中英高中物理教科書STSE教育內容主題的分析與比較

侯新杰 丁 歡 周 睿

（1.河南師范大學物理學院，河南 新鄉 453007；2.河南師范大學附屬中學，河南 新鄉 453002）

STSE（即Science，Technology，Society，Environment的縮寫）教育強調科學、技術、社會和環境的協調發展，關注科技進步、社會發展與生態環境之間的相互影響.美國、英國、加拿大的科學課程標準都強調在科學教育中進行STSE教育的重要性，對STSE教育內容提出了要求.［1－3］

我國教育部制定的《普通高中物理課程標準（2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）課程基本理念提出要“注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展需求”，強調“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，培養學生的社會參與意識和社會責任感”.《課程標準》闡述了物理學科核心素養的內涵，指出物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面.《課程標準》制定的高中物理課程目標是“高中物理課程應在義務教育的基礎上，進一步促進學生物理學科核心素養的養成和發展”.課程目標的“科學態度與責任”維度明確要求學生“能正確認識科學的本質”“認識科學·技術·社會·環境的關系”.［4］

STSE教育既是“科學態度與責任”素養的重要內容，也是物理觀念、科學思維、科學探究等物理學科核心素養落實的橋梁.STSE教育重視跨學科的知識整合、真實情境問題的解決、多樣化的教學方法，有利于培養學生解決實際問題能力、邏輯推理能力、科學探究能力、科學態度與社會責任感.［5］STSE教育為培養學生“從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題”“基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論質疑和批判”“基于觀察和實驗提出物理問題”“在認識科學本質，認識科學·技術·社會·環境關系的基礎上，逐漸形成的探索自然的內在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度，以及遵守道德規范，保護環境并推動可持續發展的責任感”等物理學科核心素養提供了有效途徑和方法.［5］因此，在高中物理課程中進行STSE教育是極其必要的.

物理教科書作為教學內容的重要載體，是教師和學生在物理學科中進行STSE教育的重要工具.我國2019年出版的人教版高中物理教科書中STSE教育內容主題體現情況如何？與國外教科書相比有什么異同？針對這些問題，本文對我國和英國高中物理教科書中STSE教育內容的主題進行統計分析，找出兩版教科書中STSE教育內容主題體現情況的特色與不足，為高中物理教科書的編寫提供參考.

1 研究設計

1.1 研究對象

我國教科書選取的是2019年人教版高中物理教科書（必修1- 3，選擇性必修1- 3）.［6］該書是我國高中最廣泛使用的物理教科書，依據最新出版的普通高中物理課程標準所編寫，共6冊.英國教科書選取的是由英國劍橋大學出版社2020年出版的第3版A-Level物理教科書——《Physics for Cambridge International AS＆ A Level Coursebook》，共1冊.［7］該教科書也是我國諸多國際學校廣泛使用的A-Level物理課程教科書.

1.2 研究方法

本文主要采用內容分析法，利用開發的STSE教育內容主題分析量表對兩版教科書中STSE教育內容的主題進行統計分析和比較.

1.3 研究工具

國內外學者在文獻中關于STSE教育內容主題的分類有很多.牙茹夢認為STSE教育內容主要包括物理學與科學進步、物理學與技術發展、物理學與社會生活、物理學與生態環境4個部分，并進一步將其劃分為科學進步、物理學前沿、物理原理、技術應用、日常生活、社會發展、環境問題7個主題.［8］滕艷萍借鑒國外文獻中STSE教育內容主題的分類，從科學與技術事件及其社會情境、科學與技術的相互影響、作為問題解決方式的科學與技術、科學與技術的風險和影響、爭議問題、決策過程等6個主要維度出發分析了教科書中的STSE教育內容.［9］邵夢迎認為STSE教育內容可以分為物理學史與科學本質、物理學與技術、物理學與社會生活、物理學與環境4個主題，并給出了具體的二級指標.［10］

依據STSE教育的內涵及國內學者對STSE教育內容主題的分類，筆者以邵夢迎提出的STSE教育內容主題分類指標為框架，建立了高中物理教科書中STSE教育內容主題的分析工具，將STSE教育內容分為4個一級主題，14個二級主題，具體劃分如表1所示.

表1 STSE教育內容主題分析量表

續表

1.4 研究工具的信度檢驗

由筆者擔任主評分員D，并邀請2名課程與教學論（物理）專業研究生Y和L作為助理評分員.經過相關內容的訓練與預分析后，3位評分員利用上述量表對隨機抽樣的兩版教科書中的各兩章內容進行獨立的歸類分析.3人相互同意度如表2所示.

表2 不同評分員間的相互同意度

經計算，該研究工具信度為0.905，高于0.8，且信度較高，說明研究結果是可靠可信的.

2 兩版教科書中STSE教育內容主題的統計和分析

2.1 統計結果

根據STSE教育內容主題分析量表，對中英高中物理教科書中STSE教育內容主題進行分類統計，統計數據如表3所示.

表3 兩版教科書中STSE教育內容主題數量統計表

續表

2.2 兩版教科書中STSE教育內容主題的分析與比較

（1）兩版教科書都關注物理學史，對科學本質主題體現較少.

人教版教科書對物理學史與科學本質主題的體現明顯多于英國教科書.兩版教科書均對物理學的發展主題體現較多，分布比例都在50%左右，其次是物理學家，對科學本質內容體現較少，且都沒有用專欄呈現科學本質主題內容.人教版教科書對于物理學的發展和物理學家主題的呈現比例都高于英國教科書，較多地展現了力與運動、電磁部分的物理學發展或者物理學家具體事跡；對科學本質主題的呈現比例低于英國教科書，大多數科學本質的內容都出現在力與運動模塊.可見，人教版教科書較注重物理學家、物理學進展等物理學史方面的內容，傾向于將科學本質隱含于物理學史以及物理學發展的描述中，對科學本質主題內容的顯化較少.

（2）兩版教科書都重視技術原理和技術應用，人教版教科書對技術評價與選擇體現不足.

通過數據可知，人教版教科書涉及物理學與技術主題的STSE教育內容多于英國教科書.兩版教科書均對物理學相關的技術知識體現較多，呈現比例超過60%，且絕大多數都是對技術原理的描述，有利于學生體會科學知識在技術中的重要作用.如：“避雷針原理”“微波爐加熱原理”“三級火箭技術”“汽車避免碰撞的設計原理”“解釋離心機是如何工作的”“CT掃描儀的原理”等.人教版教科書對物理學相關的技術知識、技術操作、科學與技術關系的體現多于英國教科書，對技術設計與評價的體現少于英國教科書.在技術設計與評價的相關內容中，人教版教科書較多展現了技術設計內容，如“設想在家里、學校和生活的社區，什么地方應該安裝傳感器？”而英國教科書中大多是技術的評價與選擇，如思考各種發電機優缺點，說明如何選擇發電機；建議一種或多種可用于檢查大腦的掃描技術.

可見，英國教科書較重視讓學生多了解各種技術的優缺點，能夠在生活中選擇合適的技術和技術產品，而人教版教科書較重視如何將物理知識應用于技術，但是有關技術設計與評價的內容較少，還需增加其數量.

（3）兩版教科書都注意突出物理學知識在生活中的應用，英國教科書較關注科技對人們生活的影響.

總體來看，人教版教科書對于物理學與社會生活主題的呈現數量多于英國教科書.從二級主題來看，兩版教科書都對物理學知識在生活中的應用體現較多，人教版教科書對其體現比例明顯高于英國教科書，且多以提問形式呈現，讓學生自己用物理知識解釋生活現象，如解釋荷葉上的露珠呈扁平球形的現象、解釋系安全帶的規定的原因.人教版教科書對物理學技術的應用、科技對人們生活的影響體現比例稍低于英國教科書，對于科技與社會發展的關系的體現比例高于英國教科書.其中，人教版教科書在描述科技對社會發展的影響時，多以STSE欄目形式呈現，從科學技術發展和歷史事件等視角關注科學技術與社會發展的相互影響，如“交通工具與社會發展”“鄭和下西洋的影響”等.

英國教科書選取的內容更傾向于科技在人們生活中的應用，注重科技對人們生活水平的提高.人教版教科書選取的內容有意識地從社會角度培養學生理解科技與社會的關系，形成社會責任感，但是在討論社會問題時，缺少了讓學生自己進行思考、討論，發表自己看法的環節，往往直接給出了“最優解”，會影響學生思辨能力的培養.

（4）人教版教科書比英國教科書較注重呈現物理學與環境的相互影響.

人教版教科書對物理學與環境主題的體現數量明顯多于英國教科書，各二級主題的體現比例也均高于英國.人教版教科書的STSE教育內容涵蓋了環境污染、資源危機與能源開發、環境意識等3個主題，包含能源危機、能源的開發與利用、能源與社會發展、新的能源安全觀、汽車和能源、能源和輻射、放射性物質造成的環境污染等內容.英國教科書中體現物理學與環境主題的內容較少，只有2處，分別是第22章導入中的“隨著5G在各國的鋪開，這將對當地環境產生什么影響？”和第29章導入中關于“太陽的作用及產生能量的方式”的內容，主要涉及環境污染、資源危機與能源開發這兩個主題，沒有涉及環境意識的內容.可以發現，人教版教科書比英國較重視呈現環境保護、能源合理開發等內容.

2.3 兩版教科書STSE教育內容主題的總體分析與比較

人教版教科書中體現STSE教育的內容共有304處，英國版教科書中體現STSE教育的內容共計232處.兩版教科書都注重對不同主題STSE教育內容的滲透，人教版教科書中STSE教育內容的總體數量和各一級主題數量均比英國教科書多.

中英教科書對STSE教育內容主題的體現整體分布較一致，對物理學與技術主題的滲透比例都較高，占比分別為39.80%和43.10%，都以技術原理和應用知識為重心；其次是對物理學與社會生活主題的滲透，比例稍低于物理學與技術相關內容的體現，分別為32.24%和39.22%.兩版教科書都注意選取社會熱點問題，聯系物理學知識與社會生活，具體的側重稍有不同.可以發現兩版教科書都注重以技術和生活為切入點，對科學與技術之間的關系、科學與社會之間的關系進行討論.兩版教科書對物理學史與科學本質主題的體現比例均稍低，側重展現物理學史.兩版教科書對于物理學與環境主題的滲透均較少，分布比例分別為5.92%和0.86%.人教版教科書中物理學與環境主題內容體現較全面，且數量較多，但相比于其他主題，兩版教科書中有關物理學與環境的內容數量依然偏少，都還需增加.

3 對改進我國高中物理教科書編寫的建議

3.1 增加顯化科學本質主題內容的欄目

正確理解科學本質一直被公認為是學生科學素養的重要方面.我國最新版高中物理課程標準中也提到要認識科學本質，但是通過對人教版教科書中STSE教育內容主題的分析，發現教科書對科學本質主題的體現比例不高，大多數都是隱含在關于物理學史的表述中，很難讓學生直接明白科學本質的內涵.科學本質在物理教科書中的體現程度直接影響著物理教師的科學本質教學策略和學生對科學本質的理解，而包含多樣化的欄目是我國高中物理教科書的一大特色，因此建議教科書在包含物理學史的章節中增加科學本質欄目，將具體的科學本質內涵顯化出來.例如，在教科書必修第1冊第2章第4節“自由落體運動”的科學漫步欄目講述“伽利略對自由落體運動的研究”后，增設科學本質欄目，顯化上述欄目內容體現的科學本質特點：① 科學探究運用多種方法，伽利略運用實驗和邏輯推理（包括數學演算）相結合的方法進行自由落體運動的探究；② 科學知識是以經驗證據為基礎的，伽利略想辦法用實驗來探究自己的猜想，做了上百次實驗，由實驗結果進行合理外推確定了自由落體運動的規律；③ 科學知識可以接受新證據的修正，伽利略研究結果對亞里士多德結論的修正.

3.2 重視技術評價與選擇類內容的呈現

在STSE教育中，技術是聯系科學和社會的重要橋梁，許多科學知識都是依靠人們的智慧與才能轉化為具體的技術裝置，從而應用到生活中各個方面.我國高中物理課程標準也在多處規定教科書要體現技術進步的新成果，引導學生關注航天、電磁、激光等技術的應用和對社會造成的影響.通過以上對我國人教版教科書的統計分析，發現教科書中共有121處介紹了物理學與技術主題內容，其中物理學相關的技術知識、技術操作、技術設計與評價、科學與技術關系占物理學與技術主題內容總體數量的比例分別是61.98%、14.05%、13.22%、10.74%，注重對技術原理的體現，但是技術設計與評價的內容少于英國教科書，且在技術設計與評價部分多為技術設計內容.要更好地培養學生的技術素養，應多在教科書中增加體現技術評價、技術選擇的內容.既可以直接在習題中設置對某些技術的評價與選擇，如“說明光纖通信的優點與缺點”“假如你的朋友頭部受傷，選擇哪種醫學影像技術比較適合？”等；也可以設置一些動手制作活動，在活動中提供不同材料和工具供學生選擇，如設置制作“保溫盒”的實踐活動，提供珍珠棉、綢布、人造皮革、帆布、牛津布、鋁箔布、透明膠、雙面膠、針線包等工具和材料，學生需要了解不同材料的保溫、耐磨以及防水性能來選擇材料，在制作中也需要根據用途使用不同的工具.［11］

另外，物理實驗也是物理學與技術的相關內容，教科書中可以適當增加對于物理實驗設計進行評價的環節，并要求學生們提出相應的改進措施，既可以提高學生對技術的理解與應用，也有利于學生對實驗中物理知識的深入理解，培養學生科學探究素養.

3.3 突出對社會問題的討論與決策

科學和技術發展帶來了諸多緊迫的社會問題（如：基因工程和納米技術的意外危險、技術使用帶來的環境破壞、生態失衡等），并引發了科學界對學生進行社會問題教育的呼吁，鼓勵學生通過觀察現實，參與辯論和討論社會問題，形成自己的觀點和決策，擁有社會責任感.通過教科書分析發現，我國高中物理教科書在呈現物理學與社會生活主題內容時，雖然包含了社會問題的介紹，但是在進行社會問題的描述時，總是直接給出解決方案或最正確的觀點，沒有讓學生自己進行思考、討論、發表看法的環節.為了提高學生對于社會問題的決策能力，形成社會責任感，教科書編寫時應該注意在類似的社會問題中多增加一些思考性問題或者設置不同觀點的碰撞，讓學生經歷質疑批判過程，形成創造性見解.比如在選擇性必修第2冊第5章第1節“認識傳感器”的科學漫步欄目呈現“機器人”內容時，對于最后一段中“機器人越來越聰明，它們是否有一天會完全取代人的工作？”這一問題，可以給出“隨著人類科技的進步，機器人可能會像電影里一樣擁有自主意識，我們不應該制造具有較高智能的機器人”“機器人是人類制造的，它們的智慧永遠不會超過人類，即使取代工作，也只能取代一些重復性的工作，而這種取代是可以促進社會發展的”“我們無法確定未來機器人會多聰明，但是只要機器人是對社會有益的，就應該支持機器人智能技術的發展”等不同觀點，讓學生通過思考形成“科技沒有好壞之分，是人類決定了如何使用它，我們應該衡量和思考，如何運用這些技術才能對社會更有益，使世界變得更加美好”的正確觀點.

3.4 增加物理學與環境主題內容

環境教育作為學生樹立環境意識、提高環境認知能力、形成良好環境行為和生態道德的主要方式，對我國生態環境的保護和改善具有重要作用.［12］通過以上分析可以發現，我國人教版教科書中關于物理學與環境主題的內容僅有18處，雖然明顯優于英國教科書，但是與其他一級主題相比，該主題內容的數量顯然較少，而且人教版教科書中物理學與環境主題的內容大部分集中于資源危機與能源開發部分，對環境污染和環境意識體現較少，也缺少討論交流的環節.教科書應該多角度地選取已經出現的環境問題，在不同模塊展開敘述，讓學生進行更多的討論交流，或者進行課題研究，從而切實領悟到環境對于整體人類的重要性.比如在選擇性必修第2冊第2章“電磁感應”的教學中引入“電磁輻射”相關內容，簡要介紹其在生活中對環境及人體的危害，讓學生思考討論生活中的預防措施.再比如在必修第3冊第12章第4節“能源與可持續發展”的“能源的分類與應用”部分，增加各種發電方式對于動植物乃至生態環境的影響的描述，呈現科技與社會、環境的密切聯系，讓學生形成人與自然保持相對平衡的環境意識.