高中物理新教材的科学本质观及教学启示

周东叶，邓 磊

西南大学科学教育中心，重庆 400715

1 前言

科学本质（Nature of Science）是“科学的特性”，李德曼（Lederman）、赫里克（Khalick）等学者认为科学本质是科学认识论，是科学知识固有的价值观和假设。科学本质在科学教育中占有重要地位，美国、英国等西方国家将科学本质写入教育纲领性文件，我国在《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）中明确指出，“科学的本质”是“科学态度与责任”的要素之一。

同时，教材是学科知识和教育理念的关键载体，是科学本质的重要载体，也是教师设计课堂教学的重要参考。为此，本研究选取2019年人民教育出版社、山东科学技术出版社出版的高中物理必修第三册教材（以下分别简称新人教版、新鲁科版）为研究对象，采用内容分析法对以新课标为编写依据的新教材进行分析，了解新教材的科学本质观，最后得到教学启示，以便教师充分利用新教材组织教学活动。

2 分析框架

依据赫里克(Khalick)建立的科学本质分析框架，参考已有研究对该框架进行修订，使之更契合我国物理学科的特性，修订后的框架包括9个维度，每个维度被划分为4个水平。

科学本质包括9个维度：“实证性”“推论性”“创造性”“理论的负载性”“暂定性”“科学方法的不唯一性”“科学规律的本质”“社群性”“社会文化的嵌入性”。

每个维度划分为4个水平，由“呈现准确性”和“呈现方式”的组合构成。其中，“呈现准确性”包括“理性”与“质朴”两个层次，“呈现方式”包括“显性”与“隐性”两个层次，由这四个层次组合而成理性显性型、理性隐性型、质朴隐性型、质朴显性型4个由高到低的水平，依次对应分值“+2”“+1”“-1”“-2”，如图1所示。

图1 科学本质的水平

3 高中物理新教材中科学本质观的分析与比较

3.1 科学本质的维度及水平分析

（1）“实证性”维度与水平

“实证性”的识别包括两个要素：①实验是科学规律的主要来源；②实验也是科学规律的重要支撑。实验包括科学史上的实验、课堂上的演示实验和探究/验证性实验等。

“实证性”的水平判断：①判断“呈现准确性”，肯定实验在科学发展过程中的重要性是“实证性”的“理性”呈现，而将实验作为科学知识的唯一来源则是“质朴”；②判断“呈现方式”，出现“证实/证明”“实验表明/得出结论”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“实证性”的分析示例如表1所示。

表1 两版新教材中“实证性”原文摘录[11-12]与分析

（2）“推论性”维度与水平

“推论性”的识别包括两个要素：①从可观察量推测物理量的性质，如“根据电场所表现出的性质来认识它、研究它”；②从已知的科学定律中推导出新的规律，如“普朗克提出了量子假说，并从理论上推导出了普朗克辐射定律”。

“推论性”的水平判断：①判断“呈现准确性”，肯定推论在科学发展过程中的作用并明确区分“观察量/已知量”和“推论量”是“推论性”的“理性”呈现，认为科学是现实的复刻（眼见即为实）或否定推论则为“质朴”；②判断“呈现方式”，出现“根据/观察 xx 推测 xx”“xx（现象）反映了 xx”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“推论性”的分析示例如表2所示。

表2 两版新教材中“推论性”原文摘录[11-12]与分析

（3）“创造性”维度与水平

“创造性”的识别包括两个要素：①介绍科学史上科学家的突破性工作，如新的科学规律被提出或证明、新技术的出现；②介绍科学理论、实验在物理学中的重要地位，突出科学家的创造力。

“创造性”的水平判断：①判断“呈现准确性”，肯定科学家的创造力、想象力在科学发展过程中的重要性是“创造性”的“理性”呈现，认为科学研究不需要创造力和想象力则为“质朴”呈现；②判断“呈现方式”，出现“创造/发明”“首次发现/提出 xx（规律）”“重大突破”“xx 重要地位”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“创造性”的分析示例如表3所示。

表3 两版新教材中“创造性”原文摘录[11-12]与分析

（4）“理论的负载性”维度与水平

“理论的负载性”的识别要素为“认知观念对科学研究带来的影响”，其中描述知识经验的影响最多，而影响既可以促进科学研究，也会使研究走进误区。

“理论的负载性”的水平判断：①判断“呈现准确性”，科学研究不是完全客观的、会受认知观念影响是“理论的负载性”的“理性”呈现，否定认知观念带来的影响则是“质朴”呈现；②判断“呈现方式”，出现“受到xx理论的影响/启示”“基于个人经验”“xxx科学家坚信……”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“理论的负载性”的分析示例如表4所示。

表4 两版新教材中“理论的负载性”原文摘录[11-12]与分析

（5）“暂定性”维度与水平

“暂定性”的识别包括两个要素：①科学规律是非真理的，都只是暂时成立，会被推翻或修订，如描述“超距作用”“以太介质”等观点被摒弃的历史；②科学规律的使用存在局限性，即科学规律只在一定条件下成立，如“用经典的电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重困难”。

“暂定性”的水平判断：①判断“呈现准确性”，科学上的一切都会随着新的证据的出现而改变是“理性”呈现，将科学知识奉为“真理”是“质朴”呈现；②判断“呈现方式”，出现“推翻”“修改”“局限性”“真理”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“暂定性”的分析示例如表5所示。

表5 两版新教材中“暂定性”原文摘录[11-12]与分析

（6）“科学方法的不唯一性”维度与水平

“科学方法的不唯一性”的识别包括两个要素：①科学方法的使用具有条件，科学方法只在特定条件下能够使用，研究过程中要根据实际选择合适的研究方法；②多种解决问题的科学方法。

“科学方法的不唯一性”的水平判断：①判断“呈现准确性”，不存在程序性的、通用的科学方法是“理性”呈现，认为科学方法是精确的、程序化的则为“质朴”呈现；②判断“呈现方式”，出现“根据实际/条件变化，xx方法不适用”“xx不是唯一方法”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“科学方法的不唯一性”的分析示例如表6所示。

表6 两版新教材中“科学方法的不唯一性”原文摘录[11-12]与分析

（7）“科学规律的本质”维度与水平

“科学规律的本质”的识别包括两个要素：①用科学规律对自然现象、实验现象进行描述和解释，如“金属的微观结构模型可以解释静电感应现象”；②部分科学规律对观察实体有预测作用，如“电磁理论预测了电磁波的观测”。

“科学规律的本质”的水平判断：①判断“呈现准确性”，“科学规律（定律、理论等）没有等级关系”是“理性”呈现，“科学规律存在等级之分，理论被验证后才能成为定律”是“质朴”呈现；②判断“呈现方式”，出现“xx规律解释/描述/预测xx现象”“xx规律指引了xx领域的研究方向”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“科学规律的本质”的分析示例如表7所示。

表7 两版新教材中“科学规律的本质”原文摘录[11-12]与分析

（8）“社群性”维度与水平

“社群性”的识别包括两个要素：①科学协商过程，如研究成果公开、同行评审确保客观性；②科学协商结果，如物理学中的规定、国际单位制等。

“社群性”的水平判断：①判断“呈现准确性”，科学的发展需要众多科学家的共同努力是“理性”呈现，科学发展只得益于个别科学家的创造性工作是“质朴”呈现；②判断“呈现方式”，出现“科学协商促进科学发展”“协商减小主观因素影响”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“社群性”的分析示例如表8所示。

表8 两版新教材中“社群性”原文摘录[11-12]与分析

（9）“社会文化的嵌入性”维度与水平

“社会文化的嵌入性”的识别包括两个要素：①社会、文化对科学产生的影响，如国家的政策对学术界研究方向有导向作用；②科学对社会、文化产生的影响，如科学转化为技术进而影响社会、文化。

“社会文化的嵌入性”的水平判断：①判断“呈现准确性”，肯定科学和社会、文化间存在相互影响是“理性”呈现，否定相互作用的存在是“质朴”呈现；②判断“呈现方式”，出现“……时代的到来”“推动社会、文化进步”等关键词为“显性”呈现，没有出现关键词为“隐性”。

“社会文化的嵌入性”的分析示例如表9所示。

表9 两版新教材中“社会文化的嵌入性”原文摘录[11-12]与分析

3.2 两版教材的科学本质观比较

科学本质各个维度的得分和频次反映了教材的科学本质观，统计结果如表10所示。新人教版的科学本质总分为314；新鲁科版的科学本质总分为331。对两版教材中科学本质的维度得分进行配对样本t检验，结果显示两版教材总体上不存在差异（P=0.627＞0.05）。

表10 新人教版、新鲁科版必修第三册教材中科学本质呈现水平的频次及分值

（1）科学本质的维度比较

新人教版中，“实证性”“推论性”得分非常显著地高于其他维度（P值分别为0.006、0.002，均小于 0.01），其中“实证性”得分最高；“暂定性”得分最低且非常显著地低于其他维度（P=0.007＜0.01），“科学方法的不唯一性”得分也显著地低于其他维度（P=0.017＜0.05）。

新鲁科版中，“实证性”“科学规律的本质”得分非常显著地高于其他维度（P值分别为0.001、0.003，均小于 0.01），其中“实证性”得分最高；“理论的负载性”“暂定性”“社群性”得分显著地低于其他维度（P 值分别为 0.033、0.012、0.022，均小于0.05），其中“暂定性”得分最低。

科学本质覆盖全面但不均衡。两版教材呈现最多的维度是“实证性”，呈现最少的维度是“暂定性”。并且，两版教材都存在呈现较好的维度，如新人教版的“推论性”、新鲁科版的“科学规律的本质”；也存在呈现相对不足的维度，如新人教版的“科学方法的不唯一性”、新鲁科版的“理论的负载性”和“社群性”。由此说明，两版教材都比较关注确定的科学知识，而对科学知识的发展历史介绍得较少。

（2）科学本质的水平比较

新人教版中，质朴显性型（水平1）只在“暂定性”维度的呈现中出现；质朴隐性型（水平2）在“推论性”维度的呈现中出现1次；理性隐性型（水平3）在9个维度共出现113次，是出现频次最多的水平；理性显性型（水平4）在除“社群性”外8个维度共出现102次。

新鲁科版中，未发现处于质朴显性型（水平1）的维度；质朴隐性型（水平 2）在“推论性”维度的呈现中出现1次；理性隐性型（水平3）在9个维度共出现152次，是出现频次最多的水平；理性显性型（水平4）在除“社群性”外8个维度共出现90次。

科学本质的呈现水平集中于理性隐性型（水平3）。两版教材中科学本质的表述绝大部分是理性的，并且以“隐性”的方式进行呈现。说明教材的科学本质观几乎都是正确的，但大部分都是隐含在文段中，因此教材的科学本质观需进一步挖掘。

4 启示

依据新人教版、新鲁科版的科学本质观比较结果，得出开展科学本质教学的启示。

4.1 科学本质的维度均衡性教学

组织科学本质教学，需要教师对科学本质的各个维度有充分理解，对教学内容与维度间的关联性有清晰的把握，如教授“理论的负载性”，有助于学生进行类比学习、类比推理等活动，促进物理知识间的关联记忆，其次通过了解科学家研究过程中的观念局限，也有利于帮助学生破除前概念的影响，深入理解科学知识。此外，教师发现教材章节中某些维度缺失或者呈现不足时，可以借鉴其他版本教材。

4.2 实现科学本质的“理性显性型”教学

在教学过程中，教师需要修正教材中科学本质的“质朴”陈述，挖掘教材的设计意图，再进行合理的教学设计，传递“理性”的科学本质。如新人教版中关于“暂定性”的“质朴”表述中，将“电磁理论”称作“真理”，旨在凸显出麦克斯韦的“创造性”，通过具体介绍麦克斯韦的突破性工作和电磁理论的重要地位也可以达到教材意图。其次，在已有研究中已经证明，用“显性”方式进行科学本质教学时，能有效帮助学生学习。因此，教师可以整合两版教材中与科学本质相关的内容，同时将教材中“隐性”科学本质观转化为“显性”，在教学中实现科学本质的显性化教学。