中美高中化学教材中科学本质内容水平的比较及启示_杨玉琴

2010年第12期 化 学 教 育#11#

*

课程与教材研讨

中美高中化学教材中科学本质内容水平的比较及启示

杨玉琴 王祖浩

(华东师范大学化学系 上海 200062)

摘要 理解科学本质是科学素养的核心成分, 科学教材是影响学生和教师对科学本质理解的主要因素之一。通过对我国现行3套高中化学必修教材及美国主流化学教材 化学概念与应用 科学本质内容水平的比较, 发现中美化学教材的科学本质内容水平都较低。建议教材编写以显性方式准确呈现科学本质内容, 科学探究活动、化学史的编排需符合科学本质内涵, 恰当设计反思性活动栏目, 重构教科书文本话语。

关键词 化学教材 科学本质 科学探究活动 化学史 显性方式科学教育的重要目标是提高学生的科学素养, 理解科学本质是科学素养的核心成分。帮助学生发展适当的科学本质观(NOS) 是! 表述最普遍的科学教育目标之一∀, 已被大多数科学家、科学教育组织和科学教育者认同达90年[1]。美国 国家科学教育标准 (1996) 和英国 国家理科课程 (2000) 中都将认识科学本质作为重要的课程目标之一, 且对不同学段的学生提出了具体要求。然而, 国际上关于科学本质的研究普遍显示, 绝大多数教师和学生对科学本质主要方面的理解仅达到质朴水平(Naive understand) 。美国著名科学教育家Khalick 认为, 科学教材对科学本质有关方面呈现的偏差是造成当前学生和教师对科学本质理解不良现状的主要因素之一

[3]

[2]

英、澳等8个国家的科学教育文件后得出的科学本质的共识有很大程度上的相似性。本研究以这些普遍认同的方面作为框架对教材的科学本质内容进行分析。

表1 科学本质的10个方面及其内涵

科学本质经验性

具体内涵

科学知识的产生基于对自然现象或实验事实的观察, 观察需要借助于仪器及理论框架的指引科学以观察和推理为基础。在观察与推论之间

推理性

有着重要区别。科学观察是指通过人的感官或科学仪器而获得的关于客观世界的信息。科学推理则是对观察到的现象的解释

科学家在他们的科学研究的整个过程中都需运用想象力和创造力。科学知识是在对自然界的观察的基础上运用人类的想象和逻辑推理创造出来的。科学的创造性以及推理性本质使得科学实体(原子、分子等) 都是功能性的理论模型而非对! 真实本体∀的复制

科学追求客观和精确。但科学的! 偏见∀是不可避免的。科学家从问题的提出, 到现象观察及实验设计, 以及对数据的解释, 常常是在其

主观性

已有科学理论的指导和影响下进行的。同时, 科学家个人的知识背景、国籍、性别、信念和经历等也会影响他们进行科学观察或实验的方式及结论

科学是一个不断探究、生产知识的过程。科学知识的暂定性有2方面的含义:一方面, 由于新的观察常常对主流理论提出挑战, 知识的发

暂定性

展变化是不可避免的。同时, 已有的观察数据, 也可能会被新的理论更恰当、更合理地解释。另一方面, 尽管科学思想是不断发展变化的, 然而很多基本的科学知识和规律又是相对稳定的

[4]

。

创造性

提高学生的科学素养是我国化学课程改革的主要宗旨。化学教材作为课程标准具体化的产物, 是促进学生科学素养全面发展的重要资源和工具, 应能够帮助学生建立化学课程内容与科学本质的联系, 增进对科学本质的理解。基于此, 对我国现行3个版本高中化学必修教材中的科学本质内容水平进行了研究, 并与美国主流化学教材 化学概念与应用 中的相应内容进行对比, 以期对我国化学教材的编制有所启示。

1 研究方法

1 1 分析框架

由于科学本身的复杂性, 科学哲学家、科学史学家、科学社会学家以及科学教育者对科学本质的理解仍有分歧, 但表1所示的10个主题能在专家中达成一致, 并与McComas 等人总结美、加、

*

教育部人文社会科学重点研究基地重大项目! 当代中国科学教育转型研究∀(项目编号:07JJD880232) 的阶段成果之一

#12#

续表

科学本质

具体内涵

通常人们认为存在一个可以进行所有科学实践的菜单式的科学研究方法。这个理解是错误的,

科学研究途径的

多样性

并不存在能够确保所有知识发展的单一的! 科学方法∀。科学确实需要观察、比较、测量、检验、推测、假设、讨论并产生观点和概念化工具并建构理论和解释。但并非所有的科学家都遵循固定的所谓标准程序进行科学研究科学理论是得到良好确定、高度证实并且内部一致的解释性系统。科学理论用来(1) 解释表

科学理论的性质

面上不相干的几个研究领域的观察, (2) 产生研究的问题, (3) 指导将来的研究。理论通常都基于假设或者数学公理以及不能观察到的实体。因此, 不能直接被验证, 只有间接的证据能被用于支持理论和确立它的有效性

一般而言, 科学定律表述的是所观察到的现象之间的关系。而理论则是对所观察到的现象或规律的推论性解释。理论和定律之间没有等级关系, 理论和定律都是知识的不同形式, 不会相互转化

科学知识在产生之后需要经过科学共同体的交流和评论, 目的是减少科学家在知识建构过程中的主观性

科学是在一个大的文化环境下进行实践的人类事业。作为一种社会活动, 科学不可避免地反

科学的社会和文化嵌入性

映社会的价值观和世界观。同时, 社会文化的价值取向也直接影响科学研究经费的分配, 科学研究的方向及方法的选择, 乃至决定对科学解释或结论的取舍

化 学 教 育 2010年第12期

表2 科学本质内容分析赋值标准

分值

表现显性的、确切的且内部一致的表述2

显性的、较确切的表述

内涵

使用显性并确切的方式对科学本质的有关方面进行表述, 并在所选择的章节中关于科学本质有关方面的表述具有内部一致性

显性表述科学本质的有关方面并具有内部一致性, 但表述不完善能够从教材材料中推断出对科学本质有关方面的确切、一致的表述(例如相关的说明、活动、案例、或者化学史, 反思性的提示或者陈述) 对科学本质的有关方面没有进行显性或者隐性的处理, 或没有充足的材料(陈述、案例、历史小插图等) 传达出科学本质有关方面的信息可以从文本材料中推导出对科学本质有关方面的质朴表述

部分材料中可推断出对科学本质有关方面的确切表述, 而另一些材料中却以显性的方式进行了质朴表述, 或以显性的方式传达有关同一科学本质方面的相矛盾的信息

以显性的方式对科学本质进行质朴的表述

3

1

隐性、确切的表述

没有科学本质有关方面的表述

科学定律的性质

-1隐性的不当表述以显性与隐性混合的方式表述科学本质的有关方面

以显性的方式不当表述科学本质的有关方面

科学知识建构的社群性

-2

-3

1 4 评分信度分析

本研究的2位作者作为信度分析的主评判员, 通过计算得到相互同意度为0 795, 代入内容信度计算公式中得到信度值为0 886。内容分析中的信度值达到0 8即为达到标准, 所以本研究评分信度达标。

1 2 分析材料的选择

国内教材选择了现行3套高中化学必修教材,

分别为苏教版(2006) 、人教版(2006) 、鲁科版(2004) 。国外教材选择了美国高中化学主流教材之一 化学概念与应用 (2005) 。所选择的分析章节主要涉及! 科学探究∀! 科学方法∀、! 物质结构∀、! 有机结构∀、! 化学定律∀、! 化学史∀、! 化学与社会∀等内容, 之所以选择这些材料是因为这些内容与科学本质的有关方面直接相关。

1 3 赋值规则

为了便于分析比较, 依据表1所列的科学本质的10个方面, 对所选择分析的材料依据一定的规则进行赋值(见表2) 。已有研究显示, 对科学本质进行显性教学比隐性教学效果要好[5], 因此研究中使用的赋值标准还对科学本质有关方面的显性和隐性呈现方式进行了明确区分。对同一教材中所选择的材料没有进行独立分析和赋值, 而是对同一教材中涉及科学本质某一方面的全部材料进行综合分析后进行整体赋值。

2 结果与讨论

表3呈现了各版本教材在科学本质内容方面的得分情况。

表3 各版本教材科学本质内容得分

科学本质内涵

经验性推理性创造性主观性暂定性

科学研究途径的多样性

科学理论的性质科学定律的性质科学知识建构的社群性科学的社会和文化嵌入性

总分

人教201110-1-1003

苏教[1**********]

鲁科22101-320005

美国2111-2-33-3011

按照科学本质10个方面的赋分规则, 总分分布应在-30~30之间, 但4套教材的总分分布仅在1~6分之间, 虽然没有负分, 但总分都较低, 说明这些教材对科学本质内容的处理仍处于不自觉、不成熟状态。虽然国内教材比美国教材的得分要高, 但从数据分布来看, 美国教材涉及到科学本质的9个方面, 国内教材缺失点则较多, 其失分点可以给我们以警示。对结果的具体分析如下。2 1 科学本质内容点普遍有缺失

从总分看, 尽管国内人教版、苏教版、鲁科版教材得分皆高于美国教材, 但从科学本质的10个内容点方面分析, 可以得出各版本教材所涉及的百分比分别为:美国90%, 鲁科60%, 人教60%, 苏教50%。美国教材涉及了科学本质内容的9个方面, 其得分低的原因是对科学本质某些方面(如科学研究途径的多样性、科学定律的性质) 的不当表述, 而国内教材科学本质内容点的缺失高达40%~50%。缺失点主要体现在科学知识建构的社群性(100%缺失) 、科学的社会和文化嵌入性(75%缺失) 、科学的主观性(50%缺失) 及科学定律的性质(50%缺失) 。

科学并不是一种无价值偏向的求真活动, 科学家在研究过程中不可避免地要受到政治、经济、文化等社会因素及个人所持知识经验的影响。在整个科学知识的形成过程中, 科学社群亦扮演着极其重要的角色。但对于化学与社会的关系, 教材中更多强调的是化学对社会单方面的作用, 而社会、科学家社群以及科学家本人理论背景等对化学的影响几无涉及。例如, 对元素周期律内容的处理, 教材中大多会提供门捷列夫提出元素周期律、列出第一张元素周期表的史料, 也会呈现元素周期表的演变过程。但门捷列夫列夫最初提出元素性质是随原子量(而非原子序数) 的递增而呈周期性变化是受其已有个人经验背景(认为原子不可分) 的影响, 且元素周期律发展的初期科学界并未重视和认可, 经过许多年、许多科学家的批判检验后, 元素周期律才被认可作为! 科学知识∀。诸如此类科学家本人理论背景、科学家社群等对化学的影响教材中都未能提供显性陈述或背景材料。

2 2 对科学本质内容的呈现大多处于隐性水平

1分或-1分是对科学本质内容隐性的确切或不确切的表述。在表3的40个得分项中, 除去0

(计14个) 外, 1分和-1分所占的比例高达58%, 主要表现在创造性、推理性、主观性、暂定性及科学的社会和文化嵌入性上。对这些性质的推断大多依据的是教材中的化学史材料, 处于隐性水平。如, 凯库勒因从梦中获得启示提出苯的环状结构学说, 隐性说明了直觉和想象力对于科学家的重要性; 原子结构模型的演变、元素周期表的发展史等隐性表达了科学知识的暂定性; 舍勒虽然无意中得到了氯气, 但受当时流行的学说∃∃∃燃素的影响, 未能确认这种气体的! 庐山真面目∀的化学史间接地说明了科学家从事科学研究常常是在其已有科学理论的指导和影响下进行的。

2 3 对科学本质内容的表述不确切或不完善

美国教材虽涉及了科学本质的9个方面, 但其得分却较低, 主要原因是它对科学本质某些方面的不确切表述, 如教材用了一个图表来呈现科学方法的一般程序[6], 呈现了存在菜单式的、按部就班的、程序化的具有普遍意义的错误! 科学方法∀观。同样的情形也出现在我国鲁科版教材上[7]。国内苏教版和鲁科版教材皆有专门的章节讨论! 研究物质的程序和方法∀, 但都未能围绕科学本质的关键方面。

对于科学定律的显性且不确切的解说又使得美国教材失去3分。美国教材如此表述! 科学定律就是指在自然界中普遍存在并为人们所接受的一种事实。例如, 太阳每天早上从东方升起就是一条自然定律, 因为我们每天确实可以确切地看到这个现象%%尽管该教材在另外的材料中, 以隐性的方式, 如原子结构模型的演变、元素周期表的发展史等来说明科学知识的暂定性, 但由于它对科学定律显性且不当的表述, 导致其暂定性上得分为-2分。

4套教材在! 经验性∀方面的表现较为一致, 皆以显性的方式较确切地表述了实验及观察方法在获得化学科学知识方面的重要性。但却未能对其进行完善的表述, 如观察还需要仪器的帮助、已有理论框架的指引等。门捷列夫曾说:! 我的周期律的决定时刻在1860年, 我参加了卡尔斯鲁厄代表大会, 在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲, 正是他发现的原子量给我的工作以必要的参考。∀

[8]

在元素周期表的发现者中, 有3位都参加了

卡尔斯鲁厄会议。可见, 元素周期律的发现不仅是

一个观察总结, 在很大程度上还是原子理论的作用结果。科学知识的获得是在一定理论指导下的积极的感知过程。

2 4 不能显性区分观察与推理、科学定律与科学

理论

在科学本质的内涵中, 要求对观察与推理, 科学定律与科学理论有明确的区分。但在分析过程中发现, 4套教材都未能显性地说明观察与推理、科学定律与科学理论的区别。教材往往会显性地说明观察对科学的重要性, 即强调科学认识是以经验事实为基础的。但是科学并不是事实本身, 观察和推论之间有根本区别。如果对于观察和推论不能加以显性区别, 就会使学生认为推论就是观察的结果, 科学认识就是对自然世界的! 拷贝∀性! 发现∀。

科学定律和科学理论是科学认识的2种形式。在化学教材中往往会出现! 质量守恒定律∀、! 原子结构理论∀、! 化学键理论∀等, 但为什么有的科学知识称为! 科学定律∀? 有的科学知识称为! 科学理论∀? 国内教材皆没有做出说明。美国教材虽对科学理论的性质给出了显性且完善的说明! 科学家还通过建立理论将这些知识组织起来, 使之成为知识体系。理论是建立在大量的观察基础之上并为实验证实的解释。例如, 道尔顿的原子理论, 就是建立在很多科学家对物质进行了一次又一次观察的基础之上的。当科学家获得了新的更多的信息之后, 原有的理论基础必须加以修改, 甚至会被新的理论取代。科学理论的一个重要品质就是可以通过它进行一些成功的预测。∀但对科学定律的性质却给出了显性不当的说明。

社会热点问题, 逐步形成可持续发展的思想。∀强调的是化学对社会单方面的作用, 忽略了社会对科学的影响。如果课程标准在课程目标中没有明确提出科学本质的教育目标, 更没有对科学本质的内容加以显性说明, 其隐含的认识或模糊的表述, 无疑将影响教材的编写。

3 2 显性呈现全面而立体的科学本质

从教材分析中发现, 教材并没有将帮助学生理解科学本质作为化学教材的教育职能来看待。教材重视的是科学知识的掌握, 通常用大量篇幅介绍知识是什么以及如何应用, 而忽视科学知识的认识过程、科学的社会文化性等特征。科学本质的许多方面只能从零星的化学史材料中推断出来, 处于隐性水平。单纯地呈现科学假说、事实、理论的! 最终形式∀(final form ) 的教科书, 将会有以下3个危险(risk) :&简化了科学理论的结构以及与其他理论之间的互动, 使学生认为所有的科学知识或理论均有相同的角色、地位; ∋将科学理论孤立于社会、文化之外, 使学生认为科学是科学家独立运作的产物; (会使学生对科学的本质没有正确的认识, 误以为所有的科学研究过程具有一致性、科学知识具有绝对性、科学知识是一种线性累积的过程%%等等[10]。重视体现科学本质的化学教材, 应该向学生描绘一个全面而立体的化学, 从内容的选择、组织、呈现方式和语言的运用等方面, 都应该准确把握科学本质内涵, 显性体现科学的本质, 只有这样, 才能在化学课程中真正实现科学本质与教育本质的统一。

3 3 重构教科书科学本质文本话语

教师往往习惯于将教科书作为教学的! 依据∀, 倾向于尽可能忠实地反映教科书设计者的意图。因此, 理科教科书的编制, 特别是教科书科学本质文本话语对于理科教师的观念和教学行为的影响就显得尤为突出。因此, 在准确把握科学本质内涵的前提下, 教科书话语应较少使用! 客观性∀、! 真理性∀、! 确定性∀、! 证明∀、! 发现∀等, 较多使用! 观察∀、! 推论∀、! 猜测∀、! 可能是∀、! 支持∀、! 提出∀等话语[11]。如, 在呈现以实验为基础的教学活动时, 文本话语应该使用! 我们观察到了什么? ∀在此基础上进一步的话语是! 我们能够推论出什么? ∀对于实验结果与预测一致时, 应该使用! 支持了∀的话语。在呈现科学定律的时候, 应该

3 启示

3 1 在课程标准中明确科学本质及其内涵

课程标准是教材编写的直接依据, 虽然 普通高中化学课程标准 在课程性质中提出了! 高中化学课程应有助于学生加深对科学本质的认识∀的要求[9], 但课程标准对科学本质的内涵并无明确说明。虽有部分内容涉及到科学本质, 却未能准确把握科学本质内涵。如, 对科学探究8个要素的明确界定, 似乎传递着这样一种观念∃∃∃科学探究有着固定的程序和方法。再如, 对于化学与社会的相互作用, 课程标准中强调的是! 能够对与化学有关的社会和生活问题做出合理的判断∀! 赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献, 关注与化学有关的

使用的知识形成话语是! 从大量的事实可以归纳出%%∀; 在呈现科学理论的时候, 应该使用的知识形成话语是! 科学家提出%%理论能够很好地解释这些事实, 这种理论的合理性可以通过证实其预测的情况来间接找到支持性依据∀等。3 4 改变程序化的科学探究活动编排

受课程标准中科学探究8个要素的影响, 教材编写往往将科学探究活动程序化, 强调所谓的探究步骤和方法。这种将复杂的探究活动简单化和程序化的做法, 并不能使学生真正理解科学探究的含义, 学生会误认为进行科学探究就是严格按照教科书规定的步骤, 通过观察、实验、收集证据来获得结论, 体会不到其他因素对科学活动的影响, 使学生学到的科学与科学的本来面目大相径庭。所以教材在编写科学探究活动时不仅要有稳态的探究(stable inquiry ) , 而且要有动态的探究(fluid in quiry) [12]。稳态的探究是指在一定的科学原理指导下, 利用某种常规的研究方法, 发现并积累关于某个问题或现象的科学知识的过程。动态的探究却没有现成的科学原理或方法作为探究实践的依据或可以效仿的先例。动态的探究更具有开放性和创新的特点, 因而也更好地体现了科学的本质。3 5 重视化学史的合理编排

科学的本质贯穿在科学发展的历史中, 化学史内容是促进学生理解化学科学本质的一个重要而有效的平台。在化学教材中融人化学史, 让学生在特定的历史背景或框架中学习化学, 可以使学生在了解科学概念、定理和理论的发现和演变过程的基础上, 更准确地领悟科学的本质。但是现行教科书在化学史内容部分普遍缺少体现科学本质的相关任务的设计, 对学生理解科学本质缺乏显性的引导。并且, 化学史主要分布在教科书的非正文部分, 作为学生的阅读性材料, 而单凭学生阅读很难全面、深入地理解化学史中蕴含的科学本质, 故导致了教科书中的化学史对科学本质观的教育价值没有充分、有效地发挥出来。教材编写时应选择化学史上较典型的事件置于正文中, 合理选择不同科学家的思考、观点、研究结果甚至出现的错误, 展现科学发展的真实面貌, 突出科学知识发展的过程及其产生的影响, 使其生动地体现出该过程中所蕴含的科学本质要素

[13]

3 6 设计反思性活动栏目

发展学生的科学本质观是一种认知性教学结果, 这种学习需要反思性活动。反思性方法强调学生意识到一些与他们参与的科学活动有关的科学本质观方面。已有研究表明, 反思性活动对于科学本质观发展具有显著的效果

[14]

。教材应该为学生提

供多种机会反思科学本质, 以帮助学生发展科学本质理解。可以对科学家的认识活动史进行反思, 也可以对学生自己的认识活动过程进行反思。在反思性活动中, 让学生从知识的! 来龙去脉∀综合评价知识的合理性。! 来∀指的是知识的产生方式, ! 去∀指的是知识的解释功能和预测指导研究功能。例如, 在! 化学键∀部分, 教材设计反思性讨论活动! 我们能够观察到化学键吗∀、! 我们凭什么相信化学键的存在∀、! 我们为什么相信化学键理论的合理性∀等, 就有可能使学生区别观察(许多化学反应伴随热量) 和推论(化学反应是一个强作用取代弱作用的过程) , 使学生认识到化学键理论之所以能够被相信, 是因为该理论能够很好地解释化学反应的本质, 解释化学反应中的能量变化, 预测物质的物理性质和化学性质, 而且所预测的物质性质能够得到实验事实的有效支持。

参 考 文 献

[1] Abd El Khalick F, Bell B L, Lederman N G. Science Educa

tion , 1998, 82(4) :417-437

[2] Abd El Khalick F. In ternation al Journ al of S cien ce Educa

tion , 2005, 27(1) :15-42

[3][4][5] Abd El Khalick F, W aters M , Le A P. Journal of

Research in S cience T eachin g, 2008, 45(7) :835-855

[6]

(美) 菲利普(Phillips J S) 等编著. 化学概念与应用. 王祖浩等译. 杭州:浙江教育出版社, 2008:79

[7] 王磊主编:普通高中课程标准实验教科书:化学. 济南:山

东科学技术出版社, 2004:11

[8] 张家治. 化学史教程. 太原:山西教育出版社, 2004:69[9] 中华人民共和国教育部制订. 普通高中化学课程标准(实

验) . 北京:人民教育出版社, 2003:1

[10] Wandersee J H. Journal of Resear ch in Science T eaching,

1992, 29(4) :423-434

[11] 梁永平. 湖南师范大学教育科学学报, 2005, 4(6) :16-21

[12] 李华. 课程#教材#教法, 2003, (4) :56-59[13] 毕华林, 刘冰. 化学教育, 2007, 28(5) :11-15[14] Rola Khish fe, Foaud Abd El Khalick. Journal of Res earch

in Science T eaching, 2002, 39(7) :551-578

, 并辅之以一定的学习任务设计, 使

学生能够领悟到科学的本质。

2010年第12期 化 学 教 育#11#

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课程与教材研讨

中美高中化学教材中科学本质内容水平的比较及启示

杨玉琴 王祖浩

(华东师范大学化学系 上海 200062)

摘要 理解科学本质是科学素养的核心成分, 科学教材是影响学生和教师对科学本质理解的主要因素之一。通过对我国现行3套高中化学必修教材及美国主流化学教材 化学概念与应用 科学本质内容水平的比较, 发现中美化学教材的科学本质内容水平都较低。建议教材编写以显性方式准确呈现科学本质内容, 科学探究活动、化学史的编排需符合科学本质内涵, 恰当设计反思性活动栏目, 重构教科书文本话语。

关键词 化学教材 科学本质 科学探究活动 化学史 显性方式科学教育的重要目标是提高学生的科学素养, 理解科学本质是科学素养的核心成分。帮助学生发展适当的科学本质观(NOS) 是! 表述最普遍的科学教育目标之一∀, 已被大多数科学家、科学教育组织和科学教育者认同达90年[1]。美国 国家科学教育标准 (1996) 和英国 国家理科课程 (2000) 中都将认识科学本质作为重要的课程目标之一, 且对不同学段的学生提出了具体要求。然而, 国际上关于科学本质的研究普遍显示, 绝大多数教师和学生对科学本质主要方面的理解仅达到质朴水平(Naive understand) 。美国著名科学教育家Khalick 认为, 科学教材对科学本质有关方面呈现的偏差是造成当前学生和教师对科学本质理解不良现状的主要因素之一

[3]

[2]

英、澳等8个国家的科学教育文件后得出的科学本质的共识有很大程度上的相似性。本研究以这些普遍认同的方面作为框架对教材的科学本质内容进行分析。

表1 科学本质的10个方面及其内涵

科学本质经验性

具体内涵

科学知识的产生基于对自然现象或实验事实的观察, 观察需要借助于仪器及理论框架的指引科学以观察和推理为基础。在观察与推论之间

推理性

有着重要区别。科学观察是指通过人的感官或科学仪器而获得的关于客观世界的信息。科学推理则是对观察到的现象的解释

科学家在他们的科学研究的整个过程中都需运用想象力和创造力。科学知识是在对自然界的观察的基础上运用人类的想象和逻辑推理创造出来的。科学的创造性以及推理性本质使得科学实体(原子、分子等) 都是功能性的理论模型而非对! 真实本体∀的复制

科学追求客观和精确。但科学的! 偏见∀是不可避免的。科学家从问题的提出, 到现象观察及实验设计, 以及对数据的解释, 常常是在其

主观性

已有科学理论的指导和影响下进行的。同时, 科学家个人的知识背景、国籍、性别、信念和经历等也会影响他们进行科学观察或实验的方式及结论

科学是一个不断探究、生产知识的过程。科学知识的暂定性有2方面的含义:一方面, 由于新的观察常常对主流理论提出挑战, 知识的发

暂定性

展变化是不可避免的。同时, 已有的观察数据, 也可能会被新的理论更恰当、更合理地解释。另一方面, 尽管科学思想是不断发展变化的, 然而很多基本的科学知识和规律又是相对稳定的

[4]

。

创造性

提高学生的科学素养是我国化学课程改革的主要宗旨。化学教材作为课程标准具体化的产物, 是促进学生科学素养全面发展的重要资源和工具, 应能够帮助学生建立化学课程内容与科学本质的联系, 增进对科学本质的理解。基于此, 对我国现行3个版本高中化学必修教材中的科学本质内容水平进行了研究, 并与美国主流化学教材 化学概念与应用 中的相应内容进行对比, 以期对我国化学教材的编制有所启示。

1 研究方法

1 1 分析框架

由于科学本身的复杂性, 科学哲学家、科学史学家、科学社会学家以及科学教育者对科学本质的理解仍有分歧, 但表1所示的10个主题能在专家中达成一致, 并与McComas 等人总结美、加、

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教育部人文社会科学重点研究基地重大项目! 当代中国科学教育转型研究∀(项目编号:07JJD880232) 的阶段成果之一

#12#

续表

科学本质

具体内涵

通常人们认为存在一个可以进行所有科学实践的菜单式的科学研究方法。这个理解是错误的,

科学研究途径的

多样性

并不存在能够确保所有知识发展的单一的! 科学方法∀。科学确实需要观察、比较、测量、检验、推测、假设、讨论并产生观点和概念化工具并建构理论和解释。但并非所有的科学家都遵循固定的所谓标准程序进行科学研究科学理论是得到良好确定、高度证实并且内部一致的解释性系统。科学理论用来(1) 解释表

科学理论的性质

面上不相干的几个研究领域的观察, (2) 产生研究的问题, (3) 指导将来的研究。理论通常都基于假设或者数学公理以及不能观察到的实体。因此, 不能直接被验证, 只有间接的证据能被用于支持理论和确立它的有效性

一般而言, 科学定律表述的是所观察到的现象之间的关系。而理论则是对所观察到的现象或规律的推论性解释。理论和定律之间没有等级关系, 理论和定律都是知识的不同形式, 不会相互转化

科学知识在产生之后需要经过科学共同体的交流和评论, 目的是减少科学家在知识建构过程中的主观性

科学是在一个大的文化环境下进行实践的人类事业。作为一种社会活动, 科学不可避免地反

科学的社会和文化嵌入性

映社会的价值观和世界观。同时, 社会文化的价值取向也直接影响科学研究经费的分配, 科学研究的方向及方法的选择, 乃至决定对科学解释或结论的取舍

化 学 教 育 2010年第12期

表2 科学本质内容分析赋值标准

分值

表现显性的、确切的且内部一致的表述2

显性的、较确切的表述

内涵

使用显性并确切的方式对科学本质的有关方面进行表述, 并在所选择的章节中关于科学本质有关方面的表述具有内部一致性

显性表述科学本质的有关方面并具有内部一致性, 但表述不完善能够从教材材料中推断出对科学本质有关方面的确切、一致的表述(例如相关的说明、活动、案例、或者化学史, 反思性的提示或者陈述) 对科学本质的有关方面没有进行显性或者隐性的处理, 或没有充足的材料(陈述、案例、历史小插图等) 传达出科学本质有关方面的信息可以从文本材料中推导出对科学本质有关方面的质朴表述

部分材料中可推断出对科学本质有关方面的确切表述, 而另一些材料中却以显性的方式进行了质朴表述, 或以显性的方式传达有关同一科学本质方面的相矛盾的信息

以显性的方式对科学本质进行质朴的表述

3

1

隐性、确切的表述

没有科学本质有关方面的表述

科学定律的性质

-1隐性的不当表述以显性与隐性混合的方式表述科学本质的有关方面

以显性的方式不当表述科学本质的有关方面

科学知识建构的社群性

-2

-3

1 4 评分信度分析

本研究的2位作者作为信度分析的主评判员, 通过计算得到相互同意度为0 795, 代入内容信度计算公式中得到信度值为0 886。内容分析中的信度值达到0 8即为达到标准, 所以本研究评分信度达标。

1 2 分析材料的选择

国内教材选择了现行3套高中化学必修教材,

分别为苏教版(2006) 、人教版(2006) 、鲁科版(2004) 。国外教材选择了美国高中化学主流教材之一 化学概念与应用 (2005) 。所选择的分析章节主要涉及! 科学探究∀! 科学方法∀、! 物质结构∀、! 有机结构∀、! 化学定律∀、! 化学史∀、! 化学与社会∀等内容, 之所以选择这些材料是因为这些内容与科学本质的有关方面直接相关。

1 3 赋值规则

为了便于分析比较, 依据表1所列的科学本质的10个方面, 对所选择分析的材料依据一定的规则进行赋值(见表2) 。已有研究显示, 对科学本质进行显性教学比隐性教学效果要好[5], 因此研究中使用的赋值标准还对科学本质有关方面的显性和隐性呈现方式进行了明确区分。对同一教材中所选择的材料没有进行独立分析和赋值, 而是对同一教材中涉及科学本质某一方面的全部材料进行综合分析后进行整体赋值。

2 结果与讨论

表3呈现了各版本教材在科学本质内容方面的得分情况。

表3 各版本教材科学本质内容得分

科学本质内涵

经验性推理性创造性主观性暂定性

科学研究途径的多样性

科学理论的性质科学定律的性质科学知识建构的社群性科学的社会和文化嵌入性

总分

人教201110-1-1003

苏教[1**********]

鲁科22101-320005

美国2111-2-33-3011

按照科学本质10个方面的赋分规则, 总分分布应在-30~30之间, 但4套教材的总分分布仅在1~6分之间, 虽然没有负分, 但总分都较低, 说明这些教材对科学本质内容的处理仍处于不自觉、不成熟状态。虽然国内教材比美国教材的得分要高, 但从数据分布来看, 美国教材涉及到科学本质的9个方面, 国内教材缺失点则较多, 其失分点可以给我们以警示。对结果的具体分析如下。2 1 科学本质内容点普遍有缺失

从总分看, 尽管国内人教版、苏教版、鲁科版教材得分皆高于美国教材, 但从科学本质的10个内容点方面分析, 可以得出各版本教材所涉及的百分比分别为:美国90%, 鲁科60%, 人教60%, 苏教50%。美国教材涉及了科学本质内容的9个方面, 其得分低的原因是对科学本质某些方面(如科学研究途径的多样性、科学定律的性质) 的不当表述, 而国内教材科学本质内容点的缺失高达40%~50%。缺失点主要体现在科学知识建构的社群性(100%缺失) 、科学的社会和文化嵌入性(75%缺失) 、科学的主观性(50%缺失) 及科学定律的性质(50%缺失) 。

科学并不是一种无价值偏向的求真活动, 科学家在研究过程中不可避免地要受到政治、经济、文化等社会因素及个人所持知识经验的影响。在整个科学知识的形成过程中, 科学社群亦扮演着极其重要的角色。但对于化学与社会的关系, 教材中更多强调的是化学对社会单方面的作用, 而社会、科学家社群以及科学家本人理论背景等对化学的影响几无涉及。例如, 对元素周期律内容的处理, 教材中大多会提供门捷列夫提出元素周期律、列出第一张元素周期表的史料, 也会呈现元素周期表的演变过程。但门捷列夫列夫最初提出元素性质是随原子量(而非原子序数) 的递增而呈周期性变化是受其已有个人经验背景(认为原子不可分) 的影响, 且元素周期律发展的初期科学界并未重视和认可, 经过许多年、许多科学家的批判检验后, 元素周期律才被认可作为! 科学知识∀。诸如此类科学家本人理论背景、科学家社群等对化学的影响教材中都未能提供显性陈述或背景材料。

2 2 对科学本质内容的呈现大多处于隐性水平

1分或-1分是对科学本质内容隐性的确切或不确切的表述。在表3的40个得分项中, 除去0

(计14个) 外, 1分和-1分所占的比例高达58%, 主要表现在创造性、推理性、主观性、暂定性及科学的社会和文化嵌入性上。对这些性质的推断大多依据的是教材中的化学史材料, 处于隐性水平。如, 凯库勒因从梦中获得启示提出苯的环状结构学说, 隐性说明了直觉和想象力对于科学家的重要性; 原子结构模型的演变、元素周期表的发展史等隐性表达了科学知识的暂定性; 舍勒虽然无意中得到了氯气, 但受当时流行的学说∃∃∃燃素的影响, 未能确认这种气体的! 庐山真面目∀的化学史间接地说明了科学家从事科学研究常常是在其已有科学理论的指导和影响下进行的。

2 3 对科学本质内容的表述不确切或不完善

美国教材虽涉及了科学本质的9个方面, 但其得分却较低, 主要原因是它对科学本质某些方面的不确切表述, 如教材用了一个图表来呈现科学方法的一般程序[6], 呈现了存在菜单式的、按部就班的、程序化的具有普遍意义的错误! 科学方法∀观。同样的情形也出现在我国鲁科版教材上[7]。国内苏教版和鲁科版教材皆有专门的章节讨论! 研究物质的程序和方法∀, 但都未能围绕科学本质的关键方面。

对于科学定律的显性且不确切的解说又使得美国教材失去3分。美国教材如此表述! 科学定律就是指在自然界中普遍存在并为人们所接受的一种事实。例如, 太阳每天早上从东方升起就是一条自然定律, 因为我们每天确实可以确切地看到这个现象%%尽管该教材在另外的材料中, 以隐性的方式, 如原子结构模型的演变、元素周期表的发展史等来说明科学知识的暂定性, 但由于它对科学定律显性且不当的表述, 导致其暂定性上得分为-2分。

4套教材在! 经验性∀方面的表现较为一致, 皆以显性的方式较确切地表述了实验及观察方法在获得化学科学知识方面的重要性。但却未能对其进行完善的表述, 如观察还需要仪器的帮助、已有理论框架的指引等。门捷列夫曾说:! 我的周期律的决定时刻在1860年, 我参加了卡尔斯鲁厄代表大会, 在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲, 正是他发现的原子量给我的工作以必要的参考。∀

[8]

在元素周期表的发现者中, 有3位都参加了

卡尔斯鲁厄会议。可见, 元素周期律的发现不仅是

一个观察总结, 在很大程度上还是原子理论的作用结果。科学知识的获得是在一定理论指导下的积极的感知过程。

2 4 不能显性区分观察与推理、科学定律与科学

理论

在科学本质的内涵中, 要求对观察与推理, 科学定律与科学理论有明确的区分。但在分析过程中发现, 4套教材都未能显性地说明观察与推理、科学定律与科学理论的区别。教材往往会显性地说明观察对科学的重要性, 即强调科学认识是以经验事实为基础的。但是科学并不是事实本身, 观察和推论之间有根本区别。如果对于观察和推论不能加以显性区别, 就会使学生认为推论就是观察的结果, 科学认识就是对自然世界的! 拷贝∀性! 发现∀。

科学定律和科学理论是科学认识的2种形式。在化学教材中往往会出现! 质量守恒定律∀、! 原子结构理论∀、! 化学键理论∀等, 但为什么有的科学知识称为! 科学定律∀? 有的科学知识称为! 科学理论∀? 国内教材皆没有做出说明。美国教材虽对科学理论的性质给出了显性且完善的说明! 科学家还通过建立理论将这些知识组织起来, 使之成为知识体系。理论是建立在大量的观察基础之上并为实验证实的解释。例如, 道尔顿的原子理论, 就是建立在很多科学家对物质进行了一次又一次观察的基础之上的。当科学家获得了新的更多的信息之后, 原有的理论基础必须加以修改, 甚至会被新的理论取代。科学理论的一个重要品质就是可以通过它进行一些成功的预测。∀但对科学定律的性质却给出了显性不当的说明。

社会热点问题, 逐步形成可持续发展的思想。∀强调的是化学对社会单方面的作用, 忽略了社会对科学的影响。如果课程标准在课程目标中没有明确提出科学本质的教育目标, 更没有对科学本质的内容加以显性说明, 其隐含的认识或模糊的表述, 无疑将影响教材的编写。

3 2 显性呈现全面而立体的科学本质

从教材分析中发现, 教材并没有将帮助学生理解科学本质作为化学教材的教育职能来看待。教材重视的是科学知识的掌握, 通常用大量篇幅介绍知识是什么以及如何应用, 而忽视科学知识的认识过程、科学的社会文化性等特征。科学本质的许多方面只能从零星的化学史材料中推断出来, 处于隐性水平。单纯地呈现科学假说、事实、理论的! 最终形式∀(final form ) 的教科书, 将会有以下3个危险(risk) :&简化了科学理论的结构以及与其他理论之间的互动, 使学生认为所有的科学知识或理论均有相同的角色、地位; ∋将科学理论孤立于社会、文化之外, 使学生认为科学是科学家独立运作的产物; (会使学生对科学的本质没有正确的认识, 误以为所有的科学研究过程具有一致性、科学知识具有绝对性、科学知识是一种线性累积的过程%%等等[10]。重视体现科学本质的化学教材, 应该向学生描绘一个全面而立体的化学, 从内容的选择、组织、呈现方式和语言的运用等方面, 都应该准确把握科学本质内涵, 显性体现科学的本质, 只有这样, 才能在化学课程中真正实现科学本质与教育本质的统一。

3 3 重构教科书科学本质文本话语

教师往往习惯于将教科书作为教学的! 依据∀, 倾向于尽可能忠实地反映教科书设计者的意图。因此, 理科教科书的编制, 特别是教科书科学本质文本话语对于理科教师的观念和教学行为的影响就显得尤为突出。因此, 在准确把握科学本质内涵的前提下, 教科书话语应较少使用! 客观性∀、! 真理性∀、! 确定性∀、! 证明∀、! 发现∀等, 较多使用! 观察∀、! 推论∀、! 猜测∀、! 可能是∀、! 支持∀、! 提出∀等话语[11]。如, 在呈现以实验为基础的教学活动时, 文本话语应该使用! 我们观察到了什么? ∀在此基础上进一步的话语是! 我们能够推论出什么? ∀对于实验结果与预测一致时, 应该使用! 支持了∀的话语。在呈现科学定律的时候, 应该

3 启示

3 1 在课程标准中明确科学本质及其内涵

课程标准是教材编写的直接依据, 虽然 普通高中化学课程标准 在课程性质中提出了! 高中化学课程应有助于学生加深对科学本质的认识∀的要求[9], 但课程标准对科学本质的内涵并无明确说明。虽有部分内容涉及到科学本质, 却未能准确把握科学本质内涵。如, 对科学探究8个要素的明确界定, 似乎传递着这样一种观念∃∃∃科学探究有着固定的程序和方法。再如, 对于化学与社会的相互作用, 课程标准中强调的是! 能够对与化学有关的社会和生活问题做出合理的判断∀! 赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献, 关注与化学有关的

使用的知识形成话语是! 从大量的事实可以归纳出%%∀; 在呈现科学理论的时候, 应该使用的知识形成话语是! 科学家提出%%理论能够很好地解释这些事实, 这种理论的合理性可以通过证实其预测的情况来间接找到支持性依据∀等。3 4 改变程序化的科学探究活动编排

受课程标准中科学探究8个要素的影响, 教材编写往往将科学探究活动程序化, 强调所谓的探究步骤和方法。这种将复杂的探究活动简单化和程序化的做法, 并不能使学生真正理解科学探究的含义, 学生会误认为进行科学探究就是严格按照教科书规定的步骤, 通过观察、实验、收集证据来获得结论, 体会不到其他因素对科学活动的影响, 使学生学到的科学与科学的本来面目大相径庭。所以教材在编写科学探究活动时不仅要有稳态的探究(stable inquiry ) , 而且要有动态的探究(fluid in quiry) [12]。稳态的探究是指在一定的科学原理指导下, 利用某种常规的研究方法, 发现并积累关于某个问题或现象的科学知识的过程。动态的探究却没有现成的科学原理或方法作为探究实践的依据或可以效仿的先例。动态的探究更具有开放性和创新的特点, 因而也更好地体现了科学的本质。3 5 重视化学史的合理编排

科学的本质贯穿在科学发展的历史中, 化学史内容是促进学生理解化学科学本质的一个重要而有效的平台。在化学教材中融人化学史, 让学生在特定的历史背景或框架中学习化学, 可以使学生在了解科学概念、定理和理论的发现和演变过程的基础上, 更准确地领悟科学的本质。但是现行教科书在化学史内容部分普遍缺少体现科学本质的相关任务的设计, 对学生理解科学本质缺乏显性的引导。并且, 化学史主要分布在教科书的非正文部分, 作为学生的阅读性材料, 而单凭学生阅读很难全面、深入地理解化学史中蕴含的科学本质, 故导致了教科书中的化学史对科学本质观的教育价值没有充分、有效地发挥出来。教材编写时应选择化学史上较典型的事件置于正文中, 合理选择不同科学家的思考、观点、研究结果甚至出现的错误, 展现科学发展的真实面貌, 突出科学知识发展的过程及其产生的影响, 使其生动地体现出该过程中所蕴含的科学本质要素

[13]

3 6 设计反思性活动栏目

发展学生的科学本质观是一种认知性教学结果, 这种学习需要反思性活动。反思性方法强调学生意识到一些与他们参与的科学活动有关的科学本质观方面。已有研究表明, 反思性活动对于科学本质观发展具有显著的效果

[14]

。教材应该为学生提

供多种机会反思科学本质, 以帮助学生发展科学本质理解。可以对科学家的认识活动史进行反思, 也可以对学生自己的认识活动过程进行反思。在反思性活动中, 让学生从知识的! 来龙去脉∀综合评价知识的合理性。! 来∀指的是知识的产生方式, ! 去∀指的是知识的解释功能和预测指导研究功能。例如, 在! 化学键∀部分, 教材设计反思性讨论活动! 我们能够观察到化学键吗∀、! 我们凭什么相信化学键的存在∀、! 我们为什么相信化学键理论的合理性∀等, 就有可能使学生区别观察(许多化学反应伴随热量) 和推论(化学反应是一个强作用取代弱作用的过程) , 使学生认识到化学键理论之所以能够被相信, 是因为该理论能够很好地解释化学反应的本质, 解释化学反应中的能量变化, 预测物质的物理性质和化学性质, 而且所预测的物质性质能够得到实验事实的有效支持。

参 考 文 献

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[6]

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[11] 梁永平. 湖南师范大学教育科学学报, 2005, 4(6) :16-21

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, 并辅之以一定的学习任务设计, 使

学生能够领悟到科学的本质。