新旧版本物理教科书中HPS内容的比较研究——以人教版普通高中物理必修1为例

何雨泽 周少娜

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

20世纪80年代末,以美国为首的西方国家相继推行HPS教育,目的是让学生通过学习科学史、科学哲学、科学社会学(History,Philosophy & Sociology of Science,HPS)来促进科学教育.[1]而我国也逐渐重视HPS教育. 特别是,2017年版普通高中物理课程标准中,物理教学目标从“三维目标”转向了物理学科核心素养,物理学科核心素养主要指物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面.[2]HPS教育可以通过科学史实帮助学生梳理科学知识本身逻辑,[3]再通过对科学知识的哲学思考,帮助学生形成能基于事实和推理提出质疑和批判的科学思维.同时,通过强调社会因素在科学发展中的作用,HPS教育可以帮助学生认识科学与社会的关系,形成严谨认真和实事求是的科学态度与责任.[4]在物理课程中增加HPS内容可以使学生更好地把握科学本质,[5]增强学生物理学科核心素养. 教科书是教师教学的主要依据和学生学习的主要材料,也是发展学生核心素养的重要载体.[6]教科书渗透相关HPS内容,不但能让学生了解科学知识,更能让学生体会科学思想、科学精神和掌握科学方法.[7]本文通过以人民教育出版社出版的普通高中教科书物理必修1为研究对象,对2019年审核通过的最新版本教科书与2004年审核通过的旧版教科书进行对比,帮助教师和学生更好地感知和理解教科书.

1 新旧教科书中的HPS内容总体的呈现情况

表1中统计了HPS内容在两本教科书中的频数分布,从表中可以对比科学史、科学哲学、科学社会学3项内容在两版教科书中的数量及比重.本研究根据张晶对HPS教育的概念界定和其对HPS教育对应的科学教育体系结构的定义,[8]分别对科学史、科学哲学、科学社会学融入两本教科书的情况做了详细地统计．

表1 新旧教科书中的HPS内容总数统计

由表1可以看出,新版教科书与旧版教科书相比HPS内容呈现的总次数基本一致,但3项内容各自的数量有所变化. 其中,科学史的呈现次数减少、占HPS内容总数的比例减小;科学哲学呈现次数增加、占HPS内容总数的比例增加;而科学社会学呈现次数增加、占HPS内容总数的比例不变. 旧版教科书中科学史、科学哲学、科学社会学3部分占比悬殊较大,其中科学史超过一半,科学哲学占比较小. 而新版教科书调整后,科学史、科学哲学、科学社会学3项占总数的比例相对趋于平均. 虽然科学史占总数的比例仍为最大,科学哲学占总数的比例仍为最小,但两者差距减小.

通过以上变化可以发现,新版教科书的编写比旧版教科书更加重视科学哲学的内容. 在2017版普通高中物理课程标准中“能正确认识科学的本质”[2]已明确成为课程目标之一. 而科学哲学通过对科学本质的哲学思辨,有助于学生理解科学的本质,树立正确的科学观.[9]例如新版必修1序言中有一段关于法拉第发明电磁感应定律的描述“磁能生电的规律是符合直觉的,但其产生的方式却和最初的直觉很不相同. 可见,客观规律是否与直觉一致,是不能一概而论的,需要针对具体情况通过认真的研究才能搞清楚.”通过这段描述,能够有助于培养学生的辩证思维,帮助学生养成具体问题具体分析的科学思维,而不仅仅一味地肯定或否定某些科学方法. 这种辩证的科学思维能更好地帮助学生看待已有的科学定律,使学生达到课程目标中的“具有批判性思维的意识,能基于证据大胆质疑,从不同角度思考问题,追求科技创新.”[2]

新版教科书中增加的科学哲学内容中,有4处为有关“科学哲学认识论和方法论”的相关内容,通过增加这些科学哲学的内容强化学生的科学思维和对科学知识的认识方式. 例如新版必修1理想实验的魅力这一知识点,在旧版的内容基础上又增加一段补充文字“伽利略理想实验的本质是想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦力去掉,抓住事物的本质”,能够帮助学生更好地理解这种即便不可能通过现实中的实验实现,但只要逻辑自洽,仍可以合理推理出科学定律的方法. 这些科学认识论和方法论的内容有助于拓宽学生的思维,令学生产生更多的创造性见解.

2 旧版教科书中的HPS内容在新版教科书中的保留情况

表2中统计了旧版物理必修1中所有HPS内容在新版教科书中的保留情况.新增指新版教科书中该处内容在旧教科书中没有相关内容,删除指新版教科书中不再含有旧版教科书中的该处内容,保留指新版教科书中保留了旧教科书的相关内容. 保留又分为相同、更新、增添、缩减、修改. 其中特别说明的是,更新是指旧版教科书中该处内容在新版教科书中更改为2004年以后的科学成果或因2004年以后的科学成果而产生变化. 如新版必修1第112页(对应旧版必修1第94页),旧版教科书中留下了“引力波是否真的存在?”的疑问,而新版教科书则是改为“直到2016年,科学家们用激光干涉仪代替铝棒作为‘天线’,建成了引力波激光干涉仪探测装置,才首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号.”表2还统计了在新版教科书保留的HPS内容中相同的数量,此处的相同指该内容新旧教科书基本一致,没有新增其他的HPS内容,个别句子的改动,如不涉及知识内容的变动,仍算作相同.

表2 旧版教科书中HPS内容的保留情况统计

由以上表2可以看出,旧版教科书中的HPS内容大部分均保留至新版教科书中,其中旧版教科书中的科学史内容保留了17处,删除了8处,如新版必修1的序言中删除了旧版教科书里有关“长征二号”火箭的内容. 科学哲学内容保留了7处,删除的最少,只有1处,为旧版必修1第67页中比利时物理学家的一句话“物理学并不是自然界本身,是人类与自然界的对话.”科学社会学内容保留了13处,删除3处,如新版必修1的静摩擦力知识点删除了旧版教科书里有关传送带和轮胎表面的内容.

在新版教科书保留的HPS内容中,科学史有7处与旧版教科书中的内容相同,科学哲学与科学社会学两者均有6处内容与旧版教科书中的内容相同,但由于其保留总数不同,比例相差较大. 科学史共有7处相同,相同比例最低,占保留总数的41%,占旧版必修1中科学史内容总数的28%. 如旧版必修1第2章序言部分,有关世界上第一条商业运行的磁悬浮列车——“上海磁浮”的内容被完整地保留在了新版教科书中. 科学哲学共有6处相同,相同比例最高,占保留总数的85.7%,占旧版必修1科学哲学内容总数的75%. 如旧版必修1第3章序言部分,恩格斯的一段话“交互作用是我们从现代自然科学的观点考察整个运动着的物质时首先遇到的东西. 自然科学证实了…交互作用时事物真正的终极原因”被完整的保留在了新版教科书第3章第1节中. 科学社会学共有6处相同,占保留总数的50%,占旧版必修1科学社会学内容的37. 5%. 如旧版必修1的路程和位移知识点中的一幅北京到重庆的地图被保留在了新版必修1的位置和位移知识点中.

图1 旧版教科书中HPS内容变动情况

图1为桑基图,通过始末端的分支宽度表示变化量,宽度之比与数量之比一致．由图1可以清晰看出旧版教科书中科学史、科学哲学、科学社会学3项内容的保留和变动情况,可以明显发现科学哲学的内容变动相对较小,而科学史、科学社会学的内容变动相对较大.科学哲学内容中,多数为理论性的知识或哲学思想,这些内容较为稳定,不会因时代的变迁而发生太多改变,所以在旧版教科书中涉及科学哲学的内容大多被保留且没有改动. 而科学史与科学社会学中,大多涉及与时代相关的内容,在科学技术发展的过程中,旧版教科书中部分内容已经过时. 对于使用新版教科书的学生来说,这些内容已不熟悉,很多学生甚至从未听闻过有关信息,不利于学生将课本知识与自身生活中的现实联系起来,所以不做保留. 如旧版教科书中关于协和式飞机的讨论,新教科书未做保留,原因是协和式飞机于2003年10月全部退出运营,而使用新教科书的这批高中学生此时才刚刚出生.

由图1可以看到旧版教科书被删除的HPS内容中,科学史占了大多数,被删除的科学史内容中有一些是被证伪的科学史实,目的使教科书内容更加严谨. 例如伽利略的比萨斜塔实验被后人证明为虚假史实,虽然旧版教科书中注释已有解释,但为了不误导学生,新教科书中仍将比萨斜塔的部分删除,而且在伽利略对自由落体运动的研究的部分加上了“利用逻辑推理说明了重物与轻物下落得同样快”的语句. 新版教科书的严谨还体现一些细节内容的修改,例如“从伽利略的一生看科学与社会”内容中,将“时隔346年,罗马教廷于1979年承认对伽利略的压制是错误的”修改成了“时隔359年,罗马教廷于1992年承认了对伽利略的压制是错误的”. 这些科学史内容的删除或更改,体现了2017版普通高中物理课程标准中,学科核心素养第4点“科学态度与责任”里所描述的“严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度”,[2]有利于促进学生的物理核心素养的发展.

3 新版教科书中HPS内容涉及最新科学成果的呈现情况

表3统计了新版物理必修1中所有涉及最新科学成果的HPS内容,此处的最新科学成果指的是该处内容为2004年以后的科学成果或因2004年以后的科学成果而产生变化.

表3 新版必修1中HPS涉及最新成果的统计

由表3可以看出,新版教科书中总共有10处HPS内容涉及2004年后的科学技术发展,占新教科书HPS内容的20%,主要集中在科学史部分. 旧版教科书2004年初审通过,新版教科书2019年审核通过,15年间有大量新的科学科技成果,对原有的HPS内容产生影响,旧教科书中一些内容已经过时或不符合新的科学发现. 新课标的基本理念中明确指出“注重课程的时代性,关注科技进度和社会发展需求”[2]故新版教科书对旧版教科书中原有的部分HPS内容做了更新或删除.

新的科学科技成果能帮助学生更直观地了解知识点,更贴合学生日常所见,能够引起学生共鸣,并通过HPS教育促进社会发展. 例如智能手机测自由落体加速度图片,一方面能让学生通过手机屏幕,更加直观地了解手机从下落到接住的多个过程中加速度的变化情况,并一方面又通过智能手机引发学生更大的学习兴趣和热情. 我国推进ETC(电子不停车收费系统)建设进度缓慢,新版教科书通过有关ETC的习题,让学生计算车辆通过ETC通道相比人工收费通道节省的时间,进而了解ETC系统的便捷性,从而促进学生乃至学生家长对ETC的支持和重视,体会我国ETC的推广重大意义.

新教科书的HPS内容中增加了我国最新的科学成果,能激发学生的爱国热情,展示中华民族的科技成果,同时为新时代培养中国特色社会主义的可靠建设者和合格接班人. 例如新版教科书增加了2013年我国航天员在空间站进行太空授课的内容和2015年嫦娥三号登月探测器平稳落月的内容. 这些内容都能让学生感受到我国航空事业的蓬勃发展,激发学生的民族自信心. 新教科书还增加了航母舰机的滑翔式起飞内容. 在2012年我国辽宁舰正式建成,而辽宁舰使用的正是滑翔式起飞,增加此知识能给我国学生补充航母舰载机的滑翔式起飞的概念,强化理论基础以了解我国有关科技的发展.

4 结论与建议

由以上分析可以得出,2019年审核通过的新版教科书对HPS内容做了许多调整. 新版教科书注重帮助学生了解科学本质,提高学生的物理学科素养,通过在教科书增加了大量科学哲学的内容,培养学生养成批判性思维和创造性思维. 同时新版教科书非常注重内容的时代性,对不符合时代特点的内容做了删改,同时增加了许多新时代的科学成果,并通过增加我国最新的科学成果,激发学生的爱国热情和民族自信心.

针对以上分析,建议教师在使用新版教科书时要有效利用教科书中的HPS内容. 通过对教科书中HPS内容的学习,学生能够更好地结合自身的生活实际来感知课本内容,对于学生理解知识和掌握知识有重要的作用. 同时建议教师在讲解HPS内容时,要多给学生讨论思考的空间,无论是科学史、科学哲学还是科学社会学,站在不同的角度分析会有不同的观点. 新教科书中增加的HPS内容更希望学生了解科学的本质,学生通过讨论思考,才能更好地理解内容中的思想和精神.