推廣重大意義.

新教科書的HPS內容中增加了我國最新的科學成果,能激發學生的愛國熱情,展示中華民族的科技成果,同時為新時代培養中國特色社會主義的可靠建設者和合格接班人. 例如新版教科書增加了2013年我國航天員在空間站進行太空授課的內容和2015年嫦娥三號登月探測器平穩落月的內容. 這些內容都能讓學生感受到我國航空事業的蓬勃發展,激發學生的民族自信心. 新教科書還增加了航母艦機的滑翔式起飛內容. 在2012年我國遼寧艦正式建成,而遼寧艦使用的正是滑翔式起飛,增加此知識能給我國學生補充航母艦載機的滑翔式起飛的概念,強化理論基礎以了解我國有關科技的發展.

4 結論與建議

由以上分析可以得出,2019年審核通過的新版教科書對HPS內容做了許多調整. 新版教科書注重幫助學生了解科學本質,提高學生的物理學科素養,通過在教科書增加了大量科學哲學的內容,培養學生養成批判性思維和創造性思維. 同時新版教科書非常注重內容的時代性,對不符合時代特點的內容做了刪改,同時增加了許多新時代的科學成果,并通過增加我國最新的科學成果,激發學生的愛國熱情和民族自信心.

針對以上分析,建議教師在使用新版教科書時要有效利用教科書中的HPS內容. 通過對教科書中HPS內容的學習,學生能夠更好地結合自身的生活實際來感知課本內容,對于學生理解知識和掌握知識有重要的作用. 同時建議教師在講解HPS內容時,要多給學生討論思考的空間,無論是科學史、科學哲學還是科學社會學,站在不同的角度分析會有不同的觀點. 新教科書中增加的HPS內容更希望學生了解科學的本質,學生通過討論思考,才能更好地理解內容中的思想和精神.