楊語(yǔ)嫣 李貴安
(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710119)
“科學(xué)思維”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)容之一,是物理學(xué)科的驅(qū)動(dòng)內(nèi)核,主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.當(dāng)前雖有學(xué)者針對(duì)“科學(xué)思維”進(jìn)行文獻(xiàn)綜述,但鮮有可視化分析.基于可視化分析的文獻(xiàn)綜述樣本容量大,可靠性高,可以清晰展現(xiàn)出該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、發(fā)展脈絡(luò)與演進(jìn)趨勢(shì).因此本文對(duì)21世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)物理教育領(lǐng)域科學(xué)思維的研究進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以期為科學(xué)思維的研究和實(shí)踐提供啟示.
本研究在中國(guó)知網(wǎng)平臺(tái)選取研究對(duì)象,具體操作步驟如下.(1) 使用中國(guó)知網(wǎng)“高級(jí)檢索”功能,設(shè)置檢索主題為“科學(xué)思維”,設(shè)置檢索時(shí)間為2001-01-01到2023-08-23,共檢索到21269篇文獻(xiàn);(2) 再次添加檢索主題“物理教學(xué)”后,共檢索到2906篇文獻(xiàn);(3)為排除相關(guān)干擾,手動(dòng)刪除無(wú)效、重復(fù)文獻(xiàn),最終得到有效期刊文獻(xiàn)2001篇,碩博論文557篇,共計(jì)2558篇.
以CiteSpace可視化軟件為基本工具,輸入樣本數(shù)據(jù)并處理.處理?xiàng)l件如下:時(shí)間范圍選取2001-01到2023-08,時(shí)區(qū)為1年;“詞匯來(lái)源”選擇主題、摘要、作者、關(guān)鍵詞和附加關(guān)鍵詞;節(jié)點(diǎn)類型選擇關(guān)鍵詞;節(jié)點(diǎn)篩選方式g-index中k值為8;選用Pathfinder和Pruning sliced networks進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn);選用對(duì)數(shù)似然算法(LLR)進(jìn)行聚類,并利用關(guān)鍵詞命名,以圖譜的形式呈現(xiàn)研究結(jié)果,分析“科學(xué)思維”研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀、熱點(diǎn)及趨勢(shì).
一般來(lái)說(shuō),文獻(xiàn)數(shù)量反映該研究領(lǐng)域的受關(guān)注及研究情況.如圖1所示,我國(guó)21世紀(jì)以來(lái)關(guān)于“科學(xué)思維”的研究情況大致分為兩個(gè)階段:第一階段為穩(wěn)步上升階段(2001年到2015年),研究文獻(xiàn)每年平均16篇左右,呈平緩波動(dòng)趨勢(shì);第二階段為突增階段(2016年到2023年),呈跳躍式增長(zhǎng)趨勢(shì).2015年《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(征集意見版)》的發(fā)布,引起廣大物理教育工作者對(duì)“科學(xué)思維”研究領(lǐng)域的關(guān)注,次年大量文獻(xiàn)涌現(xiàn),近翻一番,2018年初《標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布后,刊文量突增,由2017年的103篇增長(zhǎng)至2018年的263篇,2020年繼續(xù)增加至537篇達(dá)到峰值,此后兩年由于線上教學(xué)、知網(wǎng)收錄等因素,發(fā)文量略有下降,但平均發(fā)文量也有503篇,2023年預(yù)測(cè)值達(dá)到604篇,可見“科學(xué)思維”研究熱度不減.

圖1 發(fā)文量年度分布
高頻關(guān)鍵詞是一段時(shí)間內(nèi)研究?jī)?nèi)容的集中反映.通過(guò)CiteSpace得出科學(xué)思維研究文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞(頻次>80,如表1)并進(jìn)行聚類,最終得到11個(gè)聚類標(biāo)簽(如表2),分別為“物理”“物理教學(xué)”“核心素養(yǎng)”“物理觀念”“物理知識(shí)”“物理實(shí)驗(yàn)”“教學(xué)設(shè)計(jì)”“科學(xué)思維”“教學(xué)策略”“思維方法”“深度學(xué)習(xí)”.其中模塊值(Modularity)Q=0.5158>0.3,表明聚類結(jié)果可信;平均輪廓值(Mean silhouette)S=0.7704>0.5,說(shuō)明聚類合理.

表1 高頻關(guān)鍵詞列表

表2 關(guān)鍵詞聚類情況
對(duì)共現(xiàn)關(guān)鍵詞及11大聚類進(jìn)行歸納并精細(xì)分析文獻(xiàn)內(nèi)容,得出國(guó)內(nèi)關(guān)于科學(xué)思維研究的熱點(diǎn)主要有以下幾個(gè)主題(如表3).

表3 科學(xué)思維研究?jī)?nèi)容列表
什么是科學(xué)思維?這是思維教學(xué)研究的基本問(wèn)題.國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)科學(xué)思維的內(nèi)涵進(jìn)行了不同的規(guī)定性定義,有知識(shí)論、過(guò)程論、綜合論等多種形式.從知識(shí)論角度,科學(xué)思維是形成并運(yùn)用于科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)、對(duì)感性認(rèn)識(shí)材料進(jìn)行加工處理的方式與途徑的理論體系.[1]從過(guò)程論角度,科學(xué)思維是應(yīng)用科學(xué)探究的方法或原則去推理或者解決問(wèn)題,并涉及生成、測(cè)試和修正理論的技能,并在充分發(fā)展技能的情況下,以反映知識(shí)獲得和變化的過(guò)程.[2]從綜合論角度,科學(xué)思維是對(duì)自然界事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間相互關(guān)系的間接的、概括的和建構(gòu)的反映.[3]普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出,科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論質(zhì)疑和批判,進(jìn)行檢驗(yàn)和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力和品格.[4]可以看出,新課標(biāo)從綜合論的角度界定科學(xué)思維.
科學(xué)思維的類型也廣受關(guān)注.多數(shù)學(xué)者根據(jù)思維形式的不同,分為抽象思維、形象思維、直覺(jué)思維,有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行細(xì)化;也有學(xué)者根據(jù)思維方法的不同,分為建模方法、推理方法、分析綜合、數(shù)學(xué)物理方法、思維遷移、論證方法、實(shí)驗(yàn)方法、臻美法、直覺(jué)靈感等.[5]不同文獻(xiàn)分類結(jié)果不同,暫無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí).
思維要素是科學(xué)思維區(qū)別于其他思維的基本特征.新課標(biāo)明確科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新4大要素.學(xué)者對(duì)不同要素進(jìn)行了不同程度的研究,模型建構(gòu)研究文獻(xiàn)最多,科學(xué)推理次之.總結(jié)發(fā)現(xiàn)每個(gè)要素的研究主要聚焦在科學(xué)思維要素本身(概念、框架與分類、建立方法等)、培養(yǎng)策略(教學(xué)模式、教學(xué)策略等)、評(píng)價(jià)(相關(guān)能力現(xiàn)狀調(diào)查、測(cè)評(píng)、試題分析、教材分析等)3個(gè)方面.如,曹寶龍論述了物理模型的概念、性質(zhì)、作用、分類、建構(gòu)方法與途徑,提出教學(xué)建議.[6]王黎陽(yáng)對(duì)高考試題對(duì)科學(xué)推理能力的考查進(jìn)行了研究.[7]周佳以一道關(guān)于“法拉第圓盤”的改編習(xí)題為例,進(jìn)行了CIA模型的論證教學(xué)實(shí)踐,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力.[8]孫凱悅以蘇州市某重點(diǎn)高中高一年級(jí)部分學(xué)生為研究對(duì)象,進(jìn)行了學(xué)生物理質(zhì)疑能力的現(xiàn)狀調(diào)查研究.[9]
新課標(biāo)頒布后,科學(xué)思維與物理學(xué)科核心素養(yǎng)之間關(guān)系的研究廣受關(guān)注.張旺認(rèn)為,從科學(xué)理論創(chuàng)造中汲取養(yǎng)分培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)是素質(zhì)教育的重要內(nèi)容,科學(xué)素質(zhì)的內(nèi)涵是多維的,但核心和關(guān)鍵是人思維的創(chuàng)造力.[10]董博清、彭前程認(rèn)為科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重中之重,是物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的基礎(chǔ)與內(nèi)核,教育就是要“為思維而教”.[3]史寧中認(rèn)為,教育的本質(zhì)在于思維能力的培養(yǎng),根本的課程目標(biāo)應(yīng)該以思維訓(xùn)練的需要為核心.[11]王高指出思維活動(dòng)是科學(xué)探究的靈魂,認(rèn)為在科學(xué)探究中應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行充足的思維訓(xùn)練,促進(jìn)思維生長(zhǎng).[12]張嘉充、蔣煒波認(rèn)為科學(xué)思維是物理學(xué)科的驅(qū)動(dòng)內(nèi)核,支撐各個(gè)素養(yǎng)維度的發(fā)展.[13]
由此可見,科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的靈魂與核心,是物理教育的根本.科學(xué)思維的發(fā)展助力物理觀念的形成,推動(dòng)科學(xué)探究的深入,支撐科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng).培養(yǎng)科學(xué)思維是促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的必要途徑,提高科學(xué)思維是印證物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要條件.
大多數(shù)文章都關(guān)注“怎么教”的問(wèn)題,說(shuō)明科學(xué)思維的培養(yǎng)研究是物理教育改革中的焦點(diǎn)問(wèn)題,研究?jī)?nèi)容主要有教學(xué)模式和教學(xué)策略.
轉(zhuǎn)變教學(xué)模式.國(guó)內(nèi)學(xué)者在參考國(guó)內(nèi)外教學(xué)模式的基礎(chǔ)上,通過(guò)理論分析以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié),創(chuàng)新出大量本土化教學(xué)模式,主要有“5E”教學(xué)模式、“五環(huán)教學(xué)”模式、基于模型建構(gòu)的教學(xué)模式、思維顯性化教學(xué)模式、問(wèn)題教學(xué)模式、生活化教學(xué)模式等.如,符譯丹、陳立萬(wàn)以“液體的表面張力”教學(xué)為例,利用“5E”教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)踐,建立物理科學(xué)思維.[14]黃以明論述了福安一中探索形成的“五環(huán)教學(xué)”模式,真正把課堂還給學(xué)生.[15]袁維新認(rèn)為基于模型建構(gòu)的教學(xué)模式能促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變,通過(guò)類比推理建構(gòu)新模型,使用新模型進(jìn)行科學(xué)推理.[16]張新玉在逆向教學(xué)設(shè)計(jì)思維的引導(dǎo)下,自制教具,改進(jìn)和創(chuàng)新壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì).[17]游德銳通過(guò)“問(wèn)題化教學(xué)模式”的手段進(jìn)行探索與實(shí)踐研究.[18]周玲提出了原始物理問(wèn)題教學(xué)的6個(gè)環(huán)節(jié)并應(yīng)用在初中物理“奇妙的平衡”.[19]朱濤平從多角度分析生活化教學(xué)模式,提出應(yīng)用策略.[20]
優(yōu)化教學(xué)策略.針對(duì)性的教學(xué)策略可以有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力.國(guó)內(nèi)主要采用具化教學(xué)目標(biāo)、創(chuàng)設(shè)物理情境、經(jīng)歷科學(xué)探究、滲透物理學(xué)史、應(yīng)用思維可視化等策略.(1) 卞志榮、劉琦以“動(dòng)量和動(dòng)量定理”為例,將具象化的核心素養(yǎng)目標(biāo)作為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教學(xué)各環(huán)節(jié).[21](2) 創(chuàng)設(shè)物理情境是研究的熱點(diǎn).總結(jié)發(fā)現(xiàn)物理情境創(chuàng)設(shè)要遵循學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律與最近發(fā)展區(qū)等原則;細(xì)化為生活情境、問(wèn)題情境、故事情境、游戲情境、實(shí)驗(yàn)情境、習(xí)題情境以及物理學(xué)史情境等類型;包括語(yǔ)言描述、動(dòng)手實(shí)踐、實(shí)物展示以及多媒體(圖片、動(dòng)畫、視頻)演示等呈現(xiàn)方式;研究主要聚焦在教學(xué)實(shí)踐和試題分析.如,鄭洪英基于教學(xué)經(jīng)驗(yàn),研究出6方面有關(guān)情境教學(xué)的策略.[22]史載天、李貴安等人基于“四層”“四翼”對(duì)2022年新高考的8省市物理試題情境化進(jìn)行分析并總結(jié)出特點(diǎn).[23](3) 多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為,知識(shí)建立過(guò)程中讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程可以有效培養(yǎng)科學(xué)思維.如,戎杰以“滑動(dòng)摩擦力”教學(xué)為例,讓學(xué)生親身體會(huì)科學(xué)探究要素,培育高階思維.[24](4) 滲透物理學(xué)史.一方面是“引什么”.主要有以下4類:科學(xué)家的思維過(guò)程(探究與實(shí)驗(yàn)過(guò)程)、科學(xué)家的人生歷程或名人軼事、科學(xué)家的科學(xué)研究方法和思想方法、科學(xué)本身的發(fā)展經(jīng)歷過(guò)程;另一方面是“怎么引”.主要涉及教學(xué)設(shè)計(jì)、案例分析等.(5) 應(yīng)用思維可視化可以使零散知識(shí)系統(tǒng)化,抽象知識(shí)具體化,隱形思維顯性化.物理學(xué)科中利用率最高的思維可視化工具是概念圖和思維導(dǎo)圖,如石國(guó)輝采用基于思維可視化的可視化教學(xué)模式進(jìn)行了對(duì)照教學(xué)實(shí)踐.[25]
科學(xué)思維能力的評(píng)價(jià)一直是個(gè)難題,也是物理教育教學(xué)研究的重要課題.課標(biāo)從評(píng)價(jià)原則、評(píng)價(jià)任務(wù)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)方式給出評(píng)價(jià)建議.文獻(xiàn)中主要涉及評(píng)價(jià)方式、評(píng)價(jià)內(nèi)容、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等研究?jī)?nèi)容.
評(píng)價(jià)方式研究.新課標(biāo)建議的評(píng)價(jià)方式有日常學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)、課堂問(wèn)答、書面評(píng)語(yǔ)、自我評(píng)價(jià)、同伴評(píng)價(jià)和階段性測(cè)試.文獻(xiàn)中紙筆測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查的研究最多,成果最豐富.此外還有訪談、課堂觀察、作業(yè)觀察等.如,劉竹明、余宇飛精心設(shè)計(jì)階梯試題和思維外顯性試題,根據(jù)學(xué)生自評(píng)表和師評(píng)表統(tǒng)計(jì)測(cè)評(píng)結(jié)果.[26]邱欣連從科學(xué)思維的不同方面設(shè)置問(wèn)題對(duì)學(xué)生和教師進(jìn)行問(wèn)卷和訪談?wù){(diào)查.[27]學(xué)業(yè)水平考試作為紙筆測(cè)驗(yàn)的一種,如何體現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維能力的考查,廣受一線教師的關(guān)注,很多教師試圖通過(guò)研究中高考試題得出思維能力測(cè)評(píng)的方法.如,樊卓琳應(yīng)用SOLO分類理論,構(gòu)建物理試題考查能力層次劃分標(biāo)準(zhǔn),從橫向和縱向分析2015—2017年全國(guó)8套高考物理試題中學(xué)生科學(xué)思維能力的考查趨勢(shì)和重點(diǎn).[28]
評(píng)價(jià)內(nèi)容研究.文獻(xiàn)中主要涉及科學(xué)思維整體評(píng)價(jià)與科學(xué)思維要素評(píng)價(jià)兩部分內(nèi)容.如,齊國(guó)元從評(píng)價(jià)指向、試題命制、學(xué)生分析3方面對(duì)科學(xué)思維素養(yǎng)水平評(píng)價(jià)路徑進(jìn)行研究.[29]在科學(xué)思維要素評(píng)價(jià)中,用模型建構(gòu)、科學(xué)推理和科學(xué)論證評(píng)價(jià)科學(xué)思維是主要的方式,但質(zhì)疑創(chuàng)新較難在試題中考查,更傾向于在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng).夏旭、姜玉梅等人對(duì)2021年高考物理試題中科學(xué)推理能力的考查進(jìn)行了定量分析.[30]
評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究.當(dāng)前國(guó)內(nèi)科學(xué)思維評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究主要有3方面:在新課標(biāo)學(xué)業(yè)質(zhì)量五級(jí)水平的基礎(chǔ)上劃分、借鑒國(guó)外評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、自行創(chuàng)建新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).如,蔣煒波結(jié)合了布魯姆認(rèn)知思維模型和物理核心素養(yǎng)理念,構(gòu)建科學(xué)思維發(fā)展的層次模型.[31]丁亞娟通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)資料信息編碼、訪談、咨詢專家意見等構(gòu)建全新的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.[32]
突現(xiàn)詞指某段時(shí)間頻次突然增加的關(guān)鍵詞,關(guān)鍵詞突現(xiàn)持續(xù)代表研究持續(xù),突現(xiàn)中斷代表研究沒(méi)有成為未來(lái)研究趨勢(shì).對(duì)國(guó)內(nèi)科學(xué)思維研究進(jìn)行突現(xiàn)詞分析,可以看出其演進(jìn)過(guò)程并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì).
將CiteSpace控制面板Burstness中的γ值設(shè)置為0.8時(shí),科學(xué)思維研究共出現(xiàn)了20個(gè)突現(xiàn)詞(如圖2).其一,“思維方法”和“思維能力”從2002年出現(xiàn)一直持續(xù)到2018年.說(shuō)明作為基礎(chǔ)自然科學(xué)的物理學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維有著重大的意義,采用何種方法培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維一直是研究的熱點(diǎn).其二,突現(xiàn)強(qiáng)度最大的關(guān)鍵詞是“物理教學(xué)”,表明其受關(guān)注程度最高,如何在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維一直是研究者關(guān)注的問(wèn)題.其三,“信息技術(shù)”和“科學(xué)論證”均在2021年出現(xiàn),持續(xù)至今,說(shuō)明信息技術(shù)的快速發(fā)展為物理學(xué)科教學(xué)過(guò)程奠定了技術(shù)基礎(chǔ),利用信息技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維,是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與未來(lái)研究的趨勢(shì),科學(xué)思維要素,如科學(xué)論證等的深入研究也是未來(lái)的發(fā)展方向.

圖2 關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖
本研究利用CiteSpace對(duì)2001—2023年CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于“科學(xué)思維”并含“物理教學(xué)”的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化分析并通過(guò)精細(xì)化閱讀文獻(xiàn),得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1) 從刊文數(shù)量看,以2016年為界,可將科學(xué)研究歷程分為兩個(gè)階段,當(dāng)前正處于深化發(fā)展階段且在國(guó)內(nèi)仍具有一定的發(fā)展勢(shì)頭.(2) 從研究熱點(diǎn)看,國(guó)內(nèi)科學(xué)思維的研究主要聚焦在科學(xué)思維的內(nèi)涵、價(jià)值、培養(yǎng)、評(píng)價(jià)等方面,研究文獻(xiàn)數(shù)量較多,內(nèi)容較為體系化.(3) 從演進(jìn)趨勢(shì)看,未來(lái)對(duì)科學(xué)思維的研究可能有兩條路徑,一是借助信息技術(shù)發(fā)展科學(xué)思維,二是對(duì)科學(xué)思維的要素如科學(xué)論證等進(jìn)行更深入的研究.
雖然我國(guó)科學(xué)思維的研究已經(jīng)取得一些成果,但仍有探索深化的空間.(1) 從理論角度看,學(xué)術(shù)共同體對(duì)科學(xué)思維內(nèi)涵的界定、類型的確定還有待統(tǒng)一;對(duì)科學(xué)思維能力的培養(yǎng)偏經(jīng)驗(yàn)化、籠統(tǒng)化,理論支撐類研究缺乏;科學(xué)且統(tǒng)一的思維評(píng)價(jià)理論框架尚未形成.(2) 從實(shí)踐角度看,研究關(guān)注點(diǎn)不夠發(fā)散.大多研究聚焦在教學(xué)中培養(yǎng),較少關(guān)注到其他情況;實(shí)證性研究較少.提升科學(xué)思維的教學(xué)策略效果如何,還有待驗(yàn)證;評(píng)價(jià)量化工具亟待開發(fā).目前教師大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)命題,周期長(zhǎng)效率低,不利于有效測(cè)評(píng);信息技術(shù)融合不夠緊密.信息技術(shù)可以打破教學(xué)在時(shí)空上的限制,極大提高教學(xué)效果,研究廣度、深度有待提高.