张正严 王佳玉 朱鲲 | 高中物理教科书中的科学家精神呈现方式研究

一、引言

二、文献综述

三、研究设计

本研究旨在系统分析科学家精神在中学物理教材中的呈现情况。为此，研究选取了五版在全国范围内广泛使用的高中物理教材（以下简称R版、L版、H版、J版、Y版）作为分析对象，各版教材均包含6册，总计30本。

（一）分析框架

为全面考察科学家精神在教材中的融入情况，研究从“文本呈现”与“内涵呈现”两个角度构建分析框架。框架的建构综合运用了扎根理论、德尔菲法及系统文献述评等方法，力求在理论基础与实证验证之间实现有机结合。

1.科学家精神文本呈现的框架建构

科学家精神在教材中的呈现，本质上是科学史信息被选择、重构并符号化的过程。为系统分析这一过程，本研究以李普曼的拟态环境理论为元框架，将教材视为连接“科学家历史”（客观现实）与学生“科学家形象”认知（主观现实）的关键“象征性现实”——科学家历史等客观现实经由教育主体的筛选、叙事重构与符号编码，在教材中形成科学家素材，学生通过接触这些素材，在个体认知框架内进行解读、整合与想象，主动建构起相对稳定的关于科学家的主观现实图景，形成学生心中内在的“科学家形象”。科学家精神正蕴含在科学家的内在形象之中，并通过教材对科学史信息的重塑与呈现得以传达。

在此视角下，为回答科学家精神在教材中“何处出现、以何种形式出现、由何种内容承载”的关键问题，研究借鉴了Leite、Lin等人的科学史分析模型，并结合我国学者占小红等人关于教材呈现形式的研究成果，摒弃其中与“科学家精神”表征关联不高的细节维度，综合构建了涵盖“呈现的类型和组织”“呈现形式”与“呈现位置”的科学家精神文本呈现分析框架（表1）。

2.科学家精神内涵呈现的框架建构

为具体分析科学家精神在教材中的内容呈现形式，研究采用探索性序列设计的方法，构建科学家精神内涵呈现的分析框架。

首先，以《意见》中提出的六大核心维度为一级指标，采用扎根理论的方法，对官方文件文本逐条进行开放编码与主轴编码。以指标内涵为单位，提炼出代表具体精神特征的二级指标，最终形成包括6个一级维度与17个子项目标的初步分析框架。

其次，为增强框架的外部效度与教育实践适用性，研究采用德尔菲法邀请6位具有科学教育背景的研究者进行访谈与反馈，通过系统收集专家意见，对初步框架的二级指标以及具体表述进一步修订和完善。

最后，进行了系统的文献分析、述评验证及扩展框架的理论覆盖性与实践适用性检验。在Web of Science数据库中，以“scientist spirit”“scientific spirit”等为关键词初筛2076篇相关文献，并运用HistCite工具进行关键词共现分析与引用网络分析。同时，在知网上进行文献检索，初筛377篇文献。制定筛选标准为：（1）研究对象为科学家、科学家精神、科学精神；（2）研究对科学家精神的内涵做了相关阐述，至少涉及一个指标。结合文献追踪，删去二次引用的文献，最终确定68篇文献并进行深入分析：采用质性分析法，对68篇文献的内容进行逐一梳理和开放编码，并将编码结果与原有框架进行对比分析，确认其覆盖范围和逻辑性，并提出三个新增二级指标。

至此，科学家精神内涵呈现的分析框架得以完善，最终确立为包含6个一级指标（爱国精神、创新精神、求实精神、奉献精神、协同精神、育人精神）、20个二级指标的框架。研究进一步为各二级指标赋予操作性定义，为后续教材分析提供可操作的判别标准（表2）。

（二）分析程序

1.分析单元的确立与标准

分析单元是用于描述和分析研究对象的基本单位。本研究基于文本分析方法，将教材中出现的对一位科学家及其体现科学家精神的具体事件描述定义为一个最小分析单元。统计分析主要采用频次统计法，即有关科学家精神的内容在教材的某一具体位置出现一次，则计频次（以N表示）一次。

为确保分析结果的客观性和可操作性，研究在编码分析时遵循以下原则：第一，以教材中的具体呈现位置为分析单元，如正文以“节”为单位，栏目以“个”为单位。第二，若同一位科学家在教材中有不同的文本呈现，则分别计数。第三，在同一文本呈现位置多次出现同一精神内涵，则最终计数时仅按该单元计数一次。

2.信度检验

在正式编码前，研究首先对三位具有学科背景的分析者进行了统一的评判标准培训，随后随机抽取三本分属不同版本的教材，请三位分析者根据以上分析框架对三本教材独立进行内容筛选、归类与频次统计。利用SPSS软件计算肯德尔和谐系数，结果显示各项系数均大于0.8且显著，表明评判者间一致性较高。针对不一致之处，经由讨论达成共识后，方开展全面分析工作。

四、研究发现

（一）科学家精神文本呈现情况

1.呈现类型聚焦于科学家个人成就的线性叙事

科学家精神的呈现类型与组织的分布情况如图1所示。可以看出，五版教材普遍聚焦于以科学家的传记资料（N=332，90.7%）呈现科学家生活；相比之下，“个人特征”（N=15，4.1%）与“情节/趣闻”（N=19，5.2%）类信息的呈现在五版教材中较少，表明教材对科学家生活背景与人格细节的关注相对薄弱。

各版教材普遍倾向于使用“伟大”“天才”等词汇（N=32，94.1%）描述科学家特征，而较少提及他们的“普通”（2次）。例如，L版称爱因斯坦为“近现代最伟大的物理学家”；H版称爱因斯坦为“伟大的革新家”；R版在描述第谷等科学家的形象时，多突出其“天赋和卓越成就”。这反映出教材在塑造科学家形象时存在较为明显的“英雄化”叙事倾向。

在“科技成就的发展历程”维度，各版本教材普遍采用“线性且直接”的叙述方式（N=605次，85.5%），而对体现科学认识复杂性的“观点演变与争议辩论”则呈现较少（N=37，5.2%）。尽管Y版此类内容相对较多（N=20），但其线性叙述频次（N=135）仍是争议性内容的6.75倍。这种叙事模式可能会简化科学发展的真实进程，遮蔽科学认识的复杂性与不确定性，影响学生对科学本质的理解。

在“科学家主体”的呈现上，教材内容偏向“个体科学家”角度叙事（N=879，79.2%），其比重远高于对“科学家团体”（N=219，19.7%）和“科学界”（N=12，1.1%）的。例如，R版教材中个体科学家的出现频次（N=147）是科学界描述（N=9）的16.3倍。这种聚焦个体的叙事策略虽有助于塑造学生对于某一具体科学家的形象认知，但也在一定程度上削弱了学生对科学协作机制的认知。

2.呈现形式以文本为主，视觉材料为辅

从呈现形式上看，五版教材均呈现出显著的文本主导特征，具体数据如图2所示。其中以教科书作者撰写的文本为核心呈现形式（N=1121，92.3%），五版教材该类文字内容均超过200次，其中以J版（N=241）和Y版（N=235）最为突出。相比之下，教材中所展示的原始文件（N=63，5.2%）与第二手资料（N=31，2.6%）的运用明显不足，例如H版教材虽在原始文件（N=24）与第二手资料（N=18）的使用上相对较多，但其教科书作者撰写的文本占比仍高达89.1%。在视觉材料方面，图片使用总体受限，偏重科学家照片，机器或实验设备图示较少。H版科学家照片最多（N=47），Y版次之（N=40），R版仅有21次。L版在设备类图片的使用上相对较多（N=31），R版则整体图像素材数量偏低。这种文本构成方式在保障知识系统性的同时，虽一定程度上给学生提供了与科学史料历史对话的语境，但数量较少。

3.呈现位置集中于教材内容主干，模块间差异显著

在呈现位置分布上，教材编者展现出清晰的内容布局策略。如图3所示，五版教材中科学家精神主要集中于正文（N=607，51.6%）与栏目（N=383，32.6%）两大核心区域，如H版正文（N=133）、J版栏目（N=113）的高频次呈现，这表明教材在主干与辅助部分均有意强化对科学家精神内容的引入，确保了在核心教学环节的有效呈现。

章节页（N=36，3.1%）、习题（N=19，1.6%）等模块科学家精神内容较少，特别是后记与附录基本未涉及这一内容。从充分发挥教材全域育人功能的视角看，这种分布不均的格局也提示了潜在的可优化空间。

（二）科学家精神内涵呈现情况

整体来看，在不同版本的高中物理教材中，科学家精神的呈现体现出较强的相似性，五版教材基本均涵盖了科学家精神的六大维度，但各维度的分布比例和表达方式存在差异，分布极不均衡。如图4所示，“创新精神”维度的呈现频次遥遥领先，在五版教材合计达1099次，且在各版本中均保持绝对优势，占六维度总频次的75%以上；相比之下，其他维度的呈现则相对薄弱。

1.爱国精神的体现较少

在六个维度中，素材对爱国精神的体现整体较为薄弱，仅在R版（N=3）、L版（N=9）、Y版（N=1）中有少量体现。“科技报国”是唯一有较多体现的子项目标，如在L版教材中对南仁东建设“中国天眼”及“两弹元勋”的事迹描述。“以国为重”和“传承精神”的体现频次极低，部分教材未涉及。研究认为，这种分布特征可能与物理学科本身的国际化属性有一定关系，物理学作为一门基础自然科学，其知识体系本身具有超越国界的普遍性，教材中涉及的主要科学发现大多源自国际科学界的长期积累。因此，教材编写者在选择内容时，可能更侧重于突出科学发现本身的普遍价值，而非其国家属性。这一特点在一定程度上解释了为何“科技报国”成为爱国精神的主要呈现方式，它恰恰体现了中国科学家将国际通用的科学知识应用于国家发展需求的具体实践。

2.创新精神占比最高，构成科学家精神的核心

在五个版本的高中物理教材中，创新精神的呈现频次远高于其他维度，稳居首位，是各教材构建科学家精神形象的重点。J版的创新精神体现最为显著（N=245），其余版本也均超过190次。然而，各教材在创新精神内部维度的体现侧重并不一致（表3）。其中，“敢为人先”是所有教材中出现频率最高的子项目标，突出强调科学家在理论突破和新路径开辟中的先锋形象。例如，H版教材中提到“德国物理学家亥姆霍兹第一次给出了能量守恒定律的数学表达式……”该叙述不仅展示了理论上的首创，也体现了科学家在科学范式变革中的引领作用。“勇攀高峰”和“勇于试错”虽在各教材中均有涉及，但频次相对较低。例如，R版和L版均提到法拉第在经历长达10年的失败后，最终发现了电磁感应现象，这一过程真实展现了科学家在面对挫折时的坚持与探索。

综上所述，可以看出教材在塑造科学家精神时，更倾向于展现研究成果的突破与贡献。这一叙事结构，一方面能够有效突出科学发展的关键节点，帮助学生把握物理学史上的重大理论飞跃；但另一方面，也可能在一定程度上简化科学创新的真实历程，使其中包含的试错、积累与持续修正等过程性特征未能得到充分展现。

3.求实精神占比居中，重点突出严谨治学

求实精神的体现频率在各版本教材中处于中等偏上位置，其中H版较为突出（N=49），其余版本如R版（N=33）、J版（N=32）、Y版（N=26）和L版（N=24）呈现频率相对接近。如表4所示，各教材普遍将“严谨治学”作为求实精神的核心表现。例如，五个版本教材都提到了“开普勒依据20余年观测数据，经过大量复杂计算，最终提出行星运动三大定律”的经典案例，展现了科学家在研究中追求精确、推理严谨的科研态度。“追求真理”在部分教材中有所体现，但频次较低。“热爱科学”和“德行为先”体现频率相对更低，但仍有出现。例如，L版教材提到蕾切尔·卡逊通过《寂静的春天》向社会发出环境保护呼吁，体现了她以科学研究为基础，主动承担社会责任的精神。

4.奉献精神的占比较低，强调潜心研究

在五个版本高中物理教材中，奉献精神整体呈现频次偏低。R版教材在该维度上体现相对较多（N=29），其次为J版（N=25）、H版（N=22），Y版（N=18）与L版（N=14）。如表5所示，从子项目标的分布来看，五版教材在奉献精神的体现上普遍聚焦于“潜心研究”。例如，H版、J版、Y版和L版教材中均呈现了“焦耳通过长达40年的实验积累，最终为能量守恒定律提供坚实证据”的典型案例，形象地体现了科学家长时间坚持、耐得住寂寞、执着求证的科研品质。相比之下，“实用导向”在J版与Y版中表现相对突出，均为10次。“淡泊名利”和“攻克理论”在所有教材中的体现频次均较低，但有所体现。例如R版教材通过“法拉第拒绝权位、淡泊名利”的描写，刻画了科学家追求学术而非个人利益的奉献精神。

5.协同精神的体现相对较多，突出团队合作

在五个版本的高中物理教材中，协同精神的总体呈现频次相对较多。尤其是R版（N=45）与J版（N=44）具有较高体现，其余版本则呈现相对较弱，H版（N=34）、L版（N=20）与Y版（N=18）体现相对较少。如表6所示，“团队合作”是所有教材中协同精神的主要体现，说明教材普遍认可科学研究的协作特性。例如，H版教材中提到戴维森与合作者革末在真空条件下开展实验，共同推动电子散射研究；J版教材在描述富兰克林和普里斯特利的实验合作时提到：“富兰克林在写给他的朋友普里斯特利的信中，介绍了他在实验中的发现——放在金属杯中的软木球完全不受金属杯电性的影响。富兰克林请普里斯特利帮他重复做一下这个实验，并加以解释……”这些事例都展现了科学家通过合作共同推动科学发现的过程。“国际合作”的体现比例整体偏低，所有教材中呈现次数均未超过15次，且多集中在R版，其余版本大多在5～7次。从科学史角度看，教材中涉及的重大物理学发现多集中于16—19世纪（如伽利略、牛顿、法拉第等科学家的贡献），当时通信方式较为落后，这种历史语境可能确实限制了科学家开展大规模国际合作的可操作性，从而导致教材可选取的典型案例相对有限。

6.育人精神整体呈现薄弱，内容高度集中于以身作则

在五个版本的高中物理教材中，育人精神的整体呈现频次较低。其中，H版教材在该维度上相对突出（N=27），R版（N=21）次之，而J版（N=13）、L版（N=6）与Y版（N=4）则较为薄弱。如表7所示，“以身作则”是所有教材中育人精神维度稳定体现的子项目标，普遍以科学家高尚人格、科研担当、公众引领等形象为主。例如，R版教材引用了普朗克的名言：“我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。”这句话既反映了科学探索的前沿性，也体现其以言立教的引领作用。“甘为人梯”的体现明显不足，仅在个别版本中偶有涉及。例如，R版教材中提到法拉第鼓励麦克斯韦：“你不应停留在用数学解释我的观点，而应该突破它！”J版教材描述了戴维对法拉第的培养：“戴维很赏识法拉第的才学，推荐他到伦敦皇家学院一个实验室当助理研究员，在戴维指导下，从事化学研究……”这些事例均体现了“甘为人梯”的奉献精神。值得注意的是，“破除陈规”在全部五个版本中均未出现。这表明，当前教材对科学家精神的育人精神的阐释主要集中于科学家的个人示范作用，而在培养后备人才、推动学术创新等更具制度性和前瞻性的维度上存在一定不足。

五、研究结论与讨论

（一）均衡内涵呈现结构，构建完整育人谱系

研究结果显示，高中物理教材对科学家精神各一级指标内涵以及二级指标内涵的呈现比重存在比较严重的失衡。在六大核心内涵中，创新精神占据主导地位，出现频次高达1099。在二级指标中，“敢为人先”（N=829）、“勇攀高峰”（N=267）的呈现频次远高于“勇于试错”（N=3）和“与时俱进”（N=0），这种分布模式表明教材过度聚焦于科学家的成功，而对科研过程中的挫折、试错与持续探索刻画明显不足。相比之下，对求实精神（N=164）、协同精神（N=161）、奉献精神（N=108）、育人精神（N=71）和爱国精神（N=13）的呈现明显薄弱。从科学传播的演进历程来看，科学家形象的传播早已从“传统科普”转化为“公众理解科学”阶段，强调形成立体的科学家媒介形象。科学家精神蕴含在科学家形象之中，其传播亦应遵循这一趋势，形成多元、立体的精神体系，表现出对六大核心维度的均衡体现。所以，教材应统筹进行创新、求实、协同、奉献、育人与爱国六大维度的描述，构建结构合理、类型丰富、表达立体的精神谱系。

值得注意的是，在六大维度中，“爱国精神”的呈现最为薄弱，然而，爱国主义是我国民族精神的核心，是中华民族团结奋斗、自强不息的精神纽带。在我国科技事业发展历程中，爱国精神始终发挥着至关重要的引领作用。从文化传统来看，中华文化素来具有“家国一体”的特质，强调将个人理想融入国家需求，将“修身、齐家、治国、平天下”的价值追求融入中华民族的精神血脉之中。从国家需求来看，当前我国正全力推进高水平科技自立自强，在关键核心技术领域亟须具有深厚爱国情怀的战略科技人才，以充分掌握科技命脉和发展主动权。正如钱伟长院士所言：“我没有专业，国家的需要就是我的专业。”这生动诠释了中国科学家将个人理想融入国家需求的崇高情怀。因此，在均衡科学家精神维度分布的基础上，应着重强化爱国精神的体现，这不仅是对科学家精神的完整还原，更是从根本上回应“为谁培养人”这一核心命题，明确培养服务于国家与人民的社会主义建设者和接班人的育人导向。

（二）深化内涵呈现，强化科学本质教育

在科学家精神的文本内容呈现上，教材存在表达简化与片面化的倾向，这在一定程度上削弱了科学本质教育应发挥的育人功能。

首先，在科学家形象建构上，教材普遍使用“伟大”“天才”等凝练且高度评价性的词语突出科学家的成就，对科学家的成长经历、性格特质以及在科研过程中面临的挑战刻画相对不足。

其次，在科学史叙事逻辑上，教材多采用“线性且直接”的表达路径，较少呈现理论争议、修正与演进的复杂过程，这种叙事模式简化了科学发展的真实历程。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》将科学本质作为学生核心素养培养的关键要素。Lederman的科学本质清单包括七项内容：实证证据、科学理论与定律、创造性、理论负载、文化嵌入性、科学方法、暂定性，其中“实证证据”强调科学概念或规律提出须有依据；“暂定性”说明科学知识虽是具有稳定性的，但也不是绝对不变的。这种“实证证据”与“暂定性”往往呈现在真实的科技演变历程中，而非“线性且直接”。例如，L版教材在讲授自由落体时设置了“去伪存真”的问题引导，J版教材鼓励学生比较亚里士多德与伽利略的科学观念与方法，均体现了较强的思辨取向。所以，教材应进一步契合课标的育人取向，引入更多如“科学争议”“理论转变”“反事实假设”等教学元素，增强科学知识演变过程的开放性与动态性，强调科学教育本质。

（三）丰富表现形式，提升育人效能

研究结果表明，当前高中物理教材在科学家精神的文本呈现形式上存在明显的单一化倾向。五个版本教材普遍高度依赖由编者撰写的二手文本叙述，其频次均超过200次。这类表述虽有利于保证内容的条理性和权威性，但图片、原始文献与第二手资料等形式的材料呈现频率明显偏低。教材不只是传统的纸质和文字文本，而是由图片、文字等多种表征符号共同组成的多模态文本。当前以文字为主、图像为辅的呈现方式虽可保障内容的严谨性，但却在激发学生的情感共鸣和深层理解方面存在局限，传播效能有待提升。

因此，未来教材在科学家精神的文本呈现中，可以积极采用多模态的叙述方法，系统推进图文融合与材料多样化。具体而言，教材可在传统文字叙述基础上，融合科学家照片、实验图示、科学名言、原始手稿摘录、同行评价摘要、史实材料片段以及学习链接等，构建“图文协同+语境还原”的表达框架，提升科学家精神在空间、时间与情境维度上的整体表现力。例如H版教材在相关章节中大量呈现科学家肖像及实验设备照片，有效增强了科学情境的直观性与沉浸感，形成“情境—人物—精神”一体化叙事结构。更进一步，教材中的科学家图片可突破单一人物肖像的局限，引入更多科学家群体在实验室中交流、工作的图片。这类图像不仅能还原真实的情境，展示科研过程，还能生动客观地体现出协同、育人的科学家精神内涵，与前述建议形成呼应。通过这样的视觉叙事设计，可提升科学家精神的弘扬效果，使其在视觉、情感与认知上实现“可见、可感、可悟”的有机统一。

（四）挖掘历史资源，形成典型素材

为具体落实上述建议，高中物理教材应充分发挥学科优势，深入挖掘科学家历史，形成丰富的科学家素材。物理知识的诞生与物理学的发展相伴相随，其中蕴含着丰富的科学史资源。教材可根据不同精神维度的特点，分类挖掘相应的历史资源。

在爱国、奉献精神的呈现中，应突出我国科学家。例如，教材在“原子核”一章中，可穿插介绍如邓稼先、于敏等“两弹一星”元勋为国奉献、爱国爱民的动人故事，在文化熏陶中塑造学生的民族责任感。

在求实、创新精神的呈现中，应突出典型科学家。例如前文所提及的亚里士多德与伽利略在自由落体运动中的不同论述，可以帮助学生理解科学本质，同时让他们懂得科学的发展并不是一蹴而就的，即使是震古烁今的科学大家也会出错，需要不断地试错与探索。这样学生在面对困境时，就不会轻易将失败归根于“天赋”或“智慧”，而是逐渐培养起追求真理、坚持不懈的科学态度。

在协同、育人精神的呈现中，应突出现当代科学家。钱学森指出：“现代科学技术的研究不能靠一个人的劳动，百分之九十五的科学技术要靠集体。”教材在介绍与物理知识相关的发展前沿时，可以突出协同合作和育人传承。例如，在“核聚变”内容后，引入“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”，强调该项目由包括中国在内的30多个国家的科研团队共同推进，可以在体现协同的同时将这种协同转向国际。