高中物理新教材的科學(xué)本質(zhì)觀及教學(xué)啟示

周東葉，鄧 磊

西南大學(xué)科學(xué)教育中心，重慶 400715

1 前言

科學(xué)本質(zhì)（Nature of Science）是“科學(xué)的特性”，李德曼（Lederman）、赫里克（Khalick）等學(xué)者認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)認(rèn)識(shí)論，是科學(xué)知識(shí)固有的價(jià)值觀和假設(shè)。科學(xué)本質(zhì)在科學(xué)教育中占有重要地位，美國(guó)、英國(guó)等西方國(guó)家將科學(xué)本質(zhì)寫(xiě)入教育綱領(lǐng)性文件，我國(guó)在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）中明確指出，“科學(xué)的本質(zhì)”是“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的要素之一。

同時(shí)，教材是學(xué)科知識(shí)和教育理念的關(guān)鍵載體，是科學(xué)本質(zhì)的重要載體，也是教師設(shè)計(jì)課堂教學(xué)的重要參考。為此，本研究選取2019年人民教育出版社、山東科學(xué)技術(shù)出版社出版的高中物理必修第三冊(cè)教材（以下分別簡(jiǎn)稱新人教版、新魯科版）為研究對(duì)象，采用內(nèi)容分析法對(duì)以新課標(biāo)為編寫(xiě)依據(jù)的新教材進(jìn)行分析，了解新教材的科學(xué)本質(zhì)觀，最后得到教學(xué)啟示，以便教師充分利用新教材組織教學(xué)活動(dòng)。

2 分析框架

依據(jù)赫里克(Khalick)建立的科學(xué)本質(zhì)分析框架，參考已有研究對(duì)該框架進(jìn)行修訂，使之更契合我國(guó)物理學(xué)科的特性，修訂后的框架包括9個(gè)維度，每個(gè)維度被劃分為4個(gè)水平。

科學(xué)本質(zhì)包括9個(gè)維度：“實(shí)證性”“推論性”“創(chuàng)造性”“理論的負(fù)載性”“暫定性”“科學(xué)方法的不唯一性”“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”“社群性”“社會(huì)文化的嵌入性”。

每個(gè)維度劃分為4個(gè)水平，由“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”和“呈現(xiàn)方式”的組合構(gòu)成。其中，“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”包括“理性”與“質(zhì)樸”兩個(gè)層次，“呈現(xiàn)方式”包括“顯性”與“隱性”兩個(gè)層次，由這四個(gè)層次組合而成理性顯性型、理性隱性型、質(zhì)樸隱性型、質(zhì)樸顯性型4個(gè)由高到低的水平，依次對(duì)應(yīng)分值“+2”“+1”“-1”“-2”，如圖1所示。

圖1 科學(xué)本質(zhì)的水平

3 高中物理新教材中科學(xué)本質(zhì)觀的分析與比較

3.1 科學(xué)本質(zhì)的維度及水平分析

（1）“實(shí)證性”維度與水平

“實(shí)證性”的識(shí)別包括兩個(gè)要素：①實(shí)驗(yàn)是科學(xué)規(guī)律的主要來(lái)源；②實(shí)驗(yàn)也是科學(xué)規(guī)律的重要支撐。實(shí)驗(yàn)包括科學(xué)史上的實(shí)驗(yàn)、課堂上的演示實(shí)驗(yàn)和探究/驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)等。

“實(shí)證性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，肯定實(shí)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中的重要性是“實(shí)證性”的“理性”呈現(xiàn)，而將實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)知識(shí)的唯一來(lái)源則是“質(zhì)樸”；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“證實(shí)/證明”“實(shí)驗(yàn)表明/得出結(jié)論”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“實(shí)證性”的分析示例如表1所示。

表1 兩版新教材中“實(shí)證性”原文摘錄[11-12]與分析

（2）“推論性”維度與水平

“推論性”的識(shí)別包括兩個(gè)要素：①?gòu)目捎^察量推測(cè)物理量的性質(zhì)，如“根據(jù)電場(chǎng)所表現(xiàn)出的性質(zhì)來(lái)認(rèn)識(shí)它、研究它”；②從已知的科學(xué)定律中推導(dǎo)出新的規(guī)律，如“普朗克提出了量子假說(shuō)，并從理論上推導(dǎo)出了普朗克輻射定律”。

“推論性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，肯定推論在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中的作用并明確區(qū)分“觀察量/已知量”和“推論量”是“推論性”的“理性”呈現(xiàn)，認(rèn)為科學(xué)是現(xiàn)實(shí)的復(fù)刻（眼見(jiàn)即為實(shí)）或否定推論則為“質(zhì)樸”；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“根據(jù)/觀察 xx 推測(cè) xx”“xx（現(xiàn)象）反映了 xx”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“推論性”的分析示例如表2所示。

表2 兩版新教材中“推論性”原文摘錄[11-12]與分析

（3）“創(chuàng)造性”維度與水平

“創(chuàng)造性”的識(shí)別包括兩個(gè)要素：①介紹科學(xué)史上科學(xué)家的突破性工作，如新的科學(xué)規(guī)律被提出或證明、新技術(shù)的出現(xiàn)；②介紹科學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的重要地位，突出科學(xué)家的創(chuàng)造力。

“創(chuàng)造性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，肯定科學(xué)家的創(chuàng)造力、想象力在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中的重要性是“創(chuàng)造性”的“理性”呈現(xiàn)，認(rèn)為科學(xué)研究不需要?jiǎng)?chuàng)造力和想象力則為“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“創(chuàng)造/發(fā)明”“首次發(fā)現(xiàn)/提出 xx（規(guī)律）”“重大突破”“xx 重要地位”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“創(chuàng)造性”的分析示例如表3所示。

表3 兩版新教材中“創(chuàng)造性”原文摘錄[11-12]與分析

（4）“理論的負(fù)載性”維度與水平

“理論的負(fù)載性”的識(shí)別要素為“認(rèn)知觀念對(duì)科學(xué)研究帶來(lái)的影響”，其中描述知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的影響最多，而影響既可以促進(jìn)科學(xué)研究，也會(huì)使研究走進(jìn)誤區(qū)。

“理論的負(fù)載性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，科學(xué)研究不是完全客觀的、會(huì)受認(rèn)知觀念影響是“理論的負(fù)載性”的“理性”呈現(xiàn)，否定認(rèn)知觀念帶來(lái)的影響則是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“受到xx理論的影響/啟示”“基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)”“xxx科學(xué)家堅(jiān)信……”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“理論的負(fù)載性”的分析示例如表4所示。

表4 兩版新教材中“理論的負(fù)載性”原文摘錄[11-12]與分析

（5）“暫定性”維度與水平

“暫定性”的識(shí)別包括兩個(gè)要素：①科學(xué)規(guī)律是非真理的，都只是暫時(shí)成立，會(huì)被推翻或修訂，如描述“超距作用”“以太介質(zhì)”等觀點(diǎn)被摒棄的歷史；②科學(xué)規(guī)律的使用存在局限性，即科學(xué)規(guī)律只在一定條件下成立，如“用經(jīng)典的電磁理論解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律時(shí)遇到了嚴(yán)重困難”。

“暫定性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，科學(xué)上的一切都會(huì)隨著新的證據(jù)的出現(xiàn)而改變是“理性”呈現(xiàn)，將科學(xué)知識(shí)奉為“真理”是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“推翻”“修改”“局限性”“真理”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“暫定性”的分析示例如表5所示。

表5 兩版新教材中“暫定性”原文摘錄[11-12]與分析

（6）“科學(xué)方法的不唯一性”維度與水平

“科學(xué)方法的不唯一性”的識(shí)別包括兩個(gè)要素：①科學(xué)方法的使用具有條件，科學(xué)方法只在特定條件下能夠使用，研究過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際選擇合適的研究方法；②多種解決問(wèn)題的科學(xué)方法。

“科學(xué)方法的不唯一性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，不存在程序性的、通用的科學(xué)方法是“理性”呈現(xiàn)，認(rèn)為科學(xué)方法是精確的、程序化的則為“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“根據(jù)實(shí)際/條件變化，xx方法不適用”“xx不是唯一方法”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“科學(xué)方法的不唯一性”的分析示例如表6所示。

表6 兩版新教材中“科學(xué)方法的不唯一性”原文摘錄[11-12]與分析

（7）“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”維度與水平

“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”的識(shí)別包括兩個(gè)要素：①用科學(xué)規(guī)律對(duì)自然現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述和解釋，如“金屬的微觀結(jié)構(gòu)模型可以解釋靜電感應(yīng)現(xiàn)象”；②部分科學(xué)規(guī)律對(duì)觀察實(shí)體有預(yù)測(cè)作用，如“電磁理論預(yù)測(cè)了電磁波的觀測(cè)”。

“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，“科學(xué)規(guī)律（定律、理論等）沒(méi)有等級(jí)關(guān)系”是“理性”呈現(xiàn)，“科學(xué)規(guī)律存在等級(jí)之分，理論被驗(yàn)證后才能成為定律”是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“xx規(guī)律解釋/描述/預(yù)測(cè)xx現(xiàn)象”“xx規(guī)律指引了xx領(lǐng)域的研究方向”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”的分析示例如表7所示。

表7 兩版新教材中“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”原文摘錄[11-12]與分析

（8）“社群性”維度與水平

“社群性”的識(shí)別包括兩個(gè)要素：①科學(xué)協(xié)商過(guò)程，如研究成果公開(kāi)、同行評(píng)審確保客觀性；②科學(xué)協(xié)商結(jié)果，如物理學(xué)中的規(guī)定、國(guó)際單位制等。

“社群性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，科學(xué)的發(fā)展需要眾多科學(xué)家的共同努力是“理性”呈現(xiàn)，科學(xué)發(fā)展只得益于個(gè)別科學(xué)家的創(chuàng)造性工作是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“科學(xué)協(xié)商促進(jìn)科學(xué)發(fā)展”“協(xié)商減小主觀因素影響”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“社群性”的分析示例如表8所示。

表8 兩版新教材中“社群性”原文摘錄[11-12]與分析

（9）“社會(huì)文化的嵌入性”維度與水平

“社會(huì)文化的嵌入性”的識(shí)別包括兩個(gè)要素：①社會(huì)、文化對(duì)科學(xué)產(chǎn)生的影響，如國(guó)家的政策對(duì)學(xué)術(shù)界研究方向有導(dǎo)向作用；②科學(xué)對(duì)社會(huì)、文化產(chǎn)生的影響，如科學(xué)轉(zhuǎn)化為技術(shù)進(jìn)而影響社會(huì)、文化。

“社會(huì)文化的嵌入性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，肯定科學(xué)和社會(huì)、文化間存在相互影響是“理性”呈現(xiàn)，否定相互作用的存在是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“……時(shí)代的到來(lái)”“推動(dòng)社會(huì)、文化進(jìn)步”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“社會(huì)文化的嵌入性”的分析示例如表9所示。

表9 兩版新教材中“社會(huì)文化的嵌入性”原文摘錄[11-12]與分析

3.2 兩版教材的科學(xué)本質(zhì)觀比較

科學(xué)本質(zhì)各個(gè)維度的得分和頻次反映了教材的科學(xué)本質(zhì)觀，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表10所示。新人教版的科學(xué)本質(zhì)總分為314；新魯科版的科學(xué)本質(zhì)總分為331。對(duì)兩版教材中科學(xué)本質(zhì)的維度得分進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示兩版教材總體上不存在差異（P=0.627＞0.05）。

表10 新人教版、新魯科版必修第三冊(cè)教材中科學(xué)本質(zhì)呈現(xiàn)水平的頻次及分值

（1）科學(xué)本質(zhì)的維度比較

新人教版中，“實(shí)證性”“推論性”得分非常顯著地高于其他維度（P值分別為0.006、0.002，均小于 0.01），其中“實(shí)證性”得分最高；“暫定性”得分最低且非常顯著地低于其他維度（P=0.007＜0.01），“科學(xué)方法的不唯一性”得分也顯著地低于其他維度（P=0.017＜0.05）。

新魯科版中，“實(shí)證性”“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”得分非常顯著地高于其他維度（P值分別為0.001、0.003，均小于 0.01），其中“實(shí)證性”得分最高；“理論的負(fù)載性”“暫定性”“社群性”得分顯著地低于其他維度（P 值分別為 0.033、0.012、0.022，均小于0.05），其中“暫定性”得分最低。

科學(xué)本質(zhì)覆蓋全面但不均衡。兩版教材呈現(xiàn)最多的維度是“實(shí)證性”，呈現(xiàn)最少的維度是“暫定性”。并且，兩版教材都存在呈現(xiàn)較好的維度，如新人教版的“推論性”、新魯科版的“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”；也存在呈現(xiàn)相對(duì)不足的維度，如新人教版的“科學(xué)方法的不唯一性”、新魯科版的“理論的負(fù)載性”和“社群性”。由此說(shuō)明，兩版教材都比較關(guān)注確定的科學(xué)知識(shí)，而對(duì)科學(xué)知識(shí)的發(fā)展歷史介紹得較少。

（2）科學(xué)本質(zhì)的水平比較

新人教版中，質(zhì)樸顯性型（水平1）只在“暫定性”維度的呈現(xiàn)中出現(xiàn)；質(zhì)樸隱性型（水平2）在“推論性”維度的呈現(xiàn)中出現(xiàn)1次；理性隱性型（水平3）在9個(gè)維度共出現(xiàn)113次，是出現(xiàn)頻次最多的水平；理性顯性型（水平4）在除“社群性”外8個(gè)維度共出現(xiàn)102次。

新魯科版中，未發(fā)現(xiàn)處于質(zhì)樸顯性型（水平1）的維度；質(zhì)樸隱性型（水平 2）在“推論性”維度的呈現(xiàn)中出現(xiàn)1次；理性隱性型（水平3）在9個(gè)維度共出現(xiàn)152次，是出現(xiàn)頻次最多的水平；理性顯性型（水平4）在除“社群性”外8個(gè)維度共出現(xiàn)90次。

科學(xué)本質(zhì)的呈現(xiàn)水平集中于理性隱性型（水平3）。兩版教材中科學(xué)本質(zhì)的表述絕大部分是理性的，并且以“隱性”的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。說(shuō)明教材的科學(xué)本質(zhì)觀幾乎都是正確的，但大部分都是隱含在文段中，因此教材的科學(xué)本質(zhì)觀需進(jìn)一步挖掘。

4 啟示

依據(jù)新人教版、新魯科版的科學(xué)本質(zhì)觀比較結(jié)果，得出開(kāi)展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的啟示。

4.1 科學(xué)本質(zhì)的維度均衡性教學(xué)

組織科學(xué)本質(zhì)教學(xué)，需要教師對(duì)科學(xué)本質(zhì)的各個(gè)維度有充分理解，對(duì)教學(xué)內(nèi)容與維度間的關(guān)聯(lián)性有清晰的把握，如教授“理論的負(fù)載性”，有助于學(xué)生進(jìn)行類(lèi)比學(xué)習(xí)、類(lèi)比推理等活動(dòng)，促進(jìn)物理知識(shí)間的關(guān)聯(lián)記憶，其次通過(guò)了解科學(xué)家研究過(guò)程中的觀念局限，也有利于幫助學(xué)生破除前概念的影響，深入理解科學(xué)知識(shí)。此外，教師發(fā)現(xiàn)教材章節(jié)中某些維度缺失或者呈現(xiàn)不足時(shí)，可以借鑒其他版本教材。

4.2 實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的“理性顯性型”教學(xué)

在教學(xué)過(guò)程中，教師需要修正教材中科學(xué)本質(zhì)的“質(zhì)樸”陳述，挖掘教材的設(shè)計(jì)意圖，再進(jìn)行合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，傳遞“理性”的科學(xué)本質(zhì)。如新人教版中關(guān)于“暫定性”的“質(zhì)樸”表述中，將“電磁理論”稱作“真理”，旨在凸顯出麥克斯韋的“創(chuàng)造性”，通過(guò)具體介紹麥克斯韋的突破性工作和電磁理論的重要地位也可以達(dá)到教材意圖。其次，在已有研究中已經(jīng)證明，用“顯性”方式進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)時(shí)，能有效幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。因此，教師可以整合兩版教材中與科學(xué)本質(zhì)相關(guān)的內(nèi)容，同時(shí)將教材中“隱性”科學(xué)本質(zhì)觀轉(zhuǎn)化為“顯性”，在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的顯性化教學(xué)。