高中化學(xué)“反應(yīng)熱”主題“有效概念”的研究

陳德成

（華南師范大學(xué)附屬中學(xué) 廣東 廣州 510630）

概念是反映事物本質(zhì)屬性的思維形式，［1］也是構(gòu)成學(xué)科知識(shí)體系的最基本成分。概念具有兩個(gè)基本特征，即概念的內(nèi)涵和外延。概念的內(nèi)涵就是指這個(gè)概念的含義，即該概念所反映的事物對(duì)象所特有的屬性。在化學(xué)學(xué)科中，能反映出學(xué)科知識(shí)的詞語(yǔ)或者短語(yǔ)可看作概念，如離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、原電池、電解池可被理解成一個(gè)個(gè)化學(xué)概念，可持續(xù)發(fā)展、火力發(fā)電也可以被看作是概念，化學(xué)鍵斷裂、化學(xué)鍵形成等亦可以被當(dāng)作概念。促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的正確理解和建構(gòu)，是中小學(xué)課堂教學(xué)的重要任務(wù)。［2］

概念是教科書(shū)中表述知識(shí)的重要形式，是學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的認(rèn)識(shí)方式?！胺磻?yīng)熱”是高中化學(xué)反應(yīng)原理模塊的重要內(nèi)容，是高中生進(jìn)入選擇性必修階段較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)的“第一個(gè)”反應(yīng)原理——熱化學(xué)，也是錢(qián)揚(yáng)義提出的“化學(xué)學(xué)科關(guān)鍵詞”中的重要關(guān)聯(lián)概念。［3］在教材中，“反應(yīng)熱”既作為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科概念，又可被視作一個(gè)學(xué)科主題，即高中階段的“熱化學(xué)”。在該主題中，存在許多與之相關(guān)的概念，但并非所有的概念都對(duì)“反應(yīng)熱”知識(shí)的系統(tǒng)構(gòu)建起著關(guān)鍵作用。起著關(guān)鍵作用的概念稱作“有效概念［4］”，它們能高度體現(xiàn)“反應(yīng)熱”的核心知識(shí)，如Ayyildiz［4］調(diào)查了土耳其教材中“化學(xué)反應(yīng)和能量”單元的有效概念，包括基本概念（Basicconcepts）與子概念（Sub-concepts），發(fā)現(xiàn)梳理出有效概念有助于學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的提高。此外，龔文慧指出在編寫(xiě)教材時(shí)呈現(xiàn)不必要的化學(xué)概念，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知負(fù)擔(dān)。［5］因此，有必要梳理出國(guó)內(nèi)高中化學(xué)“反應(yīng)熱”的有效概念。本研究將“反應(yīng)熱”看作一個(gè)學(xué)科主題，結(jié)合文本分析和量化分析的方法，確定高中化學(xué)“反應(yīng)熱”主題內(nèi)容的“有效概念”。

一、研究方法與過(guò)程

1.初選“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念

采用文本分析法，通過(guò)查閱高中化學(xué)人教版（2019 版）、魯科版（2019 版）和蘇教版（2019 版）教科書(shū)的必修第2 冊(cè)以及選擇性必修1 中“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”章節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，以及后續(xù)化學(xué)反應(yīng)原理模塊中與“反應(yīng)熱”有關(guān)的內(nèi)容，選取與“反應(yīng)熱”相關(guān)的化學(xué)概念。同時(shí)參考大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教材、物理化學(xué)教材、美國(guó)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（2012）以及我國(guó)高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，以保證關(guān)聯(lián)概念的權(quán)威性和國(guó)際性。在選取概念時(shí)，注重選取物質(zhì)類、原理類、應(yīng)用類、觀念類等化學(xué)概念，不考慮化學(xué)科學(xué)家如“勒夏特列”，物理量單位如“千焦”“摩爾”“千焦每摩爾”等概念。關(guān)聯(lián)概念的挑選由3 名從事高中化學(xué)教育的教師完成，將3 名教師挑選出的相同概念作為最終結(jié)果。

2.篩選“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念

向高中化學(xué)教師發(fā)放自編的概念篩選問(wèn)卷，教師依據(jù)關(guān)聯(lián)概念與“反應(yīng)熱”的關(guān)系緊密度進(jìn)行篩選。該問(wèn)卷為L(zhǎng)ikert7點(diǎn)量表，將關(guān)聯(lián)概念與“反應(yīng)熱”的密切程度劃分為7個(gè)尺度，“1”表示關(guān)系十分遠(yuǎn)，“7”表示關(guān)系十分密切，密切程度從“1”到“7”逐級(jí)遞增。篩選出關(guān)系密切程度評(píng)定平均分大于或等于4分的概念作為“反應(yīng)熱”的有效概念。

3.確定“反應(yīng)熱”有效概念

為更能從學(xué)科本質(zhì)與化學(xué)學(xué)科視角出發(fā)梳理“反應(yīng)熱”的有效概念，向物理化學(xué)方向和無(wú)機(jī)化學(xué)方向的大學(xué)教授發(fā)放有效概念評(píng)定問(wèn)卷。保留高中化學(xué)教師評(píng)分≥5 分或大學(xué)專家認(rèn)定頻次≥3（認(rèn)定頻次即若干名專家認(rèn)為此概念與“反應(yīng)熱”具有有效性，則納入概念群）和認(rèn)定比例≥0.5（認(rèn)定頻次/總?cè)藬?shù)）的概念作為“反應(yīng)熱”有效概念。

二、結(jié)果與討論

1.“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念的初步遴選結(jié)果

（1）國(guó)內(nèi)高中化學(xué)教材中的關(guān)聯(lián)概念

查閱人教版新教材必修第2 冊(cè)和選擇性必修1，必修共有33 個(gè)概念，選修共有65 個(gè)概念，見(jiàn)表1。特別說(shuō)明，在學(xué)生不會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知困難和理解歧義的前提下，本研究對(duì)概念的表述作相應(yīng)處理，如教材的“中和反應(yīng)反應(yīng)熱”簡(jiǎn)稱為“中和熱”，“化學(xué)鍵的形成與斷裂”拆分成“化學(xué)鍵形成”和“化學(xué)鍵斷裂”兩個(gè)概念，“物質(zhì)的聚集狀態(tài)”改成“物質(zhì)聚集狀態(tài)”。

表1 人教版（2019版）“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念初選

查閱魯科版（2019 版）教材必修第2 冊(cè)和選擇性必修1，必修共17個(gè)概念，選修共有39個(gè)概念，見(jiàn)表2。

表2 魯科版（2019版）“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念初選

查閱蘇教版（2019 版）教材必修第2 冊(cè)和選擇性必修1，必修共26 個(gè)概念，選修共55 個(gè)概念，見(jiàn)表3。

表3 蘇教版（2019版）“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念初選

（2）普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)“反應(yīng)熱”相關(guān)概念

教育部發(fā)布的普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）中關(guān)于“反應(yīng)熱”相關(guān)概念，主要有:化學(xué)能、體系、恒溫、熱化學(xué)方程式、熱能、溫度、恒壓、燃料、能量守恒定律、壓強(qiáng)、焓變、能源、內(nèi)能、物質(zhì)聚集狀態(tài)、蓋斯定律、燃燒熱。高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 版）強(qiáng)調(diào):要基于內(nèi)能和內(nèi)能變化理解“反應(yīng)熱”的本質(zhì)，能辨識(shí)能量轉(zhuǎn)化形式以及能用熱化學(xué)方程式表示能量變化以及能進(jìn)行反應(yīng)焓變的計(jì)算。

（5）美國(guó)科學(xué)教育課程標(biāo)準(zhǔn)“反應(yīng)熱”相關(guān)概念

在美國(guó)新一代科學(xué)教育框架［6］中，“能量”作為學(xué)科核心概念（Core Idea PS3:Energy），其主要內(nèi)容包括:能量的定義（PS3.A:Definitions of Energy）、能量守恒與能量傳遞（PS3.B:Conservation of Energy and Energy Transfer）、能量與力的關(guān)系（PS3.C:Relationship Between Energy and Forces）和化學(xué)過(guò)程與日常生活中的能量（PS3.D:Energy in Chemical Processes and Everyday Life）?！胺磻?yīng)熱”是“能量”的下位概念，其關(guān)聯(lián)的概念還有“系統(tǒng)（system）”“能量守恒（conservation of energy）”“熱能（heat）”和“能量最大利用率（maximum efficiency）”等。PS3.A:Definitions of Energy提到要從宏觀尺度和微觀尺度理解“能量”的表現(xiàn)形式和變化。由此，國(guó)內(nèi)以及美國(guó)的課程標(biāo)準(zhǔn)均注重對(duì)反應(yīng)熱（能量）的定義和轉(zhuǎn)化的理解，尤其注重從宏觀和微觀角度認(rèn)識(shí)“反應(yīng)熱”的本質(zhì)是學(xué)科必然要求。

（4）大學(xué)化學(xué)教材“反應(yīng)熱”相關(guān)概念

大學(xué)化學(xué)課程與高中化學(xué)課程有著緊密的連結(jié)。從大學(xué)化學(xué)課程的角度出發(fā)，“反應(yīng)熱”主題概念的上位概念是“化學(xué)熱力學(xué)”。“化學(xué)熱力學(xué)”主要在大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)板塊中講述。以章偉光主編的《無(wú)機(jī)化學(xué)（第二版）》［7］和傅獻(xiàn)彩主編的《物理化學(xué)（第五版）》［8］為例，“化學(xué)熱力學(xué)”的相關(guān)概念見(jiàn)表4。

表4 大學(xué)化學(xué)教材中“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念

在大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)教材中，共有44個(gè)與“反應(yīng)熱”有關(guān)的“化學(xué)熱力學(xué)”一般關(guān)聯(lián)概念?！盎瘜W(xué)熱力學(xué)”屬于化學(xué)反應(yīng)基本原理的重要內(nèi)容?；瘜W(xué)熱力學(xué)主要研究宏觀過(guò)程中的能量變化、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行的方向與限度的規(guī)律，以熱力學(xué)第一、第二和第三定律為基礎(chǔ)。與高中化學(xué)不同的是，大學(xué)化學(xué)著重從熱力學(xué)函數(shù)層面對(duì)“反應(yīng)熱”進(jìn)行討論，如引入熱力學(xué)能（亦稱內(nèi)能）、焓、熵和吉布斯自由能等熱力學(xué)函數(shù)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的熱化學(xué)數(shù)據(jù)研究物質(zhì)系統(tǒng)在不同條件下發(fā)生物理和化學(xué)變化時(shí)的能量轉(zhuǎn)變。大學(xué)化學(xué)教材中的“反應(yīng)熱”內(nèi)容更注重通過(guò)數(shù)學(xué)建模與計(jì)算了解體系與環(huán)境之間的能量轉(zhuǎn)換，更偏向從宏觀角度探索化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所遵循的基本規(guī)律，更聚焦工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保生活、科學(xué)技術(shù)發(fā)展、人類社會(huì)文明等宏大議題，是“科學(xué)探究與創(chuàng)新精神”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的高水平表現(xiàn)。從大學(xué)化學(xué)教材中遴選“化學(xué)熱力學(xué)”主題的概念旨在拓展對(duì)“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念的選取邊界，深化對(duì)“反應(yīng)熱”的本原性理解，同時(shí)兼顧大學(xué)化學(xué)與中學(xué)化學(xué)的銜接。大學(xué)化學(xué)“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念表明要注重從“系統(tǒng)與環(huán)境”和“條件與過(guò)程”兩方面理解“反應(yīng)熱”這一熱力學(xué)概念。

（5）“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念初選結(jié)果匯總

研究發(fā)現(xiàn)，人教版教材中的概念較豐富且全面，因此本研究選取“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念以人教版（2019版）教科書(shū)概念為主，依據(jù)魯科版教材補(bǔ)充“鍵能”概念，最終得到69 個(gè)“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念，見(jiàn)表5。可以發(fā)現(xiàn)，“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念較少與電化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容有關(guān)，體現(xiàn)出“反應(yīng)熱”內(nèi)容在反應(yīng)原理模塊中較為系統(tǒng)與完整，學(xué)生在“反應(yīng)熱”主題基本能形成對(duì)“熱化學(xué)”的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

表5 “反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念初選結(jié)果

2.“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念的篩選結(jié)果

向高中化學(xué)教師發(fā)放“反應(yīng)熱”高關(guān)聯(lián)概念篩選問(wèn)卷共60份，回收有效問(wèn)卷56份，回收有效率為93.3%。將問(wèn)卷所得數(shù)據(jù)輸入SPSS26.0統(tǒng)計(jì)，69個(gè)關(guān)聯(lián)概念與“反應(yīng)熱”概念關(guān)系密切程度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，從中篩選出關(guān)系密切程度評(píng)定平均分大于或等于4.00的概念作為“反應(yīng)熱”高關(guān)聯(lián)概念群，剔除11個(gè)較低得分的概念，最后得到58個(gè)“反應(yīng)熱”高關(guān)聯(lián)概念，見(jiàn)表6。

表6 “反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念篩選結(jié)果

3.“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念專家評(píng)定結(jié)果

針對(duì)58個(gè)高關(guān)聯(lián)概念，邀請(qǐng)8名學(xué)科專家填寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷予以評(píng)定，共回收有效問(wèn)卷6份。統(tǒng)計(jì)專家們對(duì)每個(gè)概念的認(rèn)定頻次（即若干名專家認(rèn)為此概念與“反應(yīng)熱”具有高關(guān)聯(lián)，可納入概念群）和認(rèn)定比例（認(rèn)定頻次/總?cè)藬?shù)）。結(jié)合中學(xué)一線高中化學(xué)教師和大學(xué)化學(xué)專家的意見(jiàn)，在58個(gè)高關(guān)聯(lián)概念中保留高中化學(xué)教師評(píng)分≥5 分或大學(xué)專家認(rèn)定頻次≥3（認(rèn)定比例≥0.5）的概念作為“反應(yīng)熱”最終概念群，評(píng)定后的結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 “反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念專家評(píng)定結(jié)果

4.“反應(yīng)熱”有效概念遴選結(jié)果

通過(guò)高中化學(xué)教師與大學(xué)學(xué)科專家評(píng)定，“反應(yīng)熱”主題內(nèi)容的有效概念共30個(gè)，分別是:焓變、反應(yīng)物總能量、內(nèi)能、生成物總能量、鍵能、化學(xué)能、熱能、始態(tài)、終態(tài)、能量變化、焓、化學(xué)鍵、化學(xué)鍵斷裂、化學(xué)鍵形成、吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)、中和反應(yīng)、燃燒、熱化學(xué)方程式、能量守恒定律、蓋斯定律、中和熱、燃燒熱、量熱計(jì)、溫度、熱量、體系、環(huán)境、物質(zhì)聚集狀態(tài)、化學(xué)計(jì)量數(shù)。其中，“焓變”高居第一位，與教材和高考的內(nèi)容相一致。

對(duì)比“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念初選結(jié)果和經(jīng)過(guò)一線教師和專家評(píng)定得到的最終概念群發(fā)現(xiàn)，初選階段提取出的情境類和觀念類概念如體溫、火力發(fā)電、能源利用率、可持續(xù)發(fā)展、火箭推進(jìn)劑、化石燃料、清潔能源等均被專家們剔除。最終得到的30個(gè)化學(xué)概念更加具有化學(xué)學(xué)科特色，著重從宏微結(jié)合的角度闡述“反應(yīng)熱”的定義、本質(zhì)、表征以及數(shù)學(xué)計(jì)算。基于此，可以推測(cè)專家們認(rèn)為高二學(xué)生已在初中階段的生物學(xué)科、化學(xué)學(xué)科中熟悉了體溫、火力發(fā)電、能源利用率、可持續(xù)發(fā)展、火箭推進(jìn)劑、化石燃料、清潔能源等此類交叉學(xué)科概念，學(xué)生將上述概念與“反應(yīng)熱”進(jìn)行聯(lián)系不存在障礙，應(yīng)更加注重對(duì)原理類化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，基于三重表征的視角認(rèn)識(shí)“反應(yīng)熱”。

通過(guò)對(duì)教材內(nèi)容的整體分析，30個(gè)有效概念可概括為6類。（1）宏觀內(nèi)因（11個(gè)）:焓變、反應(yīng)物總能量、內(nèi)能、生成物總能量、鍵能、化學(xué)能、熱能、始態(tài)、終態(tài)、能量變化、焓。（2）微觀內(nèi)因（3 個(gè)）:化學(xué)鍵、化學(xué)鍵斷裂、化學(xué)鍵形成。（3）反應(yīng)類型（4個(gè)）:吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)、中和反應(yīng)、燃燒。（4）符號(hào)表征（3 個(gè)）:熱化學(xué)方程式、能量守恒定律、蓋斯定律。（5）熱量種類（5個(gè)）:中和熱、燃燒熱、量熱計(jì)、溫度、熱量。（6）影響因素（4個(gè)）:體系、環(huán)境、物質(zhì)聚集狀態(tài)、化學(xué)計(jì)量數(shù)。由此可以看出，有效概念注重闡述“反應(yīng)熱”的本質(zhì)，尤其是能從宏觀與微觀的視角認(rèn)識(shí)“反應(yīng)熱”本質(zhì)。

三、結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)權(quán)威文本的分析提煉出“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念，所得的關(guān)聯(lián)概念立足國(guó)內(nèi)教材與課程標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也借鑒國(guó)外文件，保證“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念具備可靠性與普適性。再者，通過(guò)高中化學(xué)教師和大學(xué)學(xué)科專家評(píng)定最終得到“反應(yīng)熱”主題內(nèi)容的30個(gè)有效概念，可概括成6類。其遴選程序可為中學(xué)理科概念的“有效概念”研究提供思路與范式。

“反應(yīng)熱”主題內(nèi)容的有效概念較為充分地反映出該主題內(nèi)容的核心知識(shí)，遴選結(jié)果可為中學(xué)化學(xué)教材的編寫(xiě)以及化學(xué)教育實(shí)踐中科學(xué)有效開(kāi)展概念教學(xué)提供參考。教師在教學(xué)與命題過(guò)程中要注重利用“有效概念”，促進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科大概念、核心概念的本原性理解，減少認(rèn)知負(fù)擔(dān)，從而促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。