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        中美物理教材中科學本質(zhì)的表征比較研究——以“動量守恒定律”為例

        2021-10-15 15:18:54黃致新
        物理教師 2021年9期
        關(guān)鍵詞:高中物理科學教材

        張 玲 黃致新

        (華中師范大學物理科學與技術(shù)學院,湖北 武漢 430079)

        幫助學生發(fā)展對科學本質(zhì)(Natural of science,簡稱NOS)的認識,越來越成為全球科學教育改革的關(guān)注點,[1]我國《普通高中物理課程標準》(2017年)中也將其寫進“科學態(tài)度與責任”的核心內(nèi)容.教科書作為重要的課程資源,是課程理念落于教學實踐的橋梁,其涉及科學本質(zhì)的內(nèi)容表征影響著教師和學生對科學本質(zhì)的認識.基于此,本文對中美高中物理教科書進行比較研究,分析各自科學本質(zhì)表征的特點和差異,期望對改進我國高中物理教材編寫有所幫助.

        1 研究設(shè)計

        1.1 研究對象

        筆者選擇了美國高中主流物理教材《物理原理與問題》(Physics Principles and Problems,2005版)的中譯版(簡稱“美國版”)與我國人民教育出版社2019年出版的高中物理教材(簡稱“人教版”)為研究對象.以人教版選擇性必修“動量守恒定律”這一章節(jié)的內(nèi)容,及與此對應(yīng)的美國版中的第九章“動量與動量守恒”進行比較.需要說明,美國版將角動量守恒的內(nèi)容也歸于“動量與動量守恒”,本研究中不予討論.

        研究對象主要包括序言、正文和欄目.序言指教材中章節(jié)的引入部分.正文指以文字或圖片形式呈現(xiàn)在教材的正文部分內(nèi)容.欄目指在教科書中以非基本教學內(nèi)容呈現(xiàn)的,目的在于拓展學生視野和能力的部分,如人教版中的“科學漫步”、“STSE”;美國版“未來技術(shù)”、“物理學前沿”、“起步實驗”和“迷你實驗”等,由于序言和欄目不是基本教學內(nèi)容,所以將這兩部分歸類為非正文部分.

        1.2 研究工具

        本研究以Khalick[2]等新近修訂的科學本質(zhì)分析框架作為研究工具,該框架包含“實證性”、“觀察與推論的區(qū)別”、“科學理論的本質(zhì)”、“暫定性”等10個維度建立在理論和實踐的基礎(chǔ)上,已成功用于分析跨度40年的科學教科書,具有很好的結(jié)構(gòu)效度與一致性.表1呈現(xiàn)了本研究所應(yīng)用的科學本質(zhì)分析框架以及各維度的操作性定義.限于篇幅僅展現(xiàn)其中的幾個維度分析,完整框架可參見 Khalick的研究.[2]

        表1 科學本質(zhì)各維度內(nèi)涵、操作性定義和對應(yīng)的表征示例

        續(xù)表

        1.3 研究方法

        采用文本分析法對中美教科書中科學本質(zhì)表征進行定性與定量相結(jié)合的比較分析.

        以1個完整表述/事例為1個分析單位,如:提及1個新發(fā)明即計為1次創(chuàng)造性,以此類推.需要注意的是,操作性定義中提到的關(guān)鍵詞如“證實”“創(chuàng)造”等,實際分析過程中需考慮其在語境中的真正含義.

        1.4 評分信度分析

        為保證統(tǒng)計結(jié)果的可靠性和一致性,三位研究者分別獨立分析“動量守恒定律”內(nèi)容,并將其所屬的科學本質(zhì)維度進行歸類和頻次統(tǒng)計.統(tǒng)計結(jié)果利用SPSS進行計算,三位分析者的一致性系數(shù)為0.875,表明三位分析者的統(tǒng)計結(jié)果具有良好的內(nèi)部一致性.

        2 結(jié)果與討論

        根據(jù)分析統(tǒng)計,中美高中物理教科書中關(guān)于動量與動量守恒內(nèi)容的科學本質(zhì)在總體呈現(xiàn)情況如表2所示.基于此結(jié)果的具體分析如下.

        表2 兩版教科書科學本質(zhì)各表征維度頻次

        續(xù)表

        2.1 表征維度覆蓋面對比

        人教版教材的內(nèi)容涵蓋了科學本質(zhì)的9個維度,缺少了“科學理論的本質(zhì)”,而美國版教材的內(nèi)容僅體現(xiàn)了科學本質(zhì)的60%,缺少“暫定性”、“理論負載性”和“科學知識建構(gòu)的社群性”、“科學理論的本質(zhì)”,可見人教版教材表征維度更廣,并且兩版本都缺少“科學理論的本質(zhì)”.具體的,在“暫定性”維度,人教版強調(diào)了動量守恒定律與牛頓運動定律相比適用范圍更廣,提到了牛頓運動定律的局限性;在“理論負載性”維度,提到歷史上用來度量運動強弱的物理量有mv、與mv2的兩種觀點;在“科學知識建構(gòu)的社群性”維度,介紹了經(jīng)過半個世紀關(guān)于度量運動強弱物理量的爭論,最終經(jīng)由法國科學家達蘭貝爾研究指出,雙方實際是從不同的角度量度運動.值得一提的是,美國版缺少的維度大多在人教版的非正文部分出現(xiàn),顯示了兩種教材對于科學本質(zhì)都強調(diào)科學知識本體的傳達,而人教版在此之余還通過非正文部分的介紹,關(guān)注科學的發(fā)展過程,拓展學生視野,教材編排更立體.

        2.2 各維度頻次對比

        人教版教科書中科學本質(zhì)的表征總量多于美國版.并且兩版本教材科學本質(zhì)各維度的分布均有側(cè)重的現(xiàn)象.其中“科學定律的本質(zhì)”作為書本化知識而成為核心;而“實證性”、“科學中社會與文化的嵌入性”、“觀察與推測的區(qū)別”這3個維度都受到了重視,反映、傳達了科學與實踐和邏輯思辨的緊密關(guān)系;至于“創(chuàng)造性”、“暫定性”和“科學知識建構(gòu)的社群性”則占比較少,“科學理論的本質(zhì)”缺失.

        橫向分析各維度頻次分布可發(fā)現(xiàn):兩版本教材中,“科學定律的本質(zhì)”維度作為嚴肅敘述出現(xiàn)在正文部分,而其它維度則常見通俗化表達于非正文處,且涉及猜想或驗證性的內(nèi)容出現(xiàn)篇幅大于書本化知識表述的部分,體現(xiàn)了嚴謹?shù)目茖W講授和探究式物理教學思想的結(jié)合.

        2.3 特定知識點科學本質(zhì)維度呈現(xiàn)比較

        為了呈現(xiàn)中美兩國引入不同知識點時科學本質(zhì)的表征特點與偏好,筆者將兩版本中動量、動量守恒定律的文本對比進行展示,結(jié)果見表3.研究發(fā)現(xiàn),在引入“動量”這一知識點時,兩版本都顯示了科學本質(zhì)的“觀察與推測的區(qū)別”維度:人教版采用從實驗描述中引入“動量”;美國版從動量守恒定律的理論化介紹中引入.因此人教版教材側(cè)重于實證性維度而美國版教材偏向于科學定律的本質(zhì)維度.在引入“動量守恒定律”知識點時,兩版教材都從動量定理與牛頓第三定律著手,引入動量守恒定律.但不同的是,美國版教材以生活中的擊打棒球為切入點,引導(dǎo)學生觀察思考這一現(xiàn)象,再展開推導(dǎo)動量守恒定律,體現(xiàn)了“觀察與推測的區(qū)別”;而中國版教材選擇已經(jīng)模型化的圖像為起點,因此相較美國版缺少了該維度.

        表3 動量及動量守恒定律文本分析

        3 總結(jié)及建議

        通過比較分析中美教材科學本質(zhì)表征的差異,對改進我國高中物理教材的編寫、促進科學本質(zhì)教育的發(fā)展提出以下建議.

        3.1 層次化科學本質(zhì)教育的編排

        包括知識點呈現(xiàn)的層次化和語言結(jié)構(gòu)的層次化2個方面:第一,人教版教材科學本質(zhì)表征維度涵蓋面廣,但各維度的展開順序還需改進,例如直接通過尋找碰撞時的不變量引入動量的概念,對于剛剛結(jié)束牛頓運動定律學習的學生而言認知上有跳躍;第二,教材語言結(jié)構(gòu)在表征科學本質(zhì)時以隱形化為主,例如“觀察與推測的區(qū)別”維度對學生引導(dǎo)不足,在設(shè)計探究碰撞中動量守恒的實驗一節(jié),很快就給出了動量之和不變的“猜想”.已有研究證明科學本質(zhì)顯性表達更能增加學生的理解,隱性表達會使學生缺乏基于科學本質(zhì)框架反思其科學活動的結(jié)構(gòu)化機會,[3]這反映需要進一步優(yōu)化教材語言結(jié)構(gòu),以顯形呈現(xiàn)為主,使學生循序漸進理解科學本質(zhì).可行的建議是:適當減少諸如“證實”、“實驗說明”、“事實表明”等用詞.多一些推理式、啟發(fā)式的表達,例如“觀察”、“猜測”等.通過文本話語表達的改變來潛移默化影響學生對科學本質(zhì)的理解.

        3.2 加強科學本質(zhì)教育的建設(shè)

        物理教學在傳授知識的同時也承擔著培養(yǎng)公民科學素養(yǎng)的功能.在這個意義上,高中物理教學不但是銜接更高一級專業(yè)化知識學習的橋梁,更是一種通識化的教育,需要傳遞現(xiàn)代科學的懷疑、形式邏輯的理性思維.具體到教材編寫上,就對引入新概念的實驗或假想實驗提出了課堂可操作性的要求,強調(diào)“實證性”、“觀察與推論”的維度內(nèi)涵.同時,促進教師對科學本質(zhì)教育的理解,拓展課堂互動性和探究性,讓現(xiàn)象、假設(shè)、實驗、驗證、批判這樣的科學思維鍛煉過程出現(xiàn)在課堂中.

        3.3 開展各表征維度對科學本質(zhì)教育影響的研究

        中美教材引入特定知識點時各維度出現(xiàn)的頻次存在差異,開展這種差異帶來的教育差別的研究,并在此基礎(chǔ)上,合理布局各維度出現(xiàn)頻次.就本次中美教材對比而言,美國版教材習慣從生活現(xiàn)象或邏輯推理出發(fā)引入新概念,避免抽象化的實驗,這或許值得借鑒.另外,“創(chuàng)造性”、“暫定性”和“科學知識建構(gòu)的社群性”維度出現(xiàn)較少,而它們本身表征的是科學理論循環(huán)往復(fù)發(fā)展的客觀過程,可適當增加.

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