人教版物理新教材“课题研究”栏目分析

摘 要 针对新版人教版高中物理教科书中的“课题研究”栏目，结合普通高中物理课程标准和美国《新一代科学教育标准》（NGSS）开展STEM“学科核心概念”和“跨学科概念”两个维度的内涵解读，并以此两个维度构建教材栏目分析框架，挖掘教材中“课题研究”栏目设计在调动学生STEM领域知识进行迁移和应用上的的深层内涵。

关键词 STEM教育 物理教材 “课题研究”栏目设计

科学和技术是一个国家竞争力中占有主导地位的重要因素。2015年，中国教育部明确指出要探索STEM教育。2018年，强调从基础教育层面落实科技创新人才培养的《中国STEM教育2029行动计划》启动。

教材作为课程改革的助推剂是课程改革顺利进行的重要保障。物理作为科学课程中重要的自然科学基础，是在普通高中开展STEM教育的重要载体。在新一轮课程标准出版之后，物理新版教材也相继出版。在五个版本教材中，新版人教版和教科版在每一册教材最后都设置了“课题研究”特色栏目，“课题研究”栏目相较“做一做”“思考与讨论”等栏目更具有系统性和深层性，是在学生经过系统知识学习和能力训练后，借助课题研究项目开展的综合性科学实践活动，进一步对学生的研究素养和创造能力进行培养。这与STEM教育所注重的综合创新实践能力培养相契合。

一、物理课程下的STEM“学科核心概念”

STEM，强调的是科学、技术、工程和数学四个学科之间的整合教育。在2013年，Bybee R W等学者就“STEM如何实现各学科间的整合”问题指出，STEM的发生需要以学科核心概念和实践活动为基础，倡导在关注学科核心概念的基础上，引导学生进行跨学科概念的联系和知识的建构[1]。而在特定学科课程下如何开展STEM素养培育，让STEM教育与传统分科教育形成针对性互补，有必要先在特定学科课程下分析STEM各学科要素所包含的具体内容（如表1）。

1.物理课程下的科学

G. Yakman所提出的“STEM金字塔结构框架”中，将物理学、化学、生命科学、地理与空间科学及其中科学探究等列为“科学”下的特定内容[2]。就普通高中物理课程而言，就是在这个框架里的“物理学”一级主题下来开展。在高中物理课程标准中，凝练出的“物理观念”“科学思维”“科学探究”以及“科学态度与责任”四大物理学科核心素养很好地阐明了物理学科内涵，即从物理学科视角开展对自然世界关于物质、运动和相互作用、能量等物理核心概念以及客观事物内在规律的科学本质认识，并在观察和实验基础上采用多种研究方法来开展科学实践与探究。也就是在以核心素养为主导的基础之上，强调以生活和自然为基础、以学科核心概念知识为支撑来落实物理课程独特的育人价值[3]。这也与NGSS中关于科学本质的阐述是一致，而科学本质也是科学教育中最为重要的组成因素[4]。

2.物理课程下的技术

技术教育已成为科学教育中的重要部分。高中物理教材在内容的选择上，注重与科学技术应用之间的联系，而这也是培养学生技术素养特有的一种课程载体。参考NGSS中对于“科学与技术”方面的阐述，课题研究中将技术构成要素划分为技术知识、技术实践以及技术与社会。

技术知识，包括技术原理、技术发展等。很多物理原理知识在实践中具体化了就是一种技术知识。

技术实践，包含技术的使用规范、流程以及技术使用方案设计、评价等。在物理课程下最为直接的体现就是在物理实验技术中，各类实验器材的使用就是具体技术的操作规范、流程等的具体体现之一。例如电流表的使用中，要求电流正极进负极出以及不能超过其最大量程，这就是技术操作规范的一种。再如，游标卡尺的使用，要求学生先要明确游标精度、检查主尺和游标尺的零刻线是否对齐，用完后需要复原等，这就是技术操作流程。而在方案设计方面，新版人教版中同样渗透了技术方案的设计，例如在牛顿第二定律中让学生设计“一种在太空中测量质量的方法”。

技术与社会，是指技术对于社会各行各业（制造业、信息、能源等）以及环境的影响。例如，内燃机的发展推动了社会机械化和电气化，但是又带来了能源的过渡开发和环境污染，这个过程中要引导学生辩证的看待技术发展，培养学生的社会责任感。

3.物理課程下的工程

生产生活中工程知识基础许多是来自物理的核心概念和规律。参考NGSS中相关“科学与工程实践”方面的阐述，课题研究中将工程分为工程意识和工程实践两个方面。

工程意识，包括生产生活中工程学成果、原理等，细化分为系统意识、质量意识、环保意识、安全责任意识、创新意识等。T J Moore等学者认为，基于生活问题的工程设计在STEM教育中应理解为学习情境而存在[5]。在高中物理课程中，不管是概念的建立还是规律的探究，在教授的过程中都强调注重真实情境的创设，而真实工程情境的浸入，亦是促进学生增强工程意识的常用方法之一。例如在讲“电磁感应”的时候，用“射电望远镜”作为实践例子做导入，用具体的工程让学生在知识学习中初步具有工程意识。在概念建立后或者规律探究后亦关注其在生产生活中的应用，例如，在讲“加速度”的时候，以城市交通网络的形成和发展作为结尾，并进一步提出“交通工具的速度是不是越快越好？”以此增强安全责任意识。

工程实践，主要是指运用科学、技术、数学等知识对现实问题进行系统解决的过程。过程主要包括了“描述工程问题”“建模”“运用数学与计算思维”“方案设计”“方案实施”“数据分析与论证”“方案优化”以及“评价与交流”等内容[6]。

4.物理课程下的数学

数学作为工具学科，“数理不分家”早已成为物理教师的共识，不管是在物理规律公式的推导中，还是在具体物理解题中对“函数法”“图象法”等的引入，在物理教学中处处都能看到“数学方法”“数学工具”的渗透。数学方法早已经成为物理学科教学和研究中不可或缺的重要部分。参考“STEM金字塔结构框架”在数学学科下的特定内容的描述，课题研究中将物理课程下的数学理解为“数据分析”“测量方法”“数学思维”“推理与证明”等方面的内容[7]。

二、物理课程下的STEM“跨学科概念”

STEM教育在学界公认的内涵特征之一是“跨学科概念”。NGSS中，为了让学生理解并建立不同学科领域的学科核心概念之间的关系，提出了“跨学科概念”，也就是在不同学科、不同的学习时间段反复出现的概念[8]。参考NGSS中提出的7个跨学科概念——“模型”“因果关系”“尺度、比率和数量”“系统和系统模型”“物质和能量”“结构和功能”以及“稳定和变化”[9]，结合普通高中（聚焦NGSS中9-12年）物理课程所涉及的自然科学领域，做相关方面的内涵理解（如表2），并结合物理课程所涉及的自然科学领域给出例子。

三、人教版物理新教材学科核心概念及跨

学科概念分布

结合以上分析，基于STEM“学科核心概念”和“跨学科概念”两个维度来构建相关教材“课题研究”栏目分析框架是可行且有意义的。对新版人教版物理教材在“课题研究”栏目中关于STEM“学科核心概念”“跨学科概念”的分布情况进行分析，统计结果如表3。

“科学”方面，“课题研究”内容均是对相应课程每个阶段所修学科知识的迁移应用，其科学（物理及其科学探究）内容达到100%。作为学科综合探究实践活动，栏目编排在内容上注重在科学探究的基础上，进一步引导学生内化物理知识和原理，将学科知识迁移到现实现象的解释和问题解决中，在具体科学内容的选择上更聚焦于单一学科重中之重的核心概念，而这样也更有助于学生在一定的单一学科核心概念基础上，更好更深入地构建跨学科概念。

“技术”方面，占比最多的是技术实践，这一结果离不开物理学科特有的实验属性。“课题研究”中，除了常规实验器材的使用，更是扩展到了生产生活中压力传感器、燃气灶等的技术实践。技术知识占比为66.7%，集中在技术原理上。较少的是技术与社会，在“课题研究”栏目文本中的占比为16.7%。这与教材编排中单独开辟了“STSE”栏目有关，大部分的“技术与社会”都前置在教材章节中。

“工程”方面，总占比相对其他三个学科是最少，在必修1和选择性必修1中没有体现。在其余四个“课题研究”中工程意识和工程实践的占比相同，工程意识注重工程学成果（性能、原理）的体现，而工程实践更多倾向于引导学生对系统功能优化上（节能、“仿生”工具优化等）进行问题解决，而在“工程设计”上略显不足。其中，由于“科学探究”和“工程实践”二者间有部分共同和相互联系的之处[12]，在课题研究中，将涉及共同步骤的“建模”“方案设计”“数据分析与论证”等未计入在“工程实践”中。

“数学”方面，作为科学研究的常规工具，数学工具的使用几乎和课题研究分不开，在6册的教材“课题研究”中，都充分使用了各种的数学工具、数学思维等。

2.跨学科概念分布

针对在NGSS中强调的7个跨学科概念，新版人教版必修和选择性必修6册教材中的“课题研究”中跨学科概念的整体分布如图1所示。可以看出栏目设计在聚焦科学本质和学科核心概念的基础上，结合物理学科特有的属性，对跨学科概念进行了有效的融合。其中模型、尺度比率和数量、物质与能量、结构和功能、以及稳定与变化的分布较为平衡，较少的是因果关系以及系统和系统模型。而这一结果也与高中物理课程标准中对于课程结构设计是一致的。对于因果关系，栏目文本中基本都有涉及相关科学解释和推理论证，因此在研究中这类未计入因果关系中。

值得指出的是，在教材文本描述中没有对其中所使用的跨学科概念进一步进行强调说明或者进行问题联系，而大部分学生也不会自发的在不同学科、不同的时段对共有的相关概念产生联系。因此在“课题研究”过程中，需要学科教师在完善自身相关“跨学科概念”的理解之上，也应加强对学生相关概念理解的引导，厘清物理学科研究的方式方法在其他学科上的应用，横向链接学科间的核心概念，提升学生跨学科思维品质。

四、结束语

现如今，如何将碎片化的知识进行整合并迁移到现实问题的解决中已经成为“知识就是力量”的新阐述。在新版人教版教材中，“课题研究”栏目不仅给出了研究样例，还在教会学生“像科学家一样思考和研究”的基础上进一步给出相关系列开放选题，引导学生在模仿的基础上更进一步通过小组活动“提出问题、分析问题”“建立模型”“方案设计与实施”“数据分析与论证”“方案优化”等系列研究步骤，调动学生STEM领域知识进行迁移和应用，在过程中落地学生核心素养的培育。

参考文献

[1] Bybee R W.The case for STEM education：Challenges and opportunities[M].Arlington，Virginia：National Science Teachers Association（NSTA）Press，2013：85.

[2][7] Georgette Yakman.STEM Education：an overview of creating a model of integrative education[J].Pupils Attitudes Towards Technology 2006 Annual Proceedings，2008：341-342.

[3] 廖伯琴.《普通高中物理课程标准》（2017年版）要点解读[J].物理教学，2020（02）：2-5.

[4][6] 黄瑄，周丐晓，杨铭，等.基于STEM跨学科视域的科学教材分析——以加拿大英属哥伦比亚省科学教材BC Science为例[J].中国电化教育，2018（06）：68-76.

[5] T J Moore，K A Smith.Advancing the state of the art of STEM Integration[J].Journal of STEM Education，2014，15（01）：5-10.

[8][11] 湯晨毅.物理教学中的跨学科概念——以稳定与变化为例[J].物理教学，2018（10）：12-14.

[9] NGSS Lead States.Next Generation Science Standards：For States，By States[M].Washington D.C.：National Academies Press，2013.

[10] 靳冬雪，刘恩山.跨学科概念“尺度”的含义及特征[J].基础教育课程，2019，（23）：30-36.

[12] 邓磊.NGSS对我国中学物理课程改革的影响及启示研究[J].物理教学探讨，2019，（12）：1-4.

[作者：林冰冰（1987-），女，福建福清人，福建教育学院理科研修部，讲师，硕士。]

【责任编辑 孙晓雯】