中美科学教科书中科学史内容的比较研究

王健 张前进

摘 要：科学史融入科学教科书有助于学生对科学的理解。此研究从科学史内容的呈现方式、类型和维度分布三个方面对中国和美国的三套高中生物学教科书中关于“分子与细胞”的内容做了分析。结果显示，我国教科书中科学史单元的比例和每页平均科学史单元数目都高于美国。在呈现方式方面，中美教科书中科学史单元大都出现在正文中。在类型方面，美国教科书四种类型的比重相对均衡，而中国教科书以描述科学家的生平、性格或爱好的类型为主。在维度分布方面，美国教科书分布较为均衡，我国教科书在三个维度的分布比例不均衡，过于注重科学知识的传授，而科学探究和科学情境的比例偏低。在教科书修订时可适当调整三个维度的比重，以更好地从不同角度诠释科学。

关键词：科学史；教科书；核心素养

中图分类号：G40-09 文献标识码：A 文章编号：1671-6124（2016）02-0045-06

在科学教育中，科学史是一种重要的课程资源，具有重要的教育价值。许多国家将科学史内容融入到科学课程和教科书中 [1 ]。本研究主要从科学史内容的视角分析我国和美国高中生物学教科书中“分子与细胞”部分内容，探讨中美高中生物学教科书在科学史内容呈现方式、类型和维度分布等方面的特点和差异，以期为我国教科书编写和修订提供参考。

一、教科书中科学史内容的类型及呈现方式

在分析教科书中的科学史内容时，首先要确定最基本的分析单元，本研究以一个完整的自然段落或意群作为一个分析单元。

1. 科学史分析单元的判定标准

在教科书中，科学史内容常常与科学家的事迹或工作紧密相连，在判定相关内容是否属于科学史分析单元时，根据是否出现科学家的姓名确定了如下四项标准，只要符合其中一项，即可判定为科学史分析单元 [3 ]。

标准1：包含科学家的姓名，并且至少同时包含以下信息中的一条。

（1）科学家生活的年代，或者科学理论或模型等的提出时间；（2）对科学家生活时代的描述，或者对其朋友同行的描述；（3）科学家国籍、职业或职位；（4）对科学家的贡献、发明或出版物等的描述；（5）描述科学家研究过程的行为动词，如提出、观察、猜测、发现等；（6）科学家投入研究事业的时间；（7）科学研究发生的地点；（8）科学家的语录或者书信；（9）科学家或科学研究相关的图片；（10）科学家的故事或传记；（11）科学家的性格、奖项与荣誉。

标准2：不包含科学家姓名，但相应的内容描述历史上的一个科学观点、理论或概念的发展过程或影响（意义），不同观点间的相互作用，面临的科学挑战，起主导作用的科学观点等。

标准3：不包含科学家姓名，但相应的内容描述一个科学术语被科学家、公众、社会或政府命名、接受、广为人知或应用的过程。

标准4：不包含科学家姓名，但相应的内容描述一个科学实验、仪器或工具（技术），描述其在科学发展过程中的应用或在科学历史上的作用。

2. 科学史分析单元的类型

根据以上科学史单元的判定标准，及其呈现的内容特性，可以将科学史单元分为以下四种类型。

类型Ⅰ：描述科学家的生平、性格、爱好等；

类型Ⅱ：描述科学想法、发现、发明、理论或概念的发展过程或其影响；

类型Ⅲ：描述科学术语的命名过程或被公众接受的过程；

类型Ⅳ：描述科学实验的装置或原理。

3. 科学史分析单元的呈现方式

教科书在版块构成方面，除了最重要的正文版块外，通常还包括多个辅助版块或栏目，如“科学家的故事”“资料分析”等。在内容的呈现方式方面，除了文字，还包括图片、表格等形式。根据科学史分析单元在教科书中出现的位置以及内容构成要素，可以分为六种呈现方式（表1）。

二、教科书中科学史内容的分析维度

将科学史融入到科学课程中，能够促进学生的概念建构和对科学本质的理解，改进他们对科学的学习兴趣和态度，同时还能拓宽学生的视野，并促进学生对科学与人文交流的理解 [2 ]。基于此，在分析教科书中的科学史内容时，可以从三个维度（表2）进行解读：对科学知识的理解、对科学探究的理解和对科学情境的理解 [3 ]。

三、教科书样本的选择

在选择教科书样本时，共选择了三套高中生物学教科书。中国的两套《生物》教科书是依据我国《普通高中生物课程标准（实验）》编写的，美国的一套《生物》教科书是依据《美国国家科学教育标准》编写的。这些教科书在两国的用量相对较广，具有一定的代表性。教科书的基本信息如表3所示。

四、研究结果

1. 中国教科书中科学史内容所占的比例高于美国教科书

根据科学史单元的判定标准对教科书中的分析单元进行分析，统计科学史单元的数目，并计算其所占的比例，以及每页教科书中的平均科学史单元数目，结果如表4所示。

根据表4可以看出，在科学史单元所占比例方面，最高的是人教版，为15.6%，浙科版和美版比例接近，人教版远高于另外两个版本。从总体上看，中国的两个版本中科学史单元所占的比例平均为13.2%，高于美国教科书（8.7%）。在每页教科书中平均的科学史单元数量方面，最高的仍为人教版（0.55个/页），其次为美版和浙科版。从总体上看，中国教科书中平均每页的科学史单元数目为0.42个/页，高于美国教科书。由此可以看出，中国高中生物学教科书中“分子与细胞”部分比美国教科书更重视科学史的渗透和教育，符合我国《普通高中生物课程标准（实验）》的要求——注重生物科学史的学习 [4 ]。

从科学史分析单元所分布的内容主题来看，两国教科书中的科学史内容主要分布在细胞学说、细胞膜结构模型、光合作用等重要内容主题中，对于帮助学生理解重要概念，并掌握科学研究方法具有重要教学价值。

2. 中国教科书中科学史内容在正文和特定栏目中的比例约各占一半，而美国教科书中的科学史内容主要分布在正文中

通过对各版本教科书中科学史内容呈现方式的分析，结果如图1所示。

根据图1可以看出，人教版教科书中科学史内容的呈现方式涵盖了所有6种方式，其中分布在正文（T或T+F）中的科学史内容约占40%，分布在特定版块或栏目（B和B+F）中的科学史内容约占56%，后者高于前者，这与人教版教科书中版块或栏目的类型多有很大的关系。在正文中出现的科学史大都是与学科重要概念直接相关的内容，例如与光合作用、细胞膜结构模型、细胞学说等相关的科学史研究素材。而在其他栏目中涉及的科学史内容大都属于拓展阅读性质的材料，可以拓展学生对相关科学史的了解，以及提升学生的学习兴趣。如“科学史话”栏目中“世界上第一个人工合成蛋白质的诞生”，“资料分析”栏目中的“关于酶本质的探索”，“科学家的故事”栏目中的“细胞世界探微三例”，“科学前沿”栏目中的“国际人类蛋白质组计划”等。

浙科版只有3种呈现方式，正文中约占58%，特定版块或栏目中的占42%。与人教版不同的是，科学史的内容比例明显偏低，许多重要的科学史内容在教科书中未提及，如细胞膜结构模型的提出过程，还有一些科学史内容没有出现在正文中，而是出现在“小资料”或“课外读”等栏目中，如关于光合作用的研究历史等。

对于美版教科书来讲，科学史内容的呈现方式主要涉及4种，以正文文字（T）和旁注或脚注（S/F）为主，不包括正文图文配合（T+F）、特定版块或栏目图文配合（B+F）两种形式。虽然美版的教科书栏目较多，但教科书从编写体例上来讲更加注重对学生实验探究能力的培养，在素材的选择方面，更多地以知识性描述和实验活动形式呈现。所以，一些重要的科学史内容并未出现在教科书中，如光合作用和细胞膜结构模型等内容均未涉及科学史的内容。这一点与浙科版教科书非常相似。

通过中美比较，两国教科书中科学史内容的呈现方式都以正文为主，约占一半，美国（55%）略高于中国（46%）。这与教科书的编排方式和体例是一致的，即正文是教科书的主体内容。

3. 中美教科书中的科学史内容都涵盖了四种类型，美国教科书各类型比例相对均衡，而中国教科书中反映关于科学术语命名或被公众接受过程的科学史比例偏低

教科书中的科学史内容共分为四种类型，不同的类型具有不同的教育价值。类型Ⅰ是对科学家生平、性格、爱好等方面的描述，能够帮助学生了解科学家与普通人并无二致，只是从事的职业不同，同时也能够提高学生的学习兴趣。类型Ⅱ主要是描述科学想法、发现、发明、理论或概念的发展过程或其影响，这是科学发展史的核心所在，能够帮助学生逐渐构建关于科学概念或理论的认识和理解。类型Ⅲ是关于科学术语的命名过程或被公众接受的过程，能够帮助学生理解科学知识的传播过程可能会受到诸多因素的限制，从而使其更好地理解科学与社会、人文等之间的关系。类型Ⅳ主要是关于科学实验装置或原理的描述，能够帮助学生理解科学研究的过程，以及科学与技术之间的关系。

通过对三套教科书中科学史单元的类型进行分析，结果如图2所示。

根据图2可以看出，人教版教科书中有一半科学史单元是描述科学家生平、性格或爱好的（类型I），其次为描述科学想法、理论或概念等的发展过程或其影响（类型II，占1/4），所占比例最少的是描述科学术语的命名过程或被公众接受的过程（类型III），只占6%。浙科版教科书与人教版中科学史单元的类型特点比较相似，只是类型I和IV的比例接近，都占1/3略多。

从中美教科书的比较来看，科学史单元的类型分布方面存在较明显的差异。中国教科书中科学史单元的类型以类型I为主，约占一半；类型II和类型IV比例相当，各约占1/4；比例最少的为类型III，仅为6%。这说明我国的教科书在科学史内容的类型方面，更加强调让学生了解科学家的生平等个人信息，注重通过科学史激发学生的学习兴趣。但是，对于科学术语或理论的被认可过程描述相对较少，影响了学生对科学发展过程的全面了解。

在美国教科书中，类型I和IV的比例比中国教科书都有所下降，而类型III的比例（36%）则明显高于中国教科书，更强调科学术语的命名和被认可的过程。由此可以看出，相对中国教科书而言，美国教科书中科学史单元的类型分布更为均衡，有助于发挥科学史的多重教育功能。

由于科学史不同于一般的历史材料，在科学教育中具有多重作用，所以教科书中的科学史内容不仅仅是呈现科学家的传记（类型I）和科学想法、概念或原理的发展过程（类型II），还应充分体现其区别于其他历史材料的特点——科学本质和科学探究（类型IV）。此外，还应特别注意体现科学术语的命名过程或被认可的过程，这是我国教科书在融入科学史内容时需要进一步加强的一个方面，尽量做到不同类型的科学史材料之间保持一定的均衡性，从而更有利于发挥科学史教育的多重价值。

4. 中国教科书中的科学史内容更注重科学知识的传授，而美国教科书则同时注重科学知识、科学探究和科学情境的均衡体现

根据科学史内容的分析框架，对三套教科书中的科学史单元划分为科学史、科学探究和科学情境三类，结果如图3所示。

从图3可以看出，浙科版与美版教科书中科学史内容的维度分布比例非常接近，较为均衡。不仅让学生从科学史内容中习得科学知识，而且还能帮助学生理解科学研究的方法和历程，以及影响科学研究的诸多因素（社会因素，科研人员的心理因素等），从而帮助学生全方位地综合理解科学的本质，对于提高学生的科学素养起到催化剂的作用。

人教版教科书中科学史单元在科学知识维度的分布比例最大，占71%，科学探究和科学情境维度的分布比例分别为17%和12%。由此可以看出，中国的教科书更注重通过科学史呈现科学知识，而对科学探究和科学情境的重视程度不够，反映出教材编写者在科学史素材教育价值的知识本位思想，这也是在课程和教学中应该警惕的环节。

从中美的比较来看，我国教科书的科学史内容在科学知识维度的分布比例为62%，其次为科学探究和科学情境。而美国教科书在三个维度上的分布相对均衡。这说明我国教科书非常重视通过科学史媒介，帮助学生学习相关的科学知识。

从科学史内容的维度分布比例来看，我国的教科书更加注重强调其体现科学知识的属性，对于科学探究和科学情境的体现不足。而美国教科书中这三个维度的比例分布相对均衡。但是这并非意味着三个维度的比重各占1/3，科学知识是科学素养的基础，这一维度所占的比重可能会高于另外两个维度。这一观点与教科书中科学素养四个主题的比重有类似之处 [5 ]。

从科学史服务于教科书的角度来看，科学知识的传授是第一位的，也是最容易做到的，但是要让学生更好地理解科学本质，仅仅了解科学知识是不够的，他们还应理解这些科学知识是如何提出和不断发展的（科学探究，动态性），以及这些科学知识是在何种背景下被提出和得以不断发展的。因此，这三个维度分布均衡时，才能更好地帮助学生理解科学是如何运作的，从而更好地构建相关的科学概念，有效地达到科学教育的三维目标。

五、讨论及启示

1. 教科书中科学史内容的分析维度与学科核心素养保持一致，符合当前课改的理念和要求

当前的基础教育课程改革提出了学科核心素养，将其作为课程的DNA。学生的核心素养涉及学生知识、技能、情感态度价值观等多方面的要求，是个体能够适应未来社会、促进终身学习、实现全面发展的基本保障。这些素养不仅能够促进个体发展，同时有助于形成运作良好的社会 [6 ]。对于生物学科来讲，其核心素养主要包括生命观念、理性思维、科学探究和社会责任等四方面。

生命观念是学生应该在较好地理解了生物学概念性知识的基础上形成的学科认识，如结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观等，并能够运用这些观念认识生命世界、解释生命现象。在教科书科学史内容的分析框架中，科学知识这一维度包括重要的科学概念、原理、理论或学说，它们都是形成生命观念的重要基础。换句话说，生命观念是科学知识的进一步升华。

理性思维是一种科学思维方式，要求学生能够运用归纳与概括、演绎与推力、模型与建模、批判性思维等方法探讨生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。而科学探究则要求学生能够发现现实世界中的生命科学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、设计实验、实施方案以及结果的交流与讨论。而在教科书科学史内容的分析框架中，科学探究这一维度既涉及认知层面的科学思维习惯，又涉及实践层面的探究技能。由此可以看出，教科书科学史内容分析框架的科学探究维度与生物学科的理性思维和科学探究这两项核心素养高度一致。

社会责任是指基于生物学的认识参与个人与社会事物的讨论，作出理性解释和判断，尝试解决生产生活中的生物学问题。而学生在学习过程中，首先要理解科学研究的影响因素，包括科学家的个人心理素质、经济和社会发展、技术等，在此基础上才能形成对科学研究的情境认知，这对其进行社会决策和行使社会责任都将产生直接的影响。因此，学生对科学情境的理解是发展其社会责任这一核心素养的前提和基础。

基于以上分析可以看出，本研究中提出的科学知识、科学探究和科学情境三个维度的教科书科学史内容分析框架与生物学科的四个核心素养是高度一致的，因此，分析框架符合当前基础教育课程改革的理念和要求。

2. 教科书科学史内容的选择应服务于培养学生的学科核心素养

作为重要课程资源形式的教科书来讲，其中的科学史内容也应该承担培养学生学科核心素养的任务。那么，在科学史素材的选择方面，应该体现学科核心素养的各个维度。

不同的科学史内容承载的学科核心素养任务不同。对于涉及重要概念的科学史内容，通常能够落实生命观念的核心素养，这些内容是教学的重点内容，应该呈现在正文中。例如，关于细胞学说建立过程的科学史素材，重点阐明细胞学说是如何逐步被提出的，有助于帮助学生掌握细胞学说的观点，并最终促进学生关于结构与功能观这一生命观念。通过对中国浙科版、中国人教版和美国版高中生物教科书相应内容的比较分析，可以发现关于细胞学说的科学史材料都呈现在正文中，这为上述观点提供了充足的证据支持。

有些科学史内容从科学知识的角度来看，并不是教学重点，但是可以拓展学生的视野，帮助学生理解科学家的形象，进而使其理解科学家所从事的职业特点，最终帮助学生将来作出职业判定和选择，从这一点上来看，这些科学史素材可以培养学生的社会责任这一核心素养。例如，人教版的教科书中在“细胞器——系统内的分工合作”一节内容的最后安排了一个栏目“科学家的故事”，其主题为“细胞世界探微三例”，主要介绍科学家在研究细胞时的一些经历，帮助学生了解科学家的相关工作，进而为他们将来的职业选择奠定基础。

3. 教科书中科学史内容的选择需服务于学生将来的职业选择

学生对科学家的认识存在刻板印象，例如他们认为科学家大多是白种人，身着白色实验服，整天在实验室工作，他们身边围绕许多实验器材，而且工作具有一定的危险性 [7 ]。因此，在将来的职业选择时，由于对科学事业的认同度低，同时对科学家形象的认识存在偏差，导致他们不愿意选择科学家这一职业。在诸多影响因素中，教科书是其中之一。

科学史内容承载着多重教育功能，由于科学史内容本身就是介绍科学家的相关工作，科学家是科学史的核心人物主体，因此科学史将担负着向读者传达真实科学家形象的使命。在选择科学史素材时，应充分展示科学家作为普通人和专业研究人员的双面形象，从而帮助学生正确地认识科学家这一职业，并进一步为其将来的职业选择奠定基础。

教科书中科学史内容的设计决定了科学教育向学生传达何种关于科学、科学家和科学实践活动的形象。为了更好地发挥科学史的作用，促进学生对科学知识、科学探究和科学情境的多重理解，教科书中科学史内容的选择及其呈现和组织方式都应该以提高学生的学科核心素养作为关键目标，既能充分体现基础教育课程改革的理念和最新趋势，同时也能为新课程的有效实施提供有利的资源保障。

参考文献：

[1]马勇军.国外对科学教科书中融入科学史的研究评介[J].外国中小学教育，2006（1）：35-42.

[2]王 健.试论科学教育中科学史的教育价值[J].新课程教学，2014（2）：4-9.

[3]H.C. Wang. Science in historical perspectives：a content analysis of the history of science in secondary school physics textbooks[D].CA：Los Angeles， University of Southern California，1999：122.

[4]中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：36.

[5]仲扣庄，郭玉英.基于科学素养主题的中美高中物理教科书定量分析——以“量子理论”为例[J].课程·教材·教法，2012（10）：121-127.

[6]辛 涛，姜 宇，刘 霞.我国义务教育阶段学生核心素养模型的构建[J].北京师范大学学报（社会科学版），2013 （1）：5-11.

[7]Schibeci R. Student images of scientists：what are they？ do they matter？[J].Teaching Science，2006（2）：12-16.

Abstract：History of science（HOS）is helpful for students to understand science. In this study，the topic of "molecular and cell" in three high school biology textbooks from China and USA were selected as samples to analyze the representation of history of science with respect to format，presentation styles and dimension. Results indicate that： （a） Both the HOS unit percentage and the average number of HOS unit per page of Chinese biology textbook are higher than those of the United States.（b）In terms of presentation，the history of science elements is most likely to be in the Main Text style for all three high school biology textbooks.（c）The percentages of four HOS presentations styles of American textbook are more balanced than that of Chinese.（d）HOS units in every textbook examined devoted more attention to the conceptual domain than to other two domains.

Key words：history of science；textbook；key competencies