高中物理新教材科學(xué)探究?jī)?nèi)容的實(shí)證研究及教學(xué)建議

肖白云 郭桂周 辛文逸

摘要：對(duì)人教版高中物理新教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容從分冊(cè)分布、欄目分布、知識(shí)領(lǐng)域分布、開放水平四個(gè)維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并應(yīng)用《科學(xué)探究任務(wù)評(píng)估表》進(jìn)行微觀分析。據(jù)此，提出一些建議：高中物理教師應(yīng)當(dāng)整合資源，為學(xué)生呈現(xiàn)全面、多樣化的科學(xué)探究?jī)?nèi)容;在日常教學(xué)中加強(qiáng)科學(xué)探究理解教育;同時(shí)，提升自身對(duì)科學(xué)探究及科學(xué)本質(zhì)的理解。

關(guān)鍵詞：高中物理新教材;科學(xué)探究;實(shí)證研究

科學(xué)探究是理科教學(xué)的重要方式，同時(shí)又是理科課程的重要目標(biāo)，即使學(xué)生通過科學(xué)探究活動(dòng)養(yǎng)成科學(xué)思維、塑造科學(xué)探究能力。在我國(guó)此輪課程改革中，科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要維度，是物理課程設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。物理教材作為最核心的課程資源，作為課程改革理念的貫徹者，究竟呈現(xiàn)了什么樣的科學(xué)探究?jī)?nèi)容？在此基礎(chǔ)上，物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)如何展開？為了對(duì)這些問題作出回應(yīng)，我們以2019年審定的人教版高中物理教材（以下簡(jiǎn)稱“新教材”）為樣本，對(duì)其中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容進(jìn)行了實(shí)證研究，并嘗試提出高中物理教學(xué)的一些建議。

一、科學(xué)探究的定義與核心要素

為了研究科學(xué)探究，首先需要確定哪些內(nèi)容屬于科學(xué)探究，即明確科學(xué)探究的定義與核心要素。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)以及國(guó)內(nèi)外理科諸學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)的梳理，我們這樣界定科學(xué)探究——個(gè)體通過自主地調(diào)查和研究來認(rèn)識(shí)和解釋自然的活動(dòng)。

參考鄭長(zhǎng)龍、李雁冰等學(xué)者的觀點(diǎn)，我們認(rèn)為，科學(xué)探究的核心要素包括“問題”“尋求證據(jù)”和“解釋”。其中，問題是科學(xué)探究的起點(diǎn)，科學(xué)探究是面向問題的，沒有問題就沒有探究;通過探究，最終為問題尋找答案，提供解釋;而解釋需要證據(jù)，科學(xué)探究的過程實(shí)際上就是一個(gè)為解釋尋求可靠證據(jù)的過程。

二、新教材中科學(xué)探究?jī)?nèi)容的宏觀研究

新教材“整體上以探究的方式展開”，“科學(xué)探究體現(xiàn)在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中”，“沒有設(shè)置單獨(dú)的‘探究欄目’”。為了研究的可操作性，我們聚焦新教材中具體的科學(xué)探究活動(dòng)。根據(jù)上述對(duì)科學(xué)探究及其核心要素的界定，我們對(duì)教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容進(jìn)行掃描、分析、確認(rèn)與統(tǒng)計(jì)。雖然新教材每一節(jié)的開始都設(shè)置了一個(gè)情境性問題（即《問題》欄目），但是由于只有問題，并沒有指出需要教師帶領(lǐng)學(xué)生探究，并且也沒有呈現(xiàn)任何其他的探究要素，因此我們暫將之排除在外。同時(shí)，教材中的演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和測(cè)量性實(shí)驗(yàn)等并沒有明顯體現(xiàn)科學(xué)探究的特征，因此也不計(jì)入科學(xué)探究的范疇。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)確認(rèn)，新教材中的科學(xué)探究共24個(gè)（詳見表1）。為了保證統(tǒng)計(jì)的信度與效度，減小誤差，該過程由兩位研究者同時(shí)分別完成。

下面，我們分維度開展統(tǒng)計(jì)分析。

（一）科學(xué)探究?jī)?nèi)容在不同分冊(cè)的分布

24個(gè)科學(xué)探究中，隸屬必修一分冊(cè)的最多，有8個(gè);必修二和必修三分冊(cè)次之，各有4個(gè);選擇性必修一和選擇性必修二分冊(cè)各有3個(gè);選擇性必修三分冊(cè)最少，只有2個(gè)?？梢钥闯觯茖W(xué)探究?jī)?nèi)容在不同分冊(cè)的分布呈現(xiàn)這樣一些特征：（1）每一分冊(cè)中均有科學(xué)探究?jī)?nèi)容，有利于在整個(gè)高中階段持續(xù)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng);（2）必修一分冊(cè)中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容最多，隨著學(xué)習(xí)的深入，新教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容數(shù)量呈下降的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)?，必修部分主要涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，比較貼近生活，容易設(shè)計(jì)與開展科學(xué)探究活動(dòng);而選擇性必修部分的一些內(nèi)容涉及微觀層面，不太適合設(shè)計(jì)與開展科學(xué)探究活動(dòng)。

（二）科學(xué)探究?jī)?nèi)容在不同欄目的分布

新教材除了正文以外，還設(shè)計(jì)了《問題》《實(shí)驗(yàn)》《課題研究》《演示》《做一做》等11個(gè)欄目。我們對(duì)教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容所在的欄目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)：《實(shí)驗(yàn)》欄目中，科學(xué)探究最多，共有11個(gè)，占總數(shù)的45.8%;其次是《課題研究》欄目，共有6個(gè);正文中共有5個(gè);《演示》與《做一做》欄目中各有1個(gè);其他欄目中沒有編排。如前所述，《問題》欄目中的問題沒有被歸為科學(xué)探究?jī)?nèi)容。而有些欄目，如《科學(xué)方法》《STSE》和《科學(xué)漫步》，確實(shí)很難設(shè)計(jì)科學(xué)探究活動(dòng)。

（三）科學(xué)探究?jī)?nèi)容在不同知識(shí)領(lǐng)域的分布

對(duì)科學(xué)探究?jī)?nèi)容在不同知識(shí)領(lǐng)域的統(tǒng)計(jì)分析表明，“力與運(yùn)動(dòng)”領(lǐng)域涉及的科學(xué)探究最多，達(dá)15個(gè)之多;其次是“電磁學(xué)”領(lǐng)域，有7個(gè);“熱學(xué)”領(lǐng)域有2個(gè);“光學(xué)”和“原子與量子物理”領(lǐng)域沒有設(shè)計(jì)科學(xué)探究?jī)?nèi)容?！傲εc運(yùn)動(dòng)”“電磁學(xué)”領(lǐng)域知識(shí)大多屬于比較經(jīng)典的宏觀物理學(xué)，學(xué)生比較容易展開科學(xué)探究;而“原子與量子物理”領(lǐng)域知識(shí)比較微觀，不適合設(shè)計(jì)科學(xué)探究。但是，“熱學(xué)”和“光學(xué)”領(lǐng)域的科學(xué)探究?jī)?nèi)容明顯偏少，尤其是光學(xué)，實(shí)際上有較多相關(guān)的科學(xué)探究?jī)?nèi)容可以挖掘。

（四）科學(xué)探究?jī)?nèi)容的開放水平

根據(jù)Aldahmash等人的相關(guān)研究，我們將科學(xué)探究的開放水平分為四個(gè)層次，分別為：水平1——完全以教師為中心;水平2——適度以教師為中心;水平3——適度以學(xué)生為中心;水平4——完全以學(xué)生為中心。

統(tǒng)計(jì)表明：教材中“適度以學(xué)生為中心”的科學(xué)探究最多，有11個(gè);其次是“完全以教師為中心”，有9個(gè);再次是“適度以教師為中心”，有4個(gè);沒有“完全以學(xué)生為中心”的科學(xué)探究。需要肯定的是，新教材中“適度以教師為中心”和“適度以學(xué)生為中心”的科學(xué)探究達(dá)到了15個(gè)，并且“適度以學(xué)生為中心”的科學(xué)探究比較多，可以說，新教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容開放性較好。但我們認(rèn)為，新教材（尤其是在選擇性必修分冊(cè)）完全可以設(shè)置一兩個(gè)“完全以學(xué)生為中心”的科學(xué)探究，以充分彰顯學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)水平。

三、新教材中科學(xué)探究?jī)?nèi)容的微觀分析

我們選用的分析工具是北京師范大學(xué)楊文源、劉恩山等開發(fā)的教材《科學(xué)探究任務(wù)評(píng)估表》（如下頁表2所示）。該評(píng)估表經(jīng)過檢驗(yàn)，具有比較強(qiáng)的信度與效度。該評(píng)估表共分為三個(gè)一級(jí)維度，每個(gè)一級(jí)維度又分為若干二級(jí)維度。研究者只需要根據(jù)內(nèi)容作出“是”或“否”的判斷，最后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具有比較強(qiáng)的可操作性。

我們將新教材中的每一個(gè)科學(xué)探究按照表2中的維度分別進(jìn)行歸類、計(jì)數(shù)，最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。

由此，我們可以得出如下結(jié)論：

1.新教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容除《課題研究》欄目中的以外，其核心概念均與新教材中的教學(xué)內(nèi)容直接相關(guān)，因此科學(xué)探究?jī)?nèi)容所涉及的科學(xué)概念與教材相關(guān)內(nèi)容目標(biāo)一致，并且理解這些核心概念有助于理解所在章節(jié)的核心思想。由于《課題研究》欄目是獨(dú)立的研究主題，因此其設(shè)計(jì)的核心概念與教材相關(guān)內(nèi)容目標(biāo)存在不一致性也是合理的。

2.新教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容應(yīng)用到的比較多的探究技能包括“觀察”“推理”“測(cè)量”“控制變量”和“解釋數(shù)據(jù)”，“操作性定義”和“形成假設(shè)”也占有一定的比重。而“交流”“分類”“預(yù)測(cè)”“提出問題”和“建立模型”等技能涉及較少。

3.新教材中科學(xué)探究?jī)?nèi)容的文本所呈現(xiàn)的對(duì)科學(xué)探究理解的內(nèi)容總體上不多，并且大多是以隱性的形式呈現(xiàn)的。其中，絕大多數(shù)科學(xué)探究?jī)?nèi)容僅呈現(xiàn)了探究問題或者主題，并沒有提出相應(yīng)的假設(shè)——其潛臺(tái)詞是“檢驗(yàn)一個(gè)假設(shè)并不是必要的”。新教材中的所有科學(xué)探究都是圍繞問題展開的。如“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”活動(dòng)，圍繞“彈簧彈力與形變量存在什么關(guān)系？”以及“如何測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)？”兩個(gè)問題展開。并且，新教材中的許多科學(xué)探究并沒有限定一種探究方案，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)探究方案，也可以參考教材中的探究方案。很多時(shí)候，新教材會(huì)給學(xué)生提供兩個(gè)參考案例。如“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”活動(dòng)，就提供了“用阻力補(bǔ)償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”和“通過位移之比測(cè)量加速度之比”兩種參考方案。

4.科學(xué)解釋需要科學(xué)數(shù)據(jù)，但是僅僅有數(shù)據(jù)是不夠的，還需要其他的支持，如理論、推理等。這些在教材中有一定程度的體現(xiàn)。如在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”活動(dòng)之后，新教材并沒有直接給出牛頓第二定律的內(nèi)容和公式，而是指出“到此為止，我們的結(jié)論仍然帶有猜想和推斷的性質(zhì)。只有根據(jù)這些結(jié)論推導(dǎo)出的新結(jié)果都與事實(shí)一致時(shí)，這樣的結(jié)論才能成為‘定律’”。

5.新教材缺少對(duì)“應(yīng)用相同程序的科學(xué)家有可能得不到相同的結(jié)果”“探究過程可能會(huì)影響結(jié)果”這兩個(gè)對(duì)科學(xué)探究的理解要素的體現(xiàn)。

四、相關(guān)教學(xué)建議

以上，我們分析了人教版新教材中科學(xué)探究?jī)?nèi)容的情況。據(jù)此，我們認(rèn)為，為了更好地應(yīng)用新教材培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力與對(duì)科學(xué)探究的理解，教師可以采取以下幾個(gè)方面的措施：

（一）補(bǔ)充資源，呈現(xiàn)全面、多樣化的科學(xué)探究?jī)?nèi)容

任何版本的教材都有其特色、優(yōu)點(diǎn)與不足，教師為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)的最優(yōu)化，需要在教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中以課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，整合多方面的資源，對(duì)當(dāng)前使用教材中的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)充、創(chuàng)新等，可資利用與借鑒的資源包括國(guó)內(nèi)其他版本的高中物理教材、國(guó)外的優(yōu)秀教材以及國(guó)內(nèi)外的優(yōu)秀科學(xué)探究教學(xué)案例等。教師既可以在整合資源的基礎(chǔ)上根據(jù)教學(xué)需要對(duì)新教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，如科學(xué)探究中的問題提出、研究假設(shè)、模型建構(gòu)、交流匯報(bào)等;也可以根據(jù)相關(guān)創(chuàng)新教學(xué)資源（包括教學(xué)論文、教學(xué)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新教學(xué)視頻等）對(duì)新教材中的科學(xué)探究?jī)?nèi)容進(jìn)行二次開發(fā)、重新設(shè)計(jì)。

例如，針對(duì)新教材中“光學(xué)”和“熱學(xué)”領(lǐng)域的科學(xué)探究?jī)?nèi)容較少的情況，教師可以借鑒魯科版高中物理教材“熱學(xué)”部分編排的“科學(xué)探究：氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”一節(jié)內(nèi)容，以及粵教版高中物理教材“光學(xué)”部分編排的“測(cè)定介質(zhì)的折射率”的探究性實(shí)驗(yàn)。

（二）加強(qiáng)科學(xué)探究理解教育

在核心素養(yǎng)的理念下，高中物理教學(xué)不僅需要進(jìn)一步推進(jìn)科學(xué)探究，更需要加強(qiáng)科學(xué)探究理解的教學(xué)，即不僅注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，而且注重促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的認(rèn)識(shí)與理解。只有這樣，才能全面提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。如魯科版高中物理教材就在科學(xué)探究?jī)?nèi)容之外設(shè)計(jì)了相關(guān)欄目，以提升學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解。

此外，高中物理教師還需要提升自身對(duì)科學(xué)探究及科學(xué)本質(zhì)的理解。已有調(diào)查表明，我國(guó)中學(xué)物理教師對(duì)科學(xué)探究和科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)與理解還相對(duì)不足，制約了科學(xué)探究教學(xué)活動(dòng)的開展。并且，從現(xiàn)實(shí)來看，即使教師能夠開展科學(xué)探究教學(xué)，對(duì)科學(xué)探究理解教學(xué)的意識(shí)和能力也存在明顯不足。因此，教師需要通過職后培訓(xùn)與主動(dòng)學(xué)習(xí)，提升對(duì)科學(xué)探究與科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)與理解。教師只有自身具備了對(duì)科學(xué)探究的深刻理解，才能夠在物理教學(xué)中提升學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭長(zhǎng)龍.關(guān)于科學(xué)探究教學(xué)若干問題的思考[J].化學(xué)教育，2006（8）.

[2] 李雁冰.科學(xué)探究、科學(xué)素養(yǎng)與科學(xué)教育[J].全球教育展望，2008（12）.

[3] A.H. Aldahmash， N.S. Mansour， S.M. Alshamrani， et al. An Analysis of Activities in Saudi Arabian Middle School Science Textbooks and Workbooks for the Inclusion of Essential Features of Inquiry[J].Research in Science Education， 2016（6）.

[4] Yang Wenyuan， Liu Enshan. Development and validation of an instrument for evaluating inquirybased tasks in science textbooks[J].International Journal of Science Education， 2016（18）.