高中化学教科书中科学本质内容的研究

顾晔 张红霞

摘要： 以我国最新出版的高中化学教科书为研究对象，以国际科学教育界目前关于科學本质的最新定义为分析框架，采用内容分析法对教科书中呈现科学本质内容的相关栏目进行分类、统计和分析。研究发现，教科书注重以相关栏目、习题和插图等形式呈现科学本质内容，在科学本质三个维度中更加侧重对科学知识的理解，据此提出同类教科书的编写修订建议。

关键词： 教科书; 课程标准; 科学本质; 科学史

文章编号： 10056629（2022）01002106

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

科学本质（Nature of Science，简称NOS）是科学教育研究领域中的一个重要研究对象，科学教育必须反映和体现科学本质[1]，这样才能正确反映科学知识的产生过程，合理解释和呈现科学规律，进而引导和帮助学生正确地认识科学的价值，真正实现个体科学素养的发展。教科书作为我国科学教育的核心课程资源，在中小学生科学素养的培养和科学本质观的形成中发挥着重要作用[2]。因此，怎样在科学教科书编写中更好地呈现科学本质内容是值得重视的问题，它不仅影响教师对教科书的使用方式，而且影响学生对科学本质的理解。

1 科学本质的内涵和研究现状

科学本质是对“科学究竟是什么”的哲学层面的追问。不同研究领域（科学哲学、科学史学、科学社会学、科学教育学）的研究者对科学本质有着不同的认识，即使在科学教育内部研究者们对科学本质的认识亦有差异。

1.1 学术界对科学本质的理解

近年来，研究者对科学本质的内涵予以条目明晰的定义，代表人物有McComas & Olson[3]， Jonathan Osborne[4]， N.G. Lederman等[5]，这些研究者的主要观点被我国科学教育领域的研究者所采纳并加以应用[6]，其中国内学界常用的是莱德曼（Lederman）的7个方面的定义： 科学基于经验证据、观察与推论的区别、定律与理论的功能和关系、创造与想象力在科学研究中的作用、科学研究的理论负荷性、科学知识的暂时性和科学的社会文化嵌入。

我国研究者对于科学本质的认识一般从三个维度去理解。朱铁成结合我国科学教育实际从三维度来认识科学本质： 科学是一种探究，科学是一种价值观，科学是知识体系[7]。田春凤、郭玉英认为科学本质包括科学知识的本质、科学探究的本质和科学事业的本质[8]。这些认识虽然表述方式略有差异，但基本源于美国科学促进会（AAAS， 1990）在《面向全体美国人的科学》中将科学本质阐释为“科学世界观”“科学探究”和“科学事业”的方案，即科学知识的本质、科学探究的本质和科学事业的本质。2011年7月美国《K12科学教育框架》发布后，曾经作为首位关键词反复出现的“科学探究”变成了“科学实践”[9]。“科学实践”是在“科学探究”的基础上更加强调真实的科学探究问题，是美国实用主义理念在科学教育理念上的新发展[10]。

1.2 科学教育标准中对科学本质的呈现

1.2.1 2017年版普通高中理科课程标准关于科学本质的表述

2018年，中华人民共和国教育部正式颁布了普通高中各科（包括物理、化学和生物学等）课程标准，以化学学科为例，《普通高中化学课程标准（2017年版）》[11]在“课程内容”中提出促进学生理解科学本质的教学策略。例如借助科学史的故事和素材多角度展示人类对微观结构的认识过程，促进学生对科学本质的理解;通过设计角色扮演等活动引导学生理解科学理论发展过程中的争论，从而增进学生对科学本质的理解等。

1.2.2 美国《下一代科学教育标准》中科学本质的呈现

2013年，美国《下一代科学教育标准》（The Next Generation Science Standards，以下简称NGSS）发布，在附件H中明确了理解科学本质的8个核心概念： （1）科学知识是通过多种途径获取的，科学研究运用多样化的科学方法;（2）科学知识以经验证据为基础;（3）科学知识是开放的，在新的证据下不断接受修正;（4）科学模型、定律、原理和理论是解释自然现象的工具;（5）科学是一种认知途径;（6）科学假定在自然系统中存在某种规则和一致性;（7）科学是一项人类共同为之奋斗的事业;（8）科学致力于研究有关自然和物质世界的问题[12]。国内研究者当年就对该标准进行了述评形式的介绍，以科学本质进阶矩阵对这八个核心概念予以罗列[13]，并对NGSS中科学本质的内容进行了三个内容维度的归类： 对科学知识的理解，对科学实践的理解，对科学事业的理解[14]。

1.3 对教科书科学本质的研究

教科书是目前对我国科学教师和科学课程影响最大的课程资源。牛波采用哈里克（Khalick）的科学本质评估标准为工具，定性分析了中美两国广泛采用的四本高中生物学教科书对科学本质的表征，研究发现教科书中科学知识和科学探究数量构成比较高，科学思维和科学技术社会（STS）数量构成比较低[15]。张雪等以我国21世纪初期三版普通高中物理教科书中的“静电学”内容为研究对象，基于哈里克（Khalick）等构建的科学本质框架对教科书中科学本质的表征数量和表征特点进行了对比分析，在表征数量上，科学本质的表征维度覆盖度逐渐变广，各表征维度出现频次呈增长趋势;在表征特点上，科学本质涉及内容的明确性逐渐增强，但准确性有待提高[16]。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》在教材编写建议中提出化学教材内容的选择要体现科学与人文的融合;在此基础上，普通高中化学各版本教科书均进行了较大幅度的修订。基于上述背景，本研究拟以修订后的教科书为研究对象，分析其对科学本质内容的呈现方式及其重心分布。

2 研究方法和分析框架

2.1 研究对象

本研究选择人民教育出版社2019年出版的《普通高中教科书·化学·必修》（第一冊、第二册）为研究对象（下文简称“人教版”教科书）[17，18]。“人教版”教科书由四大部分组成： 正文、插图、文本框栏目及练习;其中文本框栏目起到重点提示的作用并在教科书首进行了功能说明。本研究统计的科学本质内容包括正文文本和相关辅助栏目中的相关内容。

2.2 研究方法

科学本质在教科书中呈现方式多样，本研究采用内容分析法对2019版“人教版”教科书的内容进行分类、统计、分析，以计量方法推论产生该项内容的背景及意义，从教科书的整体设计全面审视教科书中科学本质内容出现的频次和形式。本研究首先确立了科学本质内容的分析框架，在此基础上根据教科书的文本语义对教科书中与科学本质有关的内容进行编码，最后将这些与科学本质有关的内容根据科学本质维度进行归类，并进行频次统计，从总体上查验“人教版”教科书对科学本质的呈现情况。在此基础上对教科书中科学本质进行三个主题的分析，从而揭示该套教科书呈现的科学本质维度及其重心分布。

2.3 分析框架

本研究结合NGSS中科学本质的8个核心概念[19]及学生在高中阶段应达成的科学本质预期结果（对核心概念的细化和进阶）构建了包含3个一级维度和15个二级维度的分析框架，其中一级维度包括“科学知识”“科学实践”和“科学事业”三个方面;每个一级维度分别对应5个二级维度，共计15个二级维度（表1）。研究者根据该分析框架的一级维度和二级维度对“人教版”教科书中的科学本质内容进行了3次独立编码，为保证科学本质内容编码结果的一致性，分析过程中编码对象均选取教科书中显性（Explicit）表达科学本质的正文或相关辅助栏目。以上述分析框架的二级维度15“科学知识是开放的，在新的证据下不断接受修正”为例，研究者在阅读两册教科书全文基础上（包括正文和相关辅助栏目），对符合该科学本质维度的内容进行符号标记（按照表1中列举的二级维度顺序用英文字母进行标记，如11标为A， 15标记为E……），最后统计符号E出现的总次数（见表1）。具体而言（仍以二级维度15为例），首先把握“科学知识是开放的，在新的证据下不断接受修正”中“科学知识接受新的证据的修正”这一关键要点，然后对与之相关的正文、栏目、习题及图片等进行标记，例如教科书第二册第66页的习题（见图1），甲烷的结构在新的证据支持下不断修正，符合维度15，即标记为E。

3 研究结果与数据分析

3.1 教科书中的科学本质内容归类

本研究以2019“人教版”教科书为研究对象，依据表1中科学本质的一级和二级维度对教科书中的科学本质内容进行了出现频次的统计和对应内容所处栏目的分布统计（见表1、图2）。

统计过程中还发现，本套教科书突出了文本框形式的栏目设计，表1中43个内容频次（有重复内容）中有23处是以“科学史话”“方法导引”等栏目专门呈现（见图2），占比约53.49%，超过半数;除此以外，正文、图片亦有部分科学本质内容的呈现。

3.2 教科书中科学本质内容的分析

3.2.1 对科学知识的理解

“人教版”教科书“对科学知识的理解”这一主题的科学本质内容占比约为44.18%，是三个主题中占比最大的，明显高于《科学入门》（由McGrawHill出版公司出版的一套美国科学教科书）中科学本质内容占比（24.1%[20]）。可以看出，“人教版”教科书注重呈现科学知识本质维度的科学本质内容，该主题中的5个二级维度中占比最大的是“科学知识是开放的，在新的证据下不断接受修正”，该维度在其他文献中也被表述为科学知识的不确定性或者暂时性（tentative）。以“氧化还原反应”为例，“人教版”教科书以“科学史话”栏目介绍了氧化还原反应概念的发展史;与之对应，教科书正文首先通过从得失氧角度认识的氧化反应和还原反应衔接，然后以具体的化学反应为例从化合价升降角度辨识氧化还原反应，随后得出氧化还原反应的本质——电子的转移。

3.2.2 对科学实践的理解

科学既是一种知识体系，也是完善、细化、修订和扩展该体系的过程，科学实践用到定律、理论、模型、假设等工具。“人教版”教科书“对科学实践的理解”这一主题的科学本质内容占比约为25.58%，相比于《科学入门》中“科学探究的本质”（31.0%[21]）略少。必修模块教科书的教学内容面向高一年级全体学生，部分理论会在高二年级的选修模块中展开（例如物质结构与性质模块中的价键理论、VSEPR理论、杂化轨道理论等），故统计结果中显示科学定律和理论占比较小。此外，类似“科学实践用到定律、理论、模型、假设等工具”这样的内容未发现以正文形式出现在“人教版”教科书中，主要出现在文本框栏目中。以科学模型的介绍为例，共计“显性”出现2处，前者在“方法导引”栏目（第一册第16页）提出“模型”在科学认识中具有描述、解释和预测功能;后者以“资料卡片”栏目（第二册第61页）为载体介绍了鲍林使用模型研究物质结构，给学生提供了研究有机物结构的一个重要手段。显然，这样的辅助栏目更加类似于教科书正文的“附属品”，值得教师和学生充分重视。

3.2.3 对科学事业的理解

“人教版”教科书“对科学事业的理解”这一主题的科学本质内容占比约为30.23%，各二级维度占比较为均衡，可见教科书编写者重视在建构学科知识的同时以不同形式促进学生对科学事业本质的理解，以减少对学习科学的偏见，对提高学生科学素养起到重要作用。这一主题在《科学入门》中以两个维度呈现：“科学思维的本质”和“科学、技术和社会（STS）交互作用的本质”，分别占比12.1%和32.1%[22]，而“人教版”教科书在“科学、技术和社会（STS）交互作用的本质”占比相对较低，而且主要集中出现在第八章“化学与可持续发展”，如“滴滴涕的功与过”“农业生产中是否应该继续施用农药和化肥”和“生物质资源的利用”等。类似体现STS交互作用的科学本质内容不仅可以集中出现某一特定章节，还可以渗透到其他章节。

4 研究结论

“人教版”教科书较全面地呈现了科学本质养育所需的素材，为更好促进学生理解科学本质，教科书编写或修订时还可以考虑更加注重正文在显性呈现科学本质中的作用和适当增添社会性科学议题的比例。

4.1 注重正文显性呈现科学本质内容

教科书正文的语言表达对学生理解科学本质起到关键作用，正文对科学本质内容的显性呈现更好引起教师对科学本质内容的重视。考虑到有些科学本质内容通过明示需要占较大篇幅，编写者将之以附加栏目进行呈现是可以理解的，但可以在正文部分做一些过渡性语言的补充说明。例如，化学键理论经历了多次发展，每次发展都解决了一些之前理论难以解释的问题，固然不需要在教科书正文部分完整呈现化学键理论发展的全貌，但可以加“随着新物质的不断出现和科学家对微观世界认识的不断加深，人们对微粒之间的相互作用也更加清楚，……”这样的说明文字，让学生知道化学键的理论不是一步到位的，减少学生理解科学本质时可能产生的偏差。

4.2 适量适时增添社会性科学议题

社会性科学议题（socialscientific issue，简称SSI）是指由于科学、技术与社会之间错综复杂关系所引发的一些争议性科学议题，在这些议题中，科学或技术层面的因素以及社会层面（如道德、文化、情感、立场等）因素均扮演重要角色[23]。SSI在科学教学中的融入可以帮助学生理解“科学技术发展带来的伦理问题，科学决策并不能仅仅依靠科学，还要取决于社会背景、文化背景等因素”。“人教版”教科书在第八章“科学技术社会（STS）”“思考与讨论”等栏目中已经有所涉及，在编写或修订工作中可以将这样的尝试渗透到其他章节，适时运用各章节的知识解决学生能解决的一些争议性科学议题，这样有助学生对科学事业维度的科学本质内容的理解。例如教科书在“氯及其化合物”练习题中出现的“科学家是否应进行类似氯气这类有可能被错误利用的物质的研究？”就是一个社会性科学议题，涉及“科学技术发展带来的伦理问题”，但仅以习题的形式出现容易被教师忽略，辅助栏目与教材正文相互结合的编写方式应该更加有助于SSI在教学中的融入。

《普通高中教科书·化学·必修》是必修模块教科书，编写内容的深度和广度均因此受到一定限制。就必修模块而言，教科书在内容选择上已充分关注到学生的基础，除正文外，还充分利用栏目、插图等辅助形式促进学生理解科学本质;但在呈现方式上可以更加突出科学本质的显性表现，甚至出现科学本质字样，提高学生科学哲学素养。目前的普通高中科学课程标准（包括物理、化学、生物学等）都以不同的形式呈现科学本质内容，但教科书是教师教学的依托，缺乏了教科书的显性呈现，科学本质内容的落地生根就难以实现。

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