HPS視域下高中物理教科書科學本質表征分析與啟示
——以“動量守恒定律”為例

魯加偉 錢長炎 崔普巨

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

科學本質是國際科學教育改革的核心主題，隨著我國基礎教育物理課程改革的不斷深入，正確理解科學本質已成為我國高中物理課程標準設立的重點課程目標，高中物理課程的重要內容如何體現科學本質已經是教科書的編寫和教師課堂教學討論的重要課題.

HPS(history of science,philosophy of science,sociology of science,簡稱HPS)融入科學教育用于體現科學本質一直以來都是科學教育改革的熱點話題之一.教科書作為重要的教學資源，其科學本質表征在一定程度上影響學生對科學本質的理解.因此，基于 HPS視域探究教科書中科學本質表征的呈現情況對落實物理學科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的科學本質觀念有著重要意義.

“動量守恒定律”是高中物理課程重要的內容，其中涉及的物理概念和規(guī)律的建立科學家們都經歷了漫長的探索過程，能夠從多個維度體現科學本質的內涵.本研究以我國不同時期的代表性高中物理教科書中“動量守恒定律”內容為研究對象，基于已有的HPS和科學本質研究建立科學本質表征分析框架，對教科書中科學本質表征進行分析,尋找不同時期教科書中科學本質呈現的特點，以期為我國教科書的編寫和課堂教學提出建議.

1 HPS視域下高中物理教科書中科學本質表征分析方法

基于HPS視域分析高中物理教科書中科學本質的表征，首先需要認識HPS與科學本質的聯系，在此基礎上選擇合適的方法對教科書中科學本質的表征進行統計.

1.1 高中物理教科書中科學本質表征分析的維度及其內涵

關于什么是科學本質，研究者們對這一問題的探討百年來從未停止，其中有代表性的研究認為科學本質包含10個維度：實證性、觀察與推論的區(qū)別、創(chuàng)造性、理論負載性、暫定性、科學研究途徑的多樣性、科學理論的本質、科學定理的本質、科學知識構建的社群性、科學中社會與文化的嵌入性[1].

關于如何在教學中體現科學本質，自20世紀80年代HPS教育興起以來，國際上關于利用HPS教育促進對科學本質的理解的研究日益涌現，其中有研究者基于HPS視角探討了科學史、科學哲學和科學社會學3個維度對促進理解科學本質的作用[2]，其各維度的內涵如表1所示. HPS的3個維度恰好帶領我們從歷史、哲學和社會3個方面認識科學的本質，一定程度上概括了前人對什么是科學本質的探討，成為體現科學本質的重要途徑之一.

表1 HPS視域下科學本質表征分析的維度及其內涵

根據科學本質表征分析的維度，可以選取不同時期的代表性高中物理教科書，建立科學本質表征分析框架，選擇合適的方法對教科書中科學本質各表征維度進行量化處理.

1.2 高中物理教科書中科學本質表征維度的統計方法

關于我國高中物理教科書的發(fā)展,以20世紀80年代的教科書為代表.1983年，為適應重點高中的教學要求，甲種本(以下簡稱1983版)應運而生[3]，其知識內容的編排對之后教科書的改革產生了深遠的影響.隨著基礎教育物理課程改革的不斷推進，2003年出版了以教學大綱為基礎的最后一版教科書[4].在2003年高中物理課程標準頒布之后，以課程標準為指導的教科書相繼出版，直到2010年完成了多次修訂(以下簡稱2010版)[5].2017年高中物理課程標準頒布后，以培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)為目標，教科書的內容也發(fā)生了相應的變化(以下簡稱2020版)[6].

以科學本質各表征維度為基礎，以上述我國不同時期4個版本教科書中“動量守恒定律”內容為研究對象，確定了本研究的科學本質表征分析框架，如表2所示.

表2 “動量守恒定律”內容中科學本質各表征維度的操作性定義

根據各表征維度的操作性定義，采用文本分析法，從定量和定性兩個角度探究教科書中科學本質表征的呈現情況.內容的選擇主要包括正文和非正文兩個部分，正文是指教科書中以圖片和文字呈現的正文部分內容，非正文是指各種閱讀材料.以1個事例或完整的表述為1個單位，如出現1次動量定理的應用即為出現一次科學社會學維度.內容不包括例題和練習題，并且實際分析過程中需考慮其在語境中的真正含義.

2 HPS視域下高中物理教科書中科學本質表征統計的結果和討論

確定了科學本質表征分析的維度和統計方法之后，我們可以對教科書中科學本質表征進行統計和分析.

2.1 不同時期代表性教科書中科學本質表征的量化統計

本文的3個作者分別獨立分析4個版本教科書中“動量守恒定律”的文本內容.統計結果利用SPSS進行計算，得出3位分析者的一致性系數為0.85，表明3位作者的統計結果具有良好的內部一致性.統計結果如表3所示.

根據對“動量守恒定律”內容中科學本質表征量化統計的結果，為使分析內容更加全面，下文從表征數量和表征特點兩個層面探究科學本質表征的變遷規(guī)律.

表3 “動量守恒定律”內容中科學本質各表征維度頻次 單位：次

2.2 不同時期代表性教科書中科學本質表征總量的分析

據表3可知，4個版本教科書中“動量守恒定律”內容的科學本質表征在總頻次上整體呈現增長趨勢.2003版相較于1983版由于在科學史和科學社會學維度的減少，使之在總頻次上減少了一個頻次.隨著基礎教育物理課程改革對科學本質關注度的提高，2010版中引入了大量的科學史內容和科學社會學內容，如科學家們對動量概念的爭論，動量定理在生活中的應用等，因此在總頻次上比2003版多了11個頻次.另外，2020版作為最新版教科書，在“動量守恒定律”內容中其科學本質表征的總頻次高于其他3個版本，這也體現了新版教科書更加重視科學本質教育，契合了高中物理課程標準對科學本質的要求.

2.3 不同時期代表性教科書在科學史和科學社會學維度的特點

有研究表明，增進科學本質認識的教學策略一般可歸納為內隱途徑和外顯途徑，利用即顯性的方法提高學生對科學本質的認識更加有效[7].為進一步研究科學本質各表征維度變化趨勢，我們有必要對3個維度的統計結果進行整理，如圖1所示.

圖1 “動量守恒定律”內容中科學本質各表征維度變化趨勢

可以看出，科學哲學維度始終呈現上升趨勢，但是2020版作為最新版教科書，其科學史和科學社會學維度相較于2010版呈現下降趨勢，并且科學史和科學社會學維度在教科書的改革過程中并不是持續(xù)增加的，呈現先減少后增加再減少的趨勢.除此之外科學史內容都編排在非正文部分，科學社會學維度減少的內容也在正文部分，不利于學生對科學本質的理解.因此，4個版本教科書中表征科學本質均以隱性呈現為主.

科學史的重要教育功能之一就是幫助學生理解科學本質[8]，同時，物理學作為一門基礎學科，它與社會和環(huán)境的聯系是非常緊密的，既有對社會發(fā)展的巨大促進作用，也有對環(huán)境的巨大改變作用[9].所以，在教科書的改革過程中要充分發(fā)揮科學史和科學社會學的教育作用，注重培養(yǎng)學生的科學本質觀念.

2.4 不同時期代表性教科書在科學哲學維度的特點

各種科學都是從觀察、假設和推理開始，而語言是描述現象和記錄結果的不可或缺的工具[9].因此，在用語言描述現象和記錄結果時，我們要明確觀察、假設和推理的區(qū)別，提高語言的準確性.表征準確性分為理性和質樸兩類，其中理性指的是完整的、準確的表征，與普遍認同的科學本質內涵一致；質樸則是傳達了與科學本質內容相矛盾或者相混淆的信息[10].下文以4個版本教科書中引入“動量守恒定律”的實驗和推理的內容為例，對4個版本教科書中科學哲學維度的文本內容進行對比分析，結果如表4所示.

表4 4個版本教科書中“動量守恒定律”內容的文本分析

從表中可以看出，2010版和2020版在“小球碰撞實驗”中，觀察的結果應該是“小球的質量不同時上升的高度不同”，而“小球質量不同，速度的變化也不同”是分析推理得出的結論.其表述容易使學生混淆推理與觀察的區(qū)別.而1983版和2003版給出了詳細的推理過程卻沒有以對實驗或某一現象的觀察為基礎.可以看出，雖然4個版本教科書中科學本質表征在科學哲學維度上呈現上升趨勢，但是科學本質表征不準確的問題在教科書的改革過程中仍然存在.

3 總結與啟示

基于HPS視域，對我國不同時期4個版本教科書中“動量守恒定律”內容的科學本質表征進行分析，從表征數量和表征特點兩個層面揭示了科學本質表征變遷的特點.以培養(yǎng)學生科學本質觀為目標，可以提出一些教科書編寫和課堂教學方面的建議.

首先，教科書中科學史和科學社會學的內容，不僅使學生在學習物理知識時能夠追尋概念和規(guī)律建立的歷史過程，還能被物理學家們實事求是，追尋真理的探索精神所熏陶，學習科學、技術與社會的關系．所以在教科書的改革過程中，要不斷地開拓創(chuàng)新，增加教科書中科學史和科學社會學的內容以及其在正文部分的比重，充分體現教科書改革的主旨．

其次，教科書在改革過程中要不斷地完善文本話語，適當減少“證實”“實驗說明”“事實表明”等用詞，應較多使用“觀察”“推論”和“猜測”等詞匯，提升科學本質表征的準確性，培養(yǎng)學生正確的科學本質觀念[11].

最后，教科書在表征科學本質時的弊端要求教師提升自身的科學本質觀念，在課堂教學中應該適當地引入科學本質有關的內容，如利用展開小組討論、播放相關視頻或小故事等方式來彌補教科書的不足之處.