物理教科書中STSE教育內容對科學素養的貢獻研究

賀向向　熊建文

關鍵詞 教科書分析;STSE教育內容;科學素養;高中物理

科學教育的中心目標之一是培養具有科學素養的人。一個有科學素養的人通常被描述為：一個能夠理解科學的基本概念、科學的本質、約束科學工作者的倫理道德、科學、技術、社會和環境之間復雜的相互作用、科學與人類的相互關系的人[1]?？梢?，STSE教育內容是科學素養的重要內容之一[2]。

科學和技術是現代社會進步的興奮劑。一直以來，科學、技術、社會（STS）教育備受科學教育界的關注，其迎合了科學素養強調“科學技能發展”的愿景，也為學生提供了在科學背景下構思和處理情境的方式。隨著科技的發展與社會的進步，不可避免地帶來了資源和環境問題，在生態文明關系到人民福祉的今天，科學、技術、社會、環境的教育顯得尤為重要。研究表明，通過STSE 教育，學生可獲得理解科學本質、做出社會決策和解決技術問題的技能[3]，有助于培養學生的情感態度與價值觀[4]，對學生科學素養的形成有重要貢獻。因此，STSE 教育內容成為了各國課程文件和政策的一部分[5-6]。在我國，STSE教育是物理、化學等理科學科核心素養中科學態度與責任的重要內容之一[7]。

教科書是教學內容的具體化呈現，也是實施教學計劃的重要工具與學生學習的重要資源。通過探究高中物理教科書中STSE教育內容對科學素養的貢獻，為教師對STSE教育功能的理解、開展科學素養的教學實踐以及后續教科書的修訂提供參考。

1 問題提出

科學課程教育的主要目是培養學生的科學素養。實現科學素養培養的一種方法是通過科學、技術、社會和環境（STSE）教育[8]。科學教育中科學、技術、社會和環境運動由科學、技術、社會運動演變而來，這標志著環境問題納入了科學教育領域[9]。STSE教育為學生學習科學提供了一個廣泛的學習背景，這些背景來自社會生活、政治歷史、科技發展、倫理哲學等。在這一大背景下，學生能更好地學習科學知識，發展個人職業規劃，參與科學決策和樹立公民責任等。

過去幾十年，國內外學者對STS教育內容在教科書中的體現進行了大量研究[10-11]。近年來，隨著STSE教育浪潮的興起，國外學者逐步轉向STSE教育內容的文本研究。例如，Waddington利用Chiappetta等人（1991a）的分析框架，對魁北克科學教材中的STSE 內容進行了分析，結果表明，雖然STSE 內容在文本中被合理地整合，但STSE內容的批判性觀點在某種程度上被邊緣化（例如：有關科學技術影響的負面信息很少），倫理問題沒有得到深入探討，有關科學技術對經濟、社會和環境影響的問題沒有得到深入的討論[12]。其中比較典型的是Calado等人的研究。Calado（2015）分析了來自兩個不同出版商的兩本德國11年級生物學教科書（A&B）中的STSE問題，并以遺傳學與基因技術作為研究主題[13]。研究結果顯示：盡管兩部教科書（但主要是教科書A）都與STSE教育的“歷史潮流”保持一致[14]，但兩本教科書的STSE 問題的呈現各不相同。具體而言，雖然這兩本教科書均涉及科學和技術的關系，但A 教科書更注重社會層面，B 教科書更注重環境層面。同時他們認為教科書中科學的去文本化和社會中立的觀點是扭曲的觀點，這可能會對學生科學素養的形成造成阻礙。Calado等人2016年進行了同樣的研究，但使用了四種葡萄牙自然科學和生物教科書（其中兩種是9年級的教科書，兩種是12年級的教科書）[15]。結果表明：12年級教科書比9年級教科書包含更多的STSE 問題，且12年級的教科書更強調社會影響，但所有的教科書幾乎沒有提到環境的影響或作用。基于此，Fernandes分析了12本葡萄牙和西班牙科學教科書中的STSE教育內容[16]。結果表明：兩個國家科學教科書中均有STSE教育思想的體現，但體現程度均較低，教科書通常論述科學與技術的積極方面以及對人類生活的積極作用，但缺乏科學技術所帶來的弊端與局限性。同時教科書中的STSE教育內容多以隱性方式出現。因此研究者建議教師深入挖掘教材中的STSE 教育內容。

在我國，STSE教育剛剛興起，當前研究主要集中于教學理念的滲透、教學實踐的探索。關于STSE教育內容的文本分析通常以“研究學科與科學、技術、社會、環境的關系”作為研究框架[17-18]，忽視了四者之間的相互聯系，不利于教育者很好地理解STSE教育內容對科學素養的貢獻?；诖耍狙芯拷Y合以往研究重新修訂STSE分析標準，并以高中物理教科書為例，探究教科書中STSE教育內容對科學素養的貢獻。

2 研究設計

2.1 理論模型

為構建一個連貫且能反映科學素養的STSE教育內容文本分析框架，該研究結合科學素養的定義與Pedretti（1996）[19]開發的STSE 教育模型，構建了“科學素養導向的STSE教育模型”，以指導STSE教育內容分析框架的建立，見圖1。該模型被描述為：在理解科學、技術、社會、環境動態互動關系（雙向箭頭形成了四者之間的動態互動關系）的基礎上，形成待解決的科學問題（例，科學技術相關的社會與環境問題），圍繞待解決問題，在考慮倫理道德制約性（四棱錐邊緣的實線表示倫理道德界限）的基礎上，采取個人行動，最終指引個人的職業發展。

2.2 研究工具

基于上述理論模型，結合國內外的多項研究[20-22]和中國理科課程標準的要求，對以往STSE的分析標準進行了適當的調整。最終確定了五個主要維度：科學、技術、社會、環境的相互作用、科學與技術相關的社會和環境問題、以價值為導向的倫理道德、行動、職業。其次，通過文獻梳理初步形成了相應的二級指標，隨機選取3本教科書中的前30%的內容進行文本分析，提取了我們認為在教科書中可以觀察到的觀點，排除了不太可能出現在教科書中的觀點，最終確定了17個二級指標。整個分析框架蘊含了知識層面、能力層面、情感態度層面及職業導向層面（見表1）。

2.3 研究材料與程序

研究選取了國內最廣泛使用的最新修訂的人教版高中物理教科書（共6本，分別用WU101、WU102、WU103、WU104、WU105、WU106標記）作為分析材料。為合理呈現STSE教育內容在教科書中的呈現形式以及STSE教育內容對科學素養的貢獻，采用文本分析法對教科書中STSE 教育內容進行了定量與定性分析。內容選擇主要包括前言、正文、欄目、習題等。正文指教科書中以文字形式呈現的內容，欄目指拓展學生視野的材料，如“科學漫步”“STSE欄目”。

為熟悉分析框架，兩位主要研究人員使用分析框架對WU101進行了試驗分析。為確保研究者的分析信度，在試驗研究中，兩位主要研究人員獨立逐頁閱讀教材并標記教科書中涉及的STSE教育內容。隨后，收集兩位研究人員的材料，每塊材料都被編碼（SC1-SC17：表示STSE的每個二級指標）。兩位研究人員間的任何編碼差異都通過反思性討論和重新編碼來解決，直至對所選材料中代表的17個二級指標層面的STSE 內容達成共識。試驗研究結束后，三位研究人員再次討論了分析框架。最終，兩位主要研究人員逐頁閱讀分析了其余5本教科書（WU102、WU103、WU104、WU105、WU106），并記錄了STSE教育內容的17個二級指標在教科書中出現的頻數。

為保證統計結果的一致性，利用SPSS計算出兩位分析者一致性系數為0.884，表明兩位研究者的統計結果具有很好的內部一致性。

3 研究結果

將17個二級指標應用于6本高中物理教科書，通過逐頁分析，確定了179個符合標準的陳述（重復陳述記1處），各表征維度頻次見表2。

宏觀方面（見圖2），六本物理教科書中STSE教育內容的五個一級維度的表征不均衡。其中，科學、技術、社會、環境相互關系占比最多（74.86%），說明教科書非常注重科學、技術、社會、環境相互作用的描述。而其他四個維度（科學技術相關的社會和環境問題、價值導向的科技倫理、行動、職業）僅占STSE教育內容總數的1/4。尤其職業和行動維度在教科書中很少被提及，且教科書中僅提到科學家、物理學家等名詞，職業類型比較單一。

為進一步說明STSE教育內容的五個維度在每本教科書中的分布，其表征頻數被記錄在圖3中。結果表明，六本教科書中STSE 教育內容五個維度的分布存在差異。具體而言，五個維度均涉及的教科書為WU101、WU103和WU104，其中WU103對每個維度的表現相對較好。其次，WU102、WU105 和WU106 三本教科書關于STSE教育內容的表征都有缺失的維度，分別表現在科學與技術相關的社會環境問題和行動兩個維度。其中，科學與技術相關的社會環境問題在WU102與WU105教科書中也有缺失;行動維度在WU102、WU105、WU106 中都沒有被描述。雖然有不足，但每本教科書都體現了科學、技術、社會、環境的相互作用。另外，五個維度的整體發展趨勢呈現為波浪形，即五個維度沒有呈現出規律性發展趨勢的特征。

微觀層面，17個二級指標在教科書中的總表征頻數見圖4。結果揭示了，每個二級維度在教科書中的分布存在差異。總的來說，科學與技術對社會、環境的貢獻呈現最多，其次是科學對技術和技術對科學。其余維度在教科書中均較少被描述，但環境層面的描述多于社會層面。特別值得注意的是，我們發現教科書中存在將技術作為應用科學的描述，且這些描述多集中于WU101的前言中。此外，教科書未提及科學與技術的區別。

4 討論與結論

4.1 STSE教育內容五個維度的質性分析

4.1.1 STSE的相互關系維度

STSE的相互作用主要包括科學與技術的關系和科學技術與社會、環境的相互作用兩個方面。最新出版的高中物理教科書新增了STSE教育內容欄目，主要目的是通過STSE 教育內容增強學生對科學知識的理解與應用，培養學生的科學態度與社會責任。通過上述分析發現這一維度在教科書中的表征頻數最多，說明教科書非常重視STSE的相互關系，這為培養學生的科學素養提供了重要資源。其次，關于STSE 相互關系的表征多數來源于教科書中13 個STSE 欄目，以WU101教科書中“交通工具與社會發展”主題（見圖5）為例進行討論。

這一內容不僅描述了科學技術對社會、環境的貢獻，而且描述了科學技術對社會、環境的負面影響（包括科學技術的局限和風險）。同時，指出了一些社會和環境問題，并為學生提供了就社會和環境問題采取行動的措施，以及要求學生對科學技術做出社會價值觀判斷。這一內容體現了對學生辯證思維、科學態度與社會責任的培養，為學生理解科學、技術、社會、環境的相互關系以及科學素養的形成提供了有力的幫助。

然而，我們也發現多數STSE 欄目對STSE教育內容的描述存在不足。首先， STSE 教育欄目的主題多數為技術與社會或環境的作用。例如，主動降噪技術、輸電技術的發展、指南針與鄭和下西洋等主題。而科學與社會或環境關系的描述（例如“量子力學和相對論的創立，是20世紀物理學的兩個主要進展，給人類科學、技術和社會形態帶來了極其深刻的影響”）似乎在教科書中很少被呈現。其次，STSE的相互關系描述較為簡單，類似“交通工具與社會發展”主題的詳細描述甚少，也很少描述導致科學和技術成就的過程。這一結果可能傳遞了科學和/或技術問題已經毫無困難地得到克服[23]的觀點。另外，教科書更多論述了科學與技術的積極因素，很少提及科學技術的消極因素（科學技術的局限、科學技術的風險及其對社會環境的影響），這可能會影響學生對科學技術本質的認識，也可能向學生傳達科學技術很少有消極因素的觀點。教科書幾乎沒有描述社會、環境對科學技術的影響，這可能會阻礙學生對STSE動態關系的理解。因此，我們提議教師在教學中應深入挖掘STSE 欄目的教育功能，且有必要在教學中對教科書不足之處進行補充，發揮其對科學素養促進的功能。

4.1.2 科學技術相關的社會和環境問題

教科書對科學技術相關的社會和環境問題的描述較少，這可能會給學生傳達科學技術更多為人類社會或環境造福，很少引起一些需要解決的問題的片面觀點。但教科書所呈現的環境問題比社會問題樂觀，這可能與物理課程標準提出關注STSE問題有關，即要求學生理解人類活動對自然環境的影響，形成熱愛自然、保護環境、促進可持續發展的責任感。

問題的呈現是學生做出決策與采取行動的基礎?；谏鲜霾蛔悖覀冋J為可以通過增加有爭議的社會性科學問題，促進學生理解科學、技術、社會、環境之間的關系，并提升學生的問題解決能力，實現對學生科學素養的提升。

4.1.3 價值導向的倫理道德

本研究將價值為導向的倫理道德分為三個維度：價值倫理、環境倫理、社會責任倫理。研究發現，價值倫理關注潛在的利益或價值判斷。例如教材中描述到：“討論交通工具的速度是不是越快越好;面對科技進步，人類應該衡量和思考，該如何運用這些技術才會對社會更有益，使世界變得更加美好?！逼浯?，環境倫理的描述較為簡單，例如教科書描述到：“為了人類的可持續發展，需要我們保護環境;要防止放射性物質對空氣、水源、用具等的污染?！倍苌僦赋鋈祟惸男┎徽斝袨闀茐沫h境，以及應該如何限制這些不正當行為以實現生態文明。這可能不利于學生環境價值觀的形成。責任倫理在教科書中的表征雖然少，但明確指出了學生應樹立一定的責任觀。例如，生活在地球上的人們應該更加愛護自己的地球母親。這體現了物理課程標準中強調的注重學生的社會責任感的培養。

Sadler指出道德倫理是社會決策的核心，要具有科學素養，需要課程關注社會科學問題的道德和倫理層面[24]。因此，我們建議教科書應該更多提及價值導向的道德倫理，以更好地幫助學生對社會和環境問題采取合理的行動，最終形成正確的價值觀。

4.1.4 行動

教科書間接為學生提供了一些解決問題的措施。例如，汽車廠家可以改進車輛結構設計，增加乘員保護裝置，使我們乘坐的汽車越來越安全。然而，幾乎沒有明確要求學生就社會環境問題主動采取行動。一個具有科學素養的人應該在一定程度上具備就社會和環境問題做出明智決策或采取行動的能力[25]。

4.1.5 職業

教科書提到的科學與技術相關的職業主要有科學家（如物理學家）、教師等， 很少為學生提供其他與科學技術相關的職業類型。在科學素養的發展中要求學生具有一定的職業素養。為此，我們建議教科書可適當增加一些與物理學相關的工程類職業。例如，可以在電學的章節中提到電子設備維修員、焊工;在力學章節提到工程師;在核衰變的一章描述放射技術專家的工作等，其目的是為學生未來的職業規劃指明可能的道路的同時塑造學生的職業素養，進而促進學生科學素養的形成。

4.2 技術與應用科學

教科書中存在技術被視為應用科學的觀點，且該觀點主要出現在物理教科書必修一的序言中。例如教材中描述到：“電磁學的發展直接導致發電機和無線通信的誕生;對原子、分子物理和光學的深入研究，引發了原子鐘、激光和光纖通信等技術的誕生;固體中電子運動的研究導致了晶體管、集成電路和大容量電子存儲技術的發明”。這似乎暗示了一種單向關系，即認為科學的發展是新技術發明的基礎。如果技術是應用科學，可能暗示了科學可以離開技術獨立發展，而技術卻離不開科學。這種傳統理解表面上是對的，但并不深刻。從更為本質的本體論層面出發，科學的發展在宏觀和微觀層面是以技術發展為邏輯前提的。例如，李約瑟認為，中國古代在科學的概念表述體系上遠不如同時代的歐洲成熟，但中國古代的技術卻領先于歐洲，在漫長的交流史中，歐洲吸收了中國的先進技術，獲得了技術與科學的“強強組合”，導致了近現代科學技術的崛起[25]。首先，W.C.丹皮爾指出：“哥白尼體系的勝利是姍姍來遲的，直到伽利略把他發明的望遠鏡指向天空，發現木星及其衛星好像是一個縮小了的太陽系時，哥白尼的理論才名聲大噪，揭示了科學在得不到證實之前只能算是假說，沒有技術上的成熟就沒有科學[25]。由此可見，技術在存在論上先于科學且技術對于近現代科學的誕生應該更具有邏輯先在性。此外，一些例子也說明了技術的發明在一定程度上促進了科學的進步。例如，蒸汽機的出現說明了“技術”引領了“科學”的觀點;伽利略為了研究自由落體而發明的測量技術[26];工匠對望遠鏡的發展遠早于我們對光學現象的理解。其次，一些技術史的例子也可以說明技術不一定依賴于科學。例如，石頭和金屬的加工技術、紡織工業等可以先于任何系統的科學活動，并因此獨立于任何系統的科學活動而發生[27-28]。Gander[29]在一些著作中論述到：從科學發現到技術應用的轉變很少是簡單的，發明的過程幾乎從來不是從物理概念到應用的直接一步。通常技術問題的解決方案是通過許多方式進行的。例如，基于個人經驗的熟練方法、用于其他目的的設計方案的修改或有條不紊的試錯，現代光球的設計就是從愛迪生最初的試錯努力演變而來的。即使技術人工制品確實涉及科學原理的應用，但實際技術的許多設計特征也無法從科學原理中推導出來，需要熟練工程師的投入。換句話說，當教科書把一個物理原理和一個技術人工制品并列在一起，好像兩者之間有一個簡單而明顯的關系時，使學生對科學和技術之間的復雜關系的理解不夠深刻。因此，為了促進學生對科學和技術本質的認識，我們建議教科書應該謹慎處理科學與技術的關系。

5 結語

綜上所述，該教科書共涉及了STSE 教育內容的5個一級維度以及16個二級指標，為學生科學素養的達成提供了材料。但5個一級維度表征不均衡且部分二級維度出現缺失，此外也存在技術作為應用科學的知識論層面的認識。這些可能會阻礙學生對STSE 教育內容的理解，進而影響科學素養的形成。為了更好地提升學生的科學素養，未來的物理教科書可以適當調整STSE 教育內容的五個維度，使其表征更平衡;還可以適當更新STSE內容，使其跟隨社會的發展趨勢。此外，也應拓展教師的專業發展和加強教師的專業培訓，促進教師理解STSE教育內容的功能，使其有意識地在課堂中傳達STSE 內容的各個維度，實現學生科學素養的培養目標。需要注意的是，STSE教育內容的分析框架的建構更多考慮了科學素養層面，因此主要目的是為學生科學素養的培養提供參考。統編教科書編撰的真正出發點是基于課程標準。因此，該研究更多希望為促進學生科學素養的教學實踐提供參考。