21世紀以來國內物理教育領域科學思維研究綜述
——基于CNKI源刊的文獻述評

楊語嫣 李貴安

(陜西師范大學物理學與信息技術學院,陜西 西安 710119)

“科學思維”是物理學科核心素養內容之一,是物理學科的驅動內核,主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.當前雖有學者針對“科學思維”進行文獻綜述,但鮮有可視化分析.基于可視化分析的文獻綜述樣本容量大,可靠性高,可以清晰展現出該領域的研究熱點、發展脈絡與演進趨勢.因此本文對21世紀以來國內物理教育領域科學思維的研究進行統計分析,以期為科學思維的研究和實踐提供啟示.

1 研究設計

1.1 數據來源

本研究在中國知網平臺選取研究對象,具體操作步驟如下.(1) 使用中國知網“高級檢索”功能,設置檢索主題為“科學思維”,設置檢索時間為2001-01-01到2023-08-23,共檢索到21269篇文獻;(2) 再次添加檢索主題“物理教學”后,共檢索到2906篇文獻;(3)為排除相關干擾,手動刪除無效、重復文獻,最終得到有效期刊文獻2001篇,碩博論文557篇,共計2558篇.

1.2 研究方法

以CiteSpace可視化軟件為基本工具,輸入樣本數據并處理.處理條件如下:時間范圍選取2001-01到2023-08,時區為1年;“詞匯來源”選擇主題、摘要、作者、關鍵詞和附加關鍵詞;節點類型選擇關鍵詞;節點篩選方式g-index中k值為8;選用Pathfinder和Pruning sliced networks進行關鍵詞共現;選用對數似然算法(LLR)進行聚類,并利用關鍵詞命名,以圖譜的形式呈現研究結果,分析“科學思維”研究領域的現狀、熱點及趨勢.

2 科學思維研究的文獻數量統計分析

一般來說,文獻數量反映該研究領域的受關注及研究情況.如圖1所示,我國21世紀以來關于“科學思維”的研究情況大致分為兩個階段:第一階段為穩步上升階段(2001年到2015年),研究文獻每年平均16篇左右,呈平緩波動趨勢;第二階段為突增階段(2016年到2023年),呈跳躍式增長趨勢.2015年《普通高中物理課程標準(征集意見版)》的發布,引起廣大物理教育工作者對“科學思維”研究領域的關注,次年大量文獻涌現,近翻一番,2018年初《標準》發布后,刊文量突增,由2017年的103篇增長至2018年的263篇,2020年繼續增加至537篇達到峰值,此后兩年由于線上教學、知網收錄等因素,發文量略有下降,但平均發文量也有503篇,2023年預測值達到604篇,可見“科學思維”研究熱度不減.

圖1 發文量年度分布

3 科學思維研究熱點

高頻關鍵詞是一段時間內研究內容的集中反映.通過CiteSpace得出科學思維研究文獻的高頻關鍵詞(頻次>80,如表1)并進行聚類,最終得到11個聚類標簽(如表2),分別為“物理”“物理教學”“核心素養”“物理觀念”“物理知識”“物理實驗”“教學設計”“科學思維”“教學策略”“思維方法”“深度學習”.其中模塊值(Modularity)Q=0.5158>0.3,表明聚類結果可信;平均輪廓值(Mean silhouette)S=0.7704>0.5,說明聚類合理.

表1 高頻關鍵詞列表

表2 關鍵詞聚類情況

對共現關鍵詞及11大聚類進行歸納并精細分析文獻內容,得出國內關于科學思維研究的熱點主要有以下幾個主題(如表3).

表3 科學思維研究內容列表

3.1 科學思維的內涵研究

什么是科學思維?這是思維教學研究的基本問題.國內學者對科學思維的內涵進行了不同的規定性定義,有知識論、過程論、綜合論等多種形式.從知識論角度,科學思維是形成并運用于科學認識活動、對感性認識材料進行加工處理的方式與途徑的理論體系.[1]從過程論角度,科學思維是應用科學探究的方法或原則去推理或者解決問題,并涉及生成、測試和修正理論的技能,并在充分發展技能的情況下,以反映知識獲得和變化的過程.[2]從綜合論角度,科學思維是對自然界事物的本質屬性、內在規律及事物間相互關系的間接的、概括的和建構的反映.[3]普通高中物理課程標準指出,科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式;是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論質疑和批判,進行檢驗和修正,進而提出創造性見解的能力和品格.[4]可以看出,新課標從綜合論的角度界定科學思維.

科學思維的類型也廣受關注.多數學者根據思維形式的不同,分為抽象思維、形象思維、直覺思維,有學者對此進行細化;也有學者根據思維方法的不同,分為建模方法、推理方法、分析綜合、數學物理方法、思維遷移、論證方法、實驗方法、臻美法、直覺靈感等.[5]不同文獻分類結果不同,暫無統一認識.

思維要素是科學思維區別于其他思維的基本特征.新課標明確科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新4大要素.學者對不同要素進行了不同程度的研究,模型建構研究文獻最多,科學推理次之.總結發現每個要素的研究主要聚焦在科學思維要素本身(概念、框架與分類、建立方法等)、培養策略(教學模式、教學策略等)、評價(相關能力現狀調查、測評、試題分析、教材分析等)3個方面.如,曹寶龍論述了物理模型的概念、性質、作用、分類、建構方法與途徑,提出教學建議.[6]王黎陽對高考試題對科學推理能力的考查進行了研究.[7]周佳以一道關于“法拉第圓盤”的改編習題為例,進行了CIA模型的論證教學實踐,培養學生科學論證能力.[8]孫凱悅以蘇州市某重點高中高一年級部分學生為研究對象,進行了學生物理質疑能力的現狀調查研究.[9]

3.2 科學思維的價值研究

新課標頒布后,科學思維與物理學科核心素養之間關系的研究廣受關注.張旺認為,從科學理論創造中汲取養分培養學生的科學素質是素質教育的重要內容,科學素質的內涵是多維的,但核心和關鍵是人思維的創造力.[10]董博清、彭前程認為科學思維是物理學科核心素養的重中之重,是物理觀念、科學探究、科學態度與責任的基礎與內核,教育就是要“為思維而教”.[3]史寧中認為,教育的本質在于思維能力的培養,根本的課程目標應該以思維訓練的需要為核心.[11]王高指出思維活動是科學探究的靈魂,認為在科學探究中應對學生進行充足的思維訓練,促進思維生長.[12]張嘉充、蔣煒波認為科學思維是物理學科的驅動內核,支撐各個素養維度的發展.[13]

由此可見,科學思維是物理學科核心素養的靈魂與核心,是物理教育的根本.科學思維的發展助力物理觀念的形成,推動科學探究的深入,支撐科學態度與責任的培養.培養科學思維是促進物理學科核心素養的必要途徑,提高科學思維是印證物理學科核心素養的重要條件.

3.3 科學思維的培養研究

大多數文章都關注“怎么教”的問題,說明科學思維的培養研究是物理教育改革中的焦點問題,研究內容主要有教學模式和教學策略.

轉變教學模式.國內學者在參考國內外教學模式的基礎上,通過理論分析以及經驗總結,創新出大量本土化教學模式,主要有“5E”教學模式、“五環教學”模式、基于模型建構的教學模式、思維顯性化教學模式、問題教學模式、生活化教學模式等.如,符譯丹、陳立萬以“液體的表面張力”教學為例,利用“5E”教學模式進行實踐,建立物理科學思維.[14]黃以明論述了福安一中探索形成的“五環教學”模式,真正把課堂還給學生.[15]袁維新認為基于模型建構的教學模式能促進概念轉變,通過類比推理建構新模型,使用新模型進行科學推理.[16]張新玉在逆向教學設計思維的引導下,自制教具,改進和創新壓強實驗的教學設計.[17]游德銳通過“問題化教學模式”的手段進行探索與實踐研究.[18]周玲提出了原始物理問題教學的6個環節并應用在初中物理“奇妙的平衡”.[19]朱濤平從多角度分析生活化教學模式,提出應用策略.[20]

優化教學策略.針對性的教學策略可以有效培養學生科學思維能力.國內主要采用具化教學目標、創設物理情境、經歷科學探究、滲透物理學史、應用思維可視化等策略.(1) 卞志榮、劉琦以“動量和動量定理”為例,將具象化的核心素養目標作為導向設計教學各環節.[21](2) 創設物理情境是研究的熱點.總結發現物理情境創設要遵循學生身心發展規律與最近發展區等原則;細化為生活情境、問題情境、故事情境、游戲情境、實驗情境、習題情境以及物理學史情境等類型;包括語言描述、動手實踐、實物展示以及多媒體(圖片、動畫、視頻)演示等呈現方式;研究主要聚焦在教學實踐和試題分析.如,鄭洪英基于教學經驗,研究出6方面有關情境教學的策略.[22]史載天、李貴安等人基于“四層”“四翼”對2022年新高考的8省市物理試題情境化進行分析并總結出特點.[23](3) 多數文獻認為,知識建立過程中讓學生經歷科學探究的過程可以有效培養科學思維.如,戎杰以“滑動摩擦力”教學為例,讓學生親身體會科學探究要素,培育高階思維.[24](4) 滲透物理學史.一方面是“引什么”.主要有以下4類:科學家的思維過程(探究與實驗過程)、科學家的人生歷程或名人軼事、科學家的科學研究方法和思想方法、科學本身的發展經歷過程;另一方面是“怎么引”.主要涉及教學設計、案例分析等.(5) 應用思維可視化可以使零散知識系統化,抽象知識具體化,隱形思維顯性化.物理學科中利用率最高的思維可視化工具是概念圖和思維導圖,如石國輝采用基于思維可視化的可視化教學模式進行了對照教學實踐.[25]

3.4 科學思維的評價研究

科學思維能力的評價一直是個難題,也是物理教育教學研究的重要課題.課標從評價原則、評價任務設計、評價方式給出評價建議.文獻中主要涉及評價方式、評價內容、評價標準等研究內容.

評價方式研究.新課標建議的評價方式有日常學習評價、課堂問答、書面評語、自我評價、同伴評價和階段性測試.文獻中紙筆測試和問卷調查的研究最多,成果最豐富.此外還有訪談、課堂觀察、作業觀察等.如,劉竹明、余宇飛精心設計階梯試題和思維外顯性試題,根據學生自評表和師評表統計測評結果.[26]邱欣連從科學思維的不同方面設置問題對學生和教師進行問卷和訪談調查.[27]學業水平考試作為紙筆測驗的一種,如何體現學生科學思維能力的考查,廣受一線教師的關注,很多教師試圖通過研究中高考試題得出思維能力測評的方法.如,樊卓琳應用SOLO分類理論,構建物理試題考查能力層次劃分標準,從橫向和縱向分析2015—2017年全國8套高考物理試題中學生科學思維能力的考查趨勢和重點.[28]

評價內容研究.文獻中主要涉及科學思維整體評價與科學思維要素評價兩部分內容.如,齊國元從評價指向、試題命制、學生分析3方面對科學思維素養水平評價路徑進行研究.[29]在科學思維要素評價中,用模型建構、科學推理和科學論證評價科學思維是主要的方式,但質疑創新較難在試題中考查,更傾向于在教學過程中培養.夏旭、姜玉梅等人對2021年高考物理試題中科學推理能力的考查進行了定量分析.[30]

評價標準研究.當前國內科學思維評價標準的研究主要有3方面:在新課標學業質量五級水平的基礎上劃分、借鑒國外評價標準、自行創建新的評價標準.如,蔣煒波結合了布魯姆認知思維模型和物理核心素養理念,構建科學思維發展的層次模型.[31]丁亞娟通過對文獻資料信息編碼、訪談、咨詢專家意見等構建全新的評價指標體系.[32]

4 科學思維研究演進趨勢

突現詞指某段時間頻次突然增加的關鍵詞,關鍵詞突現持續代表研究持續,突現中斷代表研究沒有成為未來研究趨勢.對國內科學思維研究進行突現詞分析,可以看出其演進過程并預測發展趨勢.

將CiteSpace控制面板Burstness中的γ值設置為0.8時,科學思維研究共出現了20個突現詞(如圖2).其一,“思維方法”和“思維能力”從2002年出現一直持續到2018年.說明作為基礎自然科學的物理學對培養學生科學思維有著重大的意義,采用何種方法培養學生科學思維一直是研究的熱點.其二,突現強度最大的關鍵詞是“物理教學”,表明其受關注程度最高,如何在物理教學中培養學生科學思維一直是研究者關注的問題.其三,“信息技術”和“科學論證”均在2021年出現,持續至今,說明信息技術的快速發展為物理學科教學過程奠定了技術基礎,利用信息技術培養學生科學思維,是當前研究的熱點與未來研究的趨勢,科學思維要素,如科學論證等的深入研究也是未來的發展方向.

圖2 關鍵詞突現圖

5 研究結論與展望

本研究利用CiteSpace對2001—2023年CNKI數據庫中關于“科學思維”并含“物理教學”的文獻數據進行了可視化分析并通過精細化閱讀文獻,得出以下幾點結論:(1) 從刊文數量看,以2016年為界,可將科學研究歷程分為兩個階段,當前正處于深化發展階段且在國內仍具有一定的發展勢頭.(2) 從研究熱點看,國內科學思維的研究主要聚焦在科學思維的內涵、價值、培養、評價等方面,研究文獻數量較多,內容較為體系化.(3) 從演進趨勢看,未來對科學思維的研究可能有兩條路徑,一是借助信息技術發展科學思維,二是對科學思維的要素如科學論證等進行更深入的研究.

雖然我國科學思維的研究已經取得一些成果,但仍有探索深化的空間.(1) 從理論角度看,學術共同體對科學思維內涵的界定、類型的確定還有待統一;對科學思維能力的培養偏經驗化、籠統化,理論支撐類研究缺乏;科學且統一的思維評價理論框架尚未形成.(2) 從實踐角度看,研究關注點不夠發散.大多研究聚焦在教學中培養,較少關注到其他情況;實證性研究較少.提升科學思維的教學策略效果如何,還有待驗證;評價量化工具亟待開發.目前教師大多根據經驗命題,周期長效率低,不利于有效測評;信息技術融合不夠緊密.信息技術可以打破教學在時空上的限制,極大提高教學效果,研究廣度、深度有待提高.