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自本世纪初课程改革实施以来，物理课程理念发生了巨大变化，《普通高中物理课程标准》（2003版，以下简称《标准》）从科学本质的角度重新提出了物理课程的培养目标，强调以人的发展为本、提升全体学生的科学素养。随着实践的不断深入，诸多实证研究肯定了课程改革的巨大成就，同时也指出了其中仍然存在亟待解决的重要问题。例如，探究的过程过于僵化，忽视了对学生的思维发展，未能通过探究的方式将科学思维、核心概念等进行有效的融合与整合，等等。 在坚持上一轮课改重视“科学探究”的同时，本次在修订课程标准的过程中更加凸显对学生“科学思维”方面的要求和重视程度。在科学探究的过程中不仅注重动手能力的培养，而且更加注重对学生模型建构、科学推理、科学论证等动脑能力的培养。 在物理核心素养的统领下，教科书要在继承和发扬之前教科书精华部分的基础上继续完善。那么，现有教科书在科学思维的设计上与核心素养的要求有哪些差异，又如何进行完善？这便是本部分主要探讨的内容。 （一）物理中的科学思维 “科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法的内化，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。 “科学思维”是学生在学习物理的过程中形成的关键能力，是物理核心素养的主要内容。不论是学生进行科学探究活动中，还是在“物理观念”和“科学态度与责任”的形成过程中，都需通过科学思维，同时科学思维水平明显影响着其他物理核心素养的水平。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。 通过高中阶段的学习，学生应具有建构理想模型的意识和能力；能正确运用科学思维方法，从定性和定量两个方面进行科学推理、找出规律、形成结论，并能解释自然现象和解决实际问题；具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测；具有批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科技创新。 （二）教科书体现科学思维的途径 “科学思维”是发展学生物理核心素养的关键，它贯穿于知识建构和知识应用的全部过程。学生在学习的过程中有着自身的认知过程，这个过程通常起始于学生已有的思维基础，如生活中积累的各种经验，或是观察到的各种现象，甚至是自身根据观察和经验所形成的原始“理论”。在这个基础上，学生或利用实验、观察的方式归纳得出事物间的规律和联系，在教师的引导和帮助下，将规律上升为理论或模型；或通过演绎的方式，通过逻辑推理形成有待检验的科学假设，而后利用实验对其进行检验，最终形成物理理论或模型。①图1展示学生获取知识的一般过程，这实际上也是发展科学思维的过程。 科学思维贯穿了图1所示的获取知识一般过程，从观察出发，经过逻辑的加工，最后上升为理论。在知识建构和知识应用的不同阶段，学生不仅习得了知识，同时还掌握了相应的方法和背后的思维方式，以及在科学本质的层面获得相应的意识与认知。以下就以知识建构和知识应用（即科学思维发展）的各个阶段为单元进行划分，描述每个阶段所涉及的重要物理思维能力以及应该体现的物理本质理念。 提出科学问题与形成科学假设阶段。利用生活中的真实经历与课堂观察创设真实的问题情境，在情境中培养学生的问题意识，引导其提出可研究的科学问题，形成可检验的科学假设。在这个过程中应当承认科学具有主观性，允许学生针对同一现象形成不同的科学问题以及做出不同的科学假设。教科书应当鼓励学生运用批判性思维进行质疑，通过去伪存真的过程保留可被探究的若干科学猜想。 制订研究方案和执行研究方案阶段。物理研究没有唯一、固定的方法和程序，在强调动手探究，通过实验搜集证据、归纳结论的同时，也应注意引导学生领略逻辑的力量。在既能通过实验探究，又能通过理论推理（而后验证）得出结论的地方提供多种方案供学生选择，促使学生理解科学方法、手段的多样性，理解科学推理的重要性。 分析解释证据与形成模型阶段。物理理论、核心概念是在已获得的有限事实的基础上进行的进一步概括和抽象，在这个过程中要引导学生形成谨慎和实事求是的科学态度，在得出物理理论、模型、概念的同时注意它们的适用条件，认识到任何物理理论都具有局限性。 使用模型和解释应用阶段。引导学生正确提取主要因素，忽略次要因素，建立恰当的物理图景，从而为恰当使用模型做准备。在解释的过程中，应当注重强调科学论证的重要性。即结论与事实并非必然地联系在一起，需要利用科学理论和推理将二者合理地整合在一起，形成有说服力的科学解释。 （三）现行物理教科书的实证分析 本研究选取现行物理教科书中使用最广泛的3个版本作为样本，分别编号为PA、PB、PC，围绕运动学、牛顿力学、静电学、电路、磁学、近代物理等高中物理学习的主要内容进行分析，具体包括牛顿第二定律、万有引力定律、机械能守恒定律、动量守恒定律、库仑定律、法拉第电磁感应定律等核心概念、定律和原理。 将教科书中的章节内容按照所涉及的概念、定律或原理划分为“分析单元”如表1所示。 对每个分析单元分别从科学思维发展的各个阶段进行文本分析。针对各个阶段，从关注科学思维的视角出发，将教科书对与科学思维有关的处理方式分为不涉及思维过程、直接呈现思维过程和引导学生自我建构思维过程三个类别加以分析。 分析结果显示，虽然各个版本的教科书在栏目、版式等方面具有各自的特点，但在体现科学思维方面却是共性远远大于个性。这既是物理学科自身特点所决定的，也是大家在实现物理课程标准三维目标要求方面找到了最大公约数的结果。因此，在结果分析中，不再分别对不同版本的教科书进行结果描述，而是将三个版本的教科书的主要共同特点呈现给读者，使读者对我国现阶段高中物理教科书形成一个宏观的了解。 1. 提问和假设中的科学思维设计情况 科学思维是物理核心素养的关键，而提出科学问题和形成科学假设正是培养学生科学思维能力的起点。从科学思维以及情境类型的角度看，样本教科书在此阶段的内容设计可以划分为六类（见表2）。日常经验包括学生曾经经历的实例以及曾经观察过的现象等，已有知识则主要指学生在之前课堂上曾经学习的知识、实验等。推理过程既包括依据知识的逻辑推理（归纳、演绎），也包括类比等迁移创新型推理。 教科书在该阶段的科学思维设计情况统计结果如图2所示。三版教科书中均有65%左右的情境是依据学生的日常经验构建的，另外35%左右则是以学科知识为基础展开的。35%左右仅给出情境中的实例，在不涉呈现及任何思维过程的情况下直接给出科学假设；50% 左右的情境中则通过文字、图表、旁批等方式直接展示了具体的推理过程，而后给出科学猜想；15%左右的情境中，教科书通过设问、搭建脚手架的方式引导学生自行进行推理并最终形成科学假设。 2. 制订和执行方案中的科学思维设计情况 在本环节，教科书的内容设计同样可以从学生的思维参与程度以及研究方案的开放程度上进行分类，如表3所示。 从对样本的分析来看，教科书中30%左右直接给出具体方案，40%左右在给出方案的同时也给出具体的设计思路，有30%左右是引导学生自我构建具体方案。（见图3） 现行3个版本物理教科书在该环节的设计上，通常倾向于直接向学生提供研究方案，其中教科书PA有接近一半的设计会提供多种研究方案供学生选择，促使学生加深对科学方法和手段多样性的理解。在制定研究方案和推理过程方面，教科书通常也是直接给出，只有极个别时候会引导学生对方案的局部进行推理和建构。另外，现行3个版本教科书在更多的情况下只向学生提供一种研究方案，并且60%左右的方案中只提供具体的操作步骤，而不涉及制订这一方案背后的思维过程，另有40%左右的方案中会引导学生自行思考、构建研究方案。 3. 分析解释、得出结论与知识应用中的科学思维设计情况 在这个环节，所选样本都是从所呈现的数据、图表等证据出发，在学生认知水平可接受的范围内通过论证和推理的方式得出科学结论的。所不同的是，70%的推理过程是由教科书直接给出的，其中既包括通常的数学推理，也包括理想实验等思维方法的呈现。另外30%左右则是给学生以必要的提示，通过搭建脚手架来引导学生经历从证据到结论的推理论证过程的。 在第二类的情况中，既有演绎的推理方式，又有归纳的推理方式。例如，PA版教科书研究匀变速直线运动的位移与时间关系时，以师生对话的方式呈现了课堂讨论的一个场景，引导学生思考如何利用速度-时间图象计算物体的位移。在这个过程中，教科书假借“教师”和“学生”的角色，利用同学间的对话以及教师的提示来启发学生意识到可以利用将斜线看做“无数段平直线段”的极限思维来解决问题。 知识应用主要是指利用所得出的概念、规律、原理等解决相应的物理问题。在现行物理教科书中，知识应用主要是通过对例题的编排和处理来实现的。教科书在每个重要的概念、规律和原理学习后都配有相应的例题供学生巩固所学知识。但教科书中的所有例题在问题解决过程的呈现方式上，都未能凸显解决问题的一般步骤和方法。 ①Alison Gopnik and HenryM. Wellman, The Theory in Lawrence A.Hirschfeld and Susan A. Gelman (eds): Mapping the Mind: Domain Specificity inCognition and Culture, Cambridge: Cambridge University Press, 1994; SusanCarey, Science Education as Conceptual Change, Journal of Applied Developmental Psychology, Vol. 21, No. 1, 2000. |
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