中英高中物理教科書STSE教育內(nèi)容主題的分析與比較

侯新杰 丁 歡 周 睿

（1.河南師范大學物理學院，河南 新鄉(xiāng) 453007；2.河南師范大學附屬中學，河南 新鄉(xiāng) 453002）

STSE（即Science，Technology，Society，Environment的縮寫）教育強調(diào)科學、技術(shù)、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，關(guān)注科技進步、社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的相互影響.美國、英國、加拿大的科學課程標準都強調(diào)在科學教育中進行STSE教育的重要性，對STSE教育內(nèi)容提出了要求.［1－3］

我國教育部制定的《普通高中物理課程標準（2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）課程基本理念提出要“注重課程的時代性，關(guān)注科技進步和社會發(fā)展需求”，強調(diào)“高中物理課程在內(nèi)容上注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當代科學技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學思想，同時關(guān)注物理學的技術(shù)應(yīng)用帶來的社會問題，培養(yǎng)學生的社會參與意識和社會責任感”.《課程標準》闡述了物理學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，指出物理學科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個方面.《課程標準》制定的高中物理課程目標是“高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進一步促進學生物理學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展”.課程目標的“科學態(tài)度與責任”維度明確要求學生“能正確認識科學的本質(zhì)”“認識科學·技術(shù)·社會·環(huán)境的關(guān)系”.［4］

STSE教育既是“科學態(tài)度與責任”素養(yǎng)的重要內(nèi)容，也是物理觀念、科學思維、科學探究等物理學科核心素養(yǎng)落實的橋梁.STSE教育重視跨學科的知識整合、真實情境問題的解決、多樣化的教學方法，有利于培養(yǎng)學生解決實際問題能力、邏輯推理能力、科學探究能力、科學態(tài)度與社會責任感.［5］STSE教育為培養(yǎng)學生“從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題”“基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論質(zhì)疑和批判”“基于觀察和實驗提出物理問題”“在認識科學本質(zhì)，認識科學·技術(shù)·社會·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范，保護環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責任感”等物理學科核心素養(yǎng)提供了有效途徑和方法.［5］因此，在高中物理課程中進行STSE教育是極其必要的.

物理教科書作為教學內(nèi)容的重要載體，是教師和學生在物理學科中進行STSE教育的重要工具.我國2019年出版的人教版高中物理教科書中STSE教育內(nèi)容主題體現(xiàn)情況如何？與國外教科書相比有什么異同？針對這些問題，本文對我國和英國高中物理教科書中STSE教育內(nèi)容的主題進行統(tǒng)計分析，找出兩版教科書中STSE教育內(nèi)容主題體現(xiàn)情況的特色與不足，為高中物理教科書的編寫提供參考.

1 研究設(shè)計

1.1 研究對象

我國教科書選取的是2019年人教版高中物理教科書（必修1- 3，選擇性必修1- 3）.［6］該書是我國高中最廣泛使用的物理教科書，依據(jù)最新出版的普通高中物理課程標準所編寫，共6冊.英國教科書選取的是由英國劍橋大學出版社2020年出版的第3版A-Level物理教科書——《Physics for Cambridge International AS＆ A Level Coursebook》，共1冊.［7］該教科書也是我國諸多國際學校廣泛使用的A-Level物理課程教科書.

1.2 研究方法

本文主要采用內(nèi)容分析法，利用開發(fā)的STSE教育內(nèi)容主題分析量表對兩版教科書中STSE教育內(nèi)容的主題進行統(tǒng)計分析和比較.

1.3 研究工具

國內(nèi)外學者在文獻中關(guān)于STSE教育內(nèi)容主題的分類有很多.牙茹夢認為STSE教育內(nèi)容主要包括物理學與科學進步、物理學與技術(shù)發(fā)展、物理學與社會生活、物理學與生態(tài)環(huán)境4個部分，并進一步將其劃分為科學進步、物理學前沿、物理原理、技術(shù)應(yīng)用、日常生活、社會發(fā)展、環(huán)境問題7個主題.［8］滕艷萍借鑒國外文獻中STSE教育內(nèi)容主題的分類，從科學與技術(shù)事件及其社會情境、科學與技術(shù)的相互影響、作為問題解決方式的科學與技術(shù)、科學與技術(shù)的風險和影響、爭議問題、決策過程等6個主要維度出發(fā)分析了教科書中的STSE教育內(nèi)容.［9］邵夢迎認為STSE教育內(nèi)容可以分為物理學史與科學本質(zhì)、物理學與技術(shù)、物理學與社會生活、物理學與環(huán)境4個主題，并給出了具體的二級指標.［10］

依據(jù)STSE教育的內(nèi)涵及國內(nèi)學者對STSE教育內(nèi)容主題的分類，筆者以邵夢迎提出的STSE教育內(nèi)容主題分類指標為框架，建立了高中物理教科書中STSE教育內(nèi)容主題的分析工具，將STSE教育內(nèi)容分為4個一級主題，14個二級主題，具體劃分如表1所示.

表1 STSE教育內(nèi)容主題分析量表

續(xù)表

1.4 研究工具的信度檢驗

由筆者擔任主評分員D，并邀請2名課程與教學論（物理）專業(yè)研究生Y和L作為助理評分員.經(jīng)過相關(guān)內(nèi)容的訓練與預(yù)分析后，3位評分員利用上述量表對隨機抽樣的兩版教科書中的各兩章內(nèi)容進行獨立的歸類分析.3人相互同意度如表2所示.

表2 不同評分員間的相互同意度

經(jīng)計算，該研究工具信度為0.905，高于0.8，且信度較高，說明研究結(jié)果是可靠可信的.

2 兩版教科書中STSE教育內(nèi)容主題的統(tǒng)計和分析

2.1 統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)STSE教育內(nèi)容主題分析量表，對中英高中物理教科書中STSE教育內(nèi)容主題進行分類統(tǒng)計，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 兩版教科書中STSE教育內(nèi)容主題數(shù)量統(tǒng)計表

續(xù)表

2.2 兩版教科書中STSE教育內(nèi)容主題的分析與比較

（1）兩版教科書都關(guān)注物理學史，對科學本質(zhì)主題體現(xiàn)較少.

人教版教科書對物理學史與科學本質(zhì)主題的體現(xiàn)明顯多于英國教科書.兩版教科書均對物理學的發(fā)展主題體現(xiàn)較多，分布比例都在50%左右，其次是物理學家，對科學本質(zhì)內(nèi)容體現(xiàn)較少，且都沒有用專欄呈現(xiàn)科學本質(zhì)主題內(nèi)容.人教版教科書對于物理學的發(fā)展和物理學家主題的呈現(xiàn)比例都高于英國教科書，較多地展現(xiàn)了力與運動、電磁部分的物理學發(fā)展或者物理學家具體事跡；對科學本質(zhì)主題的呈現(xiàn)比例低于英國教科書，大多數(shù)科學本質(zhì)的內(nèi)容都出現(xiàn)在力與運動模塊.可見，人教版教科書較注重物理學家、物理學進展等物理學史方面的內(nèi)容，傾向于將科學本質(zhì)隱含于物理學史以及物理學發(fā)展的描述中，對科學本質(zhì)主題內(nèi)容的顯化較少.

（2）兩版教科書都重視技術(shù)原理和技術(shù)應(yīng)用，人教版教科書對技術(shù)評價與選擇體現(xiàn)不足.

通過數(shù)據(jù)可知，人教版教科書涉及物理學與技術(shù)主題的STSE教育內(nèi)容多于英國教科書.兩版教科書均對物理學相關(guān)的技術(shù)知識體現(xiàn)較多，呈現(xiàn)比例超過60%，且絕大多數(shù)都是對技術(shù)原理的描述，有利于學生體會科學知識在技術(shù)中的重要作用.如：“避雷針原理”“微波爐加熱原理”“三級火箭技術(shù)”“汽車避免碰撞的設(shè)計原理”“解釋離心機是如何工作的”“CT掃描儀的原理”等.人教版教科書對物理學相關(guān)的技術(shù)知識、技術(shù)操作、科學與技術(shù)關(guān)系的體現(xiàn)多于英國教科書，對技術(shù)設(shè)計與評價的體現(xiàn)少于英國教科書.在技術(shù)設(shè)計與評價的相關(guān)內(nèi)容中，人教版教科書較多展現(xiàn)了技術(shù)設(shè)計內(nèi)容，如“設(shè)想在家里、學校和生活的社區(qū)，什么地方應(yīng)該安裝傳感器？”而英國教科書中大多是技術(shù)的評價與選擇，如思考各種發(fā)電機優(yōu)缺點，說明如何選擇發(fā)電機；建議一種或多種可用于檢查大腦的掃描技術(shù).

可見，英國教科書較重視讓學生多了解各種技術(shù)的優(yōu)缺點，能夠在生活中選擇合適的技術(shù)和技術(shù)產(chǎn)品，而人教版教科書較重視如何將物理知識應(yīng)用于技術(shù)，但是有關(guān)技術(shù)設(shè)計與評價的內(nèi)容較少，還需增加其數(shù)量.

（3）兩版教科書都注意突出物理學知識在生活中的應(yīng)用，英國教科書較關(guān)注科技對人們生活的影響.

總體來看，人教版教科書對于物理學與社會生活主題的呈現(xiàn)數(shù)量多于英國教科書.從二級主題來看，兩版教科書都對物理學知識在生活中的應(yīng)用體現(xiàn)較多，人教版教科書對其體現(xiàn)比例明顯高于英國教科書，且多以提問形式呈現(xiàn)，讓學生自己用物理知識解釋生活現(xiàn)象，如解釋荷葉上的露珠呈扁平球形的現(xiàn)象、解釋系安全帶的規(guī)定的原因.人教版教科書對物理學技術(shù)的應(yīng)用、科技對人們生活的影響體現(xiàn)比例稍低于英國教科書，對于科技與社會發(fā)展的關(guān)系的體現(xiàn)比例高于英國教科書.其中，人教版教科書在描述科技對社會發(fā)展的影響時，多以STSE欄目形式呈現(xiàn)，從科學技術(shù)發(fā)展和歷史事件等視角關(guān)注科學技術(shù)與社會發(fā)展的相互影響，如“交通工具與社會發(fā)展”“鄭和下西洋的影響”等.

英國教科書選取的內(nèi)容更傾向于科技在人們生活中的應(yīng)用，注重科技對人們生活水平的提高.人教版教科書選取的內(nèi)容有意識地從社會角度培養(yǎng)學生理解科技與社會的關(guān)系，形成社會責任感，但是在討論社會問題時，缺少了讓學生自己進行思考、討論，發(fā)表自己看法的環(huán)節(jié)，往往直接給出了“最優(yōu)解”，會影響學生思辨能力的培養(yǎng).

（4）人教版教科書比英國教科書較注重呈現(xiàn)物理學與環(huán)境的相互影響.

人教版教科書對物理學與環(huán)境主題的體現(xiàn)數(shù)量明顯多于英國教科書，各二級主題的體現(xiàn)比例也均高于英國.人教版教科書的STSE教育內(nèi)容涵蓋了環(huán)境污染、資源危機與能源開發(fā)、環(huán)境意識等3個主題，包含能源危機、能源的開發(fā)與利用、能源與社會發(fā)展、新的能源安全觀、汽車和能源、能源和輻射、放射性物質(zhì)造成的環(huán)境污染等內(nèi)容.英國教科書中體現(xiàn)物理學與環(huán)境主題的內(nèi)容較少，只有2處，分別是第22章導入中的“隨著5G在各國的鋪開，這將對當?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生什么影響？”和第29章導入中關(guān)于“太陽的作用及產(chǎn)生能量的方式”的內(nèi)容，主要涉及環(huán)境污染、資源危機與能源開發(fā)這兩個主題，沒有涉及環(huán)境意識的內(nèi)容.可以發(fā)現(xiàn)，人教版教科書比英國較重視呈現(xiàn)環(huán)境保護、能源合理開發(fā)等內(nèi)容.

2.3 兩版教科書STSE教育內(nèi)容主題的總體分析與比較

人教版教科書中體現(xiàn)STSE教育的內(nèi)容共有304處，英國版教科書中體現(xiàn)STSE教育的內(nèi)容共計232處.兩版教科書都注重對不同主題STSE教育內(nèi)容的滲透，人教版教科書中STSE教育內(nèi)容的總體數(shù)量和各一級主題數(shù)量均比英國教科書多.

中英教科書對STSE教育內(nèi)容主題的體現(xiàn)整體分布較一致，對物理學與技術(shù)主題的滲透比例都較高，占比分別為39.80%和43.10%，都以技術(shù)原理和應(yīng)用知識為重心；其次是對物理學與社會生活主題的滲透，比例稍低于物理學與技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的體現(xiàn)，分別為32.24%和39.22%.兩版教科書都注意選取社會熱點問題，聯(lián)系物理學知識與社會生活，具體的側(cè)重稍有不同.可以發(fā)現(xiàn)兩版教科書都注重以技術(shù)和生活為切入點，對科學與技術(shù)之間的關(guān)系、科學與社會之間的關(guān)系進行討論.兩版教科書對物理學史與科學本質(zhì)主題的體現(xiàn)比例均稍低，側(cè)重展現(xiàn)物理學史.兩版教科書對于物理學與環(huán)境主題的滲透均較少，分布比例分別為5.92%和0.86%.人教版教科書中物理學與環(huán)境主題內(nèi)容體現(xiàn)較全面，且數(shù)量較多，但相比于其他主題，兩版教科書中有關(guān)物理學與環(huán)境的內(nèi)容數(shù)量依然偏少，都還需增加.

3 對改進我國高中物理教科書編寫的建議

3.1 增加顯化科學本質(zhì)主題內(nèi)容的欄目

正確理解科學本質(zhì)一直被公認為是學生科學素養(yǎng)的重要方面.我國最新版高中物理課程標準中也提到要認識科學本質(zhì)，但是通過對人教版教科書中STSE教育內(nèi)容主題的分析，發(fā)現(xiàn)教科書對科學本質(zhì)主題的體現(xiàn)比例不高，大多數(shù)都是隱含在關(guān)于物理學史的表述中，很難讓學生直接明白科學本質(zhì)的內(nèi)涵.科學本質(zhì)在物理教科書中的體現(xiàn)程度直接影響著物理教師的科學本質(zhì)教學策略和學生對科學本質(zhì)的理解，而包含多樣化的欄目是我國高中物理教科書的一大特色，因此建議教科書在包含物理學史的章節(jié)中增加科學本質(zhì)欄目，將具體的科學本質(zhì)內(nèi)涵顯化出來.例如，在教科書必修第1冊第2章第4節(jié)“自由落體運動”的科學漫步欄目講述“伽利略對自由落體運動的研究”后，增設(shè)科學本質(zhì)欄目，顯化上述欄目內(nèi)容體現(xiàn)的科學本質(zhì)特點：① 科學探究運用多種方法，伽利略運用實驗和邏輯推理（包括數(shù)學演算）相結(jié)合的方法進行自由落體運動的探究；② 科學知識是以經(jīng)驗證據(jù)為基礎(chǔ)的，伽利略想辦法用實驗來探究自己的猜想，做了上百次實驗，由實驗結(jié)果進行合理外推確定了自由落體運動的規(guī)律；③ 科學知識可以接受新證據(jù)的修正，伽利略研究結(jié)果對亞里士多德結(jié)論的修正.

3.2 重視技術(shù)評價與選擇類內(nèi)容的呈現(xiàn)

在STSE教育中，技術(shù)是聯(lián)系科學和社會的重要橋梁，許多科學知識都是依靠人們的智慧與才能轉(zhuǎn)化為具體的技術(shù)裝置，從而應(yīng)用到生活中各個方面.我國高中物理課程標準也在多處規(guī)定教科書要體現(xiàn)技術(shù)進步的新成果，引導學生關(guān)注航天、電磁、激光等技術(shù)的應(yīng)用和對社會造成的影響.通過以上對我國人教版教科書的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)教科書中共有121處介紹了物理學與技術(shù)主題內(nèi)容，其中物理學相關(guān)的技術(shù)知識、技術(shù)操作、技術(shù)設(shè)計與評價、科學與技術(shù)關(guān)系占物理學與技術(shù)主題內(nèi)容總體數(shù)量的比例分別是61.98%、14.05%、13.22%、10.74%，注重對技術(shù)原理的體現(xiàn)，但是技術(shù)設(shè)計與評價的內(nèi)容少于英國教科書，且在技術(shù)設(shè)計與評價部分多為技術(shù)設(shè)計內(nèi)容.要更好地培養(yǎng)學生的技術(shù)素養(yǎng)，應(yīng)多在教科書中增加體現(xiàn)技術(shù)評價、技術(shù)選擇的內(nèi)容.既可以直接在習題中設(shè)置對某些技術(shù)的評價與選擇，如“說明光纖通信的優(yōu)點與缺點”“假如你的朋友頭部受傷，選擇哪種醫(yī)學影像技術(shù)比較適合？”等；也可以設(shè)置一些動手制作活動，在活動中提供不同材料和工具供學生選擇，如設(shè)置制作“保溫盒”的實踐活動，提供珍珠棉、綢布、人造皮革、帆布、牛津布、鋁箔布、透明膠、雙面膠、針線包等工具和材料，學生需要了解不同材料的保溫、耐磨以及防水性能來選擇材料，在制作中也需要根據(jù)用途使用不同的工具.［11］

另外，物理實驗也是物理學與技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，教科書中可以適當增加對于物理實驗設(shè)計進行評價的環(huán)節(jié)，并要求學生們提出相應(yīng)的改進措施，既可以提高學生對技術(shù)的理解與應(yīng)用，也有利于學生對實驗中物理知識的深入理解，培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng).

3.3 突出對社會問題的討論與決策

科學和技術(shù)發(fā)展帶來了諸多緊迫的社會問題（如：基因工程和納米技術(shù)的意外危險、技術(shù)使用帶來的環(huán)境破壞、生態(tài)失衡等），并引發(fā)了科學界對學生進行社會問題教育的呼吁，鼓勵學生通過觀察現(xiàn)實，參與辯論和討論社會問題，形成自己的觀點和決策，擁有社會責任感.通過教科書分析發(fā)現(xiàn)，我國高中物理教科書在呈現(xiàn)物理學與社會生活主題內(nèi)容時，雖然包含了社會問題的介紹，但是在進行社會問題的描述時，總是直接給出解決方案或最正確的觀點，沒有讓學生自己進行思考、討論、發(fā)表看法的環(huán)節(jié).為了提高學生對于社會問題的決策能力，形成社會責任感，教科書編寫時應(yīng)該注意在類似的社會問題中多增加一些思考性問題或者設(shè)置不同觀點的碰撞，讓學生經(jīng)歷質(zhì)疑批判過程，形成創(chuàng)造性見解.比如在選擇性必修第2冊第5章第1節(jié)“認識傳感器”的科學漫步欄目呈現(xiàn)“機器人”內(nèi)容時，對于最后一段中“機器人越來越聰明，它們是否有一天會完全取代人的工作？”這一問題，可以給出“隨著人類科技的進步，機器人可能會像電影里一樣擁有自主意識，我們不應(yīng)該制造具有較高智能的機器人”“機器人是人類制造的，它們的智慧永遠不會超過人類，即使取代工作，也只能取代一些重復性的工作，而這種取代是可以促進社會發(fā)展的”“我們無法確定未來機器人會多聰明，但是只要機器人是對社會有益的，就應(yīng)該支持機器人智能技術(shù)的發(fā)展”等不同觀點，讓學生通過思考形成“科技沒有好壞之分，是人類決定了如何使用它，我們應(yīng)該衡量和思考，如何運用這些技術(shù)才能對社會更有益，使世界變得更加美好”的正確觀點.

3.4 增加物理學與環(huán)境主題內(nèi)容

環(huán)境教育作為學生樹立環(huán)境意識、提高環(huán)境認知能力、形成良好環(huán)境行為和生態(tài)道德的主要方式，對我國生態(tài)環(huán)境的保護和改善具有重要作用.［12］通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，我國人教版教科書中關(guān)于物理學與環(huán)境主題的內(nèi)容僅有18處，雖然明顯優(yōu)于英國教科書，但是與其他一級主題相比，該主題內(nèi)容的數(shù)量顯然較少，而且人教版教科書中物理學與環(huán)境主題的內(nèi)容大部分集中于資源危機與能源開發(fā)部分，對環(huán)境污染和環(huán)境意識體現(xiàn)較少，也缺少討論交流的環(huán)節(jié).教科書應(yīng)該多角度地選取已經(jīng)出現(xiàn)的環(huán)境問題，在不同模塊展開敘述，讓學生進行更多的討論交流，或者進行課題研究，從而切實領(lǐng)悟到環(huán)境對于整體人類的重要性.比如在選擇性必修第2冊第2章“電磁感應(yīng)”的教學中引入“電磁輻射”相關(guān)內(nèi)容，簡要介紹其在生活中對環(huán)境及人體的危害，讓學生思考討論生活中的預(yù)防措施.再比如在必修第3冊第12章第4節(jié)“能源與可持續(xù)發(fā)展”的“能源的分類與應(yīng)用”部分，增加各種發(fā)電方式對于動植物乃至生態(tài)環(huán)境的影響的描述，呈現(xiàn)科技與社會、環(huán)境的密切聯(lián)系，讓學生形成人與自然保持相對平衡的環(huán)境意識.