自本世紀(jì)初課程改革實施以來，物理課程理念發(fā)生了巨大變化，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2003版，以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）從科學(xué)本質(zhì)的角度重新提出了物理課程的培養(yǎng)目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)以人的發(fā)展為本、提升全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。隨著實踐的不斷深入，諸多實證研究肯定了課程改革的巨大成就，同時也指出了其中仍然存在亟待解決的重要問題。例如，探究的過程過于僵化，忽視了對學(xué)生的思維發(fā)展，未能通過探究的方式將科學(xué)思維、核心概念等進(jìn)行有效的融合與整合，等等。
在堅持上一輪課改重視“科學(xué)探究”的同時，本次在修訂課程標(biāo)準(zhǔn)的過程中更加凸顯對學(xué)生“科學(xué)思維”方面的要求和重視程度。在科學(xué)探究的過程中不僅注重動手能力的培養(yǎng)，而且更加注重對學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等動腦能力的培養(yǎng)。
在物理核心素養(yǎng)的統(tǒng)領(lǐng)下，教科書要在繼承和發(fā)揚之前教科書精華部分的基礎(chǔ)上繼續(xù)完善。那么，現(xiàn)有教科書在科學(xué)思維的設(shè)計上與核心素養(yǎng)的要求有哪些差異，又如何進(jìn)行完善？這便是本部分主要探討的內(nèi)容。
（一）物理中的科學(xué)思維
“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化，是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。
“科學(xué)思維”是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中形成的關(guān)鍵能力，是物理核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容。不論是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究活動中，還是在“物理觀念”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的形成過程中，都需通過科學(xué)思維，同時科學(xué)思維水平明顯影響著其他物理核心素養(yǎng)的水平。“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。
通過高中階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)具有建構(gòu)理想模型的意識和能力；能正確運用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論，并能解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題；具有使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力，能運用證據(jù)對研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測；具有批判性思維的意識，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新。
（二）教科書體現(xiàn)科學(xué)思維的途徑
“科學(xué)思維”是發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，它貫穿于知識建構(gòu)和知識應(yīng)用的全部過程。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中有著自身的認(rèn)知過程，這個過程通常起始于學(xué)生已有的思維基礎(chǔ)，如生活中積累的各種經(jīng)驗，或是觀察到的各種現(xiàn)象，甚至是自身根據(jù)觀察和經(jīng)驗所形成的原始“理論”。在這個基礎(chǔ)上，學(xué)生或利用實驗、觀察的方式歸納得出事物間的規(guī)律和聯(lián)系，在教師的引導(dǎo)和幫助下，將規(guī)律上升為理論或模型；或通過演繹的方式，通過邏輯推理形成有待檢驗的科學(xué)假設(shè)，而后利用實驗對其進(jìn)行檢驗，最終形成物理理論或模型。①圖1展示學(xué)生獲取知識的一般過程，這實際上也是發(fā)展科學(xué)思維的過程。
科學(xué)思維貫穿了圖1所示的獲取知識一般過程，從觀察出發(fā)，經(jīng)過邏輯的加工，最后上升為理論。在知識建構(gòu)和知識應(yīng)用的不同階段，學(xué)生不僅習(xí)得了知識，同時還掌握了相應(yīng)的方法和背后的思維方式，以及在科學(xué)本質(zhì)的層面獲得相應(yīng)的意識與認(rèn)知。以下就以知識建構(gòu)和知識應(yīng)用（即科學(xué)思維發(fā)展）的各個階段為單元進(jìn)行劃分，描述每個階段所涉及的重要物理思維能力以及應(yīng)該體現(xiàn)的物理本質(zhì)理念。
提出科學(xué)問題與形成科學(xué)假設(shè)階段。利用生活中的真實經(jīng)歷與課堂觀察創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，在情境中培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，引導(dǎo)其提出可研究的科學(xué)問題，形成可檢驗的科學(xué)假設(shè)。在這個過程中應(yīng)當(dāng)承認(rèn)科學(xué)具有主觀性，允許學(xué)生針對同一現(xiàn)象形成不同的科學(xué)問題以及做出不同的科學(xué)假設(shè)。教科書應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生運用批判性思維進(jìn)行質(zhì)疑，通過去偽存真的過程保留可被探究的若干科學(xué)猜想。
制訂研究方案和執(zhí)行研究方案階段。物理研究沒有唯一、固定的方法和程序，在強(qiáng)調(diào)動手探究，通過實驗搜集證據(jù)、歸納結(jié)論的同時，也應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)略邏輯的力量。在既能通過實驗探究，又能通過理論推理（而后驗證）得出結(jié)論的地方提供多種方案供學(xué)生選擇，促使學(xué)生理解科學(xué)方法、手段的多樣性，理解科學(xué)推理的重要性。
分析解釋證據(jù)與形成模型階段。物理理論、核心概念是在已獲得的有限事實的基礎(chǔ)上進(jìn)行的進(jìn)一步概括和抽象，在這個過程中要引導(dǎo)學(xué)生形成謹(jǐn)慎和實事求是的科學(xué)態(tài)度，在得出物理理論、模型、概念的同時注意它們的適用條件，認(rèn)識到任何物理理論都具有局限性。
使用模型和解釋應(yīng)用階段。引導(dǎo)學(xué)生正確提取主要因素，忽略次要因素，建立恰當(dāng)?shù)奈锢韴D景，從而為恰當(dāng)使用模型做準(zhǔn)備。在解釋的過程中，應(yīng)當(dāng)注重強(qiáng)調(diào)科學(xué)論證的重要性。即結(jié)論與事實并非必然地聯(lián)系在一起，需要利用科學(xué)理論和推理將二者合理地整合在一起，形成有說服力的科學(xué)解釋。
（三）現(xiàn)行物理教科書的實證分析
本研究選取現(xiàn)行物理教科書中使用最廣泛的3個版本作為樣本，分別編號為PA、PB、PC，圍繞運動學(xué)、牛頓力學(xué)、靜電學(xué)、電路、磁學(xué)、近代物理等高中物理學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容進(jìn)行分析，具體包括牛頓第二定律、萬有引力定律、機(jī)械能守恒定律、動量守恒定律、庫侖定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等核心概念、定律和原理。
將教科書中的章節(jié)內(nèi)容按照所涉及的概念、定律或原理劃分為“分析單元”如表1所示。
對每個分析單元分別從科學(xué)思維發(fā)展的各個階段進(jìn)行文本分析。針對各個階段，從關(guān)注科學(xué)思維的視角出發(fā)，將教科書對與科學(xué)思維有關(guān)的處理方式分為不涉及思維過程、直接呈現(xiàn)思維過程和引導(dǎo)學(xué)生自我建構(gòu)思維過程三個類別加以分析。
分析結(jié)果顯示，雖然各個版本的教科書在欄目、版式等方面具有各自的特點，但在體現(xiàn)科學(xué)思維方面卻是共性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于個性。這既是物理學(xué)科自身特點所決定的，也是大家在實現(xiàn)物理課程標(biāo)準(zhǔn)三維目標(biāo)要求方面找到了最大公約數(shù)的結(jié)果。因此，在結(jié)果分析中，不再分別對不同版本的教科書進(jìn)行結(jié)果描述，而是將三個版本的教科書的主要共同特點呈現(xiàn)給讀者，使讀者對我國現(xiàn)階段高中物理教科書形成一個宏觀的了解。
1. 提問和假設(shè)中的科學(xué)思維設(shè)計情況
科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，而提出科學(xué)問題和形成科學(xué)假設(shè)正是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的起點。從科學(xué)思維以及情境類型的角度看，樣本教科書在此階段的內(nèi)容設(shè)計可以劃分為六類（見表2）。日常經(jīng)驗包括學(xué)生曾經(jīng)經(jīng)歷的實例以及曾經(jīng)觀察過的現(xiàn)象等，已有知識則主要指學(xué)生在之前課堂上曾經(jīng)學(xué)習(xí)的知識、實驗等。推理過程既包括依據(jù)知識的邏輯推理（歸納、演繹），也包括類比等遷移創(chuàng)新型推理。
教科書在該階段的科學(xué)思維設(shè)計情況統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。三版教科書中均有65%左右的情境是依據(jù)學(xué)生的日常經(jīng)驗構(gòu)建的，另外35%左右則是以學(xué)科知識為基礎(chǔ)展開的。35%左右僅給出情境中的實例，在不涉呈現(xiàn)及任何思維過程的情況下直接給出科學(xué)假設(shè)；50% 左右的情境中則通過文字、圖表、旁批等方式直接展示了具體的推理過程，而后給出科學(xué)猜想；15%左右的情境中，教科書通過設(shè)問、搭建腳手架的方式引導(dǎo)學(xué)生自行進(jìn)行推理并最終形成科學(xué)假設(shè)。
2. 制訂和執(zhí)行方案中的科學(xué)思維設(shè)計情況
在本環(huán)節(jié)，教科書的內(nèi)容設(shè)計同樣可以從學(xué)生的思維參與程度以及研究方案的開放程度上進(jìn)行分類，如表3所示。
從對樣本的分析來看，教科書中30%左右直接給出具體方案，40%左右在給出方案的同時也給出具體的設(shè)計思路，有30%左右是引導(dǎo)學(xué)生自我構(gòu)建具體方案。（見圖3）
現(xiàn)行3個版本物理教科書在該環(huán)節(jié)的設(shè)計上，通常傾向于直接向?qū)W生提供研究方案，其中教科書PA有接近一半的設(shè)計會提供多種研究方案供學(xué)生選擇，促使學(xué)生加深對科學(xué)方法和手段多樣性的理解。在制定研究方案和推理過程方面，教科書通常也是直接給出，只有極個別時候會引導(dǎo)學(xué)生對方案的局部進(jìn)行推理和建構(gòu)。另外，現(xiàn)行3個版本教科書在更多的情況下只向?qū)W生提供一種研究方案，并且60%左右的方案中只提供具體的操作步驟，而不涉及制訂這一方案背后的思維過程，另有40%左右的方案中會引導(dǎo)學(xué)生自行思考、構(gòu)建研究方案。
3. 分析解釋、得出結(jié)論與知識應(yīng)用中的科學(xué)思維設(shè)計情況
在這個環(huán)節(jié)，所選樣本都是從所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)、圖表等證據(jù)出發(fā)，在學(xué)生認(rèn)知水平可接受的范圍內(nèi)通過論證和推理的方式得出科學(xué)結(jié)論的。所不同的是，70%的推理過程是由教科書直接給出的，其中既包括通常的數(shù)學(xué)推理，也包括理想實驗等思維方法的呈現(xiàn)。另外30%左右則是給學(xué)生以必要的提示，通過搭建腳手架來引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷從證據(jù)到結(jié)論的推理論證過程的。
在第二類的情況中，既有演繹的推理方式，又有歸納的推理方式。例如，PA版教科書研究勻變速直線運動的位移與時間關(guān)系時，以師生對話的方式呈現(xiàn)了課堂討論的一個場景，引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用速度-時間圖象計算物體的位移。在這個過程中，教科書假借“教師”和“學(xué)生”的角色，利用同學(xué)間的對話以及教師的提示來啟發(fā)學(xué)生意識到可以利用將斜線看做“無數(shù)段平直線段”的極限思維來解決問題。
知識應(yīng)用主要是指利用所得出的概念、規(guī)律、原理等解決相應(yīng)的物理問題。在現(xiàn)行物理教科書中，知識應(yīng)用主要是通過對例題的編排和處理來實現(xiàn)的。教科書在每個重要的概念、規(guī)律和原理學(xué)習(xí)后都配有相應(yīng)的例題供學(xué)生鞏固所學(xué)知識。但教科書中的所有例題在問題解決過程的呈現(xiàn)方式上，都未能凸顯解決問題的一般步驟和方法。
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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