中法高中物理教材科学探究活动比较研究

王震 赵雨曦 修前前 侯应琢 田雪葳 王晶莹

摘   要：进入21世纪以来，世界多国启动科学课程改革，科学探究作为核心内容被写入多国课程标准。文章选择中法两国具有一定代表性的中国人教版和法国校园课本出版社版高中物理教材作为研究对象，比较科学探究活动的设计，探讨教材中科学探究的主题设置、呈现形式、预设活动等。基于已有研究并结合对象特点，确定比较维度和指标体系，深度剖析两套教材中的科学探究活动，并从教材对探究活动的内容定位、呈现方式、开展活动的预设三个维度进行比较。研究发现，在探究活动内容上，人教版教材更注重基础知识；在活动呈现上，两套教材均能引导学生思考，培养探究能力；在开展活动的预设上，两套教材均以实验探究为主，但在其他活动分配上各有侧重。希望研究结果能够为教材编写和对科学探究的深入讨论和实践提供借鉴。

关键词：高中物理教材；科学探究；教材比较；探究活动

中图分类号：G423.3         文献标志码：A         DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2023.10.05

物理学研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律，其研究方法和理论体系基于观察与实验，建构物理模型，应用数学工具，通过科学推理和论证形成。科学探究是一项复杂活动，涉及观察现象，提出问题，查阅已有资源，设计调查和研究方案，根据实验证据核查己有结论，运用各种手段搜集、分析和解释数据，得出答案，进行解释并作出预测，把结果公之于众等。[1]20世纪80年代以来，世界多国顺应教育发展趋势，将科学探究作为包括物理在内的基础科学课程改革的核心，在官方文件、课程标准中进行多方面阐述。学者多将科学探究分为两类：一是科学家进行的工作，二是作为教与学的过程。[2]在教育教学中，教材是重要的课程资源，具体体现了课程概念、课程目标等内容，教材既是教师的授课依据，也是学生的基本学习材料，以教材为对象进行研究对物理教学和课程改革具有指导意义。狭义上的物理教科书指根据课程标准，将具体的物理观念、科学方法、实验说明、物理问题等教学内容系统地组织起来，在教学中供教师使用和学生阅读的书面材料。[3]物理教科书是师生开展教学活动的媒介，是科学探究活动的载体，在课程改革的实施中具有重要作用。

世界多国教育部门都十分重视教学中的科学探究，美国《国家科学教育标准》提出科学探究在教学中的三角色（内容、方式、教学指导思想）和探究式教学的五个特征（问题、证据、解释、评价、表达）。[4]经合组织（OECD）开展的国际学生评估项目（PISA）将科学探究定义为：个人在面对不可预测的复杂情景时，灵活分析、推断和沟通的能力，特别是基于独立人格、自由思考而做出自主判断与选择的发展性探究能力。[5]新加坡的《初中科学教学大纲》从科学探究的定义和要素、科学探究课堂的特征和教学策略等方面进行了阐述，并立足于科学的本质，规定课程以培养科学探究者为目的，指向学生科学素养的发展。[6]

综上，科学探究是物理教学的有效途径，教科书中科学探究活动的编制直接影响其在课堂中的开展，研究不同国家物理教科书中的科学探究活动，对于中国高中物理教科书科学探究活动编制和物理课堂中探究活动的开展具有参考意义。

一、研究方法

（一）概念框架

在教材比较研究中，需要依据具体的研究目的建立对研究内容进行分类的分析维度，并由这些维度形成比较模型，作为内容分析的基础。周仕东和郑长龙认为教学中的科学探究是为了让学生像科学家进行科学研究工作一样开展学习，由此对不同类型的科学研究进行对比，提出了教学中的四类科学探究：对科学核心知识的探究，对科学知识应用的探究，对科学与技术的整合探究，对科学、技术与社会的联系的探究。[7]沈国强在比较中美高中物理教材时将这一框架迁移至物理学科，将物理教材中的科学探究活动分为：对物理知识的探究活动，对应用物理知识的探究活动，对科学、技术与社会的联系的探究活动。[8]基于以上成果，结合所选用的两套教材特点，本文将物理教材中的探究活动从内容上分为四类：一是旨在丰富学生物理知识的探究活动；二是在学生已经具备的知识的基础上，提高学生应用知识解决实际生活问题的能力的探究活动；三是针对科学、技术与社会的联系方面的探究活动；四是围绕物理学科历史开展的活动。

组成教材的要素包括信息、符号和媒体，在设计教材的过程中必须考虑如何用恰当的符号来记录和呈现教学信息，进行有效的传播并优化教学效果。探究活动的可读性取决于：一是内容的表述是否通俗易懂，是否以人性化的称谓进行表述；二是是否恰当地使用彩色图解、照片并与文字描述相结合；三是所展示的材料和图片能否突出活动内容的关键特征。[9]因此，本文将教材呈现信息的符号划分为文本、插图和数据图表，其表现形式为文字和图表；从研究栏目设计的角度将栏目划分为栏目类别、栏目数量和栏目分布三个维度。

不少学者对探究活动的方式分类进行了探讨。2005年的一项研究提出探究活动的方式基本上可以分为实验类、调查类和交流类。[10]基于这个框架，有学者依据物理学科特点将物理教材科学探究活动也分为实验类、调查类和交流类。[11]赵逸庶对中国人教版和司南版教材进行对比时，将探究活动分为调查类、制作类和实验探究。[12]本文所选用的两套教材，均采用了多种方式开展科学探究活动，根据教材情况和已有研究经验，本研究将探究活动分为实验类、交流类、调查类、制作类和数学方法五种。有些科学探究包含了不止一种探究活动方式，本研究按照贯穿活动的、最主要的一種活动方式进行归类。

综上，本文创建了科学探究活动文本分析框架（见表1）。

（二）教材选择和分析维度

根据近年来中国各省市高中物理教材的选用情况，选择人民教育出版社2019年6月出版的《普通高中教科书物理》和法国校园课本出版社（Lelivrescolaire.fr，LLS）2019年推出的《物理—化学》教材中的物理部分作为研究对象。这两套教材均是各自国家近年修订出版的、被广泛使用的教材，能够反映时代和地区特色，具有一定的代表性。

本文首先梳理已有研究建立的比较模型中的分析维度，然后基于两套教材的知识结构和科学探究活动设置情况进行初步分析，在综合考虑两者的基础上修订适合研究对象的分析维度指标。本文遵循“活动的内容—活动的呈现—活动的开展”的脉络从内容定位、呈现方式和开展预设三方面出发，制定更为细致的比较分析维度来进行统计与对比，并对各维度进行操作性定义，将各三级维度总结为可观察、可量化的教材内容，具体维度如表2所示。

（三）探究活动水平划分

探究水平的差异会影响学生对创造性、主观性以及科学方法多样性的体会，从而影响科学探究能力的培养。探究活动具有过程性，但这并不意味着探究活动必须要按照机械化流程进行，因此不能简单地以各环节的有无来划分探究水平，应综合考虑各个环节的探究水平。通过教材提供确定性信息的多少可以判断学生参与活动的自主程度、活动探究水平的高低：教材中所给予的确定性信息越少，自主探究难度越大、探究水平越高，反之确定性信息越多，自主探究难度越小、探究水平越低。据此分出四级探究水平：水平0，对教材信息特征不作要求，不开展探究活动；水平1，教材提供详实活动细节，学生在探究活动中处于被动地位；水平2，教材提供一定活动指导，学生在探究活动中有一定自主性；水平3，教材仅提出简略要求或必要的背景资料，学生完全自主展开活动。

二、研究结果

（一）科学探究活动内容定位

教材知识内容的体系结构能够体现教材编制的思想，是科学探究活动设计与开展所围绕的核心。在科学探究活动的模块分布方面，两套教材中科学探究活动的编排在不同模块的数量分布差异较大。按照科学探究活动数量由多到少，人教版教材各模块依次为：电磁学、力学、热学、光学、声学、近代物理学；LLS版教材各模块依次为：力学、电磁学、光学、热学、近代物理学、声学。两套教材各模块下的科学探究活动数量占活动总数的百分比亦有较大差异，具体如图1所示。

在探究活动数量方面，其一，两套教材占比最大的都是对物理知识与概念的探究活动，说明两套教材均重视基础物理知识。人教版教材79%的探究活动都是围绕物理知识与概念开展的，说明夯实基础知识仍是我国高中物理教学的重要目标。相较之下，虽然LLS教材探究活动围绕最多的内容也是物理知识与概念，但仍有近半数探究活动围绕其他内容开展。其二，两套教材围绕物理与生活开展的探究活动数量相当，占比相差不大，说明培养应用知识解决实际问题的能力是两国物理教学的共同目标。其三，人教版教材没有以物理学史为中心内容的探究活动，多通过正文或科学漫步栏目以编年史的形式专门介绍人类对某一问题的认识的发展历程以及科学家的生平与贡献，过程不涉及探究活动。而LLS版教材有6%的活动围绕物理学史开展。学习学科历史有助于让学生了解学科的发展，理解科学是有一定局限性的科学本质。其四，人教版教材围绕科学、技术与社会的联系开展的探究活动只有3%，少于LLS版教材的19%，原因是人教版教材围绕科学、技术与社会的联系开展的教学不限于探究活动，还会让学生通过阅读来了解科技进步和社会发展。LLS版教材注重通过探究活动加强学生将知识与科技、社会相联系的意识。其五，探究活动的组织方面，LLS版教材呈现出明显的、基于内容的、渐进式的结构，人教版教材的线性结构不具有这样的特点。具体如图2所示。

（二）科学探究活动呈现方式

教材设置了不同类型的栏目来指导学生进行活动，栏目是教材呈现活动的重要组织形式，是教材结构的重要支点。两套教材科学探究活动的栏目分布数量、占比如表3所示。在栏目安排上，人教版教材与探究活动相关的栏目有实验、演示、做一做、拓展学习、思考与讨论、课题探究和专题实验。LLS版教材与探究活动相关的栏目有实验型活动、探索型活动、其他工作和高考指导。人教版教材设置的栏目不仅功能指向清晰，而且拓展学习等选做活动有一定的弹性与机动性，较为灵活。LLS版教材根据不同主题知识内容设置的探索活动和实验型活动大多属于探究活动，在编写这两个栏目的活动时遵循“问题—设计方案—开展活动—总结”的流程，各环节清晰明了，学生可以根据提供的线索自主完成探究任务。

在信息符号方面，人教版教材在表述时，重视语言准确性和逻辑的紧密性，在句法上以祈使句为主。LLS版教材在表述时语言简明扼要，篇幅小，指导性强，便于学生感知重要信息，句式上偏重于使用疑问句。组织探究活动内容时，LLS版教材更偏重先探究后总结的归纳式，人教版教材更多地将探究活动置于概念或规律教学之后。

从图表数量上看，人教版教材有36个数据图表，平均每个探究活动有0.26个数据图表，少于LLS版教材的0.58个；人教版教材共有171张插图，略低于LLS版教材的184张，人教版教材平均每个探究活动有1.31张插图，少于LLS版教材的1.63张。两套教材均是示意图多于实物图，插图的功能侧重不同。人教版教材中装置功能的插图占比最大（32%），其余功能插图由多到少分别为：原理（22%）、过程（20%）、结果（18%）、器材（6%）、情境（2%）；LLS版教材中原理功能的插图最多（32%），其余功能插图由多到少分别为：情境（26%）、过程（17%）、器材（10%）、结果（8%）、装置（5%）、人物肖像（2%）。最大的差异在情境图和装置图上，人教版教材用于铺设情境的插图共4张，与LLS版教材的47张形成了鲜明对比；同样人教版有54张插图用于展示活动装置，远多于LLS版的10張。这说明人教版教材重视通过插图帮助学生认识并初步了解实验装置，让学生对活动器材的组装有更明确的认识，便于活动的开展；LLS版教材侧重对于探究情境的铺设，为学生提供感性认知材料，且其中85%的情境图是通过实际情境或实物照片呈现的，注重引导学生置身于贴近现实的探究情境。另外，人教版过程插图、结果插图多于LLS版教材，原理插图、器材插图少于LLS版教材。两套教材都较为注重通过插图帮助学生理解活动原理，较少通过插图直接展示探究结果，鼓励学生自主探究（见图3）。

（三）科学探究活动开展预设

基于不同的教学目标，科学探究活动有多种方式，包括实验、调查、制作、交流、数学方法等。人教版教材以实验探究为主，共107个（占比77%），对于一些需要通过较复杂的实验来探究学习的内容，还安排了专题实验探究；交流探究占比17%，位居其次，这与思考与讨论栏目有关；通过调查、制作和数学方法开展的活动较少。LLS版教材的探究活動也是以实验为主，共64个（占比57%）。占比由大到小的探究方法分别是：实验探究、数学方法、交流探究、调查探究和制作探究。力学模块的探究方式最为多样，有5种，热学和声学模块的各有3种，其余模块各有4种。 除此之外，LLS版教材的部分实验探究活动是以游戏或竞赛的方式开展的，这是人教版教材未采用的方式。具体如见图4所示。

为研究两套教材在探究水平上的差异，用LLS版教材各环节水平占比减去人教版教材对应环节水平的占比，可以得到两套教材在各环节探究水平比例分布的差异。为便于比较，用浅色表示LLS版教材该环节该水平比例更高，用深色表示人教版教材该环节该水平比例更高。在探究水平方面，人教版教材从提出问题到交流评价各环节在水平0和水平3上都比LLS版教材多，而在水平1和水平2上则平分秋色，因此总体而言两套教材没有明显的探究水平高低之差。以人教版教材及LLS版教材探究水平的频次数据为基础，对两套教材内部各环节之间的探究水平差异进行卡方检验，分析可知，两套教材内部各部分之间的探究水平存在显著差异（p<0.001），由此可知教材编写关注内容的探究性差异（见表4）。

综上所述，从探究活动内容来看，两套教材都主要基于物理知识与概念，同时注重物理与生活的紧密联系，与法国LLS版教材相比，我国人教版教材更注重物理基础知识教学。从探究活动的呈现来看，两套教材都在章节段首创设问题情境相关栏目，引发学生对接下来要学习的内容的思考，这样既可以培养科学探究中所要求的问题意识和提出问题的能力以及思维习惯，又可以使学生带着问题进行概念的建构和规律的探究。从开展活动的预设来看，人教版教材以实验探究为主，以交流探究为辅。与人教版教材相比，LLS版教材同样注重通过实验开展探究活动，但会更侧重数理方法探究活动。从探究活动的水平对比来看，两套教材的探究水平没有明显高低之分。

参考文献：

[1]National Research Council. National science education standards[M]. Washington， DC： National Academies Press， 1996：23.

[2]王晶莹. 中美理科教师对科学探究及其教学的认识[D].上海：华东师范大学，2009.

[3]LIANG S S. Analysis and research of middle school textbooks[M].大连：辽宁师范大学出版社，1997：13.

[4]李高峰，刘恩山.美国《国家科学教育标准》倡导的科学探究[J].教育科学，2009，25（5）：87-91.

[5]OECD. PISA assessing scientific， reading and mathematical literacy： a framework for PISA 2006[M].Paris：OECD，2006：8-44.

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[7]周仕东，郑长龙.STS问题解决中的科学探究与技术设计[J].课程·教材·教法，2005（5）：63-66，83.

[8][11]沈国强.中美高中物理教材科学探究内容的比较研究[D].苏州：苏州大学，2010.

[9]李贵香.高中化学教科书中实验呈现的评价研究[D].长春：东北师范大学，2008.

[10]周仕东，郑长龙，付立海.科学探究活动的类型、功能以及活动方式[J].化学教育，2005（4）：9-11.

[12]赵逸庶.高中物理科学探究活动实施现状研究[D].重庆：西南大学，2011.

[13]王金桃， 周利锋， 高尔生. 第六讲 卡方检验[J]. 实验动物与比较医学， 2000（4）：251-254.

Comparative Study of Scientific Inquiry Activities in Chinese

and French High School Physics Textbooks

WANG Zhen1   ZHAO Yuxi2   XIU Qianqian1   HOU Yingzhuo1   TIAN Xuewei3   WANG Jingying4

（1. School of Physics and Electronic Technology， Liaoning Normal University， Dalian 116029， China;

2. Dalian Nanjin Experimental School， Dalian 116100， China;

3. Normal College， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

4. Faculty of Education， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）

Abstract： Since the beginning of the 21st century， many countries around the world have initiated science curriculum reforms， and scientific inquiry as a core content has been written into the curriculum standards of many countries. The article selected the representative Chinese Peoples Education Edition and the French LLS edition high school physics textbooks as the objects of the study， comparing the design of scientific inquiry activities， and discussing the theme setting， presentation form， and pre-designed activities of scientific inquiry in the textbooks. Based on the existing research and taking into account the characteristics of the object， we determined the comparative dimensions and index system to deeply analyze the scientific inquiry activities in the two sets of textbooks and compared the textbooks in terms of the three dimensions of the positioning of the content of the inquiry activities， the way of presenting them， and the preconceived notions of carrying out the activities. The study found that in terms of the content of inquiry activities， the Chinese Peoples Education Edition textbook emphasizes more on basic knowledge; in terms of the presentation of activities， both sets of textbooks are able to guide students thinking and cultivate the ability of inquiry; in terms of the presetting of activities， both sets of textbooks focus on experimental inquiry， but each has its own emphasis on the allocation of other activities. The results of this study are expected to provide references for the compilation of textbooks， in-depth discussion， and practice of scientific inquiry.

Keywords： High school physics textbooks; Scientific inquiry; Comparison of textbooks; Inquiry activities

編辑 朱婷婷   校对 吕伊雯