高中物理新教材的科學(xué)本質(zhì)觀及教學(xué)啟示

周東葉，鄧 磊

西南大學(xué)科學(xué)教育中心，重慶 400715

1 前言

科學(xué)本質(zhì)（Nature of Science）是“科學(xué)的特性”，李德曼（Lederman）、赫里克（Khalick）等學(xué)者認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)認(rèn)識論，是科學(xué)知識固有的價(jià)值觀和假設(shè)。科學(xué)本質(zhì)在科學(xué)教育中占有重要地位，美國、英國等西方國家將科學(xué)本質(zhì)寫入教育綱領(lǐng)性文件，我國在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標(biāo)）中明確指出，“科學(xué)的本質(zhì)”是“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的要素之一。

同時(shí)，教材是學(xué)科知識和教育理念的關(guān)鍵載體，是科學(xué)本質(zhì)的重要載體，也是教師設(shè)計(jì)課堂教學(xué)的重要參考。為此，本研究選取2019年人民教育出版社、山東科學(xué)技術(shù)出版社出版的高中物理必修第三冊教材（以下分別簡稱新人教版、新魯科版）為研究對象，采用內(nèi)容分析法對以新課標(biāo)為編寫依據(jù)的新教材進(jìn)行分析，了解新教材的科學(xué)本質(zhì)觀，最后得到教學(xué)啟示，以便教師充分利用新教材組織教學(xué)活動。

2 分析框架

依據(jù)赫里克(Khalick)建立的科學(xué)本質(zhì)分析框架，參考已有研究對該框架進(jìn)行修訂，使之更契合我國物理學(xué)科的特性，修訂后的框架包括9個(gè)維度，每個(gè)維度被劃分為4個(gè)水平。

科學(xué)本質(zhì)包括9個(gè)維度：“實(shí)證性”“推論性”“創(chuàng)造性”“理論的負(fù)載性”“暫定性”“科學(xué)方法的不唯一性”“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”“社群性”“社會文化的嵌入性”。

每個(gè)維度劃分為4個(gè)水平，由“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”和“呈現(xiàn)方式”的組合構(gòu)成。其中，“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”包括“理性”與“質(zhì)樸”兩個(gè)層次，“呈現(xiàn)方式”包括“顯性”與“隱性”兩個(gè)層次，由這四個(gè)層次組合而成理性顯性型、理性隱性型、質(zhì)樸隱性型、質(zhì)樸顯性型4個(gè)由高到低的水平，依次對應(yīng)分值“+2”“+1”“-1”“-2”，如圖1所示。

圖1 科學(xué)本質(zhì)的水平

3 高中物理新教材中科學(xué)本質(zhì)觀的分析與比較

3.1 科學(xué)本質(zhì)的維度及水平分析

（1）“實(shí)證性”維度與水平

“實(shí)證性”的識別包括兩個(gè)要素：①實(shí)驗(yàn)是科學(xué)規(guī)律的主要來源；②實(shí)驗(yàn)也是科學(xué)規(guī)律的重要支撐。實(shí)驗(yàn)包括科學(xué)史上的實(shí)驗(yàn)、課堂上的演示實(shí)驗(yàn)和探究/驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)等。

“實(shí)證性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，肯定實(shí)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展過程中的重要性是“實(shí)證性”的“理性”呈現(xiàn)，而將實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)知識的唯一來源則是“質(zhì)樸”；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“證實(shí)/證明”“實(shí)驗(yàn)表明/得出結(jié)論”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“實(shí)證性”的分析示例如表1所示。

表1 兩版新教材中“實(shí)證性”原文摘錄[11-12]與分析

（2）“推論性”維度與水平

“推論性”的識別包括兩個(gè)要素：①從可觀察量推測物理量的性質(zhì)，如“根據(jù)電場所表現(xiàn)出的性質(zhì)來認(rèn)識它、研究它”；②從已知的科學(xué)定律中推導(dǎo)出新的規(guī)律，如“普朗克提出了量子假說，并從理論上推導(dǎo)出了普朗克輻射定律”。

“推論性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，肯定推論在科學(xué)發(fā)展過程中的作用并明確區(qū)分“觀察量/已知量”和“推論量”是“推論性”的“理性”呈現(xiàn)，認(rèn)為科學(xué)是現(xiàn)實(shí)的復(fù)刻（眼見即為實(shí)）或否定推論則為“質(zhì)樸”；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“根據(jù)/觀察 xx 推測 xx”“xx（現(xiàn)象）反映了 xx”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“推論性”的分析示例如表2所示。

表2 兩版新教材中“推論性”原文摘錄[11-12]與分析

（3）“創(chuàng)造性”維度與水平

“創(chuàng)造性”的識別包括兩個(gè)要素：①介紹科學(xué)史上科學(xué)家的突破性工作，如新的科學(xué)規(guī)律被提出或證明、新技術(shù)的出現(xiàn)；②介紹科學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的重要地位，突出科學(xué)家的創(chuàng)造力。

“創(chuàng)造性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，肯定科學(xué)家的創(chuàng)造力、想象力在科學(xué)發(fā)展過程中的重要性是“創(chuàng)造性”的“理性”呈現(xiàn)，認(rèn)為科學(xué)研究不需要創(chuàng)造力和想象力則為“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“創(chuàng)造/發(fā)明”“首次發(fā)現(xiàn)/提出 xx（規(guī)律）”“重大突破”“xx 重要地位”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“創(chuàng)造性”的分析示例如表3所示。

表3 兩版新教材中“創(chuàng)造性”原文摘錄[11-12]與分析

（4）“理論的負(fù)載性”維度與水平

“理論的負(fù)載性”的識別要素為“認(rèn)知觀念對科學(xué)研究帶來的影響”，其中描述知識經(jīng)驗(yàn)的影響最多，而影響既可以促進(jìn)科學(xué)研究，也會使研究走進(jìn)誤區(qū)。

“理論的負(fù)載性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，科學(xué)研究不是完全客觀的、會受認(rèn)知觀念影響是“理論的負(fù)載性”的“理性”呈現(xiàn)，否定認(rèn)知觀念帶來的影響則是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“受到xx理論的影響/啟示”“基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)”“xxx科學(xué)家堅(jiān)信……”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“理論的負(fù)載性”的分析示例如表4所示。

表4 兩版新教材中“理論的負(fù)載性”原文摘錄[11-12]與分析

（5）“暫定性”維度與水平

“暫定性”的識別包括兩個(gè)要素：①科學(xué)規(guī)律是非真理的，都只是暫時(shí)成立，會被推翻或修訂，如描述“超距作用”“以太介質(zhì)”等觀點(diǎn)被摒棄的歷史；②科學(xué)規(guī)律的使用存在局限性，即科學(xué)規(guī)律只在一定條件下成立，如“用經(jīng)典的電磁理論解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律時(shí)遇到了嚴(yán)重困難”。

“暫定性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，科學(xué)上的一切都會隨著新的證據(jù)的出現(xiàn)而改變是“理性”呈現(xiàn)，將科學(xué)知識奉為“真理”是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“推翻”“修改”“局限性”“真理”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“暫定性”的分析示例如表5所示。

表5 兩版新教材中“暫定性”原文摘錄[11-12]與分析

（6）“科學(xué)方法的不唯一性”維度與水平

“科學(xué)方法的不唯一性”的識別包括兩個(gè)要素：①科學(xué)方法的使用具有條件，科學(xué)方法只在特定條件下能夠使用，研究過程中要根據(jù)實(shí)際選擇合適的研究方法；②多種解決問題的科學(xué)方法。

“科學(xué)方法的不唯一性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，不存在程序性的、通用的科學(xué)方法是“理性”呈現(xiàn)，認(rèn)為科學(xué)方法是精確的、程序化的則為“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“根據(jù)實(shí)際/條件變化，xx方法不適用”“xx不是唯一方法”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“科學(xué)方法的不唯一性”的分析示例如表6所示。

表6 兩版新教材中“科學(xué)方法的不唯一性”原文摘錄[11-12]與分析

（7）“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”維度與水平

“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”的識別包括兩個(gè)要素：①用科學(xué)規(guī)律對自然現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述和解釋，如“金屬的微觀結(jié)構(gòu)模型可以解釋靜電感應(yīng)現(xiàn)象”；②部分科學(xué)規(guī)律對觀察實(shí)體有預(yù)測作用，如“電磁理論預(yù)測了電磁波的觀測”。

“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，“科學(xué)規(guī)律（定律、理論等）沒有等級關(guān)系”是“理性”呈現(xiàn)，“科學(xué)規(guī)律存在等級之分，理論被驗(yàn)證后才能成為定律”是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“xx規(guī)律解釋/描述/預(yù)測xx現(xiàn)象”“xx規(guī)律指引了xx領(lǐng)域的研究方向”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”的分析示例如表7所示。

表7 兩版新教材中“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”原文摘錄[11-12]與分析

（8）“社群性”維度與水平

“社群性”的識別包括兩個(gè)要素：①科學(xué)協(xié)商過程，如研究成果公開、同行評審確?？陀^性；②科學(xué)協(xié)商結(jié)果，如物理學(xué)中的規(guī)定、國際單位制等。

“社群性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，科學(xué)的發(fā)展需要眾多科學(xué)家的共同努力是“理性”呈現(xiàn)，科學(xué)發(fā)展只得益于個(gè)別科學(xué)家的創(chuàng)造性工作是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“科學(xué)協(xié)商促進(jìn)科學(xué)發(fā)展”“協(xié)商減小主觀因素影響”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“社群性”的分析示例如表8所示。

表8 兩版新教材中“社群性”原文摘錄[11-12]與分析

（9）“社會文化的嵌入性”維度與水平

“社會文化的嵌入性”的識別包括兩個(gè)要素：①社會、文化對科學(xué)產(chǎn)生的影響，如國家的政策對學(xué)術(shù)界研究方向有導(dǎo)向作用；②科學(xué)對社會、文化產(chǎn)生的影響，如科學(xué)轉(zhuǎn)化為技術(shù)進(jìn)而影響社會、文化。

“社會文化的嵌入性”的水平判斷：①判斷“呈現(xiàn)準(zhǔn)確性”，肯定科學(xué)和社會、文化間存在相互影響是“理性”呈現(xiàn)，否定相互作用的存在是“質(zhì)樸”呈現(xiàn)；②判斷“呈現(xiàn)方式”，出現(xiàn)“……時(shí)代的到來”“推動社會、文化進(jìn)步”等關(guān)鍵詞為“顯性”呈現(xiàn)，沒有出現(xiàn)關(guān)鍵詞為“隱性”。

“社會文化的嵌入性”的分析示例如表9所示。

表9 兩版新教材中“社會文化的嵌入性”原文摘錄[11-12]與分析

3.2 兩版教材的科學(xué)本質(zhì)觀比較

科學(xué)本質(zhì)各個(gè)維度的得分和頻次反映了教材的科學(xué)本質(zhì)觀，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表10所示。新人教版的科學(xué)本質(zhì)總分為314；新魯科版的科學(xué)本質(zhì)總分為331。對兩版教材中科學(xué)本質(zhì)的維度得分進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示兩版教材總體上不存在差異（P=0.627＞0.05）。

表10 新人教版、新魯科版必修第三冊教材中科學(xué)本質(zhì)呈現(xiàn)水平的頻次及分值

（1）科學(xué)本質(zhì)的維度比較

新人教版中，“實(shí)證性”“推論性”得分非常顯著地高于其他維度（P值分別為0.006、0.002，均小于 0.01），其中“實(shí)證性”得分最高；“暫定性”得分最低且非常顯著地低于其他維度（P=0.007＜0.01），“科學(xué)方法的不唯一性”得分也顯著地低于其他維度（P=0.017＜0.05）。

新魯科版中，“實(shí)證性”“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”得分非常顯著地高于其他維度（P值分別為0.001、0.003，均小于 0.01），其中“實(shí)證性”得分最高；“理論的負(fù)載性”“暫定性”“社群性”得分顯著地低于其他維度（P 值分別為 0.033、0.012、0.022，均小于0.05），其中“暫定性”得分最低。

科學(xué)本質(zhì)覆蓋全面但不均衡。兩版教材呈現(xiàn)最多的維度是“實(shí)證性”，呈現(xiàn)最少的維度是“暫定性”。并且，兩版教材都存在呈現(xiàn)較好的維度，如新人教版的“推論性”、新魯科版的“科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)”；也存在呈現(xiàn)相對不足的維度，如新人教版的“科學(xué)方法的不唯一性”、新魯科版的“理論的負(fù)載性”和“社群性”。由此說明，兩版教材都比較關(guān)注確定的科學(xué)知識，而對科學(xué)知識的發(fā)展歷史介紹得較少。

（2）科學(xué)本質(zhì)的水平比較

新人教版中，質(zhì)樸顯性型（水平1）只在“暫定性”維度的呈現(xiàn)中出現(xiàn)；質(zhì)樸隱性型（水平2）在“推論性”維度的呈現(xiàn)中出現(xiàn)1次；理性隱性型（水平3）在9個(gè)維度共出現(xiàn)113次，是出現(xiàn)頻次最多的水平；理性顯性型（水平4）在除“社群性”外8個(gè)維度共出現(xiàn)102次。

新魯科版中，未發(fā)現(xiàn)處于質(zhì)樸顯性型（水平1）的維度；質(zhì)樸隱性型（水平 2）在“推論性”維度的呈現(xiàn)中出現(xiàn)1次；理性隱性型（水平3）在9個(gè)維度共出現(xiàn)152次，是出現(xiàn)頻次最多的水平；理性顯性型（水平4）在除“社群性”外8個(gè)維度共出現(xiàn)90次。

科學(xué)本質(zhì)的呈現(xiàn)水平集中于理性隱性型（水平3）。兩版教材中科學(xué)本質(zhì)的表述絕大部分是理性的，并且以“隱性”的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。說明教材的科學(xué)本質(zhì)觀幾乎都是正確的，但大部分都是隱含在文段中，因此教材的科學(xué)本質(zhì)觀需進(jìn)一步挖掘。

4 啟示

依據(jù)新人教版、新魯科版的科學(xué)本質(zhì)觀比較結(jié)果，得出開展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的啟示。

4.1 科學(xué)本質(zhì)的維度均衡性教學(xué)

組織科學(xué)本質(zhì)教學(xué)，需要教師對科學(xué)本質(zhì)的各個(gè)維度有充分理解，對教學(xué)內(nèi)容與維度間的關(guān)聯(lián)性有清晰的把握，如教授“理論的負(fù)載性”，有助于學(xué)生進(jìn)行類比學(xué)習(xí)、類比推理等活動，促進(jìn)物理知識間的關(guān)聯(lián)記憶，其次通過了解科學(xué)家研究過程中的觀念局限，也有利于幫助學(xué)生破除前概念的影響，深入理解科學(xué)知識。此外，教師發(fā)現(xiàn)教材章節(jié)中某些維度缺失或者呈現(xiàn)不足時(shí)，可以借鑒其他版本教材。

4.2 實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的“理性顯性型”教學(xué)

在教學(xué)過程中，教師需要修正教材中科學(xué)本質(zhì)的“質(zhì)樸”陳述，挖掘教材的設(shè)計(jì)意圖，再進(jìn)行合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，傳遞“理性”的科學(xué)本質(zhì)。如新人教版中關(guān)于“暫定性”的“質(zhì)樸”表述中，將“電磁理論”稱作“真理”，旨在凸顯出麥克斯韋的“創(chuàng)造性”，通過具體介紹麥克斯韋的突破性工作和電磁理論的重要地位也可以達(dá)到教材意圖。其次，在已有研究中已經(jīng)證明，用“顯性”方式進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)時(shí)，能有效幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。因此，教師可以整合兩版教材中與科學(xué)本質(zhì)相關(guān)的內(nèi)容，同時(shí)將教材中“隱性”科學(xué)本質(zhì)觀轉(zhuǎn)化為“顯性”，在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的顯性化教學(xué)。