中美物理教材中科學(xué)本質(zhì)的表征比較研究——以“動量守恒定律”為例

張 玲 黃致新

（華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

幫助學(xué)生發(fā)展對科學(xué)本質(zhì)（Natural of science，簡稱NOS）的認(rèn)識，越來越成為全球科學(xué)教育改革的關(guān)注點，［1］我國《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年）中也將其寫進(jìn)“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的核心內(nèi)容.教科書作為重要的課程資源，是課程理念落于教學(xué)實踐的橋梁，其涉及科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容表征影響著教師和學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識.基于此，本文對中美高中物理教科書進(jìn)行比較研究，分析各自科學(xué)本質(zhì)表征的特點和差異，期望對改進(jìn)我國高中物理教材編寫有所幫助.

1 研究設(shè)計

1.1 研究對象

筆者選擇了美國高中主流物理教材《物理原理與問題》（Physics Principles and Problems，2005版）的中譯版（簡稱“美國版”）與我國人民教育出版社2019年出版的高中物理教材（簡稱“人教版”）為研究對象.以人教版選擇性必修“動量守恒定律”這一章節(jié)的內(nèi)容，及與此對應(yīng)的美國版中的第九章“動量與動量守恒”進(jìn)行比較.需要說明，美國版將角動量守恒的內(nèi)容也歸于“動量與動量守恒”，本研究中不予討論.

研究對象主要包括序言、正文和欄目.序言指教材中章節(jié)的引入部分.正文指以文字或圖片形式呈現(xiàn)在教材的正文部分內(nèi)容.欄目指在教科書中以非基本教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)的，目的在于拓展學(xué)生視野和能力的部分，如人教版中的“科學(xué)漫步”、“STSE”；美國版“未來技術(shù)”、“物理學(xué)前沿”、“起步實驗”和“迷你實驗”等，由于序言和欄目不是基本教學(xué)內(nèi)容，所以將這兩部分歸類為非正文部分.

1.2 研究工具

本研究以Khalick［2］等新近修訂的科學(xué)本質(zhì)分析框架作為研究工具，該框架包含“實證性”、“觀察與推論的區(qū)別”、“科學(xué)理論的本質(zhì)”、“暫定性”等10個維度建立在理論和實踐的基礎(chǔ)上，已成功用于分析跨度40年的科學(xué)教科書，具有很好的結(jié)構(gòu)效度與一致性.表1呈現(xiàn)了本研究所應(yīng)用的科學(xué)本質(zhì)分析框架以及各維度的操作性定義.限于篇幅僅展現(xiàn)其中的幾個維度分析，完整框架可參見 Khalick的研究.［2］

表1 科學(xué)本質(zhì)各維度內(nèi)涵、操作性定義和對應(yīng)的表征示例

續(xù)表

1.3 研究方法

采用文本分析法對中美教科書中科學(xué)本質(zhì)表征進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的比較分析.

以1個完整表述/事例為1個分析單位，如：提及1個新發(fā)明即計為1次創(chuàng)造性，以此類推.需要注意的是，操作性定義中提到的關(guān)鍵詞如“證實”“創(chuàng)造”等，實際分析過程中需考慮其在語境中的真正含義.

1.4 評分信度分析

為保證統(tǒng)計結(jié)果的可靠性和一致性，三位研究者分別獨立分析“動量守恒定律”內(nèi)容，并將其所屬的科學(xué)本質(zhì)維度進(jìn)行歸類和頻次統(tǒng)計.統(tǒng)計結(jié)果利用SPSS進(jìn)行計算，三位分析者的一致性系數(shù)為0.875，表明三位分析者的統(tǒng)計結(jié)果具有良好的內(nèi)部一致性.

2 結(jié)果與討論

根據(jù)分析統(tǒng)計，中美高中物理教科書中關(guān)于動量與動量守恒內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)在總體呈現(xiàn)情況如表2所示.基于此結(jié)果的具體分析如下.

表2 兩版教科書科學(xué)本質(zhì)各表征維度頻次

續(xù)表

2.1 表征維度覆蓋面對比

人教版教材的內(nèi)容涵蓋了科學(xué)本質(zhì)的9個維度，缺少了“科學(xué)理論的本質(zhì)”，而美國版教材的內(nèi)容僅體現(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)的60%，缺少“暫定性”、“理論負(fù)載性”和“科學(xué)知識建構(gòu)的社群性”、“科學(xué)理論的本質(zhì)”，可見人教版教材表征維度更廣，并且兩版本都缺少“科學(xué)理論的本質(zhì)”.具體的，在“暫定性”維度，人教版強(qiáng)調(diào)了動量守恒定律與牛頓運(yùn)動定律相比適用范圍更廣，提到了牛頓運(yùn)動定律的局限性；在“理論負(fù)載性”維度，提到歷史上用來度量運(yùn)動強(qiáng)弱的物理量有mv、與mv2的兩種觀點；在“科學(xué)知識建構(gòu)的社群性”維度，介紹了經(jīng)過半個世紀(jì)關(guān)于度量運(yùn)動強(qiáng)弱物理量的爭論，最終經(jīng)由法國科學(xué)家達(dá)蘭貝爾研究指出，雙方實際是從不同的角度量度運(yùn)動.值得一提的是，美國版缺少的維度大多在人教版的非正文部分出現(xiàn)，顯示了兩種教材對于科學(xué)本質(zhì)都強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識本體的傳達(dá)，而人教版在此之余還通過非正文部分的介紹，關(guān)注科學(xué)的發(fā)展過程，拓展學(xué)生視野，教材編排更立體.

2.2 各維度頻次對比

人教版教科書中科學(xué)本質(zhì)的表征總量多于美國版.并且兩版本教材科學(xué)本質(zhì)各維度的分布均有側(cè)重的現(xiàn)象.其中“科學(xué)定律的本質(zhì)”作為書本化知識而成為核心；而“實證性”、“科學(xué)中社會與文化的嵌入性”、“觀察與推測的區(qū)別”這3個維度都受到了重視，反映、傳達(dá)了科學(xué)與實踐和邏輯思辨的緊密關(guān)系；至于“創(chuàng)造性”、“暫定性”和“科學(xué)知識建構(gòu)的社群性”則占比較少，“科學(xué)理論的本質(zhì)”缺失.

橫向分析各維度頻次分布可發(fā)現(xiàn)：兩版本教材中，“科學(xué)定律的本質(zhì)”維度作為嚴(yán)肅敘述出現(xiàn)在正文部分，而其它維度則常見通俗化表達(dá)于非正文處，且涉及猜想或驗證性的內(nèi)容出現(xiàn)篇幅大于書本化知識表述的部分，體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)講授和探究式物理教學(xué)思想的結(jié)合.

2.3 特定知識點科學(xué)本質(zhì)維度呈現(xiàn)比較

為了呈現(xiàn)中美兩國引入不同知識點時科學(xué)本質(zhì)的表征特點與偏好，筆者將兩版本中動量、動量守恒定律的文本對比進(jìn)行展示，結(jié)果見表3.研究發(fā)現(xiàn)，在引入“動量”這一知識點時，兩版本都顯示了科學(xué)本質(zhì)的“觀察與推測的區(qū)別”維度：人教版采用從實驗描述中引入“動量”；美國版從動量守恒定律的理論化介紹中引入.因此人教版教材側(cè)重于實證性維度而美國版教材偏向于科學(xué)定律的本質(zhì)維度.在引入“動量守恒定律”知識點時，兩版教材都從動量定理與牛頓第三定律著手，引入動量守恒定律.但不同的是，美國版教材以生活中的擊打棒球為切入點，引導(dǎo)學(xué)生觀察思考這一現(xiàn)象，再展開推導(dǎo)動量守恒定律，體現(xiàn)了“觀察與推測的區(qū)別”；而中國版教材選擇已經(jīng)模型化的圖像為起點，因此相較美國版缺少了該維度.

表3 動量及動量守恒定律文本分析

3 總結(jié)及建議

通過比較分析中美教材科學(xué)本質(zhì)表征的差異，對改進(jìn)我國高中物理教材的編寫、促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)教育的發(fā)展提出以下建議.

3.1 層次化科學(xué)本質(zhì)教育的編排

包括知識點呈現(xiàn)的層次化和語言結(jié)構(gòu)的層次化2個方面：第一，人教版教材科學(xué)本質(zhì)表征維度涵蓋面廣，但各維度的展開順序還需改進(jìn)，例如直接通過尋找碰撞時的不變量引入動量的概念，對于剛剛結(jié)束牛頓運(yùn)動定律學(xué)習(xí)的學(xué)生而言認(rèn)知上有跳躍；第二，教材語言結(jié)構(gòu)在表征科學(xué)本質(zhì)時以隱形化為主，例如“觀察與推測的區(qū)別”維度對學(xué)生引導(dǎo)不足，在設(shè)計探究碰撞中動量守恒的實驗一節(jié)，很快就給出了動量之和不變的“猜想”.已有研究證明科學(xué)本質(zhì)顯性表達(dá)更能增加學(xué)生的理解，隱性表達(dá)會使學(xué)生缺乏基于科學(xué)本質(zhì)框架反思其科學(xué)活動的結(jié)構(gòu)化機(jī)會，［3］這反映需要進(jìn)一步優(yōu)化教材語言結(jié)構(gòu)，以顯形呈現(xiàn)為主，使學(xué)生循序漸進(jìn)理解科學(xué)本質(zhì).可行的建議是：適當(dāng)減少諸如“證實”、“實驗說明”、“事實表明”等用詞.多一些推理式、啟發(fā)式的表達(dá)，例如“觀察”、“猜測”等.通過文本話語表達(dá)的改變來潛移默化影響學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解.

3.2 加強(qiáng)科學(xué)本質(zhì)教育的建設(shè)

物理教學(xué)在傳授知識的同時也承擔(dān)著培養(yǎng)公民科學(xué)素養(yǎng)的功能.在這個意義上，高中物理教學(xué)不但是銜接更高一級專業(yè)化知識學(xué)習(xí)的橋梁，更是一種通識化的教育，需要傳遞現(xiàn)代科學(xué)的懷疑、形式邏輯的理性思維.具體到教材編寫上，就對引入新概念的實驗或假想實驗提出了課堂可操作性的要求，強(qiáng)調(diào)“實證性”、“觀察與推論”的維度內(nèi)涵.同時，促進(jìn)教師對科學(xué)本質(zhì)教育的理解，拓展課堂互動性和探究性，讓現(xiàn)象、假設(shè)、實驗、驗證、批判這樣的科學(xué)思維鍛煉過程出現(xiàn)在課堂中.

3.3 開展各表征維度對科學(xué)本質(zhì)教育影響的研究

中美教材引入特定知識點時各維度出現(xiàn)的頻次存在差異，開展這種差異帶來的教育差別的研究，并在此基礎(chǔ)上，合理布局各維度出現(xiàn)頻次.就本次中美教材對比而言，美國版教材習(xí)慣從生活現(xiàn)象或邏輯推理出發(fā)引入新概念，避免抽象化的實驗，這或許值得借鑒.另外，“創(chuàng)造性”、“暫定性”和“科學(xué)知識建構(gòu)的社群性”維度出現(xiàn)較少，而它們本身表征的是科學(xué)理論循環(huán)往復(fù)發(fā)展的客觀過程，可適當(dāng)增加.