美國高中化學(xué)教材中跨學(xué)科內(nèi)容分析

陸孟君 王世存 王紅梅

摘要： 以美國高中化學(xué)主流教材Chemistry： Concepts and Applications中的跨學(xué)科內(nèi)容作為研究對象，將所跨學(xué)科的溯源和內(nèi)容分析法相結(jié)合，分別從學(xué)科來源、分布位置和設(shè)置目的3個(gè)維度對其進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析。在學(xué)科來源上，材料工程、物理學(xué)和生物學(xué)上數(shù)量居多;在分布位置上，則以習(xí)題和正文為主;在設(shè)置目的上，多為鞏固應(yīng)用而設(shè)置。從當(dāng)前新一輪課程改革出發(fā)，對我國高中化學(xué)教材的修訂和完善提出相應(yīng)的建議： 滲透STSE理念，優(yōu)化外觀和排版;增設(shè)跨學(xué)科欄目;注重知識(shí)的綜合應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 跨學(xué)科內(nèi)容; 高中化學(xué)教材; 化學(xué)： 概念與應(yīng)用

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）11-0026-05? ? ? ? ? ? 中圖分類號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1926年Woodorth于當(dāng)時(shí)新成立的美國社會(huì)科學(xué)研究理事會(huì)（SSRC）首次提出跨學(xué)科（Interdisciplinarity）的概念[1]。18世紀(jì)中葉俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫首先把物理和化學(xué)聯(lián)系在一起[2]，開創(chuàng)了化學(xué)跨學(xué)科的先河，在這之后，化學(xué)不斷地與其他學(xué)科進(jìn)行著交叉聯(lián)系，并衍生出了物理化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等跨學(xué)科專業(yè)。隨后Newell和Green將跨學(xué)科學(xué)習(xí)定義為“結(jié)合兩種或兩種以上學(xué)科以形成對某一問題或主題的綜合理解”[3]，跨學(xué)科學(xué)習(xí)的主要特點(diǎn)是“多學(xué)科知識(shí)在某一項(xiàng)目或主題中的聯(lián)結(jié)和融合”[4]?？梢姡c傳統(tǒng)的單學(xué)科學(xué)習(xí)相比，跨學(xué)科學(xué)習(xí)把學(xué)習(xí)的重心從知識(shí)記憶轉(zhuǎn)向整合不同學(xué)科的信息以及反思整個(gè)學(xué)習(xí)的過程，它能“增強(qiáng)學(xué)生的批判性思維能力、認(rèn)知能力、解決問題的能力和跨學(xué)科聯(lián)系的敏感性”[5]。

由于當(dāng)代知識(shí)的發(fā)展存在一個(gè)突出特點(diǎn)“在學(xué)科不斷分化基礎(chǔ)上的相互交叉、相互滲透而形成的高度整合化、跨學(xué)科趨勢”，同時(shí)現(xiàn)今人們面臨的許多社會(huì)問題，都需要綜合運(yùn)用多門學(xué)科的知識(shí)去進(jìn)行解決。在這一時(shí)代背景下，教育界掀起了一股對“跨學(xué)科”概念的研究熱潮，特別是美國于2013年4月正式發(fā)布的《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS），將科學(xué)學(xué)習(xí)劃分為科學(xué)與工程實(shí)踐 （Science and Engineering Practices）、跨學(xué)科概念（Crosscutting Concepts）和核心概念（Disciplinary Core Ideas）三個(gè)同等重要的維度[6]。NGSS的研制者認(rèn)為，“現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)列出了瑣碎和不相關(guān)聯(lián)的知識(shí)清單，導(dǎo)致我們學(xué)校的科學(xué)課程是‘一英里長，一英寸深，忽視了科學(xué)知識(shí)之間的內(nèi)在邏輯性和一致性”[7]，因此，NGSS著重強(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科學(xué)習(xí)的重要性。為了研究美國化學(xué)教育中跨學(xué)科教學(xué)的現(xiàn)狀，就可以從其教材入手，因?yàn)榻滩氖亲罨?、最重要的課程資源，是課程的物化形態(tài)[8]，所以，跨學(xué)科化學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀就可具體化為對化學(xué)教材中跨學(xué)科內(nèi)容的研究。

1? 研究對象和方法

1.1? 研究對象

在教材研究中選擇教材時(shí)需考慮以下因素： 出版社的權(quán)威性、版本新舊、關(guān)注度、使用量等[9]。針對美國化學(xué)教材使用多元化的現(xiàn)狀，研究選定由美國McGrawHill公司出版的Chemistry： Concepts and Applications[10]（以下簡稱“美國高中化學(xué)教材”），該教材在美國課堂中有著相對較高的選用率，并且該教材也被浙江教育出版社出版為中譯本，對我國中學(xué)化學(xué)也產(chǎn)生了一定影響。

1.2? 研究方法

鑒于研究目的，需將所跨學(xué)科來源與內(nèi)容分析法相結(jié)合，并使教材內(nèi)容編排與選取內(nèi)容的研究結(jié)合進(jìn)行，從學(xué)科來源和分布位置的維度出發(fā)進(jìn)行研究，可以在宏觀上顯性地表述跨學(xué)科內(nèi)容的交叉情況，并能在宏觀上體現(xiàn)出其在美國高中化學(xué)教材中所處位置或欄目，從而進(jìn)一步分析出其設(shè)置方式;而從設(shè)置目的的維度出發(fā)進(jìn)行研究，可從微觀上深入獲知其具體內(nèi)容。研究總體上從跨學(xué)科內(nèi)容的學(xué)科來源、分布位置以及設(shè)置目的3個(gè)維度對美國高中化學(xué)教材中的跨學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行分析。

在學(xué)科來源上，根據(jù)《中華人民共和國學(xué)科分類與代碼國家標(biāo)準(zhǔn)》（2009年版）簡稱《學(xué)科分類與代碼》GB/T13745-2009進(jìn)行學(xué)科分類，將其歸類為自然科學(xué)類、人文與社會(huì)科學(xué)類、醫(yī)藥科學(xué)類、工程與技術(shù)科學(xué)類和農(nóng)業(yè)科學(xué)類，并細(xì)化為各科學(xué)類別下的一級學(xué)科，以便于進(jìn)行分析研究，具體分類如表1所示。在分布位置上，根據(jù)教材編排特點(diǎn)將其分為正文、例題、習(xí)題、專欄及其他五種類型。在設(shè)置目的上，結(jié)合化學(xué)學(xué)科的知識(shí)特點(diǎn)，將教材中跨學(xué)科內(nèi)容主要分為新知引入、概念解釋、實(shí)驗(yàn)探究和鞏固應(yīng)用四種類型。

表1? 美國高中化學(xué)教材跨學(xué)科內(nèi)容的學(xué)科來源

學(xué)科類別一級學(xué)科

自然科學(xué)類數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、地球科學(xué)、天文學(xué)等

人文與社會(huì)科學(xué)類語言學(xué)、歷史學(xué)、考古學(xué)、政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、藝術(shù)學(xué)、社會(huì)學(xué)、文學(xué)、體育科學(xué)等

醫(yī)藥科學(xué)類醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等

工程與技術(shù)科學(xué)類材料工程、電子通信、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、航空航天科學(xué)技術(shù)等

農(nóng)業(yè)科學(xué)類農(nóng)學(xué)、林學(xué)等

例如教材中對“電子運(yùn)動(dòng)”部分進(jìn)行說明時(shí)，提到“丹麥科學(xué)家丹尼爾斯·玻爾（1885～1962，早期曾與盧瑟福共事）認(rèn)為，電子必定具有足夠的能量，這樣它才能在原子核的周圍不斷運(yùn)動(dòng)。為此，將電子的運(yùn)動(dòng)與太陽系中行星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了比較。玻爾認(rèn)為，雖然行星與太陽之間通過萬有引力彼此吸引，但正是因?yàn)樾行蔷哂凶銐虻哪芰?，才使它們可以穩(wěn)定地處在固定的軌道上圍繞太陽旋轉(zhuǎn)”。在學(xué)科來源統(tǒng)計(jì)上，此段文字即在宏觀上呈現(xiàn)出化學(xué)與歷史學(xué)、天文學(xué)和地球科學(xué)之間的跨越，統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，在一級學(xué)科的這三門學(xué)科上進(jìn)行累加，同時(shí)在五大學(xué)科類別上，由于天文學(xué)和地球科學(xué)都屬于自然學(xué)科，需在“自然學(xué)科類”的數(shù)值統(tǒng)計(jì)上累加兩次，而另外歷史學(xué)屬于人文與社會(huì)科學(xué)類，所以需在“人文與社會(huì)科學(xué)類”的數(shù)值上累加一次。在分布位置統(tǒng)計(jì)上，此段文字說明是位于教材中的正文部分，在“正文”的統(tǒng)計(jì)數(shù)值上累加一次即可。在設(shè)置目的統(tǒng)計(jì)上，此段文字的主要目的為解析電子運(yùn)動(dòng)軌跡問題，即在“概念解釋”的統(tǒng)計(jì)數(shù)值上累加一次[11]。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 學(xué)科來源

在學(xué)科來源方面（見圖1）的所屬一級學(xué)科數(shù)量統(tǒng)計(jì)上，有關(guān)材料工程的跨學(xué)科內(nèi)容最多，高達(dá)239處，這些跨學(xué)科內(nèi)容通常將化學(xué)作為基本的分析工具，應(yīng)用于具體的材料工程項(xiàng)目中。相比較而言，有關(guān)生物學(xué)和物理學(xué)的跨學(xué)科內(nèi)容也比較多，主要因?yàn)榛瘜W(xué)與物理、生物學(xué)科有著相似的理論體系，當(dāng)代許多新興學(xué)科的出現(xiàn)都來自于化學(xué)與物理、生物學(xué)科的交叉點(diǎn)，這些學(xué)科之間的跨越，一方面可以推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的進(jìn)步，另一方面也可以促進(jìn)化學(xué)學(xué)科本身的發(fā)展。

圖1? 美國高中化學(xué)教材中跨學(xué)科內(nèi)容的學(xué)科來源數(shù)量排序

這些跨學(xué)科內(nèi)容將化學(xué)知識(shí)與自然、社會(huì)文化現(xiàn)象以及科學(xué)技術(shù)聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生用化學(xué)的思維方法去理解和解決有關(guān)問題，理解“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)”之間的相互聯(lián)系和影響，以開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生建立起自然與社會(huì)相統(tǒng)一的整體意識(shí)，并用這種STS的思維模式指導(dǎo)學(xué)生多角度、多層面、立體化地思考科學(xué)的社會(huì)價(jià)值以及對人類文化所產(chǎn)生的影響[12]。

2.2? 分布位置

從教材中跨學(xué)科內(nèi)容分布位置上來看，將其分為正文、例題、習(xí)題、專欄和其他（其中“其他”為教材中除去正文、例題、習(xí)題、專欄之外所呈現(xiàn)的內(nèi)容），分析得出其以習(xí)題和正文為主，兩者所占比例相當(dāng)，其他和專欄中的跨學(xué)科內(nèi)容數(shù)量次之，而在例題中分布甚少，這主要和美國高中化學(xué)教材中的例題在總量上就偏少有關(guān)（見表2）。在習(xí)題上，美國高中化學(xué)教材都將其設(shè)置在章節(jié)復(fù)習(xí)題中，具體而言，在“本節(jié)復(fù)習(xí)題”的“化學(xué)應(yīng)用”部分以及“第X章復(fù)習(xí)”中的“應(yīng)用概念”部分，重視從不同方面去反映國情、科技成果以及生產(chǎn)、生活實(shí)際，特別是在“應(yīng)用概念”部分在跨學(xué)科鏈接、化學(xué)與技術(shù)、化學(xué)與社會(huì)、生活中的化學(xué)以及工作原理等各小標(biāo)題下的習(xí)題，這樣就將化學(xué)中抽象概念的應(yīng)用和生動(dòng)的現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來。

表2? 美國高中化學(xué)教材中跨學(xué)科內(nèi)容分布位置統(tǒng)計(jì)

分布位置數(shù)量比例

其他14819.63%

正文23030.50%

例題70.93%

習(xí)題26935.68%

專欄10013.26%

在正文部分，縱觀跨學(xué)科內(nèi)容的分布，在化學(xué)概念、原理和方法的引入、講解以及應(yīng)用部分都有著一定數(shù)量的出現(xiàn)，這說明美國高中化學(xué)教材較好地做到了對跨學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行多維度闡釋和精細(xì)加工，使得其便于理解，為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)起到“腳手架”的作用。

跨學(xué)科內(nèi)容還常呈現(xiàn)于章前的介紹部分，并大多與實(shí)物圖片相結(jié)合的方式呈現(xiàn)有關(guān)本章內(nèi)容的自然科學(xué)或社會(huì)現(xiàn)象等，例如火山礦巖、莊稼施肥、遨游世界的熱氣球等;非正文中還有一個(gè)跨學(xué)科內(nèi)容集中分布的位置為旁注部分，經(jīng)常涉及詞源和一些科學(xué)史實(shí)的介紹，目的在于補(bǔ)充與化學(xué)知識(shí)相關(guān)的其他學(xué)科知識(shí)。

在專欄部分，美國高中化學(xué)教材的專欄設(shè)計(jì)種類繁多，有生活中的化學(xué)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、迷你實(shí)驗(yàn)、起步實(shí)驗(yàn)、化學(xué)與社會(huì)、化學(xué)與技術(shù)、工作原理、化學(xué)工作者以及跨學(xué)科鏈接，多達(dá)九大類的專欄設(shè)計(jì)，其以相對獨(dú)立的形式出現(xiàn)在教材中，通常篇幅較多，可以較為完整地呈現(xiàn)跨學(xué)科內(nèi)容，增強(qiáng)了化學(xué)與科技、現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系，從而促進(jìn)了學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)機(jī)和積極的態(tài)度，并使其獲得更高的解決問題的能力。

2.3? 設(shè)置目的

從教材跨學(xué)科內(nèi)容的設(shè)置目的上來看，以鞏固應(yīng)用為主，概念解釋和知識(shí)拓展次之，最后在實(shí)驗(yàn)探究和新知引入方面其所占比例都相對而言較小（見表3）。教材中通常使用跨學(xué)科內(nèi)容來創(chuàng)設(shè)問題情境，以對化學(xué)的概念、原理和方法等進(jìn)行鞏固應(yīng)用。鞏固應(yīng)用可以更為全面地利用所學(xué)知識(shí)來解決現(xiàn)實(shí)中的問題，理論與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，體現(xiàn)了“授之以漁”而不是“授之以魚”的教學(xué)觀點(diǎn)，也為學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供更多素材和機(jī)會(huì)[13]。

表3? 美國高中化學(xué)教材中跨學(xué)科內(nèi)容設(shè)置目的統(tǒng)計(jì)

設(shè)置目的數(shù)量比例

新知引入435.70%

概念解釋21828.91%

實(shí)驗(yàn)探究537.03%

鞏固應(yīng)用33444.30%

知識(shí)拓展10614.06%

在概念解釋上，跨學(xué)科內(nèi)容通常作為類比方法的使用出現(xiàn)，以促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)概念的理解，例如將催化劑對反應(yīng)速率的影響類比為跳高運(yùn)動(dòng)，將兩原子間爭奪共用電子類比為“拔河比賽”，將電子能級類比為俄羅斯套娃等等。

在新知引入和知識(shí)拓展上，跨學(xué)科內(nèi)容有些以圖文并茂的形式出現(xiàn)在章前介紹部分，有些則在正文前段或中間部分，引導(dǎo)學(xué)生從已有的知識(shí)背景和生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，學(xué)習(xí)和理解化學(xué)及其相關(guān)拓展知識(shí)。在化學(xué)學(xué)科教材分析上，實(shí)驗(yàn)探究是一大模塊，從上文專欄部分的介紹中，可知美國高中化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)探究欄目種類較多，分別有化學(xué)實(shí)驗(yàn)、迷你實(shí)驗(yàn)、起步實(shí)驗(yàn)三類，這些實(shí)驗(yàn)兼具趣味性和生活性，能夠有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍思維、拓寬探究視野，關(guān)注不同學(xué)科之間的聯(lián)系，以優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)。特別是迷你實(shí)驗(yàn)欄目中，通常是跨學(xué)科內(nèi)容出現(xiàn)頻繁的位置，例如我的早餐是用什么做的、合成香料、酵母遇糖等等。

3? 啟示

通過上述對美國高中化學(xué)教材中跨學(xué)科內(nèi)容的分析，對我國高中化學(xué)教材的修訂與完善的建議如下：

3.1? 滲透STSE理念

美國高中化學(xué)教材中跨學(xué)科內(nèi)容在學(xué)科來源上，大多選自自然科學(xué)類、人文與社會(huì)科學(xué)類以及工程與技術(shù)科學(xué)類知識(shí)，這些內(nèi)容使學(xué)生將化學(xué)學(xué)科的知識(shí)和技能置于“新材料”和“新情境”中去進(jìn)行學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)到化學(xué)對技術(shù)、社會(huì)以及環(huán)境所創(chuàng)造的價(jià)值。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中就提出“形成‘化學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境的基本理念”[14]。羅瑪就對香港地區(qū)初中科學(xué)課程文本中的“跨學(xué)科”整合設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其跨學(xué)科內(nèi)容具體體現(xiàn)在課程設(shè)計(jì)、課程目標(biāo)和課程內(nèi)容三個(gè)方面[15]。為了體現(xiàn)新課標(biāo)的改革理念，更為了培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用STSE理念去多角度、多層次地思考化學(xué)的社會(huì)價(jià)值，就可以在教材中跨學(xué)科內(nèi)容的設(shè)計(jì)上滲透STSE理念。