国际科学教科书的研究热点与特征

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国际科学教科书的研究热点与特征
——基于文献计量学的实证研究
摘要：基于文献计量学的方法，运用CiteSpace软件进行可视化分析，可以了解国际上与科学教科书的有关研究进展。在Web of Science平台进行文献检索，剔除无关文献后获得235条文献记录。从形式上看，西方知名学者和重要科学教育学术期刊正引领着科学教科书研究的发展。从内容上看，科学教科书在国际上主要有学科知识、视觉表征、习题与活动、观念与方法等研究热点，体现出多样化的研究视角、研究方法以及研究对象。
关键词：科学教科书；知识图谱；科学知识；科学本质
科学教育①旨在提高人们的科学素养，为国家和社会培养高素质的现代公民。科学教科书是科学教育的基本保障，是教师的科学教学和学生的科学学习的重要材料。为了拓展我国科学教科书研究的视野，提升研究水平，从而进一步改善我国科学教科书的质量，我们有必要了解国际上与科学教科书有关研究进展。基于上述思考，本文将采用文献计量学的方法，通过国际上与科学教科书有关的期刊论文，分析该领域的研究热点与特征，带来一些可借鉴的思路。
一、研究方法
（一）文献收集
本研究采用Web of Science平台收集有关文献。Web of Science是美国Thomson Reuters公司开发的产品，可用于检索科学引文索引（Science Citation Index，简称 SCI）、社会科学引文索引（Social Sciences Citation Index，简称SSCI）、艺术与人文引文索引（Arts &Humanities Citation Index，简称 A&HCI）等收录的期刊论文，在世界范围内具有较大的影响力。笔者在Web of Science平台按照下列检索式进行论文检索：

时间跨度选定为2000-2017年，“文献类型”设置为期刊文章（“Article”），“语种”设置为英语（“English”），数据库为 SCI与 SSCI。剔除无关文献后，最终获得235条文献记录。
（二）研究工具
本研究运用CiteSpace软件进行数据分析。CiteSpace软件由美国德雷塞尔大学陈超美教授开发，它通过可视化的手段来呈现科学知识的结构、规律和分布情况，[1]目前是一款使用较多的引文可视化分析软件。
（三）数据分析
在数据分析阶段，将从Web of Science平台获得的文献记录导入CiteSpace软件。在CiteSpace软件中，将起止时间设定为2000-2017年，时间区间（Slice）为1年，数据来源为标题（Title）、摘要（Abstract）、作者给出的关键词（Author Keywords）、数据库附加关键词（Keywords Plus），节点类型分别选择被引文献、被引作者、被引期刊等，选择标准（Selection Criteria）为每个时间区间排名前5的数据。
二、研究结果
（一）发文分析
根据刊发时间进行统计，可以知道论文的年度刊发量，并将其绘制为柱形图（见图1）。如图1所示，Web of Science平台上与科学教科书相关的期刊论文，本世纪前五年的年度刊发量都不超过10篇；而后虽有所起伏，但近五年无一例外每年至少发文20篇。

图1 论文的年度刊发量统计
若是对作者所在国家进行统计，则能够得到发文数量排行榜。其中，发文量排在前六位的国家信息如表1所示。不难发现，尽管我国榜上有名，但只有5篇文章。相比之下，排在第一位的美国发文数量遥遥领先，几乎可以说是占据了半壁江山。
表1 发文量较高的国家信息统计

序号 国家 篇数 序号 国家 篇数1 美国 98 4 瑞典 5 2 土耳其 10 5 希腊 5 3 加拿大 9 6 中国 5
（二）关键词分析
对235篇文献的关键词进行统计，频率最高的十个关键词及其频次如表2所示。其中，“学生（Student）”这一关键词名列榜首。另外，除 了“科 学（Science）”、“教 育（Education）”、“教 科 书（Textbook）”、“科 学 教 科 书（Science Textbook）”等检索词或内涵比较宽泛的词汇，还有“教师（Teacher）”、“知识（Knowledge）”、“历史（History）”等。
表2 高频关键词统计

序号 关键词 频次1 student（学生） 42 2 science（科学） 40 3 education（教育） 38 4 textbook（教科书） 35 5 teacher（教师） 20 6 science textbook（科学教科书） 19 7 knowledge（知识） 17 8 history（历史） 11 9 biology（生物学） 10 10 curriculum（课程） 9
（三）引文分析②
对作为本文研究对象的235篇文献中的参考文献进行分析，可以得到科学教科书这一研究领域的高被引作者、高被引期刊、高被引文献等关键信息。这些信息能够让我们清楚地了解到科学教科书研究的关键人物和重镇，有助于我们细致把握其大致的研究方向。
1．高被引作者分析
分析所有参考文献的作者，统计被引数最高的十位作者信息，结果如表3所示。这些作者大部分来自西方国家（尤其是美国），且基本上是科学教育研究中的知名学者。
表3 高被引作者信息统计

序号 作者 单位 国家 被引数1 Eugene L. Chiappetta（尤金·L·嘉佩塔）University of Houston（休斯敦大学） 美国 30 2 John K. Gilbert（约翰·K·吉尔伯特）King’s College London（伦敦国王学院） 英国 23 3 Fouad Abd-El-Khalick（福德·阿卜杜勒-哈利克）University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校） 美国 21 4 Luli Stern（鲁黎·斯特恩）Israel Institute of Technology（以色列理工学院） 以色列 19 5 Richard E. Mayer（理查德·E·梅耶）University of California（加利福尼亚大学） 美国 14 6 Alex H. Johnstone（亚历克斯·H·约翰斯顿）University of Glasgow（格拉斯哥大学） 英国 14 7 Wolff-Michael Roth（沃夫-麦克·罗斯）University of Victoria（维多利亚大学） 加拿大 13 8 Norman G. Lederman（诺曼·G·雷德曼）Illinois Institute of Technology（伊利诺伊斯理工大学） 美国 12 9 Michael R. Matthews（麦克·R·马休斯）University of New South Wales（新南威尔士大学） 澳大利亚 10 10 Deborah Loewenberg Ball（德伯拉·洛温伯格·波尔）Michigan State University（密西根州立大学） 美国 10
2．高被引期刊分析
将参考文献的来源进行统计分析，得到被引数最高的十种期刊，如表4所示。这些都是科学研究和教育学研究方面的主流刊物，尤其前五名更是在科学教育研究中占有重要地位。
表4 高被引期刊信息统计

序号被引数1期刊Journal of Research in Science Teaching（科学教学研究期刊） 139 2 Science & Education（科学与教育） 125 3 International Journal of Science Education（国际科学教育期刊） 112 4 Science Education（科学教育） 48 5 Research in Science Education（科学教育研究） 48 6 Journal of Chemical Education（化学教育期刊） 34 7 Learning and Instruction（学习与教学） 17 8 Science（科学）15 9 Chemistry Education Research and Practice（化学教育研究与实践） 15 10 American Biology Teacher（美国生物学教师） 15
3．高被引文献分析
进一步对参考文献进行分析，可以提取出与科学教科书研究相关的高被引文献。按照被引数从高到低进行排序，统计排在前十名的文献信息，结果如表5所示。其中，文献7和文献9属于科学教育的指导性文件，文献8为手册析出文献，其它均为期刊论文且基本来自排名前五的高被引期刊。
表5 高被引文献信息统计

序号文献信息被引数1 Abd-El-Khalick F，Waters M，Le A．Representations of Nature of Science in High School Chemistry Textbooks over the Past Four Decades [J]．Journal of Research in Science Teaching，2008，45（7）：835-855 12 2 Kesidou S，Roseman J E．How Well Do Middle School Science Programs Measure Up? Findings From Project 2061’s Curriculum Review [J]．Journal of Research in Science Teaching，2002，39（6）：522-549 8 3 Gkitzia V，Salta K，Tzougraki C．Development and Application of Suitable Criteria for the Evaluation of Chemical Representations in School Textbooks [J]．Chemistry Education Research and Practice，2011，12（1）：5-14 8 4 Irez S．Nature of Science as Depicted in Turkish Biology Textbooks [J]．Science Education，2009，93（3）：422-447 7 5 Pozzer L L，Roth W．Prevalence, Function, and Structure of Photographs in High School Biology Textbooks [J]．Journal of Research in Science Teaching，2003，40（10）：1089-1114 6 6 Lee V R．Adaptations and Continuities in the Use and Design of Visual Representations in US Middle School Science Textbooks [J]．International Journal of Science Education，2010，32（8）：1099-1126 6 7 NGSS Lead States．Next Generation Science Standards: For States, By States [M]．Washington, DC：National Academy Press，2013 6 8 Lederman N G．Nature of Science: Past, Present, and Future [M] // Abell S K，Lederman N G．Handbook of Research on Science Education．New York：Taylor & Francis Group，2007：831-879 6 9 National Research Council．A Framework for K-12 Science Education: Practices,Crosscutting Concepts, and Core Ideas [M]．Washington, DC：National Academy Press，2011 5 10 Chiappetta E L，Fillman D A．Analysis of Five High School Biology Textbooks Used in the United States for Inclusion of the Nature of Science [J]．International Journal of Science Education，2007，29（15）：1847-1868 5
三、研究结论
从形式上看，与我们国内对科学等理科教科书关注不足的局面有所不同，[2]科学教科书的相关研究在国际上的重视程度正逐渐上升。在该领域内，重要作者大多是从事科学教育研究的资深专家且大多来自美国等西方国家。尽管相关研究成果在科学研究和教育学研究方面的期刊均可刊发，但五大科学教育研究期刊仍然是重镇。可以说，西方知名学者和重要科学教育学术期刊正引领着科学教科书研究的发展。
CiteSpace软件对被引文献及其施引文献的分析，能够以文献计量学的方法为我们提供关于科学教科书研究的经典文献和前沿文献。对这些文献进行收集、研读、归纳以及整理，可以让我们从实质上大致了解该领域的主要研究方向。因此，从内容上看，科学教科书在国际上的研究热点可以概括为学科知识、视觉表征、习题与活动、观念与方法等四个方面。③
（一）学科知识
在科学教科书研究中，学科知识可以说是一个十分重要的研究方向。教科书为学生呈现了哪些学科知识、如何向学生呈现、某种呈现方式对学生的学习有何影响，这些都是非常经典的话题。来自世界各地的学者以不同学科、不同学段的教科书为对象，通过不同的方法研究了与之相关的问题。例如，格里克与哈格伯格以瑞典等国家8本高中生物学教科书和5本高中化学教科书为对象，用概念图分析了教科书中用于表征基因功能的模型，以及这些模型是如何与历史科学模型、学科知识情境联系起来的（Gericke、Hagberg，2010a）。[3]萨帕里斯对20本大学物理化学教材进行了分析，探讨了其中的知识编排问题（Tsaparlis，2014）。[4]盖吉斯等人分析了希腊中学化学教科书的结构和内容是如何处理化学动力学概念的（Gegios等，2017）。[5]值得一提的是，一些学者能够自行设计出教科书分析的研究工具。例如，吉基齐亚等人详细分析了5本大学和中学化学教科书中的化学表征，提出了评价化学教科书中化学表征的五条标准：表征类型、对表层特征的解释、与课文的关系、说明文字的有无与属性、含有多重表征的各组成部分之间的相关程度。经检验，该标准涵盖了化学表征的基本元素（Gkitzia等，2011）。[6]之后，它也为多项研究采纳，用于分析大学物理化学教材[7]（Nyachwaya、Wood，2014）以及中学化学教科书（Demirdöğen，2017；Shehab、BouJaoude，2017）。[8][9]
教科书对学科知识的呈现可能会影响学生的学习。在这里，学者们从不同的角度提出了问题并加以研究。例如，尼姆探讨了大学生物学导论课程和教材在强化本科生已有的、错误的进化论心智模型中发挥的作用（Nehm等，2009）。[10]格里克与哈格伯格开发了一个概念图工具，用于研究瑞典等国家通用的中学生物学与化学教科书中基因功能的概念，描述了教科书中呈现的基因功能的概念变化，分析了它们影响学生概念理解的方式（Gericke、Hagberg，2010b）。[11]克洛塞研究了中学生阅读生物教科书文本对阅读体验和学习结果产生的影响（Kloser，2013、2016）。[12][13]
（二）视觉表征
视觉表征主要包括图片、图表等，这些要素在科学教科书中是不可或缺的。很多科学知识（尤其是一些基本概念和基本原理）具有高度的抽象性，以文字形式将学科知识呈现给学生，由于学生的认知水平有限，可能理解起来存在一定的困难。然而，若是能够恰当地运用图片、图表等视觉表征，让学科知识的表征方式得以转换或丰富，则可以促进抽象知识的可视化，使原本难以接受的知识变得易于理解，有利于学生跨越认知上的障碍，更好地学习科学知识。对此，已有学者在这一方面开展了研究工作。例如，波泽尔与罗斯以巴西4本中学生物教科书为对象，研究了其中图片的使用及其相互之间的关系（Pozzer、Roth，2003）。[14]我国台湾学者郑明长等人探讨了根据认知过程原则修改科学教科书中的插图是否会影响五年级学生的学习成绩（Cheng等，2015）。[15]帕帕耶奥尔尤分析了过去三十年希腊9种中学化学教科书对微观世界的视觉表征（Papageorgiou等，2017）。[16]刘洋与凯恩以巴林王国小学科学课程使用的20本教科书和练习册为对象，对其中的图表进行分类、编码以及分析，研究了不同类型图表的分布模式和插图文字（Liu、Khine，2016）。[17]卡帕克与萨瓦希-阿西卡琳采用已有的化学教科书中化学表征的评价标准（Gkitzia等，2011），[6]研究了土耳其中学科学教科书“物质的微观性质”相关主题的图片（Kapıcı、Savaşcı-Açıkalın，2015）。[18]另外，斯劳等人以自行开发的“图像分析协议”为工具，以德克萨斯州批准使用的4本6年级科学课本为对象，从量化角度研究了图像表征的类型和质量，以及它们是如何与文本材料相互作用的（Slough等，2010）。[19]该工具之后被尼雅克瓦亚与吉拉斯皮采用并改编，用于研究美国5本大学普通化学教材中的表征特点及其对认知负荷的影响（Nyachwaya、Gillaspie，2016）。[20]
（三）习题与活动
科学教科书往往会设计一些习题和活动来促进学生的学习。这些问题和活动如果设计得好，对学生理解知识、提高能力是大有裨益的；反之则无助于甚至会阻碍学生的发展。有的学者关注了教科书中的思考题和练习题。例如，达维拉与塔兰克分析了美国大学常用的几本普通化学教材中章末习题与问题对学生的认知要求，认为它们大多数属于布卢姆教育目标分类学认知领域中的“应用”和“分析”水平，且题型较为单一（Dávila、Talanquer，2010）。[21]奥沃曼等人从知识内容和学习活动两个角度，以自行开发的工具分析了荷兰2本情境式和2本传统化学教科书中的971个习题，发现后者虽强调化学知识但并不总是像我们预期的那样传统，前者虽更加关注情境但也包含很多传统的化学知识且并未像我们预期的那样关注高阶学习（Overman等，2013）。[22]吉莱特与桑格从教科书类型（中学/大学）、认知技能（低阶/高阶）、题型（计算/选择/简答）、位置（章内/章末/题库）、形式（定性/定量）、表征类型（宏观/微观/符号）等六个方面，分析了美国4本中学化学教材和4本大学化学教材气体定律相关章节中的习题分布情况（Gillette、Sanger，2014）。[23]有的学者还研究了教科书中的活动,例如，邓恩等人通过5E教学模式分析了爱尔兰3套小学科学教科书，作者自行开发了一个四层分析框架，探讨了这些教科书对探究式科学教育的支持性（Dunne等，2013）。[24]莫里斯等人研究了美国20本中学科学教科书中的731个活动，认为尽管半数活动包含数据，但很少能够有机会让学生学习如何记录、分析和解释数据，并且这些活动很少提供基于循证学习策略的教学支持（Morris等，2015）。[25]阿尔达姆什等人分析了沙特阿拉伯中学科学12本教科书和12本练习册中的活动是否包含科学探究的五个基本特征，结果发现约59%的活动包含了这些特征，每个活动平均包含2.55个科学探究的基本特征，因此认为科学教科书和练习册都没有给学生提供发展探究能力的机会（Aldahmash等，2016）。[26]
（四）观念与方法
从表面上来看，科学教科书只是向学生介绍了一些科学知识；但实际上，它们正在不知不觉地向学生传递着一定的观念与方法，无形中塑造着学生对科学的理解。这其中研究较多的，就是科学教科书中体现的科学本质。例如，阿卜杜勒-哈利克等人分析了美国几十年来的14本中学化学教科书、16本中学生物教科书和18本中学物理教科书对科学本质的表征及其变化，发现这些教科书中对科学本质的表征情况较为糟糕，几十年没有实质性的改进，与国际科学教育的发展趋势相违背（Abd-El-Khalick 等，2008、2017）。[27][28]此 外，人 们 也对芬兰和瑞典的高中化学教科书（Vesterinen等，2013）、[29]土耳其中学生物教科书[30]（Irez，2009）和 化 学 教 科 书 [31]（Aydin、Tortumlu，2015）、美国大学普通生物学教材[32]（Fulford、Rudge，2016）等进行了研究。
除了科学本质的表征，各国学者也研究了科学教科书体现的其它一些观念和方法。例如，斯特恩与罗斯曼对美国9本中学科学教科书进行了分析，考查其是否为学生理解物质与能量转化方面的科学观念提供支持（Stern、Roseman，2004）。[33]卡维奇就性别平等等主题对土耳其10本中学科学教科书和10本中学化学教科书进行内容分析（Kahveci，2010）。[34]莱莫尼等人分析了希腊小学科学新旧两套教科书中有关自然观以及人与自然关系的话语转换（Lemoni等，2013）。[35]夏尔马与巴克斯顿运用基于批判性话语分析和系统功能语言学的方法论框架，分析了佐治亚州广泛使用的一本7年级科学教科书展现出的自然与社会系统关系的文本表征（Sharma、Buxton，2015）。[36]罗曼与布什采用系统功能分析法，对加利福尼亚州4本6年级科学教科书中气候变化相关章节进行话语分析，认为它们将气候变化表达为科学界的不确定因素（Román、Busch，2016）。[37]宾斯与贝尔探讨了美国8本广泛使用的中学科学教科书对科学方法的描述，以及教科书上的例子与科学研究在多大程度上是描述一致的（Binns、Bell，2015）。[38]布莱霍维茨以科学哲学家的视角对科学教科书进行了分析，发现了三点不足：简单经验主义科学观占主导地位，科学与非科学探究的割裂，对争议问题的回避（Blachowicz，2009）。[39]尼亚兹等人对103本大学普通物理学教材中光电效应的HPS相关方面进行了分析，认为教材忽视或扭曲了很多相关的历史要素（Niaz等，2010）。[40]
四、启示
通过前面的一系列过程，让我们看到了关于科学教科书研究的一幅五彩斑斓的画卷。这幅由世界各地学者共同创作的画卷勾勒出了本领域目前的研究现状以及大致的研究方向，体现了多样化的研究视角、研究方法以及研究对象。这些或许可以为我们国内的研究工作带来不少有价值的思路。具体而言，主要有以下三个方面。
（一）研究视角兼顾显性与隐性
国际上关于科学教科书的研究视角是多元的。既有就教科书论教科书的，也有从促进学生学习的角度出发谈教科书的。既有基于本学科（物理、化学、生物等）的，也有基于哲学、语言学、心理学等其它学科的。既有关注教科书文本的，也有关注图片、图表、习题、活动的，甚至还有关注观念与方法的。值得注意的是，教育的功能有显性和隐性之分，因此对科学教科书文本、图片、图表、习题、活动等的研究关注的是教科书的显性要素，而对教科书中体现和传递的观念与方法的研究就属于关注隐性要素。国内的研究视角则没有那么丰富，绝大部分探讨的是显性要素，且研究工作多集中在国外科学教科书的介绍、科学教科书在某一主题内容上的历史演变、不同版本科学教科书的比较等方面。相对来说，国内学者对隐性维度谈论甚少，这可能是因为国人普遍认为科学知识都是固定不变的，无论在哪里都是一个样，没什么价值取向。
（二）研究方法借鉴相关学科
根据本文的研究结论，国际上的相关研究工作所运用的方法，既有思辨也有实证。前面我们提到，国外很多学者基于哲学、社会学、语言学等学科开展科学教科书的研究，所以其它相关学科中的研究方法就自然而然地被迁移至科学教科书这一研究领域。如果仅从实证研究来看，其中的方法已经很少再受到质化抑或量化的桎梏，更多的是走向一种混合研究范式。例如，有的外国学者将符号学（Han、Roth，2006）、[41]人种学（Irez，2009）、[42]话语分析（Pyburn、Pazicni，2014）[43]等方法用于科学教科书研究。由于教育本身就有着特定的社会文化背景，教育学也是社会人文学科的一部分，那么这种跨学科的研究就不足为奇了。在国内，科学教科书研究多采用文本分析的方法进行比较研究或历史研究，而上述这些社会科学研究方法可能已经在教育研究中有所应用，甚至已经用于文科（语文、历史、外语等）教科书研究，但在科学教科书研究中仍较为罕见。这或许与研究者的知识结构相关：从事此类研究需要研究者通晓有关社会人文学科的理论和方法，我国科学教科书研究者尽管在学科知识上游刃有余，但在跨学科研究方面却有些捉襟见肘。
（三）研究对象覆盖各个学段
国外关于科学教科书的研究对象也是非常多样的。就地区而言，所研究的教科书来自世界各地，包括亚洲、非洲、欧洲、美洲等大洲，但来自我国（尤其是内地）的教科书还有待走上国际舞台；就学科而言，包括科学、物理、化学、生物等各科教科书；就学段而言，既有中小学教科书，也有大学教材——其中不仅包含大学低年级课程教材，更包含了大学中高年级课程教材，例如有机化学（Kumi等，2013）、[44]进化生物学（Fuselier等，2016）、[45]动物行为学（Bierema等，2017）等。[46]相比之下，国内在大学教材上的研究就显得有些薄弱，这或许可归结为两类因素,一是作为主观因素的研究者,此类工作在国内属于高等教育研究，我国科学教育研究者的目光基本是在基础教育阶段,而承担高等教育阶段教学工作的都是学科类的科研人员，他们很少能够顾及教学方面的研究。二是作为客观因素的学术资源，国内几乎没有能够与该方向直接对口的高层次学术期刊，这就使相关研究成果的发表难度陡增，让大学阶段的科学教科书研究在我国落入了一个尴尬的境地。
注释：
① 本文中的“科学教育”也包括物理教育、化学教育、生物教育等。与之相对应，“科学教科书”也包括物理教科书、化学教科书、生物教科书等。
② 本部分讲到的引用，均系被本文研究对象所引用。
③ 这里只是做了一个粗略的归纳，并不代表这四个方面是相互隔离、毫无联系的。
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