关于中国物理课程标准中科学本质表征的历史变迁研究：一项基于家族相似性方法的分析

文档类型判断：类型a（单篇原创性研究报告）

一、研究概况

本研究由华中师范大学物理科学与技术学院的谢丽（Li Xie）、王丽梅（Li-Mei Wang）与武汉东西湖区黄石海学校（Huangshi Sea School）的李志（Zhi Li）以及美国俄亥俄州立大学物理系的包雷（Lei Bao）合作完成。该论文于2025年1月9日在线发表于《科学与教育》（Science & Education）期刊第34卷，第4331至4352页。研究采用家族相似性方法（Family Resemblance Approach, FRA）和认知网络分析（Epistemic Network Analysis, ENA）相结合的研究路径，对过去二十年间中国三个版本的初中物理课程标准进行了系统性的纵向研究，以揭示科学本质（Nature of Science, NOS）在课程标准中的表征状况及其演变趋势。

二、学术背景与研究目的

在全球科学教育领域，培养学生科学素养（Scientific Literacy）已成为根本性目标。对科学本质的理解作为科学素养的核心组成部分，不仅有助于加深学生对科学概念的掌握，更能使其对涉及个人与社会的科学相关议题做出明智决策。因此，世界各国教育系统正积极修订科学课程与教学方法，以提升学生对科学本质的理解。然而，全球范围内的研究发现，各国科学课程标准中科学本质的呈现存在不一致、不充分及隐含性问题，这导致课程开发者和教师缺乏可操作的指导，进而延续了学生对科学本质的误解。

近年来，科学本质的界定出现了新的理论框架，即家族相似性方法（FRA）。该方法汲取科学哲学与科学教育研究的洞见，提出了一种涵盖认知、认识论和社会维度的整体性科学本质观。它摒弃了将科学本质视为一系列孤立信条的传统视角，转而通过一个整合性框架来呈现科学的丰富复杂性与相互关联性。具体而言，FRA将科学本质划分为两大系统共计11个类别：认知-认识论系统（Cognitive-Epistemic System）包含“目标与价值（Aims and Values, A.V）”、“科学实践（Scientific Practices, SP）”、“方法与方法论规则（Methods and Methodological Rules, M.MR）”和“科学知识（Scientific Knowledge, SK）”四个类别；社会-制度系统（Social-Institutional System）则包含“专业活动（Professional Activities, PA）”、“科学精神气质（Scientific Ethos, SE）”、“社会认证与传播（Social Certification and Dissemination, SC.D）”、“科学的社会价值（Social Values of Science, SV）”、“社会组织与互动（Social Organizations and Interactions, SO.I）”、“政治权力结构（Political Power Structures, PPS）”和“财务系统（Financial Systems, FS）”七个类别。

尽管国际社会日益重视科学本质教育，但对中国科学课程标准中科学本质的纳入情况进行的分析与检验仍然十分有限。本研究以此作为研究切入点，旨在回应两个核心研究问题：其一，通过FRA框架的透镜来审视，三个版本物理课程标准中的科学本质类别如何随时间推移而发生演变？其二，这三个版本物理课程标准中的科学本质类别是否以相互连接的方式呈现，若存在此类连接，它们又是如何演变的？通过这一研究，该团队力求系统评估科学本质的覆盖范围，并追踪其表征模式的历史演变轨迹，为中国科学教育提供有价值的见解，同时也为利用FRA和ENA等工具检视和改进全球课程标准中科学本质的融入方式提供典范。

三、研究设计与方法流程

3.1 研究对象与样本选取

本研究的研究对象为中国在过去二十年间相继颁布的三个版本的初中（7至9年级）物理课程标准（Physics Curriculum Standards, PCS），即2001年版（PCS 2001）、2011年版（PCS 2011）和2022年版（PCS 2022）。研究团队所选择的具体分析文本是这三个版本课程标准的“课程目标”（Curriculum Goals, CG）部分，该部分又可细分为“课程学习目标”（Curriculum Learning Targets, CLT）和“科学探究目标”（Scientific Inquiry Targets, SIT）两个子类。选择此分析焦点基于两方面的考虑：第一，该部分勾勒了学生预期应掌握的基础物理知识、技能、价值观和态度，而这些均与科学本质的不同方面直接相关；第二，作为教科书编写和课堂教学的基础，分析该部分对于揭示科学本质如何在支撑物理教育的总体目标与愿景中得以传达至关重要。

3.2 编码流程与质量控制

研究采用了两阶段编码分析方法。在第一阶段，两位在科学教育领域具有深厚专业知识、对FRA框架极为熟稔的副教授作为独立编码员，依据一组源自前人课程标准研究的预定义关键词（如“方法”、“科学方法”、“过程”、“假设”等作为方法与方法论规则的初始指示词；“同行评议”、“认证”、“传播”、“合作”等作为社会认证与传播的初始指示词）来识别与科学本质相关的陈述。需要特别注意的是，这些关键词仅作为初步筛选线索而非绝对指标，例如，即使“方法”一词出现，也并非所有包含该词的情境均被视为科学本质相关内容，编码员必须仔细审视其上下文以做出判断。同时，研究允许生成新的关键词以捕捉课程标准的具体语境与细微差别。在第一阶段完成后，PCS 2001、PCS 2011和PCS 2022中分别识别出45、43和28条科学本质相关陈述。PCS 2022科学本质相关陈述数量的相对减少，并非课程质量的倒退，而是反映了该版课程标准从宽泛的科学素养转向更为聚焦的物理核心素养，从而对科学探究的描述和相应的科学本质陈述进行了精炼。第一阶段编码员间信度的Cohen‘s Kappa值分别为0.745、0.703和0.769，编码一致性百分比分别为87.3%、85.2%和88.9%，体现了较强的编码一致性与可靠性。

在第二阶段，两位研究者基于FRA框架的11个科学本质类别，对第一阶段所得的所有科学本质相关陈述进行独立重新编码。在此过程中，一条科学本质相关陈述可能同时涵盖FRA框架中的多个科学本质类别。编码员间信度评估采用Miles和Huberman（1994）的方法，将一致与不一致的编码决策分别赋值为1和0，一致项总和除以编码决策总数得出百分比一致性。计算结果显示，PCS 2001、PCS 2011和PCS 2022的一致性百分比分别为86.7%、85.6%和87.1%。任何编码分歧均通过两名研究者的深入协作讨论达成完全共识。

3.3 认知网络分析（ENA）的应用

为评估与可视化科学本质类别之间的连接关系，研究引入了由威斯康星大学教育研究中心开发的认知网络分析（ENA）这一先进工具。ENA的核心价值在于它不仅关注单个编码的出现频率，而是聚焦于编码之间的共现频率，从而捕捉认知结构中不同元素之间的动态关系与协同发展。在本研究中，ENA分析的节（stanza）的单元变量包括时间语境（物理课程标准的发布年份）、目标分类（CLT与SIT）以及显性的科学本质相关陈述。对于每条符合FRA框架的科学本质陈述，采用二进制编码方案，符合某类别则编码为“1”，否则为“0”。通过分析不同节中的共现关系，研究团队为不同时间迭代的SIT和CLT生成了各自独特的ENA网络。在此类可视化网络中，节点的尺寸反映该科学本质类别的出现频率，连接线的粗细则代表两个类别之间共现频率的高低。

四、主要研究发现

4.1 FRA各科学本质类别表征的纵向比较

分析结果揭示出一个贯穿三个版本物理课程标准的持续性模式：与科学认知层面相关的科学本质类别出现频率显著高于与社会层面相关的类别，前者约为后者的四倍。这一显著失衡与先前国际上对其他国家科学课程标准研究的发现高度一致。

在认知-认识论系统内部，“科学实践”类别获得的编码数量最高，紧随其后的是“方法与方法论规则”和“目标与价值”。这一分布格局表明，中国物理教育高度重视学生亲身参与科学实践活动，而非仅仅将其定位为既定知识的被动接受者。课程标准通过引导学生在物理方法和科学价值观的指引下投身于真实实践，以促进对概念本质以及科学过程的深层理解。尽管“科学精神气质”和“社会认证与传播”类别的编码数量略高，但社会-制度维度的整体表征依然严重不足。尤为突出的是，“专业活动”、“社会组织与互动”以及“财务系统”这三个关键类别在三个版本的课程标准中完全缺失。这一系统性缺失排除了对科学家协作活动、组织文化以及研究经费筹措与分配的描述，阻碍了学生理解科学知识是如何通过群体与机构的协同努力而生成，而非单纯依赖个体活动。

纵向趋势分析（图2）显示，虽然认知维度的主导地位贯穿始终，但社会-制度系统类别的占比随时间推移呈现出轻微但值得注意的增长态势：从PCS 2001的16.0%上升至PCS 2011的18.4%，再进一步增加到PCS 2022的21.9%。这一渐进式增长表明课程标准修订者对社会维度在科学教育中重要性的认识正在逐步加强，也为未来课程标准的进一步完善提供了可能。

4.2 ENA揭示的科学本质类别连接性模式

ENA网络图（图3）直观呈现了课程目标中各科学本质类别之间的连接情况。分析揭示，贯穿三个网络图的一个一致模式是，认知-认识论系统内部的科学本质类别之间展现出比社会-制度系统内部更为频繁的连接。其中，最频繁的连接出现于“科学实践”（C.SP）、“方法与方法论规则”（C.M.MR）与“目标与价值”（C.A.V）之间。例如，PCS 2001中的一条陈述“通过参与科学探究活动，初步认识科学研究方法的重要性，学习信息处理方法，发展对信息有效性进行评判的意识，并初步培养信息处理能力”便典型地整合了这三个认知维度类别。

与此形成鲜明对比的是，社会-制度系统的科学本质类别在节点尺寸上明显偏小，其共现频率也极为稀疏。这些社会类别不但与其认知维度的对应类别之间连接稀少，其内部的彼此连接同样稀少。PCS 2022网络图（图3c）虽显示出社会与认知元素之间的共现有所增加，但总体模式依然表明，科学本质类别并未充分相互连接以形成一个整体性框架。值得关注的是，与三个缺失类别（专业活动、社会组织与互动、财务系统）相对应的节点在ENA网络中亦未出现，进一步印证了社会方面在课程标准中的呈现与整合存在缺陷。

在区分CLT与SIT网络的比较分析中（图4），CLT网络在科学本质节点的丰富性与连接性方面始终优于SIT网络。CLT网络随课程标准的修订，其社会类别的关联呈现细微但可辨的增长，但社会元素间的连接依然非常稀疏，尤其“社会认证与传播”（S.SC.D）与“政治权力结构”（S.PPS）之间从未形成连接。SIT网络中，最常见的连接始终是“科学实践”（C.SP）与“方法与方法论规则”（C.M.MR）之间的连接，而社会-制度的科学本质类别则被描绘得高度孤立，尤其在PCS 2001和PCS 2011中，仅有少量连接存在于“社会认证与传播”（S.SC.D）与“社会价值”（S.SE）之间。

五、研究结论与价值

本研究的核心结论是，近二十年来中国物理课程标准对科学本质的表征存在显著的系统性失衡，即始终高度强化认知-认识论维度，而对社会-制度维度持续呈现不足。三个版本课程标准中“专业活动”、“社会组织与互动”及“财务系统”类别的完全缺失，以及社会类别之间及其与认知类别之间连接性的薄弱，均表明课程标准未能有效呈现科学作为一项统一的人类事业是如何嵌入于社会、文化和历史脉络之中的。

本研究的科学价值在于，它首次将FRA与ENA相结合，系统性地检视并可视化了中国物理课程标准中科学本质表征的历史演进脉络，精准识别了具体的缺陷所在，为课程标准的迭代修订提供了明确的、基于证据的改进方向。其应用价值主要体现在为课程政策制定者、课程开发者以及教师教育者提供了具体的操作化建议：（1）强化当前被忽视的社会性科学本质类别的覆盖；（2）加强认知系统与社会系统之间的连接，以凸显二者在科学运作中密不可分的关系；（3）将哲学与社会学视角融入科学本质的表征之中，使学生能够对复杂的科学议题进行批判性和伦理性的参与。

六、研究亮点与后续方向

本研究最突出的亮点在于其方法的整合性与创新性。将FRA这一全面的理论框架与ENA这一强大的可视化分析工具相结合，实现了对课程标准这一关键教育政策文本从“类目频率计数”到“类目关系网络建模”的分析跃升，从而有效揭示了科学本质表征中内在的结构性缺陷与连接性不足。

研究团队同时指出，此分析路径可推广至中国其他科学学科的课程标准研究，以及不同国家物理课程标准的跨国比较研究，从而在更广阔的范围内为提升科学本质教育质量、培养学生的科学素养作出贡献。其后续研究将聚焦于开发基于FRA框架的科学本质教学模型，力求将研究发现转化为切实的教学改进实践。