高中物理教材中科学本质内容与表征的评价研究——以“运动与相互作用”主题为例

庄浩丽，芦星月

1.广东省广州市执信中学，广州 510030

2.华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006

教材是课程标准落实到教学实践的中间媒介。已有研究发现，我国初高中科学教材涉及的科学本质内容较不均衡，且大多采用“隐性”的表征方式[1-2]。教材对科学本质内容与表征的不足，是师生的科学本质观处于质朴水平的主要影响因素之一[3]。

我国先后发布了两个版本的普通高中课程标准，逐渐开始重视科学本质的培养。以物理学科为例，相较于2003版课标，2017版课标明确提及科学本质教育的内容要求更多，涉及科学本质的维度更全面，对科学本质理解水平的要求也更高[4]。考虑到课程标准对教材编写的指导作用，本文对基于2003版和2017版课标编写的普通高中物理教材中科学本质内容与表征的变迁特点进行分析，以提升教师对科学本质教育的理解。

1 研究设计

1.1 研究对象

本团队前期研究发现，基于2003版课标编写的五套普通高中物理教材中，人教版和粤教版教材相对完整地呈现了科学本质的维度[2]。本研究将继续选取基于2017版课标编写的人教版和粤教版新教材，以“运动与相互作用”为分析主题，进行新教材的科学本质表征分析。

1.2 概念框架

尽管研究者对科学本质的内涵仍持有不同的观点[5]，但在国际科学教育领域认可度较高的是以李德曼（Lederman）、赫里克（Khalick）等为代表的主张，即作为科学认识论的科学本质，描述了科学知识及其发展过程中固有的概念和价值[3，5-6]。在此基础上，赫里克提出了科学本质的10个维度及其表征的明确性和准确性，已被成功地用于分析各类科学教科书，具有较好的一致性和效度[3，6]。因此，本研究也采用赫里克提出的框架，如表1所示。

表1 科学本质内容各维度的内涵

依据科学本质内容表征的明确性程度，可以分为隐性和显性两个水平，这种划分可以追溯到对科学本质“隐性”和“显性-反思”教学法的争议。隐性表征往往将科学本质隐含在文本材料当中，需要学生自己进一步推敲或教师加以引导才能理解；显性表征则通过提供充分明确的论述或反思机会，让学生自己通过思考来形成对科学知识产生与发展的正确理解。

依据科学本质内容表征的准确性程度，可以分为质朴和正确且完整两个水平。其中，质朴传达了与当代对科学本质认识相矛盾的信息；正确且完整则传达了与当代对科学本质认识完全一致的信息。

1.3 分析过程

本研究的分析过程可划分为三个阶段（图1）。

图1 分析过程

在综合所有文本材料单元对科学本质表征的明确性和准确性后，根据赫里克划分的评分标准（表2），可以进一步对教材整体对科学本质某一维度表征的质量进行评价[3，6]。因此，对每套教材，科学本质各维度表征质量的得分范围为“-3”分至“+3”分；10个维度求和后可得每套教材的总分，范围为“-30”分至“+30”分。

表2 教材整体对科学本质各维度表征质量的评分标准

分析由两名研究者一起完成。首先，选取旧人教版必修1的内容进行试评，在充分研读概念框架后，研究者们独立对旧人教版必修1进行试分析。表征的数量、准确性和正确性的评分者一致性都较好，信度分别为0.682、0.785和0.687（一致率分别为73.0%、89.0%、88.0%）。对于试评中存在不一致以及对概念框架存疑的地方，两位研究者讨论协商后达到一致。随后，进行正式分析，独立对剩余的教材进行分析。表征的数量、准确性和正确性的评分者一致性得到了进一步提升，信度分别为0.714、0.828和0.742（一致率分别为74.8%、92.3%、89.4%）。最终，两位研究者对评分不一致的地方再次进行协商，得到新、旧人教版和粤教版教材科学本质表征数量和质量的结果。

2 高中物理教材中科学本质内容与表征的特点

2.1 科学本质表征数量

2.1.1 表征频次整体提升，侧重“实证性”和“暂定性”

教材科学本质各维度的表征频次如表3所示。结果表明，各版教材都完整地表征了科学本质的10个维度。具体来看，两版新教材在“实证性”“观察与推论的区别”“科学研究途径的多样性”“科学中社会与文化的嵌入性”维度上的频次有所提升，这可能与学界对科学探究认识的不断深入和对社会科学议题的重视有关[7-8]。两版新教材在“科学理论的本质”“科学定律的本质”维度的表征频次有不同程度的下降。总体而言，教材均侧重“实证性”和“暂定性”维度，对科学本质各维度的表征不均衡。

表3 教材中科学本质的表征频次

2.1.2 表征分布不均衡，集中于“前言和后记”和物理学史丰富的内容

促进学生对科学本质的深层理解需要长期的渗透，教材对科学本质的表征不应仅局限于某部分内容[2]。为进一步研究科学本质在不同内容中的分布情况，将“运动与相互作用”主题细分为20个子内容，结果如图2所示。结果表明，科学本质在教材不同内容中的分布并不均衡，一直主要集中在“前言和后记”“万有引力定律及应用”“经典力学的局限性”等内容。

图2 科学本质表征的分布情况

值得注意的是，“前言和后记”对科学本质的表征大多采用内容通用型的方式[9]。例如，新粤教版必修1的前言对“实证性”的表征提到，“物理学是以实验为基础的学科，物理学中任何新思想正确与否需由实验检验……”，这一表述就未与具体的科学知识结合。而“万有引力定律及应用”“经典力学的局限性”等章节则与上述相反，对科学本质的表征采用了内容嵌入的方式[9]。例如，新人教版“自由落体运动”一节，通过在“科学漫步”栏目中介绍“伽利略研究落体运动的历史”表征了“理论负载性”“实证性”“科学研究途径的多样性”；在“STSE”栏目中讲述“从伽利略的一生看科学与社会”表征了“科学中社会与文化的嵌入性”。

2.2 科学本质表征质量

依据评分框架对科学本质表征质量进行分析，最终各维度的得分情况如表4所示。总体来看，新教材对科学本质的表征质量都有所提升，人教版和粤教版分别增加了6分和5分。科学本质表征质量主要受准确性和明确性两个指标的影响，下面将从这两个方面进行深入分析。

表4 科学本质各维度的得分

2.2.1 表征准确性得到小幅度提升，体现在“科学研究途径的多样性”

科学本质表征质量的提升主要是因为“科学研究途径的多样性”维度准确性的提高。在旧人教版和旧粤教版教材中，“科学研究途径的多样性”都处于“显性或隐性的混合表征”水平（-2分），传达了与当代对科学本质认识相矛盾的信息。例如，旧人教版在介绍“伽利略研究落体运动的历史”时，指出存在“一套对近代科学的发展极为有益的科学方法”，总结为“观察、假设、推论、检验、假说修正和推广”“五步”科学方法。这种表述在一定程度上会影响教师在授课时过分强调固定的科学方法，使学生产生一种科学研究都必须按照这样一套流程步骤的错误认识。而新人教版中则在“科学漫步”栏目介绍了“伽利略研究落体运动的历史”，但不再强调伽利略的这套方法是科学研究的固定步骤，而且强调存在“一些方法”，“这些方法能发展人类的科学思维方式和科学研究方法”。

2.2.2 表征明确性仍然以隐性为主，但少部分维度转向了显性表征

新教材对科学本质大部分维度的表征仍以隐性为主，少部分维度的表征采用了显性的方式。如表5所示，旧粤教版在后记中关于现代物理学与经典力学关系的论述对“暂定性”进行了表征，这一论述虽然表达了经典力学的局限性，但未明确阐述现代物理学是对经典力学的补充与进步，因此被判定为隐性的表征方式。而新粤教版则通过补充“人类对自然界的探索正是这样不断地向前发展”，明显地表达“科学知识不是绝对的、确定的，科学主张是会随着人类的探索而不断改变”，但也还是没有完整、具体地表达出何种情况（如“概念和技术的进步会带来新证据的出现”）可能会改变科学主张，因此对“暂定性”的表征被判定为“显性、正确但不完整”（2分）。

表5 粤教版在“暂定性”维度的文本材料摘录

3 彰显科学本质教育的教材编写：分布均衡、显性表征、细化发展

通过对新、旧人教版和粤教版教材“运动与相互作用”主题科学本质内容与表征的对比，可以窥见我国科学本质教育正在不断进步。如何在科学教材及教学中持续落实科学本质教育的要求，是新课程实施过程中需要继续深入探索的问题。

3.1 科学本质的内容在教材中合理分布

本研究发现，教材的科学本质内容表征一直较全，但是不均衡。这种现象不仅体现在对科学本质各维度的频次上，更体现在涉及科学本质的章节内容上。在所统计的20个章节中，都至少有6个章节没有涉及对科学本质的任一方面。

教材应该为学生提供连续沉浸在科学本质学习当中的机会，这样才能引导学生通过各种学习活动形成对科学本质的正确理解[10]。因此，应尽可能地将科学本质的内容合理地分布于整本教材当中，应充分考虑内容的选择、活动的安排、文字的撰写等是否符合学生理解科学本质内涵的心理特点和认知发展规律，从而长期地向学生渗透科学本质教育。

3.2 科学本质在教材中采用显性表征

科学本质观念是一种对科学知识的产生、发展和价值信念的认识，这种意识形态的认识较难理解。针对这一问题，大部分研究者们达成的共识是采用显性的方式表征科学本质方能有效促进学生对科学本质的理解；也有研究者对教材中的科学本质内容进行了“显性”的改编，发现能有效改进教师的科学本质教学和学生的科学本质观念[11-12]。

因此，建议未来的教材编写更多地显性表征科学本质的各个方面，给学习者提供更多关于科学本质的反思机会。除了结合物理学史从认识论的角度阐述表征科学本质，还可以适当增加关于科学本质的反思性问题，明确指引教师在教学中渗透科学本质的教育；引导学生进一步思考科学的本质，从而帮助学生内化对科学本质的理解。

3.3 科学本质教育的进阶发展应进一步细化

2017版课标明确了科学本质的教育目标，也提出了“通过物理学习认识科学的本质”的教学建议，并要求在教学中要注重“学生在认识科学本质、形成科学态度和社会责任感方面的发展水平”的评价。科学本质中存在着一些能够更容易被学生认识到或先理解的维度（如“实证性”），而另外一些维度教师和学生可能都较难理解（如“科学中社会与文化的嵌入性”）。因此，我国不同学段的科学课标也可以针对具体学段的发展，进一步细化科学本质的学习目标。这样将有助于引导教师在教学中逐步渗透科学本质教育，促进学生对科学本质理解的进阶发展。