中美物理教材中科学本质的表征比较研究——以“动量守恒定律”为例

张 玲 黄致新

（华中师范大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079）

帮助学生发展对科学本质（Natural of science，简称NOS）的认识，越来越成为全球科学教育改革的关注点，［1］我国《普通高中物理课程标准》（2017年）中也将其写进“科学态度与责任”的核心内容.教科书作为重要的课程资源，是课程理念落于教学实践的桥梁，其涉及科学本质的内容表征影响着教师和学生对科学本质的认识.基于此，本文对中美高中物理教科书进行比较研究，分析各自科学本质表征的特点和差异，期望对改进我国高中物理教材编写有所帮助.

1 研究设计

1.1 研究对象

笔者选择了美国高中主流物理教材《物理原理与问题》（Physics Principles and Problems，2005版）的中译版（简称“美国版”）与我国人民教育出版社2019年出版的高中物理教材（简称“人教版”）为研究对象.以人教版选择性必修“动量守恒定律”这一章节的内容，及与此对应的美国版中的第九章“动量与动量守恒”进行比较.需要说明，美国版将角动量守恒的内容也归于“动量与动量守恒”，本研究中不予讨论.

研究对象主要包括序言、正文和栏目.序言指教材中章节的引入部分.正文指以文字或图片形式呈现在教材的正文部分内容.栏目指在教科书中以非基本教学内容呈现的，目的在于拓展学生视野和能力的部分，如人教版中的“科学漫步”、“STSE”；美国版“未来技术”、“物理学前沿”、“起步实验”和“迷你实验”等，由于序言和栏目不是基本教学内容，所以将这两部分归类为非正文部分.

1.2 研究工具

本研究以Khalick［2］等新近修订的科学本质分析框架作为研究工具，该框架包含“实证性”、“观察与推论的区别”、“科学理论的本质”、“暂定性”等10个维度建立在理论和实践的基础上，已成功用于分析跨度40年的科学教科书，具有很好的结构效度与一致性.表1呈现了本研究所应用的科学本质分析框架以及各维度的操作性定义.限于篇幅仅展现其中的几个维度分析，完整框架可参见 Khalick的研究.［2］

表1 科学本质各维度内涵、操作性定义和对应的表征示例

续表

1.3 研究方法

采用文本分析法对中美教科书中科学本质表征进行定性与定量相结合的比较分析.

以1个完整表述/事例为1个分析单位，如：提及1个新发明即计为1次创造性，以此类推.需要注意的是，操作性定义中提到的关键词如“证实”“创造”等，实际分析过程中需考虑其在语境中的真正含义.

1.4 评分信度分析

为保证统计结果的可靠性和一致性，三位研究者分别独立分析“动量守恒定律”内容，并将其所属的科学本质维度进行归类和频次统计.统计结果利用SPSS进行计算，三位分析者的一致性系数为0.875，表明三位分析者的统计结果具有良好的内部一致性.

2 结果与讨论

根据分析统计，中美高中物理教科书中关于动量与动量守恒内容的科学本质在总体呈现情况如表2所示.基于此结果的具体分析如下.

表2 两版教科书科学本质各表征维度频次

续表

2.1 表征维度覆盖面对比

人教版教材的内容涵盖了科学本质的9个维度，缺少了“科学理论的本质”，而美国版教材的内容仅体现了科学本质的60%，缺少“暂定性”、“理论负载性”和“科学知识建构的社群性”、“科学理论的本质”，可见人教版教材表征维度更广，并且两版本都缺少“科学理论的本质”.具体的，在“暂定性”维度，人教版强调了动量守恒定律与牛顿运动定律相比适用范围更广，提到了牛顿运动定律的局限性；在“理论负载性”维度，提到历史上用来度量运动强弱的物理量有mv、与mv2的两种观点；在“科学知识建构的社群性”维度，介绍了经过半个世纪关于度量运动强弱物理量的争论，最终经由法国科学家达兰贝尔研究指出，双方实际是从不同的角度量度运动.值得一提的是，美国版缺少的维度大多在人教版的非正文部分出现，显示了两种教材对于科学本质都强调科学知识本体的传达，而人教版在此之余还通过非正文部分的介绍，关注科学的发展过程，拓展学生视野，教材编排更立体.

2.2 各维度频次对比

人教版教科书中科学本质的表征总量多于美国版.并且两版本教材科学本质各维度的分布均有侧重的现象.其中“科学定律的本质”作为书本化知识而成为核心；而“实证性”、“科学中社会与文化的嵌入性”、“观察与推测的区别”这3个维度都受到了重视，反映、传达了科学与实践和逻辑思辨的紧密关系；至于“创造性”、“暂定性”和“科学知识建构的社群性”则占比较少，“科学理论的本质”缺失.

横向分析各维度频次分布可发现：两版本教材中，“科学定律的本质”维度作为严肃叙述出现在正文部分，而其它维度则常见通俗化表达于非正文处，且涉及猜想或验证性的内容出现篇幅大于书本化知识表述的部分，体现了严谨的科学讲授和探究式物理教学思想的结合.

2.3 特定知识点科学本质维度呈现比较

为了呈现中美两国引入不同知识点时科学本质的表征特点与偏好，笔者将两版本中动量、动量守恒定律的文本对比进行展示，结果见表3.研究发现，在引入“动量”这一知识点时，两版本都显示了科学本质的“观察与推测的区别”维度：人教版采用从实验描述中引入“动量”；美国版从动量守恒定律的理论化介绍中引入.因此人教版教材侧重于实证性维度而美国版教材偏向于科学定律的本质维度.在引入“动量守恒定律”知识点时，两版教材都从动量定理与牛顿第三定律着手，引入动量守恒定律.但不同的是，美国版教材以生活中的击打棒球为切入点，引导学生观察思考这一现象，再展开推导动量守恒定律，体现了“观察与推测的区别”；而中国版教材选择已经模型化的图像为起点，因此相较美国版缺少了该维度.

表3 动量及动量守恒定律文本分析

3 总结及建议

通过比较分析中美教材科学本质表征的差异，对改进我国高中物理教材的编写、促进科学本质教育的发展提出以下建议.

3.1 层次化科学本质教育的编排

包括知识点呈现的层次化和语言结构的层次化2个方面：第一，人教版教材科学本质表征维度涵盖面广，但各维度的展开顺序还需改进，例如直接通过寻找碰撞时的不变量引入动量的概念，对于刚刚结束牛顿运动定律学习的学生而言认知上有跳跃；第二，教材语言结构在表征科学本质时以隐形化为主，例如“观察与推测的区别”维度对学生引导不足，在设计探究碰撞中动量守恒的实验一节，很快就给出了动量之和不变的“猜想”.已有研究证明科学本质显性表达更能增加学生的理解，隐性表达会使学生缺乏基于科学本质框架反思其科学活动的结构化机会，［3］这反映需要进一步优化教材语言结构，以显形呈现为主，使学生循序渐进理解科学本质.可行的建议是：适当减少诸如“证实”、“实验说明”、“事实表明”等用词.多一些推理式、启发式的表达，例如“观察”、“猜测”等.通过文本话语表达的改变来潜移默化影响学生对科学本质的理解.

3.2 加强科学本质教育的建设

物理教学在传授知识的同时也承担着培养公民科学素养的功能.在这个意义上，高中物理教学不但是衔接更高一级专业化知识学习的桥梁，更是一种通识化的教育，需要传递现代科学的怀疑、形式逻辑的理性思维.具体到教材编写上，就对引入新概念的实验或假想实验提出了课堂可操作性的要求，强调“实证性”、“观察与推论”的维度内涵.同时，促进教师对科学本质教育的理解，拓展课堂互动性和探究性，让现象、假设、实验、验证、批判这样的科学思维锻炼过程出现在课堂中.

3.3 开展各表征维度对科学本质教育影响的研究

中美教材引入特定知识点时各维度出现的频次存在差异，开展这种差异带来的教育差别的研究，并在此基础上，合理布局各维度出现频次.就本次中美教材对比而言，美国版教材习惯从生活现象或逻辑推理出发引入新概念，避免抽象化的实验，这或许值得借鉴.另外，“创造性”、“暂定性”和“科学知识建构的社群性”维度出现较少，而它们本身表征的是科学理论循环往复发展的客观过程，可适当增加.