改革開放以來我國高中化學教科書科學本質表征變遷研究

宗國慶

摘要： 基于FRA范式理論，運用結構性內容分析法建構教科書科學本質表征評價工具。繼而運用此工具收集了改革開放以來6套人教版高中化學教科書中所有科學本質片段，對其進行系統編碼與歸類，并從重視度、均衡性、外顯性與關聯性四指標進行分析，得出教科書科學本質表征變遷呈現穩定性與跨越性兼備的辯證發展特征的結論。最后對該結論進行解釋，提出相應建議與未來研究展望。

關鍵詞： 化學教科書； 科學本質； 表征； 變遷

文章編號： 10056629（2023）11001507 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

培養具有科學素養的公民是當今世界各國科學教育改革的最重要目標，努力提高學生對科學本質（Nature of Science， NOS）的理解已成為世界發達國家科學教育改革的廣泛共識［1］。作為溝通科學課程文件與課堂教學的中介，科學教科書對提高學生的科學本質理解意義重大。世紀之交的第八次課程改革以來，科學本質逐漸得到重視，各科學學科課程標準及教科書中均進行了一定程度的闡述。不過，實證研究表明，全球范圍內幾乎所有學段、所有科學學科教科書的科學本質表征均質量堪憂［2］。這種實然與應然的不一致促使人們對教科書的科學本質表征質量展開評價研究。

1 評價工具

當前廣泛應用的科學教科書科學本質表征評價工具是萊德曼等開發的評價工具。該工具將共識范式細化為經驗性、推論性、創造性等10個方面，制定出詳備的指標體系，對美國14套主流化學教科書進行了系統評價［3］。該工具已應用于跨國家、跨學科與跨時期的科學教科書評價研究中，得到諸多實證研究支持［4，5］。但近年來，該工具因為學科適用性不佳、評價廣度有限以及關聯性不足而受到批評。

在此背景下，國際上興起了一種稱之為家族相似性方法（family resemblance approach， FRA）的替代范式（以下簡稱FRA范式）。該范式將科學各分支學科視為相似性家族成員，其學科本質之間既具相似性，又具差異性。彼此之間至少共享一個或多個科學本質特征，任一分支領域只具有部分科學本質特征。

在此范式指引下，研究者開發出教科書評價工具［6］。該工具包含認知性維度與社會制度性維度。前者包含認知目標和價值觀、科學實踐、方法和方法論規則、科學知識4個類目；后者包含專業活動、科學精神、社會認證和傳播、科學的社會價值觀、社會組織和互動、政治權力結構和經濟體系7個類目。這些類目要素以動態互動的方式相互關聯，共同構成同心圓體系。該體系兼顧科學各學科本質的通用性與特異性。

進一步審視FRA，可發現其11個類目間存在一定交叉。例如，“專業活動”和“社會認證與傳播”均涵蓋了科學家為同行評審期刊撰寫手稿的活動和評估研究質量的活動，而“經濟體系”屬于“制度約束”的下位范疇，這種交叉不利于其后續應用。為此，將“社會認證和傳播”并入“專業活動”類別，將“經濟體系”并入“制度約束”類目。同時，科學方法論與科學方法的內涵不同，前者是關于科學方法的理論規則，比如實驗控制規則；而后者是科學知識的直接獲取手段，比如歸納法、演繹法等，不宜將二者并入同一類目。為此，我們將初始的“方法和方法論規則”進一步分成“方法”和“方法論規則”兩個獨立類目。

由此便得到10個一級類目，具體如表1所示。基于此，運用包含“演繹歸納”兩階段的結構化內容分析法進一步建構二級類目。所謂演繹即立足于10個一級類目對教科書中所有科學本質片段進行開放性摘錄，而歸納階段則是采用對演繹階段所收集的科學本質片段進行歸納，以生成更細粒度的二級子類目。通過此生成過程，建構出適切于評價我國改革開放以來高中化學教科書科學本質表征的包含10個一級類目及51個二級類目的評價工具（如表1所示）。

2 評價過程

2.1 分析樣本

選取由人民教育出版社出版的6套較具代表性的高中化學教科書作為樣本，具體信息如下：《全日制十年制學校高中課本（試用本）化學》（1979年，編碼A，A1即表示第1冊，下同）；《高級中學課本（試用）化學（甲種本）》（1983年，編碼B）；《高級中學課本 化學》（1995年，第2版，編碼C）；《全日制普通高級中學教科書 化學》（2003年，編碼D）；《普通高中課程標準實驗教科書 化學》（2007年，編碼E）；《普通高中教科書 化學》（2019年，編碼F）。為保證6套教材主題內容的一致性，選取了前4套全冊教材；而對后2套進行了篩選，選取E的必修1、 2與選修3、 4和5；選取F的必修1、 2與選擇性必修1、 2和3。

2.2 評價標準

秉持如下標準，進行片段收集與歸類：

（1） 多個類目位于同一片段時，各記為1次。

（2） 多個片段均清晰指向同一類目時，其片段長度將延至多個句子，并記為1次。

（3） 顯性與隱性片段均計入，亦即進行推斷性歸類。如F第1冊第41頁的以下片段即為一例隱性片段，從其可推斷出應弘揚勇往直前的科學精神。

從氯氣的發現到氯被確認為一種新的元素，時間長達三十多年，其間經歷了數位科學家的不懈探索。你從這一史實中得到什么啟示？

（4） 由于教科書往往在演示實驗之后隨即給出相應結果，因此，本研究不統計演示實驗，而僅統計學生實驗。

2.3 具體過程

在具體評價開始之前，3名評價者均系統學習了FRA相關理論。在演繹階段，隨機選取3冊教材，由3名評價者對評價工具進行測試——對照評價工具對其提及的所有NOS片段編碼歸類至10個一級類目中，其信度系數（Fleiss kappa）為0.8（表明其內部一致性較好）。繼而歸納所有片段，以得出二級類目，其信度系數（Fleiss kappa）為0.85，表明3位評價者的二級類目編碼的內部一致性亦滿足要求，并制定編碼指南（包含摘錄示例）。最后對演繹與歸納兩階段中存在的每一處編碼分歧充分討論，以進一步加深評分者對評價框架與編碼標準的理解，提高一致性。在此基礎上，將此評價過程運用于所有教科書，并將每個片段均歸類至所有類目，得到原始數據。

在此基礎上，首先對原始數據進行頻次與百分比的定量分析；同時結合認知網絡進行定性分析，以得出其科學本質表征脈絡。進而，對6套教科書的所有內容進行綜合比較。重點分析關聯性、均衡性、外顯性與重視度四個指標。其中，關聯性指標最能突顯FRA范式特色，側重衡量教科書科學本質類目間的關聯強弱。外顯性側重評價教科書科學本質的表征方式，其吸取自共識范式教科書科學本質表征評價工具。重視度與均衡性則側重于教科書科學本質類目的規模與分布。

3 研究發現

3.1 重視度變遷呈跳躍式發展特征

總體而言，改革開放以來我國高中化學教科書NOS的重視度變遷具有跳躍式發展特征。若以20年為單位，則可將其劃分為前期20年的“徘徊式發展”與后期20年的“跳躍式發展”兩個發展階段。后3套教科書對NOS的重視度遠遠高于前3套教科書（如圖1所示），無論是教科書科學本質表征的規模（量的表征，包括科學本質單元片段總數與科學本質類目頻次總數），抑或教科書科學本質表征的位置（質的表征）均是如此。

這種跨越式發展特征亦表現在科學本質各一級類目的表征規模上（見圖2）。在社會目標與價值觀、科學實踐、方法、方法論規則、知識、專業活動、科學精神、社會價值、社會組織與互動以及制度約束維度，后3套的科學本質一級類目表征規模均遠高于前3套教科書。

這種重視度的跨越式發展還體現在出現位置的愈益多樣、全面與專門化。具體而言，所謂愈加多樣與全面，即指與前3套相比，后3套科學本質片段可以出現在教科書中的任何位置。不僅出現在正文、實驗、閱讀材料、選學、章（節）引言、腳注等位置，亦大量出現在新增緒言、結束語及圖片、旁注、科學視野、科學史話、化學與職業、科學·技術·社會等諸多欄目中。為科學本質的規模擴展及其教育教學功能的充分發揮提供了充足的物理空間與欄目載體。所謂愈加專門化，即指后3套教科書除了繼續將科學本質與正文內容相互融合呈現，同時更加自覺地專設能夠進一步發揮科學本質教育教學功能的相關欄目，如科學·技術·社會、科學史話、科學視野、化學與職業。科學本質雖然不是其新設欄目與章節的唯一原因，但毫無疑問是其考慮的主要因素之一。

3.2 均衡性變遷呈辯證發展特征

從教科書所覆蓋的一級類目種類以及類目之間百分比差異兩方面發現，6套教科書科學本質均衡性變遷呈跨越與穩定兼備的辯證發展特征。具體而言，在一級類目均衡性變遷上，其覆蓋種類與百分比差異均表現出前3套的“徘徊式發展”與后3套的跨越式發展特征（如圖3所示）。

在一級類目百分比差異上，以科學本質頻次占比前6的“社會價值”“科學實踐”“認知目標與價值觀”“科學精神”“科學知識”“制度約束”類目為例，社會價值在前3套中占比均超40%。而后3套的該類目占比得到大幅縮減，最高亦不足40%。而所減比重被進一步分配至占比相對較低的“認知目標與價值觀”“科學知識”“科學精神”與“制度約束”，后3套教科書實現了一定程度上的跨越式發展。

但同時，亦應看到6套教科書均衡性變遷的穩定性。諸如“社會價值”“科學實踐”等6類目的百分比始終占據前列（總和均超90%）。這種極高占比反映出此6類目在高中化學教科書科學本質中的關鍵地位——認知性維度本質以“認知目標與價值觀”“科學知識”與“科學實踐”為主，社會制度性維度本質以“社會價值”與“制度約束”為主，且二者在相互關聯中構成了高中化學教科書科學本質主體。

3.3 外顯性變遷呈辯證發展特征

6套教科書科學本質外顯性變遷亦呈穩定性與跨越性兼備的辯證發展特征。其穩定性表現在科學本質片段以隱性表征為主，顯性表征為輔——隱性片段百分比均超92%，顯性片段頻次均不足8%，兩者相差均超過10倍（如圖4所示）。

這種穩定性折射出隱性方式在教科書科學本質表征中的絕對主體性。原因可能是隱性表征具有更好的內容嵌入性，可以基于學科具體知識語境向外延伸至相關科學本質。如進行“社會價值”類目教育時，多基于具體化合物知識語境展開。

由于前3套教科書隱性片段均為內容嵌入型，且其顯性片段20年未發生變化（為同樣的2個片段）。進入新世紀后，通過顯性片段數目與百分比的提高，這種“徘徊式”局面得到一定程度的改善。后3套的整體外顯性得到了一定程度的提升（顯性與隱性百分比之間的差距亦逐步縮小）。這種提升與其相應非內容章節（引言與結束語）的設置有關，亦與其內容主題（如“化學科學與實驗探究”與“化學與社會發展”）的設置和相應欄目（如“方法導引”“化學與職業”）設置有關。

3.4 關聯性變遷呈辯證發展特征

運用謝弗（Shaffer）開發的認知網絡分析（Epistemic Network Analysis， ENA）技術制作工具，畫出表征教科書科學本質關聯性的可視化模型，并在此基礎上透視其40年變遷（見圖5）。

由上圖知，6套教科書一級類目關聯性變遷兼具穩定性與跨越性的辯證發展特征。穩定性體現于均十分重視“AV—SP”“AV—KN”“AV—SV”“AV—SE”“SP—ME”及“SE—SV”六類關聯（這些符號即前文表1中的一級類目的英文首字母縮寫）。對于MR、 SO、 PA與IC等類目間關聯均相對忽視。

這種穩定性凸顯出40年來教科書NOS關聯性表征的兩方面特色：一是“AV—SP”“SP—ME”與“SP—KN”三類關聯凸顯出的“認知實踐性”，即注重“科學實踐”的認知性導引，使“科學實踐”成為認知目標實現的基本方式，并在與“認知目標”“知識”“方法”的結合中，發揮整體功能。二是“AV—SV”“AV—SE”與“SE—SV”三類關聯構成的“AV—SE—SV”關聯環所凸顯出的“認知實用性”，即兼顧化學學科的認知目標的同時，更加注重發揮化學學科積極的精神涵養與正向的社會變革功能。而“方法論規則”“社會組織與互動”“專業活動”與“制度約束”的缺失則凸顯出教科書對于“認知社會性”的忽視（包括對科學實踐的社會性以及科學知識的社會性的忽視）。尤其對于化學共同體及社會政治經濟文化制度對于科學知識生產和最終形式的制約與影響關注不足，最終使教科書的科學本質表征的“實在論”色彩過濃，“建構論”色彩較淡。例如，多強調化學認知的邏輯性與真理性，而對于其約定性和建構性關注不足；僅強調化學學科的單向正面意義，而對于其可能的制度嵌入性與負面性關注不足。

而在關聯性差異上，則表現出跨越性特征。既包括關聯共現頻次（以ENA模型的節點大小及其連線粗細表征），亦包括關聯強度（以ENA模型節點連線的疏密復雜程度表征）。可將前3套與后3套各作為一個整體，畫出如圖6所示的ENA疊減圖。

由上圖可知，無論質或量，前后3套教科書的NOS一級類目關聯性均呈顯著差異。后3套教科書認知網絡模型連線更粗，更加復雜、緊密與多樣，在“SP—SV”“SP—SE”“SE—SV”的閉環“SP—SE—SV”關聯環上尤為如此，后3套實現了“跨越式”發展。

圖6亦清晰表明前后3套教科書一級類目的認知網絡質心分布位置呈現明顯差異。其中，前3套教科書認知網絡質心位于X軸左側，后3套教科書質心則位于X軸右側。且兩者疊減后，僅剩下后3套教科書的“SP—SV”“SP—SE”“SE—SV”三類關聯構成的“SP—SE—SV”關聯環，從而表明前后3套NOS一級類目結構已發生深刻變化，亦即在增強“SE—SV”關聯性的基礎上，又大幅增強了“SP—SV”“SP—SE”的關聯性。亦即增強了認知性維度與制度性維度之間的關聯性以及制度性維度內部的關聯性。

4 結論與展望

4.1 結論

改革開放以來我國高中化學教科書的科學本質表征變遷總體呈現穩定性與跨越性兼備的辯證發展特征。凸顯出我國高中化學教科書科學本質表征變遷既兼顧了對歷史傳統的繼承，亦兼顧了對課程改革和社會發展的時代性適應，而能夠不斷推陳出新。在這個意義上可以說，我國高中化學教科書科學本質表征變遷秉持了歷史與當代、繼承與發展對立統一的辯證邏輯，因而是科學的、合理的。

4.2 解釋、建議與展望

我們認為，這種辯證發展特征的主導因素是課程文件，是一種“課程文件效應”。前3套教科書所對應的課程文件完全隱性表征科學本質，進入新世紀后，后3套教科書對應的課程文件的科學本質表征方取得較大突破——尤其是E與F對應的課程文件，突破性地以顯性方式在多個位置對科學本質進行了表征，并明確提及科學本質概念、意義以及教材表征建議。這種顯性表征尤其是相應“教材編寫建議”為后3套教科書科學本質表征的跨越式發展奠定了堅實的制度基礎與政策依據。

這種“課程文件效應”表明“高中化學教科書科學本質表征”與“科學本質在課程文件所處地位”緊密相關。新世紀以來，盡管我國高中化學課程文件愈益重視科學本質，不過科學本質多數出現在“課程性質”“教科書編寫建議”“教學策略”“教學提示”與“學業要求”“教材編寫建議”等邊緣位置。因此，進一步提高我國課程文件對科學本質的重視度，尤其是將其表征于“課程目標”“內容標準”和“評價建議”等主體部分顯得較為必要。

此外，未來教材必將呈現數字化趨勢，可對廣具前景的數字教科書的科學本質表征作進一步研究。國際上已有學者敏銳捕捉到這一極富前沿性的課題［7］。數字教科書與紙質教科書的科學本質表征有何區別？如何在數字教科書中進行科學本質表征？如何發揮數字教科書的獨特優勢（如超文本性和交互性）以彌補紙質教科書科學本質表征上的缺陷與不足？這些均是未來亟待研究的重要問題。

參考文獻：

［1］Abd－El－Khalick， F.， Myers， J. Y.， Summers， R.， Brunner， J.， Waight， N.， Wahbeh， N.， Belarmino， J.. A longitudinal analysis of the extent and manner of representations of nature of science in U. S. high school Biology and Physics textbooks ［J］. Journal of Research in Science Teaching， 2017， 54（1）： 82～120.

［2］［7］McDonald， C. V.， Abd－El－Khalick， F.. Where to from here？ Implications and future directions for research on representations of nature of science in school science textbooks. In C. V. McDonald， F. Representations of nature of science in school science textbooks： A global perspective ［M］. London： Routledge， 2017： 215～231.

［3］Abd－El－Khalick， F.， Waters， M.， Le， A. P.. Representations of nature of science in high school chemistry textbooks over the past four decades ［J］. Journal of Research in Science Teaching， 2008， 45（7）： 835～855.

［4］Abd－El－Khalick， F. et al. A Longitudinal Analysis of the Extent and Manner of Representations of Nature of Science in U. S. High School Biology and Physics Textbooks ［J］. Journal of Research in Science Teaching， 2017， 54（1）： 82～120.

［5］Campanile， M. F.， Lederman， N. G.， & Kampourakis， K.. Mendelian genetics as a platform for teaching about nature of science and scientific inquiry ［J］. Science & Education， 2015， （24）： 205～225.

［6］Erduran， S.， Dagher， Z.. Reconceptualizing the nature of science for science education： scientific knowledge， practices and other family categories ［M］. Dordrecht： Springer， 2014： 28～30.