PISA視域下中英高中主流物理教材的對比研究
——以“電磁感應(yīng)”單元為例

關(guān) 菲 彭朝陽

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500)

2021年3月OECD頒布了PISA 2024StrategicVisionAndDirectionForScience(《PISA 2024科學(xué)的戰(zhàn)略愿景和方向》),指出了PISA 2024評估框架將從科學(xué)知識、科學(xué)能力和科學(xué)身份認(rèn)同3個(gè)維度進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)水平評估,[1-2]其中科學(xué)情境內(nèi)隱于這3個(gè)維度中,科學(xué)素養(yǎng)測評框架主要凸顯科學(xué)地解決真實(shí)問題的能力,科學(xué)知識維度更加強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科整合,科學(xué)能力維度更為側(cè)重社會決策需求,科學(xué)身份認(rèn)同維度更加注重為學(xué)生的學(xué)習(xí)成就奠基.[3]

PISA對于科學(xué)素養(yǎng)的定義反映了時(shí)代對學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備的科學(xué)素養(yǎng)的要求變化,以“電磁感應(yīng)”單元為例,在PISA視域下對中、英兩國主流高中物理教材進(jìn)行差異化對比研究,歸納兩版教材在該單元教學(xué)過程中存在的優(yōu)勢和不足,為新課標(biāo)解讀、教材分析、實(shí)際教學(xué)提供有效思路,從而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升,實(shí)現(xiàn)與國際科學(xué)教育的接軌.

1 研究框架

1.1 PISA 2025科學(xué)素養(yǎng)測評框架

受新冠疫情影響,原定于2021年實(shí)施的國際學(xué)生評估項(xiàng)目(Program for International Student Assessment,PISA)推遲一年,依次順延后按照輪轉(zhuǎn)原則,以科學(xué)素養(yǎng)為主要測評領(lǐng)域的PISA 2025恰好完成了與上一輪PISA 2015科學(xué)素養(yǎng)測評相呼應(yīng)的十年之約.[3]在時(shí)代變革影響和原有PISA 2015的測評框架背景下,PISA 2025的科學(xué)素養(yǎng)測評框架如圖1.[4]

圖1 PISA 2025科學(xué)素養(yǎng)測評框架

1.2 中英主流物理教材

為了研究的代表性,本文選取的國內(nèi)主流高中物理教材為由人民教育出版社、課程教材研究所、物理課程教材研究開發(fā)中心共同編著的《普通高中教科書·物理》[5](簡稱人教版教材);選取的英國主流高中物理教材為劍橋大學(xué)出版社編著的CambridgeInternationalASandALevelPhysicsCoursebook[6](簡稱劍橋版教材),兩套教材均由權(quán)威出版社出版、是適用范圍最廣的最新版本教材,詳細(xì)教材信息見表1.

表1 兩套高中物理教材信息

1.3 中英高中主流物理教材的對比研究

研究流程如圖2,選取中英兩國高中主流物理教材中的任一單元,遵循“以終為始”的目標(biāo)導(dǎo)向原則,以兩國物理課程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的單元教學(xué)目標(biāo)為依據(jù),從PISA 2025科學(xué)素養(yǎng)的3個(gè)主要測評維度出發(fā),對比分析兩版教材的知識涵蓋廣度、知識呈現(xiàn)欄目、教學(xué)組織邏輯、活動編排邏輯、STSE觀念滲透等,總結(jié)兩國教材的特點(diǎn),以期為我國新一輪課程改革提出有效建議.

圖2 PISA視域下的教材對比研究流程

2 研究實(shí)例

為加深讀者對PISA視域下中英高中主流物理教材對比研究的理解,筆者選取“電磁感應(yīng)”單元進(jìn)行實(shí)例分析,具體研究內(nèi)容如下.

2.1 單元教學(xué)目標(biāo)對比分析

參照國內(nèi)最新版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)和英國劍橋考試局最新發(fā)布的《CIE_A級物理考試大綱》進(jìn)行單元教學(xué)目標(biāo)對比分析,見表2,發(fā)現(xiàn)中英兩國的單元教學(xué)目標(biāo)均涵蓋了對學(xué)生科學(xué)知識、科學(xué)能力、科學(xué)身份認(rèn)同方面的培養(yǎng)要求.

表2 中英兩國單元教學(xué)目標(biāo)對比

對比發(fā)現(xiàn):我國新課標(biāo)提出的教學(xué)目標(biāo)更注意貼合人教版教材的單元教學(xué)進(jìn)度,更符合學(xué)生的思維進(jìn)階規(guī)律,以不同程度的行為動詞劃分了學(xué)生應(yīng)達(dá)到的知能水平,直接指出了學(xué)生應(yīng)探尋物理對現(xiàn)代生活的影響;因劍橋版教材內(nèi)容直接以主題模塊劃分,其考試大綱提出的教學(xué)目標(biāo)綜合性更強(qiáng),更重視問題解決,具化了實(shí)驗(yàn)應(yīng)達(dá)到的預(yù)期要求,更便于學(xué)生在探究活動過程中的自評和他評.

2.2 依據(jù)PISA 2025科學(xué)素養(yǎng)測評框架的主要維度對比分析單元教學(xué)內(nèi)容

從PISA 2025科學(xué)素養(yǎng)測評重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)知識、科學(xué)能力和科學(xué)身份認(rèn)同3大維度出發(fā),通過梳理教材單元內(nèi)容知識涵蓋廣度和呈現(xiàn)形式,分析單元教學(xué)組織邏輯、活動編排程序和挖掘教材中滲透的知識生活化、技術(shù)社會化的觀念,對比剖析中英兩版教材的“電磁感應(yīng)”單元內(nèi)容特點(diǎn).

2.2.1 科學(xué)知識維度

首先,從單元知識涵蓋廣度分析,發(fā)現(xiàn)兩版教材的單元核心內(nèi)容大體一致,均符合新版課程標(biāo)準(zhǔn)和考試大綱規(guī)定.由表3的中英教材單元內(nèi)容對比可知,人教版教材單元內(nèi)容多介紹了互感和自感現(xiàn)象,借實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及相關(guān)應(yīng)用加深學(xué)生對感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢的深層理解;劍橋版教材單元內(nèi)容則多設(shè)計(jì)了應(yīng)用專題,詳細(xì)介紹了變壓器、發(fā)電機(jī)的原理及結(jié)構(gòu),體現(xiàn)了科學(xué)知識的社會性,為下一模塊交流電的學(xué)習(xí)做充分鋪墊.

表3 中英教材“電磁感應(yīng)”單元內(nèi)容對比

由圖3的單元知識點(diǎn)分布對比圖可知,人教版教材對本單元知識點(diǎn)研究更細(xì)致,如自感系數(shù)、感生電場等知識點(diǎn)的補(bǔ)充,使單元核心內(nèi)容更加飽滿;劍橋版教材涵蓋的知識點(diǎn)更深度,如“磁鏈”是國內(nèi)教育體系中大學(xué)物理的內(nèi)容,但國內(nèi)高中階段習(xí)題中已存在辨析“磁通量與匝數(shù)、感應(yīng)電動勢與匝數(shù)”等量的關(guān)系,易造成學(xué)生的認(rèn)知混亂,而劍橋版教材此處引入該概念可使“磁通量-磁鏈-磁通量變化量-磁通量變化率-感應(yīng)電動勢”的知識結(jié)構(gòu)體系更連貫,幫助學(xué)生梳理知識脈絡(luò)的同時(shí)提升辨析各物理概念及規(guī)律的能力.

圖3 中英教材“電磁感應(yīng)”單元知識點(diǎn)分布對比

其次,從單元知識呈現(xiàn)形式分析,按欄目設(shè)置劃分為思考式、活動式、應(yīng)用式和拓展式,發(fā)現(xiàn)中英兩版教材內(nèi)容在這些方面均有涉獵,但具體的設(shè)計(jì)形式有差異,如表4.

表4 中英兩版教材單元欄目設(shè)置對比

人教版教材中思考式欄目形式多變,多位于正文知識學(xué)習(xí)前,主要借提問引發(fā)學(xué)生思考、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、推動認(rèn)知發(fā)展;活動式欄目以實(shí)驗(yàn)形式存在,實(shí)驗(yàn)數(shù)量更多,實(shí)施主體更多元,便于多角度發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用;應(yīng)用式欄目主要以習(xí)題形式存在,習(xí)題數(shù)量較多,體現(xiàn)其更重視知識點(diǎn)的練習(xí)和基礎(chǔ)知識的測試;拓展式欄目涉獵更廣,以名人名言、科學(xué)方法等形式科普綜合類知識,豐富學(xué)生的物理學(xué)史和科學(xué)素養(yǎng),增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)科認(rèn)同感.

劍橋版教材中思考式欄目以實(shí)踐案例為主,多于正文知識學(xué)習(xí)過程中,問題數(shù)量較多,且多用于知識的實(shí)際應(yīng)用,為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了階梯式輔助;活動式欄目中實(shí)驗(yàn)均為學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn),但于正文部分會輔以演示實(shí)驗(yàn)等對知識點(diǎn)予以補(bǔ)充;應(yīng)用式欄目中有章末總結(jié)環(huán)節(jié)幫助學(xué)生回顧并形成知識框架,習(xí)題數(shù)目雖少,但其情境化水平較高、探究性更強(qiáng);拓展式欄目以注釋和插圖為主,插圖更具生活性,多為立體圖,便于學(xué)生空間感的培養(yǎng).

值得一提的是,人教版教材中結(jié)論性語言較多,劍橋版教材中疑問式語言較多,且伴有“You can”等正向詞匯用語的心理暗示.

2.2.2 科學(xué)能力維度

科學(xué)能力是學(xué)生在完成科學(xué)認(rèn)識活動和問題解決活動過程中,系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的科學(xué)知識對活動經(jīng)驗(yàn)的定向調(diào)節(jié)和執(zhí)行機(jī)制.[3]學(xué)生的科學(xué)能力需要在活動中體現(xiàn),故從教學(xué)活動組織邏輯和探究活動的編排程序中分析中英兩版教材對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)能力的影響.

從教學(xué)活動的組織邏輯進(jìn)行對比,中英兩版教材的知識呈現(xiàn)脈絡(luò)各有特色.

如圖4所示,人教版教材以三峽水電站的巨型發(fā)電機(jī)的生活情境做本單元知識導(dǎo)引,各小節(jié)均以問題情境作導(dǎo)入,先介紹“楞次定律”,后“法拉第電磁感應(yīng)定律”,再“電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用”,遵循先定性再定量、先現(xiàn)象再本質(zhì)、先理論再實(shí)踐的認(rèn)知規(guī)律,擁有更嚴(yán)密的邏輯性.

如圖5所示,劍橋版教材開篇介紹“巨型風(fēng)力渦輪機(jī)”的工作原理,以3個(gè)自主探究實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象,建構(gòu)移動導(dǎo)線切割磁感線情境解析感應(yīng)電動勢、磁通量等核心概念,先“法拉第電磁感應(yīng)定律”做定量分析,再由“楞次定律”歸納感應(yīng)過程中力與運(yùn)動關(guān)系及伴隨的能量轉(zhuǎn)換,最后以應(yīng)用專題呈現(xiàn)電磁感應(yīng)的現(xiàn)實(shí)意義,且章首提出的預(yù)期學(xué)習(xí)成果與章尾總結(jié)形成了完整的教學(xué)閉環(huán).

圖5 英國劍橋版教材單元組織邏輯

從探究活動的編排程序進(jìn)行對比,以探究實(shí)驗(yàn)為例,兩版教材具體的活動過程各有側(cè)重.

如圖6,人教版教材本單元涉及的實(shí)驗(yàn)較多,但探究實(shí)驗(yàn)僅“探究影響感應(yīng)電流方向的因素”.由教師演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生思考,引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象并記錄,歸納總結(jié)得出規(guī)律,讓學(xué)生真正經(jīng)歷科學(xué)探究過程,活動編排遵循“教師主導(dǎo)、學(xué)生主體”的教育理念.

圖6 人教版教材單元的相關(guān)實(shí)驗(yàn)

如圖7,英國劍橋版教材本單元相關(guān)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)象提及較多,但明確的探究實(shí)驗(yàn)僅為3個(gè)簡單的學(xué)生自主實(shí)驗(yàn),“發(fā)電機(jī)如同反向工作的電動機(jī)—磁鐵在線圈附近移動會產(chǎn)生電流—導(dǎo)線在磁場中移動時(shí)會產(chǎn)生電流”,學(xué)生自主探究過程中體會并觀察電磁感應(yīng)的特征,在解釋現(xiàn)象的過程中逐漸達(dá)成認(rèn)知進(jìn)階,活動編排更符合先現(xiàn)象再本質(zhì)認(rèn)識邏輯.

圖7 劍橋版教材單元的相關(guān)實(shí)驗(yàn)

2.2.3 科學(xué)身份認(rèn)同維度

在整合科學(xué)態(tài)度和科學(xué)情境的基礎(chǔ)上,PISA 2025主要從科學(xué)資本、批判的科學(xué)使用者、包容的科學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐、道德倫理和價(jià)值觀方面評價(jià)學(xué)生的科學(xué)身份認(rèn)同素養(yǎng),[3]故從知識生活化和技術(shù)社會化角度挖掘教材中內(nèi)隱的科學(xué)價(jià)值觀和科學(xué)認(rèn)同度.

中英兩版教科書均重視科技因素在實(shí)際生活中的應(yīng)用.人教版教材中涉及的生活化知識包括“電磁爐加熱食物、變壓器、安檢門、動圈式揚(yáng)聲器、飛機(jī)機(jī)翼兩端的電勢差”等,教材內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活息息相關(guān),體現(xiàn)了科技對生活水平的提升,凸顯了“物理走向生活”的教育理念;劍橋版教材中涉及的生活情境較多,如“工程師的帽子是白色的、懸浮火車下面的大型電磁鐵可減速、用楞次定律思想解決自行車發(fā)電機(jī)現(xiàn)象”等,更關(guān)注物理知識的情境化,增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)認(rèn)同感.

人教版教材中技術(shù)社會化體現(xiàn)為“三峽水電站、電子感應(yīng)加速器、真空冶煉爐、探雷器、交流感應(yīng)電動機(jī)、延時(shí)繼電器、電磁流量計(jì)、磁電式儀表的鋁框架、靈敏電流計(jì)的運(yùn)輸問題”等,重視如何將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于社會,有意識地從社會角度培養(yǎng)學(xué)生對科技與社會關(guān)系的理解,利于社會責(zé)任感的養(yǎng)成;劍橋版教材較重視體現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),從實(shí)際出發(fā)選取合適的技術(shù),對于技術(shù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)較多,尤其是錯(cuò)誤對照組的設(shè)置,更利于學(xué)生思辨能力的培養(yǎng),值得一提的是,劍橋版教材中“電機(jī)工程師弗萊明”的物理學(xué)史的呈現(xiàn)以啟發(fā)學(xué)生對科技與社會變革的思考.

3 研究結(jié)果與啟示

以PISA視域?qū)徱暦治鲋杏砂娼滩?發(fā)現(xiàn)中國人教版教材更重視科學(xué)知識的呈現(xiàn)邏輯,注意知識間的連接性,更利于學(xué)生的思維進(jìn)階;在活動編排方面專門設(shè)置探究實(shí)驗(yàn)專欄,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,注重學(xué)生合作探究意識與溝通協(xié)作能力的培養(yǎng);重視凸顯科學(xué)知識的實(shí)用性,以實(shí)例體現(xiàn)物理知識與實(shí)際生活、社會發(fā)展間的聯(lián)系,以增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感及科學(xué)認(rèn)同度.

英國劍橋版教材對科學(xué)知識的解析內(nèi)容較多,知識覆蓋面更廣,提供多維視角圖解,更適合學(xué)生自學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立探索能力;重視引導(dǎo)學(xué)生在生活情境中探索新知,建構(gòu)物理觀念,且各類實(shí)驗(yàn)不限于專欄,在各環(huán)節(jié)中均有體現(xiàn),更重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力及獨(dú)立探索精神;對于各類問題討論不直接給出“最優(yōu)解”,設(shè)置錯(cuò)誤操作示范以培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力,在“知識生活化、科技社會化”的科學(xué)情境中潛移默化地提升學(xué)生的科學(xué)身份認(rèn)同度.

借PISA 2025科學(xué)素養(yǎng)評估框架進(jìn)一步明晰科學(xué)教育的未來發(fā)展趨勢,再通過中英兩國主流教材的對比研究,反思兩國教材的優(yōu)勢與不足,繼承發(fā)展我國教材優(yōu)勢的同時(shí),積極汲取國外教材的特長,從而培養(yǎng)更符合未來時(shí)代需求的新式科技型人才.