高中化學教科書中科學本質內容的研究

顧曄 張紅霞

摘要： 以我國最新出版的高中化學教科書為研究對象，以國際科學教育界目前關于科學本質的最新定義為分析框架，采用內容分析法對教科書中呈現科學本質內容的相關欄目進行分類、統計和分析。研究發現，教科書注重以相關欄目、習題和插圖等形式呈現科學本質內容，在科學本質三個維度中更加側重對科學知識的理解，據此提出同類教科書的編寫修訂建議。

關鍵詞： 教科書; 課程標準; 科學本質; 科學史

文章編號： 10056629（2022）01002106

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

科學本質（Nature of Science，簡稱NOS）是科學教育研究領域中的一個重要研究對象，科學教育必須反映和體現科學本質[1]，這樣才能正確反映科學知識的產生過程，合理解釋和呈現科學規律，進而引導和幫助學生正確地認識科學的價值，真正實現個體科學素養的發展。教科書作為我國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作用[2]。因此，怎樣在科學教科書編寫中更好地呈現科學本質內容是值得重視的問題，它不僅影響教師對教科書的使用方式，而且影響學生對科學本質的理解。

1 科學本質的內涵和研究現狀

科學本質是對“科學究竟是什么”的哲學層面的追問。不同研究領域（科學哲學、科學史學、科學社會學、科學教育學）的研究者對科學本質有著不同的認識，即使在科學教育內部研究者們對科學本質的認識亦有差異。

1.1 學術界對科學本質的理解

近年來，研究者對科學本質的內涵予以條目明晰的定義，代表人物有McComas & Olson[3]， Jonathan Osborne[4]， N.G. Lederman等[5]，這些研究者的主要觀點被我國科學教育領域的研究者所采納并加以應用[6]，其中國內學界常用的是萊德曼（Lederman）的7個方面的定義： 科學基于經驗證據、觀察與推論的區別、定律與理論的功能和關系、創造與想象力在科學研究中的作用、科學研究的理論負荷性、科學知識的暫時性和科學的社會文化嵌入。

我國研究者對于科學本質的認識一般從三個維度去理解。朱鐵成結合我國科學教育實際從三維度來認識科學本質： 科學是一種探究，科學是一種價值觀，科學是知識體系[7]。田春鳳、郭玉英認為科學本質包括科學知識的本質、科學探究的本質和科學事業的本質[8]。這些認識雖然表述方式略有差異，但基本源于美國科學促進會（AAAS， 1990）在《面向全體美國人的科學》中將科學本質闡釋為“科學世界觀”“科學探究”和“科學事業”的方案，即科學知識的本質、科學探究的本質和科學事業的本質。2011年7月美國《K12科學教育框架》發布后，曾經作為首位關鍵詞反復出現的“科學探究”變成了“科學實踐”[9]。“科學實踐”是在“科學探究”的基礎上更加強調真實的科學探究問題，是美國實用主義理念在科學教育理念上的新發展[10]。

1.2 科學教育標準中對科學本質的呈現

1.2.1 2017年版普通高中理科課程標準關于科學本質的表述

2018年，中華人民共和國教育部正式頒布了普通高中各科（包括物理、化學和生物學等）課程標準，以化學學科為例，《普通高中化學課程標準（2017年版）》[11]在“課程內容”中提出促進學生理解科學本質的教學策略。例如借助科學史的故事和素材多角度展示人類對微觀結構的認識過程，促進學生對科學本質的理解;通過設計角色扮演等活動引導學生理解科學理論發展過程中的爭論，從而增進學生對科學本質的理解等。

1.2.2 美國《下一代科學教育標準》中科學本質的呈現

2013年，美國《下一代科學教育標準》（The Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS）發布，在附件H中明確了理解科學本質的8個核心概念： （1）科學知識是通過多種途徑獲取的，科學研究運用多樣化的科學方法;（2）科學知識以經驗證據為基礎;（3）科學知識是開放的，在新的證據下不斷接受修正;（4）科學模型、定律、原理和理論是解釋自然現象的工具;（5）科學是一種認知途徑;（6）科學假定在自然系統中存在某種規則和一致性;（7）科學是一項人類共同為之奮斗的事業;（8）科學致力于研究有關自然和物質世界的問題[12]。國內研究者當年就對該標準進行了述評形式的介紹，以科學本質進階矩陣對這八個核心概念予以羅列[13]，并對NGSS中科學本質的內容進行了三個內容維度的歸類： 對科學知識的理解，對科學實踐的理解，對科學事業的理解[14]。

1.3 對教科書科學本質的研究

教科書是目前對我國科學教師和科學課程影響最大的課程資源。牛波采用哈里克（Khalick）的科學本質評估標準為工具，定性分析了中美兩國廣泛采用的四本高中生物學教科書對科學本質的表征，研究發現教科書中科學知識和科學探究數量構成比較高，科學思維和科學技術社會（STS）數量構成比較低[15]。張雪等以我國21世紀初期三版普通高中物理教科書中的“靜電學”內容為研究對象，基于哈里克（Khalick）等構建的科學本質框架對教科書中科學本質的表征數量和表征特點進行了對比分析，在表征數量上，科學本質的表征維度覆蓋度逐漸變廣，各表征維度出現頻次呈增長趨勢;在表征特點上，科學本質涉及內容的明確性逐漸增強，但準確性有待提高[16]。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》在教材編寫建議中提出化學教材內容的選擇要體現科學與人文的融合;在此基礎上，普通高中化學各版本教科書均進行了較大幅度的修訂。基于上述背景，本研究擬以修訂后的教科書為研究對象，分析其對科學本質內容的呈現方式及其重心分布。

2 研究方法和分析框架

2.1 研究對象

本研究選擇人民教育出版社2019年出版的《普通高中教科書·化學·必修》（第一冊、第二冊）為研究對象（下文簡稱“人教版”教科書）[17，18]。“人教版”教科書由四大部分組成： 正文、插圖、文本框欄目及練習;其中文本框欄目起到重點提示的作用并在教科書首進行了功能說明。本研究統計的科學本質內容包括正文文本和相關輔助欄目中的相關內容。

2.2 研究方法

科學本質在教科書中呈現方式多樣，本研究采用內容分析法對2019版“人教版”教科書的內容進行分類、統計、分析，以計量方法推論產生該項內容的背景及意義，從教科書的整體設計全面審視教科書中科學本質內容出現的頻次和形式。本研究首先確立了科學本質內容的分析框架，在此基礎上根據教科書的文本語義對教科書中與科學本質有關的內容進行編碼，最后將這些與科學本質有關的內容根據科學本質維度進行歸類，并進行頻次統計，從總體上查驗“人教版”教科書對科學本質的呈現情況。在此基礎上對教科書中科學本質進行三個主題的分析，從而揭示該套教科書呈現的科學本質維度及其重心分布。

2.3 分析框架

本研究結合NGSS中科學本質的8個核心概念[19]及學生在高中階段應達成的科學本質預期結果（對核心概念的細化和進階）構建了包含3個一級維度和15個二級維度的分析框架，其中一級維度包括“科學知識”“科學實踐”和“科學事業”三個方面;每個一級維度分別對應5個二級維度，共計15個二級維度（表1）。研究者根據該分析框架的一級維度和二級維度對“人教版”教科書中的科學本質內容進行了3次獨立編碼，為保證科學本質內容編碼結果的一致性，分析過程中編碼對象均選取教科書中顯性（Explicit）表達科學本質的正文或相關輔助欄目。以上述分析框架的二級維度15“科學知識是開放的，在新的證據下不斷接受修正”為例，研究者在閱讀兩冊教科書全文基礎上（包括正文和相關輔助欄目），對符合該科學本質維度的內容進行符號標記（按照表1中列舉的二級維度順序用英文字母進行標記，如11標為A， 15標記為E……），最后統計符號E出現的總次數（見表1）。具體而言（仍以二級維度15為例），首先把握“科學知識是開放的，在新的證據下不斷接受修正”中“科學知識接受新的證據的修正”這一關鍵要點，然后對與之相關的正文、欄目、習題及圖片等進行標記，例如教科書第二冊第66頁的習題（見圖1），甲烷的結構在新的證據支持下不斷修正，符合維度15，即標記為E。

3 研究結果與數據分析

3.1 教科書中的科學本質內容歸類

本研究以2019“人教版”教科書為研究對象，依據表1中科學本質的一級和二級維度對教科書中的科學本質內容進行了出現頻次的統計和對應內容所處欄目的分布統計（見表1、圖2）。

統計過程中還發現，本套教科書突出了文本框形式的欄目設計，表1中43個內容頻次（有重復內容）中有23處是以“科學史話”“方法導引”等欄目專門呈現（見圖2），占比約53.49%，超過半數;除此以外，正文、圖片亦有部分科學本質內容的呈現。

3.2 教科書中科學本質內容的分析

3.2.1 對科學知識的理解

“人教版”教科書“對科學知識的理解”這一主題的科學本質內容占比約為44.18%，是三個主題中占比最大的，明顯高于《科學入門》（由McGrawHill出版公司出版的一套美國科學教科書）中科學本質內容占比（24.1%[20]）。可以看出，“人教版”教科書注重呈現科學知識本質維度的科學本質內容，該主題中的5個二級維度中占比最大的是“科學知識是開放的，在新的證據下不斷接受修正”，該維度在其他文獻中也被表述為科學知識的不確定性或者暫時性（tentative）。以“氧化還原反應”為例，“人教版”教科書以“科學史話”欄目介紹了氧化還原反應概念的發展史;與之對應，教科書正文首先通過從得失氧角度認識的氧化反應和還原反應銜接，然后以具體的化學反應為例從化合價升降角度辨識氧化還原反應，隨后得出氧化還原反應的本質——電子的轉移。

3.2.2 對科學實踐的理解

科學既是一種知識體系，也是完善、細化、修訂和擴展該體系的過程，科學實踐用到定律、理論、模型、假設等工具。“人教版”教科書“對科學實踐的理解”這一主題的科學本質內容占比約為25.58%，相比于《科學入門》中“科學探究的本質”（31.0%[21]）略少。必修模塊教科書的教學內容面向高一年級全體學生，部分理論會在高二年級的選修模塊中展開（例如物質結構與性質模塊中的價鍵理論、VSEPR理論、雜化軌道理論等），故統計結果中顯示科學定律和理論占比較小。此外，類似“科學實踐用到定律、理論、模型、假設等工具”這樣的內容未發現以正文形式出現在“人教版”教科書中，主要出現在文本框欄目中。以科學模型的介紹為例，共計“顯性”出現2處，前者在“方法導引”欄目（第一冊第16頁）提出“模型”在科學認識中具有描述、解釋和預測功能;后者以“資料卡片”欄目（第二冊第61頁）為載體介紹了鮑林使用模型研究物質結構，給學生提供了研究有機物結構的一個重要手段。顯然，這樣的輔助欄目更加類似于教科書正文的“附屬品”，值得教師和學生充分重視。

3.2.3 對科學事業的理解

“人教版”教科書“對科學事業的理解”這一主題的科學本質內容占比約為30.23%，各二級維度占比較為均衡，可見教科書編寫者重視在建構學科知識的同時以不同形式促進學生對科學事業本質的理解，以減少對學習科學的偏見，對提高學生科學素養起到重要作用。這一主題在《科學入門》中以兩個維度呈現：“科學思維的本質”和“科學、技術和社會（STS）交互作用的本質”，分別占比12.1%和32.1%[22]，而“人教版”教科書在“科學、技術和社會（STS）交互作用的本質”占比相對較低，而且主要集中出現在第八章“化學與可持續發展”，如“滴滴涕的功與過”“農業生產中是否應該繼續施用農藥和化肥”和“生物質資源的利用”等。類似體現STS交互作用的科學本質內容不僅可以集中出現某一特定章節，還可以滲透到其他章節。

4 研究結論

“人教版”教科書較全面地呈現了科學本質養育所需的素材，為更好促進學生理解科學本質，教科書編寫或修訂時還可以考慮更加注重正文在顯性呈現科學本質中的作用和適當增添社會性科學議題的比例。

4.1 注重正文顯性呈現科學本質內容

教科書正文的語言表達對學生理解科學本質起到關鍵作用，正文對科學本質內容的顯性呈現更好引起教師對科學本質內容的重視。考慮到有些科學本質內容通過明示需要占較大篇幅，編寫者將之以附加欄目進行呈現是可以理解的，但可以在正文部分做一些過渡性語言的補充說明。例如，化學鍵理論經歷了多次發展，每次發展都解決了一些之前理論難以解釋的問題，固然不需要在教科書正文部分完整呈現化學鍵理論發展的全貌，但可以加“隨著新物質的不斷出現和科學家對微觀世界認識的不斷加深，人們對微粒之間的相互作用也更加清楚，……”這樣的說明文字，讓學生知道化學鍵的理論不是一步到位的，減少學生理解科學本質時可能產生的偏差。

4.2 適量適時增添社會性科學議題

社會性科學議題（socialscientific issue，簡稱SSI）是指由于科學、技術與社會之間錯綜復雜關系所引發的一些爭議性科學議題，在這些議題中，科學或技術層面的因素以及社會層面（如道德、文化、情感、立場等）因素均扮演重要角色[23]。SSI在科學教學中的融入可以幫助學生理解“科學技術發展帶來的倫理問題，科學決策并不能僅僅依靠科學，還要取決于社會背景、文化背景等因素”。“人教版”教科書在第八章“科學技術社會（STS）”“思考與討論”等欄目中已經有所涉及，在編寫或修訂工作中可以將這樣的嘗試滲透到其他章節，適時運用各章節的知識解決學生能解決的一些爭議性科學議題，這樣有助學生對科學事業維度的科學本質內容的理解。例如教科書在“氯及其化合物”練習題中出現的“科學家是否應進行類似氯氣這類有可能被錯誤利用的物質的研究？”就是一個社會性科學議題，涉及“科學技術發展帶來的倫理問題”，但僅以習題的形式出現容易被教師忽略，輔助欄目與教材正文相互結合的編寫方式應該更加有助于SSI在教學中的融入。

《普通高中教科書·化學·必修》是必修模塊教科書，編寫內容的深度和廣度均因此受到一定限制。就必修模塊而言，教科書在內容選擇上已充分關注到學生的基礎，除正文外，還充分利用欄目、插圖等輔助形式促進學生理解科學本質;但在呈現方式上可以更加突出科學本質的顯性表現，甚至出現科學本質字樣，提高學生科學哲學素養。目前的普通高中科學課程標準（包括物理、化學、生物學等）都以不同的形式呈現科學本質內容，但教科書是教師教學的依托，缺乏了教科書的顯性呈現，科學本質內容的落地生根就難以實現。

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