技術素養視角下中英高中物理教材的分析與比較

侯新杰 丁 歡

(河南師范大學物理學院,河南 新鄉 453007)

1 問題的提出

國際技術教育協會編著的《美國國家技術教育標準:技術學習的內容》一書指出:技術素養指的是使用、管理、評價和理解技術的能力.[1]具備技術素養將有助于個體理解技術、理解技術與社會的關系、明智地評價技術.[2]隨著多種新興技術迅速發展并日益廣泛地應用于人們的日常生活,技術素養已經成為公民的必備素養.加強技術教育,重視學生技術素養的培養也成為國際基礎教育課程改革的新趨勢.

2013年美國的《新一代科學教育標準》提出要在科學教育中滲透STSE(Science, Technology, Society and Environment的縮寫)教育和科學本質教育,并指出STSE教育包括兩個核心概念,分別是“科學、工程和技術的相互依存”和“科學、工程和技術對社會和自然世界的影響”,闡明了一些科學教育內容與STSE教育中的核心概念的聯系,對STSE教育中的兩個核心概念在不同階段的發展水平提出了具體要求.[3]英國2014年發布的《英國科學課程標準》中明確提到學生應能夠“解釋科學的日常應用和技術應用”;“運用一系列技術、儀器和材料的知識,在戶外工作和實驗中做出合適選擇”;“評估個人、社會、經濟和環境的相互影響”.[4]

我國教育部頒布的《普通高中物理課程標準》(2020年修訂版)也明確指出:“高中物理課程在內容上注重與生產生活、現代社會及科技發展的聯系,反映當代科學技術發展的重要成果和科學思想,同時關注物理學的技術應用帶來的社會問題”.[5]

《普通高中物理課程標準》是高中物理教材編寫的依據,高中物理教材編寫應充分體現課程標準的要求,能夠幫助學生理解、發展技術素養.2019年人民教育出版社依據《普通高中物理課程標準》編寫出版了普通高中教科書《物理》的必修系列和選擇性必修系列,共6本新教材.新版高中物理教材對技術素養的體現情況如何?與國外教材相比又有哪些優勢和不足?針對這些問題,本文將對我國和英國高中物理教材中技術素養內容的數量分布和呈現形式進行分析和定量統計,比較兩國教材在體現技術素養方面的差異,為我國高中物理教材的編寫提供參考.

2 研究設計

2.1 研究對象

我國教材選取的是國內廣泛使用的人民教育出版社出版的普通高中教科書《物理》必修和選擇性必修系列,共6冊.[6]英國教材選取的是英國劍橋大學出版社于2014年出版的第2版A-Level物理學教材——《Cambridge International AS and A Level Physics Coursebook》,共1冊.[7]該教材廣泛適用于國際上參加劍橋國際A-Level物理學考試的高中生.

2.2 研究方法

本文用內容分析法對中英高中物理教材中技術素養內容的數量及呈現形式進行分析與定量的統計.首先根據本文編制的技術素養內容分析量表,對中英高中物理教材中技術素養內容的數量進行分析與統計.統計時以處為單位,一個技術素養維度界定為一處技術素養.如果某處教材內容體現了技術素養的多個維度,統計時在所有能體現的維度下均按一處處理.只要在教材中不同位置出現的,即使是相同的技術素養內容也記作兩處.其次,對中英高中物理教材中每處技術素養內容的呈現形式進行分類統計.根據教材的構成要素,本文將技術素養的呈現形式分為導入、正文、實驗、拓展欄目和習題.導入指教材的序言部分和各章節的導入部分.實驗指教材中供學生操作或觀察的實踐類活動,如人教版教材的“實驗”、“演示”“做一做”和“課題研究”欄目;英國版教材中的“實驗”欄目.拓展欄目指的是教材中獨立于正文部分的選學內容,如人教版教材中的“科學方法”、“拓展學習”、“STSE”、“科學漫步”等欄目.

2.3 研究工具的制定

美國技術素養協會、國家工程協會和國家研究委員會所做的報告《從技術角度講:為什么美國人需要對技術有更深入的了解》中將技術素養分為知識、能力、思維與行為方式三個維度.[8]王秀紅將技術作為知識、行為、方法和文化的意義引申到技術素養結構中,認為技術素養的要素應包括技術知識、技術行為能力、技術思想和方法以及技術態度和情感.[9]

劉德智認為,科學課程中的技術素養應包含核心知識、技術過程、技術意識和情感態度與價值觀這4個層面,并對各層面進行了更加具體的劃分.[10]姜奕林認為技術意識與技術情感態度價值觀的分類存在重疊,因此將技術素養分為技術知識、技術實踐、技術情意這三個層面.[11]史峰綜合多位學者提出的技術素養內涵分類,從技術知識、技術能力、技術情意3個層面分析了人教版高中物理教材中的技術素養內容.[12]依據技術素養的概念及國內外學者對于技術素養內涵的分析,我們以史峰提出的技術素養內涵分析量表為框架,將技術素養分為技術知識(A)、技術能力(B)和技術情意(C)3個層面,其中技術知識層面包含技術本體知識(A1)、技術原理知識(A2)、技術操作規范知識(A3)、技術情意知識(A4);技術能力包含技術操作與管理(B1)、技術設計(B2)、技術評價(B3);技術情意包含技術意識(C1)、技術情感態度(C2)、技術價值觀(C3).在此基礎上,對各層面的各維度予以合適的操作性定義,形成了本研究中的技術素養內容分析量表.由于篇幅限制,本文僅列舉技術素養每層面中各兩個維度的具體操作定義,如表1所示.

表1 技術素養內容分析量表

2.4 研究工具的信度

由筆者擔任主評分員D,并邀兩名學科教學(物理)專業研究生Z和L作為評分員,對研究工具進行信度檢驗.首先對評分員進行培訓,然后隨機抽取中英教材各兩章內容,由3名評分員用此研究工具對抽取章節進行獨立分析.各評分員間相互同意度如表2所示.經計算,上述研究工具的信度為0.936,高于0.8,說明該研究工具信度達標.

表2 各評分員間相互同意度

3 研究結果

根據分析及統計,中英高中物理教材對技術素養3個層面及各維度的呈現數量和比例如表3所示,技術素養呈現形式的分布比重如表4所示.

表3 中英教材中技術素養各維度呈現數量及比例

續表

表4 中英教材中技術素養呈現形式的分布比重

3.1 技術知識層面呈現情況的分析及比較

由表3可知,中英高中物理教材中技術知識的呈現比重均為最高,且超過50%,說明兩國教材都注重強調技術知識對技術素養整體培養的基礎性和重要性.從技術知識層面各維度的呈現數量及比例來看,我國高中物理教材中技術本體知識和技術原理知識的數量多于英國教材,分布比例上僅技術本體知識的體現高于英國教材.中英教材均對技術本體知識、技術原理知識和技術情意知識體現較多,對技術操作規范知識體現較少.

從兩國教材中技術知識的呈現形式來看,我國人教版教材在正文、拓展欄目、習題、導入、實驗中呈現的技術知識所占比重分別為47.58%、29.84%、12.10%、5.65%、4.84%,以正文和拓展欄目形式呈現的技術知識內容較多.英國教材在正文、習題、導入、實驗部分呈現的技術知識所占比重分別為54.02%、14.94%、22.99%、8.05%,均高于我國教材.中英高中物理教材以實驗和習題形式呈現的技術知識比重相對較低.通過教材分析還發現,利用“電子學”“通訊系統”“醫學成像系統”等獨立技術章節綜合呈現技術知識是英國教材的一大特色.英國教材在這3個章節中呈現的技術知識有49處,占技術知識總數量的28.16%,各章內容以技術系統為主線,探討系統組成部分、工作過程及具體應用,并且設計了一系列實踐活動,培養學生對技術產品進行選擇、解釋、設計的能力.

3.2 技術能力層面呈現情況的分析及比較

由表3可知,中英高中物理教材對技術能力的呈現比例都較低,分別為9.01%和11.81%.從技術能力層面各維度的呈現情況來看,我國教材中技術操作與管理內容的數量最多,呈現比重高于英國教材,且多為物理實驗中的相關操作;其次是技術設計內容,呈現比重也高于英國教材;技術評價內容數量最少,所占比重低于英國教材.英國教材對技術設計體現最少,對技術評價體現最多,經常在習題中要求學生對生活中相關技術或實驗提出改進建議、進行最優化選擇.例如:說明實驗“探究手指溫度升高與其覆蓋的燈泡面積之間關系”的操作困難以及如何進行改進;解釋為什么超聲不能輕易用于檢查大腦,建議一種或多種可用于此目的的掃描技術.

從兩國教材中技術能力的呈現形式來看,中英高中物理教材中的技術能力內容都主要通過習題形式呈現,占比分別為40.63%和41.18%;其次是以實驗形式和正文形式呈現;通過拓展欄目和導入形式呈現的比例最低.總體來看,兩國教材都注重技術能力呈現形式的多樣性和協調性.

3.3 技術情意層面呈現情況的分析及比較

從技術情意層面各維度呈現比例來看,我國高中物理教材中技術意識和技術情感態度的呈現比例高于英國教材,技術價值觀的呈現比例低于英國教材,中英高中物理教材均對技術情感態度體現較少.

從該層面的呈現形式來看,我國高中物理教材以拓展欄目形式呈現的技術情意內容最多,占比為49.33%,以習題和導入形式呈現的技術情意內容較少,占比分別為5.33%和4%,而英國教材的技術情意內容多以正文和導入形式呈現.例如,對于技術情感態度維度,我國教材有76.92%的內容是在科學漫步和STSE欄目中體現,技術價值觀維度也有45%的內容體現在拓展欄目中;而英國教材中技術情感態度和技術價值觀內容在正文的呈現比重分別為50%和62.26%,還有50%的技術情感態度內容和16.98%的技術價值觀內容在導入部分呈現.如第31章《核物理》的導入部分,直接介紹核武器和核發電技術,并指出“我們對核物理的理解被證明是喜憂參半.在20世紀的大部分時間里,核武器主導著全球政治.”

3.4 技術素養總體呈現情況的分析及比較

總體來看,我國高中物理教材中技術知識的呈現比例高于英國教材,技術能力和技術情意的呈現比例低于英國教材,在技術素養3個層面的均衡性和協調性方面不如英國教材處理得好,涉及技術能力層面各維度和技術情感態度維度的內容數量也較少,有待增加.

中英高中物理教材在技術素養呈現形式上都以正文呈現為主,但我國教材中技術素養呈現形式的分布比重不如英國教材合理.我國教材在正文部分呈現的技術素養比例為43.94%,而英國教材為53.13%.除正文以外,我國高中物理教材中的技術素養內容主要在拓展欄目中呈現,英國教材主要在導入和習題中呈現,導入、習題中的呈現比例均高于我國教材.另外,中英高中物理教材以實驗形式呈現技術素養的比例都較低,實驗中技術素養的分布比重有待提高.

4 對改進我國高中物理教材編寫的建議

4.1 增加技術素養內容的數量

教材中技術素養內容越完善,越有利于教師創造性地使用教材,在教學中潛移默化地提高學生的技術素養.由上面對技術素養數量的分析與比較可知,我國高中物理教材對技術素養的3個層面及其各個維度均有體現,但部分維度在數量上仍有不足.教材編寫時應從以下兩個方面增加技術素養內容的數量.

(1) 適當增加技術情感態度內容.在技術情意層面,我國高中物理教材對技術情感態度內容體現較少,僅有13處.因此,建議教材編寫時適當增加技術情感態度內容.如在學完《電磁振蕩與電磁波》一章后,將“移動通信技術的發展歷程”在科學漫步欄目中呈現,介紹從第一代通信技術到第五代通信技術是如何發展的,它們的具體變化有哪些以及各自的優缺點,讓學生了解最新移動通信技術的成果,理解移動通信技術的革新歷程,體會通信技術與社會的相互影響;又如學完《交變電流》一章后,將“巨龍在野”作為科學漫步欄目呈現,介紹滇西北至深圳特區高壓輸電工程的建設過程,講述建設者們在運輸換流變壓器、檢查儀器毛刺、架設高空電線等過程中是如何克服困難的,從多個角度呈現技術工作者們的艱難工作歷程,以及勇于擔當、甘于奉獻的精神,增加學生的情感體驗.

(2) 增加技術能力內容.技術素養中的技術能力是指在從事技術活動過程中體現的設計、使用、維護、評價能力,其中設計和評價能力是高中物理課程對學生技術能力培養的重心.從上文的分析與比較可知,我國高中物理教材中對技術能力層面的體現較少,內容數量僅有32處,顯然不能滿足技術素養培養的要求.因此,教材應以學生熟知的技術產品或問題為基礎,增加體現技術能力的實踐類內容.比如學習力學知識后,討論如何改良運動中使用的器材或自行車等常用交通工具;學習動量知識后,要求學生設計制作“水火箭”;學過熱學知識后,討論設計可以調控溫度的水杯等.另外,在技術能力層面,我國人教版高中物理教材對技術評價的體現很少,僅有5處.技術評價主要表現為個體對技術的認識與鑒別能力,有利于培養學生從正反面看待技術.[13]因此,在增加技術能力內容時,要特別注意設置完善的評價環節,引導學生綜合考慮自己或他人的技術設計或技術優化是否能夠滿足需求、是否合理、是否經濟等,為學生技術評價能力的發展創造條件.

4.2 適當提高正文、實驗和習題中技術素養內容的分布比重

研究發現,雖然我國人教版教材中技術素養以正文呈現為主,但仍有31.83%的技術素養內容以拓展欄目形式呈現,正文、實驗和習題中技術素養內容所占比例也均低于英國教材.拓展欄目是教材中的選學內容,其中的技術素養內容很少能被教師和學生注意到,因此我國教材要引起教師和學生對于技術素養的關注,就要增大正文和習題中技術素養內容的分布比重,多設置技術評價類習題和以技術應用為背景、引導學生形成技術情意的問題.

另一方面,物理實驗本身就包含技術設計和技術實踐,還可以與多種信息技術相結合,體現技術在實際生活和生產中的操作與應用,在技術素養的培養中具有獨特功能.我國教材中以實驗形式呈現的技術素養內容偏少,因此教材應通過結合先進信息技術、增加必做實驗中的數字化實驗數量等方式來提高實驗中技術素養內容的分布比重.如英國教材中設置“運用顯微鏡觀察布朗運動”“運用運動傳感器測速度和加速度”“用溫度傳感器確定材料的比熱容”“使用數據記錄器研究分壓電路中熱敏電阻的特性”等眾多實驗,充分體現了信息技術在實驗中的作用,并在實踐中發展學生的技術素養.

4.3 注重技術教育內容的整體編排

我國高中物理教材中各個章節的編排一直是以物理知識為邏輯線索,期望在物理知識的學習中滲透技術素養.這種編排模式有利于學生循序漸進地理解、使用技術,但對技術素養的整體培養不夠高效.高中物理教材對于技術教育內容的編排應該注重整體性,使學生形成對技術的整體認識,在整章內容中對技術知識、能力、情意進行深入思考.如英國教材在第32章《醫學成像系統》中,整體以X射線成像、CT掃描成像、超聲波成像和磁共振成像等醫學成像技術為主線,探討各成像技術的工作過程、內在原理及具體應用;并通過一系列具體的醫學檢查情境和問題設計,讓學生了解醫學檢查中各種技術適用的部位、優缺點以及對人體的危害,學會對成像技術進行最優化選擇等,有利于學生技術知識、技術能力、技術情意的共同發展.我國教材可以借鑒英國教材的章節編排方式,在選擇性必修部分嘗試以技術系統為主線,或者以技術設計目的—設計構想及過程—最終設計成果—發展前景為主線,或者以社會問題為主線來組織物理知識和技術內容,既能讓學生對已經學習的物理和技術知識進行綜合應用,又能在整體內容中實現對技術素養的有效滲透.

4.4 增加技術與社會方面的課題研究

隨著技術的高速發展與廣泛應用,其帶來的社會問題日益凸顯.對技術與社會相關問題有自己的觀點和決策是學生技術素養發展的核心目標之一.中英高中物理教材中雖然對技術應用帶來的社會問題均有體現,但技術與社會方面需要學生研究的課題或討論的問題都不多,在學生親自參與體驗的方面均有不足.我國高中物理教材中應多增加關于技術與社會問題的課題研究和調查活動,引導學生主動參與,對技術與社會相關問題進行深入思考和分析,使學生擁有對技術問題的判斷和決策能力,形成正確看待技術及其應用的態度和價值觀.例如,可以在教材相應章節的“練習與應用”或“復習與提高”欄目中增加下列的課題研究或調查研究: (1) 查閱資料,了解無線電廣播、電腦、電視等技術發展造成的電磁輻射污染,以及其對人體健康和通信系統的影響,分析電磁輻射的危害機理及相應的防護措施,寫出一篇小論文.(2) 上網查找關于城市光污染形成原因及危害的相關知識,設計一份問卷向鬧市區居民調查市區夜晚的大型商場LED屏和發光廣告招牌對居民生活的影響,根據調查結果,向政府和廣告管理部門提出防治光污染的建議.(3) 查閱資料,了解核電的優勢、我國核電站的安全保障措施和核廢料的具體處理方法,了解日常生活中的核輻射基本知識和防護措施,寫一篇有關核電安全性的科普小論文.