HPS视域下高中物理教科书科学本质表征分析与启示——以“动量守恒定律”为例

鲁加伟 钱长炎 崔普巨

(安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽 芜湖 241002)

科学本质是国际科学教育改革的核心主题，随着我国基础教育物理课程改革的不断深入，正确理解科学本质已成为我国高中物理课程标准设立的重点课程目标，高中物理课程的重要内容如何体现科学本质已经是教科书的编写和教师课堂教学讨论的重要课题.

HPS(history of science,philosophy of science,sociology of science,简称HPS)融入科学教育用于体现科学本质一直以来都是科学教育改革的热点话题之一.教科书作为重要的教学资源，其科学本质表征在一定程度上影响学生对科学本质的理解.因此，基于 HPS视域探究教科书中科学本质表征的呈现情况对落实物理学科核心素养，培养学生的科学本质观念有着重要意义.

“动量守恒定律”是高中物理课程重要的内容，其中涉及的物理概念和规律的建立科学家们都经历了漫长的探索过程，能够从多个维度体现科学本质的内涵.本研究以我国不同时期的代表性高中物理教科书中“动量守恒定律”内容为研究对象，基于已有的HPS和科学本质研究建立科学本质表征分析框架，对教科书中科学本质表征进行分析,寻找不同时期教科书中科学本质呈现的特点，以期为我国教科书的编写和课堂教学提出建议.

1 HPS视域下高中物理教科书中科学本质表征分析方法

基于HPS视域分析高中物理教科书中科学本质的表征，首先需要认识HPS与科学本质的联系，在此基础上选择合适的方法对教科书中科学本质的表征进行统计.

1.1 高中物理教科书中科学本质表征分析的维度及其内涵

关于什么是科学本质，研究者们对这一问题的探讨百年来从未停止，其中有代表性的研究认为科学本质包含10个维度：实证性、观察与推论的区别、创造性、理论负载性、暂定性、科学研究途径的多样性、科学理论的本质、科学定理的本质、科学知识构建的社群性、科学中社会与文化的嵌入性[1].

关于如何在教学中体现科学本质，自20世纪80年代HPS教育兴起以来，国际上关于利用HPS教育促进对科学本质的理解的研究日益涌现，其中有研究者基于HPS视角探讨了科学史、科学哲学和科学社会学3个维度对促进理解科学本质的作用[2]，其各维度的内涵如表1所示. HPS的3个维度恰好带领我们从历史、哲学和社会3个方面认识科学的本质，一定程度上概括了前人对什么是科学本质的探讨，成为体现科学本质的重要途径之一.

表1 HPS视域下科学本质表征分析的维度及其内涵

根据科学本质表征分析的维度，可以选取不同时期的代表性高中物理教科书，建立科学本质表征分析框架，选择合适的方法对教科书中科学本质各表征维度进行量化处理.

1.2 高中物理教科书中科学本质表征维度的统计方法

关于我国高中物理教科书的发展,以20世纪80年代的教科书为代表.1983年，为适应重点高中的教学要求，甲种本(以下简称1983版)应运而生[3]，其知识内容的编排对之后教科书的改革产生了深远的影响.随着基础教育物理课程改革的不断推进，2003年出版了以教学大纲为基础的最后一版教科书[4].在2003年高中物理课程标准颁布之后，以课程标准为指导的教科书相继出版，直到2010年完成了多次修订(以下简称2010版)[5].2017年高中物理课程标准颁布后，以培养学生物理学科核心素养为目标，教科书的内容也发生了相应的变化(以下简称2020版)[6].

以科学本质各表征维度为基础，以上述我国不同时期4个版本教科书中“动量守恒定律”内容为研究对象，确定了本研究的科学本质表征分析框架，如表2所示.

表2 “动量守恒定律”内容中科学本质各表征维度的操作性定义

根据各表征维度的操作性定义，采用文本分析法，从定量和定性两个角度探究教科书中科学本质表征的呈现情况.内容的选择主要包括正文和非正文两个部分，正文是指教科书中以图片和文字呈现的正文部分内容，非正文是指各种阅读材料.以1个事例或完整的表述为1个单位，如出现1次动量定理的应用即为出现一次科学社会学维度.内容不包括例题和练习题，并且实际分析过程中需考虑其在语境中的真正含义.

2 HPS视域下高中物理教科书中科学本质表征统计的结果和讨论

确定了科学本质表征分析的维度和统计方法之后，我们可以对教科书中科学本质表征进行统计和分析.

2.1 不同时期代表性教科书中科学本质表征的量化统计

本文的3个作者分别独立分析4个版本教科书中“动量守恒定律”的文本内容.统计结果利用SPSS进行计算，得出3位分析者的一致性系数为0.85，表明3位作者的统计结果具有良好的内部一致性.统计结果如表3所示.

根据对“动量守恒定律”内容中科学本质表征量化统计的结果，为使分析内容更加全面，下文从表征数量和表征特点两个层面探究科学本质表征的变迁规律.

表3 “动量守恒定律”内容中科学本质各表征维度频次 单位：次

2.2 不同时期代表性教科书中科学本质表征总量的分析

据表3可知，4个版本教科书中“动量守恒定律”内容的科学本质表征在总频次上整体呈现增长趋势.2003版相较于1983版由于在科学史和科学社会学维度的减少，使之在总频次上减少了一个频次.随着基础教育物理课程改革对科学本质关注度的提高，2010版中引入了大量的科学史内容和科学社会学内容，如科学家们对动量概念的争论，动量定理在生活中的应用等，因此在总频次上比2003版多了11个频次.另外，2020版作为最新版教科书，在“动量守恒定律”内容中其科学本质表征的总频次高于其他3个版本，这也体现了新版教科书更加重视科学本质教育，契合了高中物理课程标准对科学本质的要求.

2.3 不同时期代表性教科书在科学史和科学社会学维度的特点

有研究表明，增进科学本质认识的教学策略一般可归纳为内隐途径和外显途径，利用即显性的方法提高学生对科学本质的认识更加有效[7].为进一步研究科学本质各表征维度变化趋势，我们有必要对3个维度的统计结果进行整理，如图1所示.

图1 “动量守恒定律”内容中科学本质各表征维度变化趋势

可以看出，科学哲学维度始终呈现上升趋势，但是2020版作为最新版教科书，其科学史和科学社会学维度相较于2010版呈现下降趋势，并且科学史和科学社会学维度在教科书的改革过程中并不是持续增加的，呈现先减少后增加再减少的趋势.除此之外科学史内容都编排在非正文部分，科学社会学维度减少的内容也在正文部分，不利于学生对科学本质的理解.因此，4个版本教科书中表征科学本质均以隐性呈现为主.

科学史的重要教育功能之一就是帮助学生理解科学本质[8]，同时，物理学作为一门基础学科，它与社会和环境的联系是非常紧密的，既有对社会发展的巨大促进作用，也有对环境的巨大改变作用[9].所以，在教科书的改革过程中要充分发挥科学史和科学社会学的教育作用，注重培养学生的科学本质观念.

2.4 不同时期代表性教科书在科学哲学维度的特点

各种科学都是从观察、假设和推理开始，而语言是描述现象和记录结果的不可或缺的工具[9].因此，在用语言描述现象和记录结果时，我们要明确观察、假设和推理的区别，提高语言的准确性.表征准确性分为理性和质朴两类，其中理性指的是完整的、准确的表征，与普遍认同的科学本质内涵一致；质朴则是传达了与科学本质内容相矛盾或者相混淆的信息[10].下文以4个版本教科书中引入“动量守恒定律”的实验和推理的内容为例，对4个版本教科书中科学哲学维度的文本内容进行对比分析，结果如表4所示.

表4 4个版本教科书中“动量守恒定律”内容的文本分析

从表中可以看出，2010版和2020版在“小球碰撞实验”中，观察的结果应该是“小球的质量不同时上升的高度不同”，而“小球质量不同，速度的变化也不同”是分析推理得出的结论.其表述容易使学生混淆推理与观察的区别.而1983版和2003版给出了详细的推理过程却没有以对实验或某一现象的观察为基础.可以看出，虽然4个版本教科书中科学本质表征在科学哲学维度上呈现上升趋势，但是科学本质表征不准确的问题在教科书的改革过程中仍然存在.

3 总结与启示

基于HPS视域，对我国不同时期4个版本教科书中“动量守恒定律”内容的科学本质表征进行分析，从表征数量和表征特点两个层面揭示了科学本质表征变迁的特点.以培养学生科学本质观为目标，可以提出一些教科书编写和课堂教学方面的建议.

首先，教科书中科学史和科学社会学的内容，不仅使学生在学习物理知识时能够追寻概念和规律建立的历史过程，还能被物理学家们实事求是，追寻真理的探索精神所熏陶，学习科学、技术与社会的关系．所以在教科书的改革过程中，要不断地开拓创新，增加教科书中科学史和科学社会学的内容以及其在正文部分的比重，充分体现教科书改革的主旨．

其次，教科书在改革过程中要不断地完善文本话语，适当减少“证实”“实验说明”“事实表明”等用词，应较多使用“观察”“推论”和“猜测”等词汇，提升科学本质表征的准确性，培养学生正确的科学本质观念[11].

最后，教科书在表征科学本质时的弊端要求教师提升自身的科学本质观念，在课堂教学中应该适当地引入科学本质有关的内容，如利用展开小组讨论、播放相关视频或小故事等方式来弥补教科书的不足之处.