新中国科技成就融入高中物理教材的特征分析与教学建议

杜明荣 魏靖尧

(河南大学物理与电子学院,河南开封 475004)

1 研究背景

中国共产党第二十次全国代表大会会议报告指出,教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑.[1]必须坚持教育优先发展、教育自立自强、人才引领驱动,深化教育领域综合改革,推进科教融汇,弘扬文化自信,渗透科学精神.新中国成立70多年来,科技事业蓬勃发展,科技成就层出不穷,科技整体能力持续提升.我国在高能物理、原子能技术、航空航天等与物理学相关的诸多领域取得的科技成就,不仅是广大科技工作者奋斗的结晶,更是综合国力的重要体现因素.科技的创新发展离不开人才的支撑,习近平总书记强调:“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼,要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置.没有全民科学素质普遍提高,就难以建立起宏大的高素质创新大军,难以实现科技成果快速转化.”[2]

学校是青少年科学素质培养的主阵地.中学物理课程是自然科学领域一门以实验为基础的课程,高中物理教材作为直接的课程资源承载着普及科技成就、传承科学事业、激发科学思维的根本任务.《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》指出:物理教材应注重时代性,及时反映物理学对社会及科技发展的重要作用,教材编写应充分利用科技馆、博物馆以及科普类图书、科普视频等资源,注意介绍学科技术研究的最新进展.[3]与课程标准相对应的高中物理教材作为“立德树人”理念的载体,[4]是否集中反映了新中国成立以来科学技术研究的最新进展,科技成就元素的位置分布、呈现方式、价值取向等有什么特点.为回答这些问题,本研究构建了包含4个主要维度、15个次级维度的分析框架,对我国目前正在使用的5种版本高中物理新教材(人教版、沪科版、粤教版、鲁科版、教科版)包含的科技成就元素进行统计分析,探讨5版教材中科技成就元素的分布特点,并尝试为科技成就融入物理课堂提出教学建议.

2 研究设计

2.1 分析维度设计

教材编制是对于人类现有知识材料的加工过程,它涉及材料的选择、组织和表达3个连续的阶段.[5]在此基础上,已有教材研究的分析框架主要包含教材目标和材料内容选择、组织、呈现与表达等维度.后有学者指出已有教材研究缺少明确文化分析视角,提出以数量、内容、呈现方式、表现手法、编写意图为主的分析框架.[6]本研究在对5版教材中科技成就元素进行初步考察后,借鉴已有研究的教材分析框架,考虑到新中国科技成就的特殊育人取向,初步确定了本研究的分析维度.邀请两位研究者依据构建的分析维度对部分教材的科技成就元素单独进行编码.参考两位研究者的编码结果,结合两位研究者的建议对选项进一步界定和说明.最终确定了位置分布(A)、呈现方式(B)、关联程度(C)、教学功能(D)、价值取向(E)5个主分析维度以及18个次级分析维度.

位置分布(A):根据在教材中的呈现位置,可以将科技成就元素分为贯穿性正文(A1)、背景性正文(A2)、阅读性专栏(A3)、例题与习题(A4)、注解与边框(A5).贯穿性正文指出现在正文,格式上多于一段且内容上连续出现科技成就;背景性正文指在正文中出现,一句话带过不展开具体介绍;阅读性专栏指用特殊模块呈现的特色栏目或选学内容,如粤教版的“资料活页”、人教版的“科学漫步”、鲁科版的“科学书屋”等;注解与边框指在教材底边或侧边出现的科学成就内容的注释、图片等.

呈现方式(B):文字和非文字的符号是教材呈现教学内容的两种形式,文字(B1)是教材内容的主要呈现形式,图片(B2)、图文(B3)等非文字符号是教材内容的视觉呈现形式.

关联程度(C):根据与基础物理知识的关联程度,可以将科技成就分为密切联系(C1)、关联性较高(C2)、关联性较低(C3).密切联系指需从科技成就情境中提取信息解答问题或利用科技成就引出知识点;关联性较高表现为对物理知识相关的新中国科技成就进行补充;关联性较低指科技成就元素有脱离基础知识倾向,内容对中学生来说较为复杂难懂.

教学功能(D):教学功能是指教学基本结构的属性和效应的外在表现,教材的教学功能,只有将其与具体对象结合才能形成相应理解.[7]结合5版高中物理教材科技成就元素的特点,将其教学功能分为激发学习兴趣(D1)、辅助问题解决(D2)、丰富教学内容(D3).

价值取向(E):新中国成立以来获得的科技成就不胜枚举,其原始的研究过程亦蕴含独特的育人价值.基于此,本研究将教材中科技成就元素的价值取向分为常识取向(E1)、知识取向(E2)、文化取向(E3)、爱国教育取向(E4),其中文化取向指叙述过程不关注具体物理知识,而在于展示科学精神或科学品质.

2.2 编码原则说明

为确保分析结果的客观性和可操作性,以粤教版必修1第1章第1节呈现于“资料活页”的“‘天宫二号’上的冷原子钟”(见图1)为例,对编码原则进行说明.

图1 粤教版必修1第1章第1节“资料活页”部分图例

A.本处科技成就是教材中用特殊字体表示的选学内容或特有小栏目,属于阅读性专栏(A3);B.栏目中对于冷原子钟的介绍既包括文字描述又包括图片示例(B3);C.“‘天宫二号’上的冷原子钟”位于“质点参考系时间”一节,可应用于提高导航定位系统的精确性,从物理知识相关性来说,关联度较低(C3);D.该栏目内容与本章节重点知识关系不大,仅用于补充常识、丰富教材内容(D3);E.栏目中对于“空间冷原子钟”成功随“天宫二号”空间实验室进入太空的时间点及其研究过程均有介绍,同时体现着常识取向(E1)、文化取向(E3)和爱国教育取向(E4).

3 研究结果

本研究利用设计好的分析框架对5版高中物理必修教材进行编码,采用独立分析与综合讨论的方式,邀请参与设计分析框架的两名研究者进行独立编码,对比编码结果,对意见不一的结果进行讨论并进一步确定.最终得到5版高中物理必修教材中科技成就元素的编码统计结果(见表1).人教版必修教材的科技成就元素共出现17次,沪科版共出现39次,粤教版共出现40次,鲁科版共出现24次,教科版共出现25次.其中人教版必修教材中科技成就元素出现次数最少,但相关文字描述较多,因此字数百分比大于粤教版,其余几版教材科技成就出现次数与描述科技成就的大体字数成正比.

表1 高中物理必修教材科技成就元素编码统计结果

3.1 凸显科技成就元素,分布灵活

从科技成就元素的位置分布来看,人教版主要呈现在例题习题中以及“科学漫步”“STSE”等阅读性专栏中;沪科版主要呈现在例题与习题中,其次是背景性正文;粤教版主要呈现在习题与例题以及“资料活页”栏目中,对科技成就的研究过程及应用介绍较为详细;鲁科版主要呈现在例题与习题中,作为问题情境,其次是“科学书屋”“物理聊吧”等阅读性专栏中,正文中的科技成就元素一句话带过的情况较少,一般有一到两段的文字介绍;教科版中科技成就元素主要分布在例题与习题中,其次是注解与边框,表现为在侧边出现,无相关文字介绍.从科技成就的呈现方式来看,5版高中物理必修教材的科技成就呈现方式均以图文为主;其次是仅以文字呈现,这种情况大多出现于例题和习题中.

科技成就元素呈现方式和位置分布的恰当选择,能够使学生易于感知科技成就元素与物理知识结构的联系.5版教材中科技成就元素位置分布各有特点,多以图文形式呈现.在正文与非正文(绪论、章节页、例题与习题)部分均有分布,较多呈现于非正文中,且5版高中物理必修教材均有特殊阅读性栏目用于补充基础物理知识相关的新中国科技成就,拓宽学生视野的同时,能够有效引导学生关注物理在当代社会生产实践和科学技术中的应用.[8]整体上看高中物理教材的科技成就元素明显,位置分布十分灵活.

3.2 紧密联系物理知识,承上启下

从科技成就与章节知识的关联程度及其教学功能来看,人教版的科技成就出现次数最少,但与章节知识密切相关,多用于引出新知和问题解决;其次是沪科版,科技成就多用于常识普及,丰富教学内容,与基础物理知识关联性较高;粤教版中科技成就元素最多,阅读性较高,除了在各个教材中都出现过的“天宫二号”“北斗卫星导航系统”“C919飞机”外,还对“中国科学院微重力塔”“中国引力实验中心”“和谐N3型高原机车”等有详细介绍,素材较为丰富新颖,表现为对物理知识相关的科技成就进行科普展示,关联性较高.鲁科版的科技成就素材多作为问题情境,需从与科技成就相关的问题情境中提取信息解决问题,与基础物理知识密切相关.教科版的分布特点与鲁科版相似,且与物理知识关联性较低的科技成就素材仅占4%,在5版教材中占比最低.

关联程度和教学功能在一定程度上可反映教材融入科技成就的深度,同时反映着科技成就素材与学生认知发展的适切度.5版高中物理必修教材的科技成就内容均与基础物理知识关联性较高,较少存在科技成就普及与物理知识学习“各自为政”的情况.科技成就的位置分布与其教学功能紧密相关,整体上看,5版物理教材的科技成就集中分布在章节页、阅读性专栏以及例题与习题中,在教材中多数用于引出新知、总结性科普以及知识的巩固应用,具有承上启下的作用.

3.3 注重多元育人价值,功能多样

从科技成就的价值取向来看,5版高中物理教材在该维度上的分布具有一致性.科技成就均以常识取向为主,帮助学生了解在什么时间达成了什么样的科技成就,表现为对与基础知识相关的科技成就进行科普展示.其次是知识取向,为引出知识或加深理解,帮助学生深化物理概念.再次是爱国教育取向,表现为介绍科技成就时带有“自主研发”“国际地位”相关字样.文化取向的科技成就占比较少,其中粤教版的“资料活页”栏目中对科技成就的研究过程介绍得较为详细,体现着我国科学研究人员迎难而上的科学精神与品质,较多次体现文化取向,但从整体来看,相关素材中具有文化取向的科技成就占比仍较低.

可见,5版高中物理必修教材的科技成就素材均以常识科普为主,加深知识理解为辅.知识取向和爱国教育取向的科技成就较多体现了教材编者重视科技成就内容与基础物理知识的关联程度以及新中国科技成就的特殊育人价值.文化取向的科技成就较少可能是由于教材字数和篇幅的限制.整体上看,高中物理教材重视中国科技成就的多元育人价值,在表述和分布上有助于学生从科技成就的角度理解科学的本质,在这一过程中培养其爱国情怀和创新精神.

4 教学建议

4.1 基于物理教材,融入科技成就

教材中的科技成就素材是诸多教育专家和优秀教师依据学生的认知发展规律,结合课程标准要求编写的,凝结着我国优秀的学科教学思想.基于物理教材融入科技成就,一方面指教师应深耕教材中的科技成就资源,转化知识体系,将其润物细无声地融入物理课堂.为此,教师应充分考虑教材中科技成就素材的教学功能和价值取向并寻找恰切的教学切入点,选择恰当的教学媒介或方式将科技成就巧妙地融入物理知识的讲解中,通过讲解科技成就巩固物理知识,帮助学生形成正确的物理观念;通过讲解科技成就的形成过程培养学生的科学思维,使学生掌握科学探究的方法;通过展示科技成就对人类发展的意义培养学生的科学态度和社会责任,从而实现科技成就的育人价值.

另一方面指教师基于物理知识本身挖掘、筛选、淬炼教材以外的科技成就资源并恰切地融入物理课堂.例如“2022年7月27日12时12分,由中国科学院力学研究所研制的‘力箭一号’(ZK-1A)运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射”.[9]这一科技成就素材可以与牛顿运动定律、能量转换、物态变化等物理知识结合起来,一方面以火箭发射涉及的物理知识完善学生知识体系,深化相关概念;另一方面可以弥补教材作为稳定教学媒介难以及时且全面地反映物理学在科技领域的成就的缺憾.[10]素材挖掘的过程需要多部门的参与、支持和配合,整合教材以外适用于学科教学的科技成就资源,教师再秉持融入的教学实施理念,依据课程目标和教材内容自主遴选、聚焦反映社会发展的科技成就资源,在课堂教学中有机融入,系统展开.

4.2 借助技术手段,丰富文化取向

科学的进步给人类社会带来了巨大的变革,但人们一直以来关注的焦点是科学知识而不是创造知识的人.文化转向后的科学哲学对此进行了反思和批判,指出不仅要关注创造知识的人,还要关注他们是怎样创造知识的,揭示科技成就创造背后的文化背景和根源,关注科技成就创造过程中研究主体进行的思维活动、运用的科学方法及他们具有的科学精神、表现的道德.[10]我国的科学教育一直被诟病过于重视知识的传授,忽视科学精神与思维方法的培养.解决这一问题,就需要在教学实践层面对新中国科技成就体现的科学价值观、科学发展观,尤其科学家形象的塑造予以回应.[6]物理作为科学的重要分支,应被看作一种文化活动过程.从高中物理教材的新中国科技成就元素来看,尤其粤教版教材在我国科学研究人员形象的塑造方面,已经通过描绘科学研究过程做了一些尝试,但篇幅次数仍相对有限,学生在阅读教材的过程中,很难感受到新中国科技成就的生动力量,最终难以养成完整的科学素养.为此,教师应搜集整合相关资源,认清学生的经验基础和心理逻辑,为学生合理搭建教材静态文本和学生动态心理之间的脚手架.

例如人教版必修2“宇宙航行”一节关于“我国第一颗人造地球卫星‘东方红1号’发射成功”的科技成就素材,教师将这一素材融入课堂教学不仅可以将其与人造卫星运行的向心加速度、角速度、线速度等物理知识联系起来,还可以借助信息技术手段,直观展示科学研究过程,揭开东方红1号发射成功背后“中国航天之父”——钱学森的“航行梦”,引导他们亲近研究主体,认同教材文本隐含的科学意义,使科技成就内容与科学价值观、科学家形象形成协同建构,促使学生形成正确的科学发展观和科学本质观,培养其科学态度与责任.

4.3 提供学习建议,促进意义建构

教材是学生学习系统知识的主要资料也是教师备课的主要依据.高中物理教材对科技成就元素的呈现大多未指明文本解读的方式,这给了教师灵活的教学空间.教师在课堂上融入科技成就时应与特定思维方法联系在一起,从比较、归纳、过程性体验等多维视角为学生提供活动指导,注意创造问题情境,展开讨论,引导学生从个人和社会的角度理解新中国科技成就,[6]提高学生对新中国科技成就及其研究过程的感悟能力.通过融入新中国科技成就使民族自豪感和国家认同感以润物无声、潜移默化的方式渗透进学生的内心.

例如可将教材中长篇幅的科技成就素材转化为问题情境,引导学生在科技成就的问题情境中利用相关物理知识进行问题解决,或是通过引导学生挖掘科技成就研究过程中的思维方法再迁移应用,充分发挥教材正文中贯穿性科技成就资源的教学价值.又如发布小组合作任务,对分布于阅读性专栏、注解与边框的科技成就素材提出课后学习建议,使学生充分利用科技馆、博物馆以及科普类图书、科普视频等社会资源挖掘教材中科技成就素材背后的故事并进行展示汇报.依托教材对科技成就的内容表达展开整体教学规划,引导学生基于物理知识对相关科技成就进行意义建构,使教材中新中国科技成就的教育价值逐步得以落实.