杨美华 孙影 朱宸 孙永辉

摘      要：构建化学教科书中科学方法的内容分析框架，采用质性内容分析法，从科学方法的选择、组织及呈现三个方面分析教科书中科学方法内容的特点，以期引起化学教师对科学方法教育的重视，获得关于高中化学教学中科学方法教育的改进建议。

关 键 词：高中化学  必修教科书  科学方法  内容分析

引用格式：杨美华，孙影，朱宸，等.高中化学教科书中科学方法的内容分析与改进[J].教学与管理，2023（19）：62-66.

化学教科书是化学教学的重要媒介，化学教科书中关于科学方法的内容描述了化学知识获得与应用的过程，其对科学方法与化学知识关系的理解影响着教师的教育观念与教学行为。针对当前化学教学实践中科学方法教育的无意识和边缘化严重[1，2]，本研究试图构建化学教科书科学方法分析框架，对2019年人民教育出版社出版的普通高中教科书·化学·必修（第一册）和普通高中教科书·化学·必修（第二册）（以下简称教科书）中的科学方法内容进行分析，挖掘其中的科学方法内容，分析其组织和呈现特点。

一、科学方法的内涵

科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中形成的有效规则、方式、手段、途径或模式，是科学活动经验升华、程序化、规范化、强化的结果，是科学活动的有效工具[3]。作为获取化学知识和运用化学知识解决问题的有力工具，科学方法已经成为化学教科书内容系统的一部分[4]。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称课程标准）在课程理念中强调学生不仅要学习化学的基本原理，还要学习研究化学的科学方法[5]。课程标准在必修阶段的课程内容中对科学方法的说明包括两个方面：一方面是掌握科学探究的一般思路，在面对化学问题时能够据此思路解决问题，探索新知识；另一方面是研究、学习化学的具体科学方法，这些科学方法是学生探索物质结构、变化、性质及其规律必备的思维方式和实践方法，如观察法、实验法、分类法、归纳法等。基于课程标准对科学方法的要求，根据科学认识活动的特点，将科学方法分为科学实践方法和科学思维方法。科学实践方法主要包括观察法、实验法、调查法；科学思维方法主要包括比较法、分类法、分析法、综合法、归纳法、演绎法、假说法、数学法和模型法等。

二、高中化学教科书中科学方法内容的分析方法

1.分析框架的构建

根据毕华林教授提出的教科书设计理论，厘清教科书功能、内容、结构之间的关系，如图1所示[6，7]。根据系统论的观点，教科书的内容是功能和结构的核心[8，9]。作为教科书内容之一的科学方法，主要从科学方法内容的选择、组织及呈现三个相互联系的维度分析。

（1）科学方法的选择

教科书中科学方法的种类在一定程度上反映了教科书编写者认为必修阶段学生需要掌握哪些科学方法。具体科学方法出现的频次在一定程度上反映了具体科学方法在高中化学阶段的重要程度，故科学方法的选择维度主要分析教科书中科学方法出现的频次和种类。

（2）科学方法的组织

科学方法是对“如何由一种（或几种）化学知识（或现象）获得另外一种（或几种）化学知识”的描述。因此，科学方法与知识的编排顺序体现了教科书编写者如何处理科学方法与化学知识获得和应用之间的关系，在一定程度上反映了教科书编写者的科学观，科学方法与知识的编排顺序即教科书中科学方法的组织。根据毕华林教授的观点，教科书中的知识可分为事实性知识（如钠的保存、碳酸钠和碳酸氢钠的性质）、理论性知识（如原子结构、元素周期律）、技能性知識（如配置一定物质的量浓度的溶液、离子方程式的书写）和情意类知识（如实验安全）[10]。分析教科书科学方法内容要关注科学方法与各类知识的编排顺序，评估教科书对化学知识和科学方法的编排顺序是否主要按照科学方法的逻辑设计。

（3）科学方法的呈现

教科书在呈现科学方法时，其体现方式是不同的，根据陈运保的研究，教科书体现科学方法有以下四种体现方式：渗透使用、命名、讲解和组织使用。渗透使用是指教科书讲解化学知识时渗透某种科学方法，但未出现其名称和解释说明。例如必修第一册第16页，呈现盐酸、硫酸和硝酸的电离方程式后从电离的角度归纳酸的特点，但是没有出现“归纳”。命名是指教科书的文字陈述中明确给出该种科学方法的名称。一般情况下，教科书出现该科学方法的名称就是在使用该科学方法，而如果没有组织学生使用该科学方法就是渗透使用。因此教科书经常同时体现命名和渗透使用、命名和组织使用。例如必修第一册第8页，“我们可以根据分散质粒子的直径大小对分散系进行分类。”出现了“分类”二字，同时，教科书使用分类法对分散系进行了分类，因此体现科学方法的方式是命名和渗透使用。讲解是指教科书解释或讲解某种科学方法。如解释科学方法的内涵、总结其特点、给出一般性定义、举例说明、给出使用注意事项等，以便于学生理解和掌握。例如必修第一册第8页“方法导引”栏目对分类法进行了解释说明。组织使用是指教科书组织学生使用科学方法解决问题或训练学生掌握某种方法。例如必修第一册第10页“思考与讨论”栏目，教科书归纳了酸的主要化学性质之后组织学生归纳碱和盐的主要化学性质。这些方式及其组合表现出的科学方法显性化水平是不同的，将它们分为表1所示的4个水平层次[11]。

从课程目标的达成和教科书的功能出发，教科书应该根据不同的课程内容采用相应的呈现方式。教科书内容的呈现方式涵盖“任务及活动呈现方式”和“内容表达形式”两个方面[12]。在任务及活动呈现方式上主要有直接陈述和陈述附加活动任务两种方式：直接陈述是通过文字直接显示科学方法的名称或者根据科学方法的内在逻辑陈述知识；陈述附加活动任务是文字陈述的同时附加讨论、实验、调查等活动、任务。在内容表达形式上，分为单独文字表达（记为“文字”）和混合表达形式，有文字和图片；文字和表格；文字、图片和表格。

基于以上分析，确定化学教科书中科学方法的分析框架，见表2。

2.分析框架效度和评分者间信度的评估

邀请多位课程与教学论专家及研究科学方法教育的研究者评估分析框架，据此修改并最终确定分析框架。经评估，多数专家认为分析框架在一定程度上有利于引起教科书使用者对教科书中科学方法内容的重视，并从多个角度认识其中的科学方法，从而促进科学方法教育。

选取教科书某一分析单元，3名研究者阅读分析框架的形成过程，以及分析示例和各种科学方法的逻辑特点，独立分析，经过对表2中5个项目（知识类型、名称、显性化水平、任务及活动呈现方式、内容表达形式）的一致性检验，评分者间信度为0.91，说明该框架基本可用于教科书科学方法内容分析。

三、高中化学教科书中科学方法内容的分析结果

1.科学方法的选择维度

经过梳理，汇总了教科书中各科学方法出现的频次及比例，具体见表3。

从科学方法的种类上看，课程标准在必修阶段要求的实验法、分析法、假说法、模型法、比较法、分类法等科学方法在教科书中都有呈现，符合课程标准的要求。教科书在科学方法的选择上有以下特征：各科学方法在教科书中出现的频次差别较大，整体上科学思维方法的频次远大于科学实践方法；科学方法内容紧跟时代发展，进入信息时代的教科书要求学生查阅资料获取化学知识及其在生活、生产中的应用的调查法增多，如调查纯碱的生产历史、测量食品中铁元素的方法、各個地区雨水的pH等，可以看出教科书越来越重视培养学生收集、整理、运用信息的能力；教科书缺乏直觉、想象等有利于培养学生创造性思维的科学方法，这些科学方法虽无明确的逻辑推理过程，却潜在地影响化学学习和研究进程。

2.科学方法的组织维度

在教科书中以适当的顺序组织科学方法与化学知识，有可能实现化学知识的编写顺序、学生认识化学的过程、能力培养过程与化学教学过程的有机统一[13]。通过对教科书中科学方法与化学知识编排顺序的定性分析和总结，可以理出科学方法与化学知识的组织，如图2所示。运用科学方法获取化学事实性知识、理论性知识，在此过程中发展学生的技能性知识和情意类知识；掌握事实性知识或理论性知识之后，通过科学方法解决问题或者探索新知识，了解其社会生活和生产中意义，培养学生的科学态度和社会责任感。

以教科书中元素周期律内容为例分析科学方法与各种化学知识的组织（如图3）。教科书编写ⅠA族、ⅦA族及第三周期元素性质时，列举了原子结构信息（理论性知识），引导学生从核外电子层数、最外层电子数、原子半径等几个方面分析原子结构，比较他们的异同，归纳、总结原子结构变化规律。以此预测所含元素单质的性质（待验证的事实性知识），经实验法和教科书补充的事实性知识验证预测得到事实性知识，最后通过科学思维方法得出同主族或同周期元素的性质。教科书中科学方法内容的组织帮助学生从认识单个元素、物质的性质上升到一类元素、物质的性质的相似性和递变性，循序渐进地掌握元素周期律这一理论性知识，同时帮助学生在活动中获得实验、收集、整理信息等技能性知识，并在探索元素周期律的过程中感受原子、物质共性与个性的和谐统一。

3.科学方法的呈现维度

教科书中科学方法的呈现维度包括科学方法的显性化水平，与科学方法有关的任务及活动呈现方式，科学方法的内容表达形式。

（1）科学方法的显性化水平

教科书中科学方法的呈现有显性和隐性之分。根据教科书呈现科学方法的内容，可将其分为4个水平。从水平1到水平4，科学方法在教科书中呈现的内容逐渐丰富，显性化程度逐渐升高。对教科书中科学方法内容的显性化水平统计结果如图4所示。

由图4可知，教科书中的科学方法大多隐性呈现，即教科书没有陈述相关科学方法的名称，也没有对其进行解释说明，只是按照科学方法的逻辑呈现化学知识（渗透使用）或组织学生使用科学方法完成活动、任务以获取化学知识（组织使用）。虽然学生在参与活动、完成任务的过程中无意识地使用了科学方法，但是学生并不明确自己是否使用了科学方法、使用的是何种科学方法、如何使用相应科学方法，学生的这种无意识严重影响科学方法的迁移。教科书比较重视科学方法的使用，因此水平4在给出名称的基础上在活动、任务中组织学生使用相关科学方法占比仅次于水平1。相对于科学思维方法，科学实践方法的显性化水平较高，这与它们多数以陈述附加活动的呈现方式有关。科学思维方法更多隐藏在文字和编写逻辑中，学生在使用教科书时，不知不觉已经进入教科书的科学方法逻辑。

（2）科学方法的任务及活动呈现方式

教科书与科学方法相关的任务及活动呈现方式中直接陈述占78%，陈述附加活动占22%。教科书科学方法主要渗透于教科书的陈述逻辑中。教科书设置了丰富的功能性栏目，其中许多栏目中的任务和活动中都包含了丰富的、显性化水平较高的科学方法。如“实验”“信息搜索”栏目主要涉及了实验法、调查法等科学实践方法；“探究”“实验活动”“研究与实践”栏目既涉及实验法、调查法等科学实践方法，也涉及分析法、综合法、分类法、比较法、模型法等科学思维方法；“思考与讨论”“整理与提升”栏目主要涉及比较法、分类法、归纳法、综合法等科学思维方法。

（3）科学方法的内容表达形式

教科书中科学方法内容的各种表达形式占比如图5。文字表达是教科书内容表达的最主要形式，相比其他内容，科学方法的表达形式比较丰富：文字和图片混合的形式占比很高，例如实验法中有实验过程陈述，同时提供实验装置图或者实验现象图，便于学生展开实验、获取事实材料；综合法在文字说明的同时多用示意图引导学生构建知识体系；模型法通常利用物理模型或者几何图形辅以文字说明微粒的微观结构；文字和表格混合的形式多用于呈现实验法和归纳法、比较法中，通过表格记录实验现象，整理实验结论，归纳出化学规律；文字、图片和表格三种形式混合的表达形式主要存在于教科书的“探究”栏目中，涉及的科学方法比较丰富。

综上，教科书科学方法内容有以下特点：第一，科学方法内容的选择基本符合课程标准的要求，但是各种科学方法的比例失衡，且缺乏富有创造性的直觉、想象等非逻辑性方法；第二，科学方法的组织主要存在于获得化学知识过程中、化学知识与问题解决之间、化学知识与新知识之间，基本符合科学方法与知识一源同体的关系，但是科学方法与知识的关系在教科书中的组织脉络不够清晰，可能影响教师对科学方法即知识获得过程的理解[14]；第三，科学方法内容的显性化处理已经得到教科书编写者的重视，科学方法编排于化学知识的陈述逻辑和各种任务性栏目中，且内容表达形式丰富，教科书多处可见通过文字、图片、表格的混合表达引导学生在活动中使用科学方法。

四、高中化学教科书中科学方法内容的改进建议

1.增加教科书科学方法的内容

教科书可以适当增加非逻辑性科学方法，如直觉、想象，以使教科书使用者了解学习和研究化学需要创造性思维。教科书有必要丰富科学方法的呈现，如组织使用观察法时提供观察指导，组织使用调查法时提供相应的网址，组织使用科学思维方法时增加示意图、表格等表达形式展现相应科学方法的逻辑。对于重要的科学思维方法可以适当增加篇幅说明解释，让学生更清楚思考问题的思路。

2.平衡科学实践方法与科学思维方法

教科书中科学思维方法出现的频次远大于科学实践方法，但这并不代表在教学中科学思维方法教育比科学实践方法更重要，两者是相辅相成的。高中生缺乏科学实践活动的经验，且抽象思维能力处于发展阶段，相比之下形象思维比较成熟，因此有必要让学生亲历具体的科学过程，挖掘教科书中“探究”“实验活动”“研究与实践”等栏目中的科学方法内容，充分发挥其训练科学实践方法，提升学生运用科学方法解决问题的能力的作用。

3.显化科学方法设计教学

对于课程标准中所要求的科学方法，教师在教学中可以参考教科书中科学方法的组织规律显化处理，让学生利用科學方法探索化学知识、解决问题，感受化学知识体系、研究活动和社会建制的三维世界[15]。显化处理可以从以下两点努力：一是丰富科学方法信息，在运用科学方法时介绍其名称，解释其规则或发展过程，以弥补教科书中科学方法呈现的不足；二是采用多样化的表达方式，根据各种科学方法的特点选择适当的表达方式，如在比较法、归纳法教学中妙用表格，在分析法、分类法、综合法教学中善用示意图，在实验法、观察法、模型法教学中选用实物，图片。此外，无论是教科书还是化学教学，显化科学方法切忌把科学方法作为一个个知识点教给学生，而应结合具体化学课程内容和教学情境，让学生去体验，去领悟，去提炼。

参考文献

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[4][6][10] 毕华林，刘冰.专论化学教科书的功能与结构[J].化学教育，2001（42）：5-12.

[5] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：2．

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[13] 郑长龙，郝雷，梁慧妹.中学化学教材要体现科学方法教育和能力培养：化学教材现代化的突破点[J].化学教育，1992（03）：16-18．

[14] 胡扬洋，邢红军，谷雅慧.物理教科书编写呈现科学方法的研究：以人教社高中物理必修教科书为例[J].课程·教材·教法，2016，36（09）：63-67.

[15] 李醒民.科学论：科学的三维世界（上卷）[M].北京：中国人民大学出版社，2008：30.

【责任编辑  郭振玲】