PISA視域下中英高中主流物理教材的對比研究
——以“電磁感應”單元為例

關 菲 彭朝陽

(云南師范大學物理與電子信息學院,云南 昆明 650500)

2021年3月OECD頒布了PISA 2024StrategicVisionAndDirectionForScience(《PISA 2024科學的戰略愿景和方向》),指出了PISA 2024評估框架將從科學知識、科學能力和科學身份認同3個維度進行科學素養水平評估,[1-2]其中科學情境內隱于這3個維度中,科學素養測評框架主要凸顯科學地解決真實問題的能力,科學知識維度更加強調跨學科整合,科學能力維度更為側重社會決策需求,科學身份認同維度更加注重為學生的學習成就奠基.[3]

PISA對于科學素養的定義反映了時代對學生應當具備的科學素養的要求變化,以“電磁感應”單元為例,在PISA視域下對中、英兩國主流高中物理教材進行差異化對比研究,歸納兩版教材在該單元教學過程中存在的優勢和不足,為新課標解讀、教材分析、實際教學提供有效思路,從而促進學生科學素養的提升,實現與國際科學教育的接軌.

1 研究框架

1.1 PISA 2025科學素養測評框架

受新冠疫情影響,原定于2021年實施的國際學生評估項目(Program for International Student Assessment,PISA)推遲一年,依次順延后按照輪轉原則,以科學素養為主要測評領域的PISA 2025恰好完成了與上一輪PISA 2015科學素養測評相呼應的十年之約.[3]在時代變革影響和原有PISA 2015的測評框架背景下,PISA 2025的科學素養測評框架如圖1.[4]

圖1 PISA 2025科學素養測評框架

1.2 中英主流物理教材

為了研究的代表性,本文選取的國內主流高中物理教材為由人民教育出版社、課程教材研究所、物理課程教材研究開發中心共同編著的《普通高中教科書·物理》[5](簡稱人教版教材);選取的英國主流高中物理教材為劍橋大學出版社編著的CambridgeInternationalASandALevelPhysicsCoursebook[6](簡稱劍橋版教材),兩套教材均由權威出版社出版、是適用范圍最廣的最新版本教材,詳細教材信息見表1.

表1 兩套高中物理教材信息

1.3 中英高中主流物理教材的對比研究

研究流程如圖2,選取中英兩國高中主流物理教材中的任一單元,遵循“以終為始”的目標導向原則,以兩國物理課程標準中規定的單元教學目標為依據,從PISA 2025科學素養的3個主要測評維度出發,對比分析兩版教材的知識涵蓋廣度、知識呈現欄目、教學組織邏輯、活動編排邏輯、STSE觀念滲透等,總結兩國教材的特點,以期為我國新一輪課程改革提出有效建議.

圖2 PISA視域下的教材對比研究流程

2 研究實例

為加深讀者對PISA視域下中英高中主流物理教材對比研究的理解,筆者選取“電磁感應”單元進行實例分析,具體研究內容如下.

2.1 單元教學目標對比分析

參照國內最新版《普通高中物理課程標準》(2017年版2020年修訂)和英國劍橋考試局最新發布的《CIE_A級物理考試大綱》進行單元教學目標對比分析,見表2,發現中英兩國的單元教學目標均涵蓋了對學生科學知識、科學能力、科學身份認同方面的培養要求.

表2 中英兩國單元教學目標對比

對比發現:我國新課標提出的教學目標更注意貼合人教版教材的單元教學進度,更符合學生的思維進階規律,以不同程度的行為動詞劃分了學生應達到的知能水平,直接指出了學生應探尋物理對現代生活的影響;因劍橋版教材內容直接以主題模塊劃分,其考試大綱提出的教學目標綜合性更強,更重視問題解決,具化了實驗應達到的預期要求,更便于學生在探究活動過程中的自評和他評.

2.2 依據PISA 2025科學素養測評框架的主要維度對比分析單元教學內容

從PISA 2025科學素養測評重點關注的科學知識、科學能力和科學身份認同3大維度出發,通過梳理教材單元內容知識涵蓋廣度和呈現形式,分析單元教學組織邏輯、活動編排程序和挖掘教材中滲透的知識生活化、技術社會化的觀念,對比剖析中英兩版教材的“電磁感應”單元內容特點.

2.2.1 科學知識維度

首先,從單元知識涵蓋廣度分析,發現兩版教材的單元核心內容大體一致,均符合新版課程標準和考試大綱規定.由表3的中英教材單元內容對比可知,人教版教材單元內容多介紹了互感和自感現象,借實驗現象及相關應用加深學生對感應電流和感應電動勢的深層理解;劍橋版教材單元內容則多設計了應用專題,詳細介紹了變壓器、發電機的原理及結構,體現了科學知識的社會性,為下一模塊交流電的學習做充分鋪墊.

表3 中英教材“電磁感應”單元內容對比

由圖3的單元知識點分布對比圖可知,人教版教材對本單元知識點研究更細致,如自感系數、感生電場等知識點的補充,使單元核心內容更加飽滿;劍橋版教材涵蓋的知識點更深度,如“磁鏈”是國內教育體系中大學物理的內容,但國內高中階段習題中已存在辨析“磁通量與匝數、感應電動勢與匝數”等量的關系,易造成學生的認知混亂,而劍橋版教材此處引入該概念可使“磁通量-磁鏈-磁通量變化量-磁通量變化率-感應電動勢”的知識結構體系更連貫,幫助學生梳理知識脈絡的同時提升辨析各物理概念及規律的能力.

圖3 中英教材“電磁感應”單元知識點分布對比

其次,從單元知識呈現形式分析,按欄目設置劃分為思考式、活動式、應用式和拓展式,發現中英兩版教材內容在這些方面均有涉獵,但具體的設計形式有差異,如表4.

表4 中英兩版教材單元欄目設置對比

人教版教材中思考式欄目形式多變,多位于正文知識學習前,主要借提問引發學生思考、激發學習熱情、推動認知發展;活動式欄目以實驗形式存在,實驗數量更多,實施主體更多元,便于多角度發揮實驗的作用;應用式欄目主要以習題形式存在,習題數量較多,體現其更重視知識點的練習和基礎知識的測試;拓展式欄目涉獵更廣,以名人名言、科學方法等形式科普綜合類知識,豐富學生的物理學史和科學素養,增強學生的學科認同感.

劍橋版教材中思考式欄目以實踐案例為主,多于正文知識學習過程中,問題數量較多,且多用于知識的實際應用,為學生的自主學習提供了階梯式輔助;活動式欄目中實驗均為學生自主探究實驗,但于正文部分會輔以演示實驗等對知識點予以補充;應用式欄目中有章末總結環節幫助學生回顧并形成知識框架,習題數目雖少,但其情境化水平較高、探究性更強;拓展式欄目以注釋和插圖為主,插圖更具生活性,多為立體圖,便于學生空間感的培養.

值得一提的是,人教版教材中結論性語言較多,劍橋版教材中疑問式語言較多,且伴有“You can”等正向詞匯用語的心理暗示.

2.2.2 科學能力維度

科學能力是學生在完成科學認識活動和問題解決活動過程中,系統化、結構化的科學知識對活動經驗的定向調節和執行機制.[3]學生的科學能力需要在活動中體現,故從教學活動組織邏輯和探究活動的編排程序中分析中英兩版教材對培養學生科學能力的影響.

從教學活動的組織邏輯進行對比,中英兩版教材的知識呈現脈絡各有特色.

如圖4所示,人教版教材以三峽水電站的巨型發電機的生活情境做本單元知識導引,各小節均以問題情境作導入,先介紹“楞次定律”,后“法拉第電磁感應定律”,再“電磁感應現象的應用”,遵循先定性再定量、先現象再本質、先理論再實踐的認知規律,擁有更嚴密的邏輯性.

如圖5所示,劍橋版教材開篇介紹“巨型風力渦輪機”的工作原理,以3個自主探究實驗引導學生觀察現象,建構移動導線切割磁感線情境解析感應電動勢、磁通量等核心概念,先“法拉第電磁感應定律”做定量分析,再由“楞次定律”歸納感應過程中力與運動關系及伴隨的能量轉換,最后以應用專題呈現電磁感應的現實意義,且章首提出的預期學習成果與章尾總結形成了完整的教學閉環.

圖5 英國劍橋版教材單元組織邏輯

從探究活動的編排程序進行對比,以探究實驗為例,兩版教材具體的活動過程各有側重.

如圖6,人教版教材本單元涉及的實驗較多,但探究實驗僅“探究影響感應電流方向的因素”.由教師演示實驗激發學生思考,引導學生觀察現象并記錄,歸納總結得出規律,讓學生真正經歷科學探究過程,活動編排遵循“教師主導、學生主體”的教育理念.

圖6 人教版教材單元的相關實驗

如圖7,英國劍橋版教材本單元相關實驗及現象提及較多,但明確的探究實驗僅為3個簡單的學生自主實驗,“發電機如同反向工作的電動機—磁鐵在線圈附近移動會產生電流—導線在磁場中移動時會產生電流”,學生自主探究過程中體會并觀察電磁感應的特征,在解釋現象的過程中逐漸達成認知進階,活動編排更符合先現象再本質認識邏輯.

圖7 劍橋版教材單元的相關實驗

2.2.3 科學身份認同維度

在整合科學態度和科學情境的基礎上,PISA 2025主要從科學資本、批判的科學使用者、包容的科學經驗和實踐、道德倫理和價值觀方面評價學生的科學身份認同素養,[3]故從知識生活化和技術社會化角度挖掘教材中內隱的科學價值觀和科學認同度.

中英兩版教科書均重視科技因素在實際生活中的應用.人教版教材中涉及的生活化知識包括“電磁爐加熱食物、變壓器、安檢門、動圈式揚聲器、飛機機翼兩端的電勢差”等,教材內容與現實生活息息相關,體現了科技對生活水平的提升,凸顯了“物理走向生活”的教育理念;劍橋版教材中涉及的生活情境較多,如“工程師的帽子是白色的、懸浮火車下面的大型電磁鐵可減速、用楞次定律思想解決自行車發電機現象”等,更關注物理知識的情境化,增強學生的科學認同感.

人教版教材中技術社會化體現為“三峽水電站、電子感應加速器、真空冶煉爐、探雷器、交流感應電動機、延時繼電器、電磁流量計、磁電式儀表的鋁框架、靈敏電流計的運輸問題”等,重視如何將科學技術應用于社會,有意識地從社會角度培養學生對科技與社會關系的理解,利于社會責任感的養成;劍橋版教材較重視體現各項技術的優缺點,從實際出發選取合適的技術,對于技術內部結構的呈現較多,尤其是錯誤對照組的設置,更利于學生思辨能力的培養,值得一提的是,劍橋版教材中“電機工程師弗萊明”的物理學史的呈現以啟發學生對科技與社會變革的思考.

3 研究結果與啟示

以PISA視域審視分析中英兩版教材,發現中國人教版教材更重視科學知識的呈現邏輯,注意知識間的連接性,更利于學生的思維進階;在活動編排方面專門設置探究實驗專欄,引導學生經歷科學探究過程,注重學生合作探究意識與溝通協作能力的培養;重視凸顯科學知識的實用性,以實例體現物理知識與實際生活、社會發展間的聯系,以增強學生的社會責任感及科學認同度.

英國劍橋版教材對科學知識的解析內容較多,知識覆蓋面更廣,提供多維視角圖解,更適合學生自學以培養學生的獨立探索能力;重視引導學生在生活情境中探索新知,建構物理觀念,且各類實驗不限于專欄,在各環節中均有體現,更重視培養學生的實踐能力及獨立探索精神;對于各類問題討論不直接給出“最優解”,設置錯誤操作示范以培養學生的思辨能力,在“知識生活化、科技社會化”的科學情境中潛移默化地提升學生的科學身份認同度.

借PISA 2025科學素養評估框架進一步明晰科學教育的未來發展趨勢,再通過中英兩國主流教材的對比研究,反思兩國教材的優勢與不足,繼承發展我國教材優勢的同時,積極汲取國外教材的特長,從而培養更符合未來時代需求的新式科技型人才.