美國高中主流教材“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”內(nèi)容編寫的教與學思想探析

文∣林鈴 李秀華

一、問題的提出

化學是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學科，其特征是從微觀層次認識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)?？梢哉f，化學在促進人類文明可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用，是揭示元素到生命奧秘的核心力量。

“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”在化學學科中的學習至關(guān)重要，是探索化學反應(yīng)原理微觀結(jié)構(gòu)的必經(jīng)途徑；聯(lián)系著化學原理中的宏觀角度，同時交織著化學反應(yīng)現(xiàn)象和物質(zhì)性質(zhì)的本質(zhì)特征。由于該部分內(nèi)容由宏觀學習轉(zhuǎn)向了微觀學習，對于初學者來說，其原理較為復雜，概念較為煩瑣，存在一定的認知和理解困難。因此，幫助學生構(gòu)建完整的“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”知識體系，有助于培養(yǎng)學生將宏觀認識和微觀本質(zhì)相結(jié)合，真正體會化學本質(zhì)變化。這對于學生學習化學有著重要的作用。

通過查閱對美國高中主流教材中“物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)”“化學反應(yīng)”和“能量與物質(zhì)的相互作用”等專題內(nèi)容的分析研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，美國主流教材具有重視化學本質(zhì)、強調(diào)實驗過程、注重化學與生活相聯(lián)系等特點。因此，研究美國主流教材的編排特點，對于我國基礎(chǔ)教育教材的編寫有借鑒學習意義。在此，選取美國教育書籍出版集團McGraw-Hill的Glencoe公司出版、浙江教育出版社出版發(fā)行的翻譯版現(xiàn)行美國高中主流教材《化學：概念與應(yīng)用》(Chemistry：ConceptsandApplications)(以下稱“美國教材”)中“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”章節(jié)為例，研究其內(nèi)容設(shè)置和編排特點，以期為我國教材編寫和一線教師教學提供參考。

二、“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”的內(nèi)容概述

美國現(xiàn)行的學制較常見的是“五三四”制：小學五年(1—5年級)、初中三年(6—8年級)、高中四年(9—12年級)。初中階段開設(shè)的課程多為綜合基礎(chǔ)類的科學課程，高中階段開始設(shè)置物理、化學、生物等分科課程。美國教育學者認為，化學是綜合課程學科中的一部分，其任務(wù)是培養(yǎng)學生具備最基本的科學素養(yǎng)；同時將化學學科作為一門工具，解決生活問題。最為重要的是，化學作為一門科學，要幫助學生培養(yǎng)批判性思維，以便其日后進入化學領(lǐng)域或其他行業(yè)都能辯證性地思考問題。

“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”章節(jié)設(shè)置在美國教材的第七章。在導入部分中，教材結(jié)合相關(guān)化學史和歷史資料，從宏觀的角度列舉化學變化，進而轉(zhuǎn)向微觀世界，很好地進行了過渡，并舉例說明了化學的功與過、化學的前景和局限，進而指出學習后面章節(jié)的必要性。正文部分，結(jié)合生活實際經(jīng)驗，用通俗的語言和形象生動的圖形巧妙地解釋了相關(guān)的概念，最后再通過科學性的語言表述，幫助初學者在概念難點的理解基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)；訓練學生閱讀能力和科學性總結(jié)歸納能力，從而避免了因概念枯燥而失去對學習的興趣。教材在內(nèi)容編寫上，注重由淺入深的邏輯順序，知識的羅列由零散到集中，最后再進行歸納總結(jié)，從而生成一個完整的知識網(wǎng)絡(luò)。美國教材“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”內(nèi)容總體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 美國教材“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”內(nèi)容設(shè)置簡介

三、“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”編寫中教與學的思想

(一)概念引入階段巧用“生活情境”

美國教材在復雜抽象概念引入前，傾向于結(jié)合生活情境或者生活問題來呈現(xiàn)，借助生活中某些現(xiàn)象來幫助理解概念，從而建立概念意識。例如，在學習“原子是怎么結(jié)合的”和“元素如何結(jié)合”前，教材提出小問題來引發(fā)思考：“當你看自己的桌子時，你可能會覺得它是什么東西？固體。你可能會驚訝地發(fā)現(xiàn)所有物質(zhì)，甚至固體像木頭和金屬一樣，大部分空間都是空的。這怎么能？是嗎？答案是，盡管空間可能很小或沒有，但是對于原子來說，每一個原子內(nèi)部都有許多空位。”“當你把拼圖拼起來的時候，只要你不動它，它就會保持原樣。當你拿起它，它可能會散開。當元素以化學鍵的形式相結(jié)合時，它們的結(jié)構(gòu)就比較穩(wěn)定?！?/p>

同時，教材中也會巧用一些案例來矯正學生原有意識里或認知中的一些錯誤。如“你可能認為電子就像行星圍繞太陽轉(zhuǎn)一樣，但實際情況并非如此，如圖1所示。行星沒有電荷，但原子核中，原子帶正電荷，電子帶負電荷；行星的運行軌道是可以被預(yù)測的，位置可以被計算出來，但對電子來說并非如此，雖然電子確實在可預(yù)測的區(qū)域中運動，但是無法計算任何一個電子的精確位置，而科學家只能使用一個模型來大概預(yù)測電子的位置”。

圖1 美國教材展示：“電子能級”組織型插圖

由此可見，美國教材在知識概念導入方面，注重聯(lián)系學生已有的知識，結(jié)合學生、學科和社會特點，注重讓學生應(yīng)用化學知識解決實際生活中存在的問題，強調(diào)培養(yǎng)學生的科學思維。

(二)巧用插圖比喻，化抽象概念為形象

根據(jù)理查德的分類方法，我們可以將教材中的插圖分為以下四種類型：裝飾型插圖、代表型插圖、組織型插圖和解釋型插圖。裝飾型插圖一般用來吸引學生的注意力，增加學習興趣；代表型插圖一般用來描繪實物以及實驗裝置；組織型插圖一般用來描繪課本中的核心知識；解釋型插圖一般用來解釋課本中某一系統(tǒng)的工作原理，如晶體堆積方式等。

對于概念較多且較為抽象的知識來說，組織型插圖和解釋型插圖就顯得尤為重要。組織型插圖主要用來闡明教科書文本中各知識之間的關(guān)系，對知識的整合與總結(jié)有很大作用。這類插圖主要體現(xiàn)的是知識傳遞功能以及整合概括功能。

美國教材在處理概念性知識時，多用組織型插圖來化抽象為形象。例如，在學到“電子能級”時，結(jié)合運用語言說明和圖像標注組合成的圖片，既能說明知識結(jié)構(gòu)，又能直觀地表明變化的規(guī)律，便于知識的整合記憶，如圖1所示。解釋型插圖旨在讓學生了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在解釋“金屬鍵合”和“堆積方式”時，用三維立體結(jié)構(gòu)來展示晶體的堆積方式。美國教材本章節(jié)的插圖多達24幅，這表明其注重圖片對真實情況的描述，以此來幫助學生建立完整、直觀的知識內(nèi)核。教科書的整體插圖風格趨于真實化和立體化。

(三)設(shè)置相應(yīng)欄目，引導概念理解

美國教材中欄目較多，如表2所示。“實驗”欄目占據(jù)篇幅最大而且較為統(tǒng)一，通常位于每一節(jié)學習課題最后，是總結(jié)學習課題的主要手段，還包括“實驗課題”“實驗步驟與方法”“實驗儀器與裝置圖”“實物圖”“所需材料以及訣竅”“注意”等小欄目。教材在實驗內(nèi)容的選取上有開放性、綜合性和實踐性等特點，實驗主題及實驗過程都具有綜合性。在本章節(jié)的實驗內(nèi)容中，需要學生自己設(shè)計晶胞模型并利用各種材料進行制作，用數(shù)學測量來判斷所做出的模型是否符合科學性。由此可以看出，美國教材在實驗過程的設(shè)計上注重活動性、探究性和過程性，不只是對實驗知識和技能的考查，更是對實驗探究能力、實驗態(tài)度情感與價值觀方面的培養(yǎng)，讓學生不再畏懼較難的概念性知識，激發(fā)其學習興趣。

圖2 美國教材展示：“金屬鍵合”“堆積方式”解釋型插圖

表2 美國教材中的欄目設(shè)置及其功能

美國教材注重跨學科融合，欄目設(shè)置能夠很好地輔助學生學習，克服學習困難。“綜合物理”欄目體現(xiàn)了各學科領(lǐng)域之間一脈相承的科學性，“綜合職業(yè)”欄目關(guān)心科技發(fā)展，將經(jīng)典化學和近代化學相融合，“科文閱讀”欄目以化學知識為線索，更加強調(diào)跨學科文化滲透。

(四)習題設(shè)置層次多樣，注重理解與應(yīng)用

美國教材的習題設(shè)置重視化學知識的應(yīng)用，多數(shù)習題都是從生活問題入手，注重在練習中促進學生的全面發(fā)展，同時重視培養(yǎng)學生對化學的興趣及情感。

習題的設(shè)計恰當?shù)匕盐樟藬?shù)量和類型之間的比例，層次性強，由易到難，強調(diào)對概念的理解的同時，注重化學操作技能的掌握以及實際解決問題的能力的培養(yǎng)。題型有選擇題、簡答題和開放性問題。在“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”的章節(jié)中，要求計算、畫圖、尋找規(guī)律和總結(jié)的習題，強調(diào)和注重學生的計算能力、總結(jié)歸納能力和推理能力。有些章節(jié)還專門設(shè)有“寫作”一欄，要求學生用化學語言寫一些小論文，試圖讓學生通過靈活運用化學語言來表達自己，加深對化學概念和化學問題的理解。

圖3 美國教材展示：開放式習題

四、總結(jié)與啟示

(一)結(jié)論

美國教材“原子結(jié)構(gòu)與化學鍵”章節(jié)編排特點有以下四個方面。首先，注重通過提出問題來建構(gòu)概念，通過解決問題來理解原理。其次，擅長運用組織型插圖和解釋型插圖來將抽象的概念或復雜的空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為形象生動的形式，便于學生理解。再次，通過設(shè)置眾多欄目，來引導學生學習書本知識，同時放眼于當今科學領(lǐng)域，注重跨學科知識融合，注重用實驗來檢驗真理，用真理來引導實驗。最后，通過有層次的習題來復習鞏固，設(shè)置開放性習題，培養(yǎng)學生的批判性思維和發(fā)散性思維，以及科學素養(yǎng)。

(二)啟示

在內(nèi)容編寫上，我國教材可以增強從生活實際出發(fā)，并回歸生活實際的知識應(yīng)用。在實驗編排上，我國教材可以在思路設(shè)計、實驗藥品、儀器以及實驗安全等部分進一步完善，幫助學生構(gòu)建定量實驗思維。在習題設(shè)置上，加強個性化試題的設(shè)置比例，將習題與實際生活相聯(lián)系，用所學知識解釋生活問題，讓學生認識到化學是一門與生活息息相關(guān)的實用的學科。

在概念解釋環(huán)節(jié)，教師應(yīng)注意切實與生活實際相聯(lián)系，用通俗易懂的語言深入淺出地解釋復雜概念，便于學生的理解；同時可以結(jié)合插圖、視頻等資源，為學生提供更為豐富的認知，以此開闊學生視野，激發(fā)學生興趣。在實驗?zāi)K環(huán)節(jié)，教師需要注重學生實驗，同時強調(diào)劑量因素，傳達“量變影響質(zhì)變”的理念。在實驗安全上，教師需明確強化教育。在習題設(shè)置環(huán)節(jié)，注重不同學生的個性化習題設(shè)置；根據(jù)學生自身能力，在夯實概念知識的基礎(chǔ)上，層層遞進，由淺入深；強調(diào)習題聯(lián)系生活實際，增加趣味性。

學生在學習過程中，應(yīng)避免死記硬背，切忌視化學為一門記憶背誦的學科。要積極與生活實際相聯(lián)系，將抽象的化學概念知識轉(zhuǎn)化為形象的認知，提升對化學學科的學習興趣和探索樂趣。在實驗操作方面，學生應(yīng)注意實驗操作規(guī)范與安全，學會從生活中發(fā)現(xiàn)素材，進行有趣的生活實驗；注意觀察實驗現(xiàn)象，遇到“異?！睂嶒灛F(xiàn)象，要實事求是，學會運用所學知識進行質(zhì)疑分析，發(fā)現(xiàn)新問題。在習題練習方面，學生應(yīng)注意避免題海戰(zhàn)術(shù)，在做題鞏固知識的同時要懂得“知其然”，更“知其所以然”。透過現(xiàn)象看本質(zhì)，在真實問題情境中，運用所學知識解釋問題，揭示現(xiàn)象。