新中國科技成就融入高中物理教材的特征分析與教學(xué)建議

杜明榮 魏靖堯

(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院,河南開封 475004)

1 研究背景

中國共產(chǎn)黨第二十次全國代表大會會議報告指出,教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐.[1]必須堅(jiān)持教育優(yōu)先發(fā)展、教育自立自強(qiáng)、人才引領(lǐng)驅(qū)動,深化教育領(lǐng)域綜合改革,推進(jìn)科教融匯,弘揚(yáng)文化自信,滲透科學(xué)精神.新中國成立70多年來,科技事業(yè)蓬勃發(fā)展,科技成就層出不窮,科技整體能力持續(xù)提升.我國在高能物理、原子能技術(shù)、航空航天等與物理學(xué)相關(guān)的諸多領(lǐng)域取得的科技成就,不僅是廣大科技工作者奮斗的結(jié)晶,更是綜合國力的重要體現(xiàn)因素.科技的創(chuàng)新發(fā)展離不開人才的支撐,習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào):“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼,要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置.沒有全民科學(xué)素質(zhì)普遍提高,就難以建立起宏大的高素質(zhì)創(chuàng)新大軍,難以實(shí)現(xiàn)科技成果快速轉(zhuǎn)化.”[2]

學(xué)校是青少年科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的主陣地.中學(xué)物理課程是自然科學(xué)領(lǐng)域一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課程,高中物理教材作為直接的課程資源承載著普及科技成就、傳承科學(xué)事業(yè)、激發(fā)科學(xué)思維的根本任務(wù).《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出:物理教材應(yīng)注重時代性,及時反映物理學(xué)對社會及科技發(fā)展的重要作用,教材編寫應(yīng)充分利用科技館、博物館以及科普類圖書、科普視頻等資源,注意介紹學(xué)科技術(shù)研究的最新進(jìn)展.[3]與課程標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的高中物理教材作為“立德樹人”理念的載體,[4]是否集中反映了新中國成立以來科學(xué)技術(shù)研究的最新進(jìn)展,科技成就元素的位置分布、呈現(xiàn)方式、價值取向等有什么特點(diǎn).為回答這些問題,本研究構(gòu)建了包含4個主要維度、15個次級維度的分析框架,對我國目前正在使用的5種版本高中物理新教材(人教版、滬科版、粵教版、魯科版、教科版)包含的科技成就元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,探討5版教材中科技成就元素的分布特點(diǎn),并嘗試為科技成就融入物理課堂提出教學(xué)建議.

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 分析維度設(shè)計(jì)

教材編制是對于人類現(xiàn)有知識材料的加工過程,它涉及材料的選擇、組織和表達(dá)3個連續(xù)的階段.[5]在此基礎(chǔ)上,已有教材研究的分析框架主要包含教材目標(biāo)和材料內(nèi)容選擇、組織、呈現(xiàn)與表達(dá)等維度.后有學(xué)者指出已有教材研究缺少明確文化分析視角,提出以數(shù)量、內(nèi)容、呈現(xiàn)方式、表現(xiàn)手法、編寫意圖為主的分析框架.[6]本研究在對5版教材中科技成就元素進(jìn)行初步考察后,借鑒已有研究的教材分析框架,考慮到新中國科技成就的特殊育人取向,初步確定了本研究的分析維度.邀請兩位研究者依據(jù)構(gòu)建的分析維度對部分教材的科技成就元素單獨(dú)進(jìn)行編碼.參考兩位研究者的編碼結(jié)果,結(jié)合兩位研究者的建議對選項(xiàng)進(jìn)一步界定和說明.最終確定了位置分布(A)、呈現(xiàn)方式(B)、關(guān)聯(lián)程度(C)、教學(xué)功能(D)、價值取向(E)5個主分析維度以及18個次級分析維度.

位置分布(A):根據(jù)在教材中的呈現(xiàn)位置,可以將科技成就元素分為貫穿性正文(A1)、背景性正文(A2)、閱讀性專欄(A3)、例題與習(xí)題(A4)、注解與邊框(A5).貫穿性正文指出現(xiàn)在正文,格式上多于一段且內(nèi)容上連續(xù)出現(xiàn)科技成就;背景性正文指在正文中出現(xiàn),一句話帶過不展開具體介紹;閱讀性專欄指用特殊模塊呈現(xiàn)的特色欄目或選學(xué)內(nèi)容,如粵教版的“資料活頁”、人教版的“科學(xué)漫步”、魯科版的“科學(xué)書屋”等;注解與邊框指在教材底邊或側(cè)邊出現(xiàn)的科學(xué)成就內(nèi)容的注釋、圖片等.

呈現(xiàn)方式(B):文字和非文字的符號是教材呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的兩種形式,文字(B1)是教材內(nèi)容的主要呈現(xiàn)形式,圖片(B2)、圖文(B3)等非文字符號是教材內(nèi)容的視覺呈現(xiàn)形式.

關(guān)聯(lián)程度(C):根據(jù)與基礎(chǔ)物理知識的關(guān)聯(lián)程度,可以將科技成就分為密切聯(lián)系(C1)、關(guān)聯(lián)性較高(C2)、關(guān)聯(lián)性較低(C3).密切聯(lián)系指需從科技成就情境中提取信息解答問題或利用科技成就引出知識點(diǎn);關(guān)聯(lián)性較高表現(xiàn)為對物理知識相關(guān)的新中國科技成就進(jìn)行補(bǔ)充;關(guān)聯(lián)性較低指科技成就元素有脫離基礎(chǔ)知識傾向,內(nèi)容對中學(xué)生來說較為復(fù)雜難懂.

教學(xué)功能(D):教學(xué)功能是指教學(xué)基本結(jié)構(gòu)的屬性和效應(yīng)的外在表現(xiàn),教材的教學(xué)功能,只有將其與具體對象結(jié)合才能形成相應(yīng)理解.[7]結(jié)合5版高中物理教材科技成就元素的特點(diǎn),將其教學(xué)功能分為激發(fā)學(xué)習(xí)興趣(D1)、輔助問題解決(D2)、豐富教學(xué)內(nèi)容(D3).

價值取向(E):新中國成立以來獲得的科技成就不勝枚舉,其原始的研究過程亦蘊(yùn)含獨(dú)特的育人價值.基于此,本研究將教材中科技成就元素的價值取向分為常識取向(E1)、知識取向(E2)、文化取向(E3)、愛國教育取向(E4),其中文化取向指敘述過程不關(guān)注具體物理知識,而在于展示科學(xué)精神或科學(xué)品質(zhì).

2.2 編碼原則說明

為確保分析結(jié)果的客觀性和可操作性,以粵教版必修1第1章第1節(jié)呈現(xiàn)于“資料活頁”的“‘天宮二號’上的冷原子鐘”(見圖1)為例,對編碼原則進(jìn)行說明.

圖1 粵教版必修1第1章第1節(jié)“資料活頁”部分圖例

A.本處科技成就是教材中用特殊字體表示的選學(xué)內(nèi)容或特有小欄目,屬于閱讀性專欄(A3);B.欄目中對于冷原子鐘的介紹既包括文字描述又包括圖片示例(B3);C.“‘天宮二號’上的冷原子鐘”位于“質(zhì)點(diǎn)參考系時間”一節(jié),可應(yīng)用于提高導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精確性,從物理知識相關(guān)性來說,關(guān)聯(lián)度較低(C3);D.該欄目內(nèi)容與本章節(jié)重點(diǎn)知識關(guān)系不大,僅用于補(bǔ)充常識、豐富教材內(nèi)容(D3);E.欄目中對于“空間冷原子鐘”成功隨“天宮二號”空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入太空的時間點(diǎn)及其研究過程均有介紹,同時體現(xiàn)著常識取向(E1)、文化取向(E3)和愛國教育取向(E4).

3 研究結(jié)果

本研究利用設(shè)計(jì)好的分析框架對5版高中物理必修教材進(jìn)行編碼,采用獨(dú)立分析與綜合討論的方式,邀請參與設(shè)計(jì)分析框架的兩名研究者進(jìn)行獨(dú)立編碼,對比編碼結(jié)果,對意見不一的結(jié)果進(jìn)行討論并進(jìn)一步確定.最終得到5版高中物理必修教材中科技成就元素的編碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表1).人教版必修教材的科技成就元素共出現(xiàn)17次,滬科版共出現(xiàn)39次,粵教版共出現(xiàn)40次,魯科版共出現(xiàn)24次,教科版共出現(xiàn)25次.其中人教版必修教材中科技成就元素出現(xiàn)次數(shù)最少,但相關(guān)文字描述較多,因此字?jǐn)?shù)百分比大于粵教版,其余幾版教材科技成就出現(xiàn)次數(shù)與描述科技成就的大體字?jǐn)?shù)成正比.

表1 高中物理必修教材科技成就元素編碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1 凸顯科技成就元素,分布靈活

從科技成就元素的位置分布來看,人教版主要呈現(xiàn)在例題習(xí)題中以及“科學(xué)漫步”“STSE”等閱讀性專欄中;滬科版主要呈現(xiàn)在例題與習(xí)題中,其次是背景性正文;粵教版主要呈現(xiàn)在習(xí)題與例題以及“資料活頁”欄目中,對科技成就的研究過程及應(yīng)用介紹較為詳細(xì);魯科版主要呈現(xiàn)在例題與習(xí)題中,作為問題情境,其次是“科學(xué)書屋”“物理聊吧”等閱讀性專欄中,正文中的科技成就元素一句話帶過的情況較少,一般有一到兩段的文字介紹;教科版中科技成就元素主要分布在例題與習(xí)題中,其次是注解與邊框,表現(xiàn)為在側(cè)邊出現(xiàn),無相關(guān)文字介紹.從科技成就的呈現(xiàn)方式來看,5版高中物理必修教材的科技成就呈現(xiàn)方式均以圖文為主;其次是僅以文字呈現(xiàn),這種情況大多出現(xiàn)于例題和習(xí)題中.

科技成就元素呈現(xiàn)方式和位置分布的恰當(dāng)選擇,能夠使學(xué)生易于感知科技成就元素與物理知識結(jié)構(gòu)的聯(lián)系.5版教材中科技成就元素位置分布各有特點(diǎn),多以圖文形式呈現(xiàn).在正文與非正文(緒論、章節(jié)頁、例題與習(xí)題)部分均有分布,較多呈現(xiàn)于非正文中,且5版高中物理必修教材均有特殊閱讀性欄目用于補(bǔ)充基礎(chǔ)物理知識相關(guān)的新中國科技成就,拓寬學(xué)生視野的同時,能夠有效引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理在當(dāng)代社會生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用.[8]整體上看高中物理教材的科技成就元素明顯,位置分布十分靈活.

3.2 緊密聯(lián)系物理知識,承上啟下

從科技成就與章節(jié)知識的關(guān)聯(lián)程度及其教學(xué)功能來看,人教版的科技成就出現(xiàn)次數(shù)最少,但與章節(jié)知識密切相關(guān),多用于引出新知和問題解決;其次是滬科版,科技成就多用于常識普及,豐富教學(xué)內(nèi)容,與基礎(chǔ)物理知識關(guān)聯(lián)性較高;粵教版中科技成就元素最多,閱讀性較高,除了在各個教材中都出現(xiàn)過的“天宮二號”“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”“C919飛機(jī)”外,還對“中國科學(xué)院微重力塔”“中國引力實(shí)驗(yàn)中心”“和諧N3型高原機(jī)車”等有詳細(xì)介紹,素材較為豐富新穎,表現(xiàn)為對物理知識相關(guān)的科技成就進(jìn)行科普展示,關(guān)聯(lián)性較高.魯科版的科技成就素材多作為問題情境,需從與科技成就相關(guān)的問題情境中提取信息解決問題,與基礎(chǔ)物理知識密切相關(guān).教科版的分布特點(diǎn)與魯科版相似,且與物理知識關(guān)聯(lián)性較低的科技成就素材僅占4%,在5版教材中占比最低.

關(guān)聯(lián)程度和教學(xué)功能在一定程度上可反映教材融入科技成就的深度,同時反映著科技成就素材與學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的適切度.5版高中物理必修教材的科技成就內(nèi)容均與基礎(chǔ)物理知識關(guān)聯(lián)性較高,較少存在科技成就普及與物理知識學(xué)習(xí)“各自為政”的情況.科技成就的位置分布與其教學(xué)功能緊密相關(guān),整體上看,5版物理教材的科技成就集中分布在章節(jié)頁、閱讀性專欄以及例題與習(xí)題中,在教材中多數(shù)用于引出新知、總結(jié)性科普以及知識的鞏固應(yīng)用,具有承上啟下的作用.

3.3 注重多元育人價值,功能多樣

從科技成就的價值取向來看,5版高中物理教材在該維度上的分布具有一致性.科技成就均以常識取向?yàn)橹?幫助學(xué)生了解在什么時間達(dá)成了什么樣的科技成就,表現(xiàn)為對與基礎(chǔ)知識相關(guān)的科技成就進(jìn)行科普展示.其次是知識取向,為引出知識或加深理解,幫助學(xué)生深化物理概念.再次是愛國教育取向,表現(xiàn)為介紹科技成就時帶有“自主研發(fā)”“國際地位”相關(guān)字樣.文化取向的科技成就占比較少,其中粵教版的“資料活頁”欄目中對科技成就的研究過程介紹得較為詳細(xì),體現(xiàn)著我國科學(xué)研究人員迎難而上的科學(xué)精神與品質(zhì),較多次體現(xiàn)文化取向,但從整體來看,相關(guān)素材中具有文化取向的科技成就占比仍較低.

可見,5版高中物理必修教材的科技成就素材均以常識科普為主,加深知識理解為輔.知識取向和愛國教育取向的科技成就較多體現(xiàn)了教材編者重視科技成就內(nèi)容與基礎(chǔ)物理知識的關(guān)聯(lián)程度以及新中國科技成就的特殊育人價值.文化取向的科技成就較少可能是由于教材字?jǐn)?shù)和篇幅的限制.整體上看,高中物理教材重視中國科技成就的多元育人價值,在表述和分布上有助于學(xué)生從科技成就的角度理解科學(xué)的本質(zhì),在這一過程中培養(yǎng)其愛國情懷和創(chuàng)新精神.

4 教學(xué)建議

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諸多教育專家和優(yōu)秀教師依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)要求編寫的,凝結(jié)著我國優(yōu)秀的學(xué)科教學(xué)思想.基于物理教材融入科技成就,一方面指教師應(yīng)深耕教材中的科技成就資源,轉(zhuǎn)化知識體系,將其潤物細(xì)無聲地融入物理課堂.為此,教師應(yīng)充分考慮教材中科技成就素材的教學(xué)功能和價值取向并尋找恰切的教學(xué)切入點(diǎn),選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)媒介或方式將科技成就巧妙地融入物理知識的講解中,通過講解科技成就鞏固物理知識,幫助學(xué)生形成正確的物理觀念;通過講解科技成就的形成過程培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,使學(xué)生掌握科學(xué)探究的方法;通過展示科技成就對人類發(fā)展的意義培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任,從而實(shí)現(xiàn)科技成就的育人價值.

另一方面指教師基于物理知識本身挖掘、篩選、淬煉教材以外的科技成就資源并恰切地融入物理課堂.例如“2022年7月27日12時12分,由中國科學(xué)院力學(xué)研究所研制的‘力箭一號’(ZK-1A)運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射”.[9]這一科技成就素材可以與牛頓運(yùn)動定律、能量轉(zhuǎn)換、物態(tài)變化等物理知識結(jié)合起來,一方面以火箭發(fā)射涉及的物理知識完善學(xué)生知識體系,深化相關(guān)概念;另一方面可以彌補(bǔ)教材作為穩(wěn)定教學(xué)媒介難以及時且全面地反映物理學(xué)在科技領(lǐng)域的成就的缺憾.[10]素材挖掘的過程需要多部門的參與、支持和配合,整合教材以外適用于學(xué)科教學(xué)的科技成就資源,教師再秉持融入的教學(xué)實(shí)施理念,依據(jù)課程目標(biāo)和教材內(nèi)容自主遴選、聚焦反映社會發(fā)展的科技成就資源,在課堂教學(xué)中有機(jī)融入,系統(tǒng)展開.

4.2 借助技術(shù)手段,豐富文化取向

科學(xué)的進(jìn)步給人類社會帶來了巨大的變革,但人們一直以來關(guān)注的焦點(diǎn)是科學(xué)知識而不是創(chuàng)造知識的人.文化轉(zhuǎn)向后的科學(xué)哲學(xué)對此進(jìn)行了反思和批判,指出不僅要關(guān)注創(chuàng)造知識的人,還要關(guān)注他們是怎樣創(chuàng)造知識的,揭示科技成就創(chuàng)造背后的文化背景和根源,關(guān)注科技成就創(chuàng)造過程中研究主體進(jìn)行的思維活動、運(yùn)用的科學(xué)方法及他們具有的科學(xué)精神、表現(xiàn)的道德.[10]我國的科學(xué)教育一直被詬病過于重視知識的傳授,忽視科學(xué)精神與思維方法的培養(yǎng).解決這一問題,就需要在教學(xué)實(shí)踐層面對新中國科技成就體現(xiàn)的科學(xué)價值觀、科學(xué)發(fā)展觀,尤其科學(xué)家形象的塑造予以回應(yīng).[6]物理作為科學(xué)的重要分支,應(yīng)被看作一種文化活動過程.從高中物理教材的新中國科技成就元素來看,尤其粵教版教材在我國科學(xué)研究人員形象的塑造方面,已經(jīng)通過描繪科學(xué)研究過程做了一些嘗試,但篇幅次數(shù)仍相對有限,學(xué)生在閱讀教材的過程中,很難感受到新中國科技成就的生動力量,最終難以養(yǎng)成完整的科學(xué)素養(yǎng).為此,教師應(yīng)搜集整合相關(guān)資源,認(rèn)清學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)和心理邏輯,為學(xué)生合理搭建教材靜態(tài)文本和學(xué)生動態(tài)心理之間的腳手架.

例如人教版必修2“宇宙航行”一節(jié)關(guān)于“我國第一顆人造地球衛(wèi)星‘東方紅1號’發(fā)射成功”的科技成就素材,教師將這一素材融入課堂教學(xué)不僅可以將其與人造衛(wèi)星運(yùn)行的向心加速度、角速度、線速度等物理知識聯(lián)系起來,還可以借助信息技術(shù)手段,直觀展示科學(xué)研究過程,揭開東方紅1號發(fā)射成功背后“中國航天之父”——錢學(xué)森的“航行夢”,引導(dǎo)他們親近研究主體,認(rèn)同教材文本隱含的科學(xué)意義,使科技成就內(nèi)容與科學(xué)價值觀、科學(xué)家形象形成協(xié)同建構(gòu),促使學(xué)生形成正確的科學(xué)發(fā)展觀和科學(xué)本質(zhì)觀,培養(yǎng)其科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

4.3 提供學(xué)習(xí)建議,促進(jìn)意義建構(gòu)

教材是學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)知識的主要資料也是教師備課的主要依據(jù).高中物理教材對科技成就元素的呈現(xiàn)大多未指明文本解讀的方式,這給了教師靈活的教學(xué)空間.教師在課堂上融入科技成就時應(yīng)與特定思維方法聯(lián)系在一起,從比較、歸納、過程性體驗(yàn)等多維視角為學(xué)生提供活動指導(dǎo),注意創(chuàng)造問題情境,展開討論,引導(dǎo)學(xué)生從個人和社會的角度理解新中國科技成就,[6]提高學(xué)生對新中國科技成就及其研究過程的感悟能力.通過融入新中國科技成就使民族自豪感和國家認(rèn)同感以潤物無聲、潛移默化的方式滲透進(jìn)學(xué)生的內(nèi)心.

例如可將教材中長篇幅的科技成就素材轉(zhuǎn)化為問題情境,引導(dǎo)學(xué)生在科技成就的問題情境中利用相關(guān)物理知識進(jìn)行問題解決,或是通過引導(dǎo)學(xué)生挖掘科技成就研究過程中的思維方法再遷移應(yīng)用,充分發(fā)揮教材正文中貫穿性科技成就資源的教學(xué)價值.又如發(fā)布小組合作任務(wù),對分布于閱讀性專欄、注解與邊框的科技成就素材提出課后學(xué)習(xí)建議,使學(xué)生充分利用科技館、博物館以及科普類圖書、科普視頻等社會資源挖掘教材中科技成就素材背后的故事并進(jìn)行展示匯報.依托教材對科技成就的內(nèi)容表達(dá)展開整體教學(xué)規(guī)劃,引導(dǎo)學(xué)生基于物理知識對相關(guān)科技成就進(jìn)行意義建構(gòu),使教材中新中國科技成就的教育價值逐步得以落實(shí).