多版本中美高中化學(xué)教科書“熱化學(xué)”內(nèi)容的比較研究

田 潤 潘冠文

（上海星河灣雙語學(xué)校，上海 201108）

能量觀是化學(xué)科學(xué)的核心觀念。［1］我國的能源轉(zhuǎn)型是“碳達(dá)峰”、“碳中和”重大戰(zhàn)略目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵。［2］高中階段的“熱化學(xué)”教學(xué)將為構(gòu)建學(xué)生能量觀和可持續(xù)發(fā)展思想，培養(yǎng)能源技術(shù)革新相關(guān)的化學(xué)化工人才打下堅實的基礎(chǔ)。

化學(xué)教科書是達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的重要載體和工具，［3］通過國際比較研究，對比教科書“熱化學(xué)”內(nèi)容選擇、組織編排、呈現(xiàn)方式的異同，聚焦國外教科書的編寫特色，能為教師的創(chuàng)造性備課提供更多思路和資源素材。

一、研究樣本

基于我國教科書“一標(biāo)多本”的大背景，本研究選取了中美廣泛使用的教科書各兩版，以增強研究的客觀性和豐富性。教科書樣本具體信息見表1。

表1 教科書樣本信息

二、內(nèi)容選擇的比較

“熱化學(xué)”知識體系，核心內(nèi)容分為3部分——“體系與能量”“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”“熱效應(yīng)的應(yīng)用”，根據(jù)概念的深廣度細(xì)分為33個具體知識條目。各版教科書內(nèi)容選取情況如表2所示，“√”表示選取，“-”表示未選取。

中國教科書以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和化學(xué)核心觀念為出發(fā)點，精選核心知識加以適當(dāng)拓展。人教版從廣度上拓展，如通過知識遷移學(xué)習(xí)燃燒熱；魯科版從深度上拓展，如增加了體積功的描述，認(rèn)知難度在人教版和兩版美國教科書之間。

美國教科書涉及的知識條目較全，但正文篇幅大約是中國教科書的三倍，特點是:

（1）追求知識體系的完整性，如將生成焓也作為學(xué)習(xí)重點；

（2）注重概念的精確表述和完整推導(dǎo)，如包含焓變的公式推導(dǎo)；

（3）與能量、能源利用相關(guān)的STS 內(nèi)容作為知識本體詳細(xì)講述，占6~8頁。

因此，在知識的深廣度方面對學(xué)生提出較大挑戰(zhàn)。

三、組織編排的比較

各版教科書總體編排思路都為“能量轉(zhuǎn)化→反應(yīng)通過對比分析，中美教科書“熱化學(xué)”的組織編排主要在以下三方面存在不同:熱的概念→反應(yīng)熱的測定→反應(yīng)熱的計算”，表3對內(nèi)容的組織編排進(jìn)行了對比。

表3 教科書中“熱化學(xué)”的組織編排

1.編排方式

中國教科書以螺旋式編排，按定量和抽象程度將“吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)”和“反應(yīng)熱與焓變”分置于必修和選擇性必修階段中，遵循知識發(fā)展邏輯和學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。

美國教科書“熱化學(xué)”獨立成章，直線式編排，強調(diào)知識內(nèi)在邏輯和系統(tǒng)化，以滿足有志于深入研習(xí)化學(xué)的學(xué)生學(xué)習(xí)需求。

2.能量觀的構(gòu)建

中國教科書將“熱化學(xué)”與“電化學(xué)”整合，構(gòu)建能量分類觀、轉(zhuǎn)化觀和守恒觀。魯科版必修2以更上位的“化學(xué)鍵化學(xué)反應(yīng)規(guī)律”統(tǒng)領(lǐng)內(nèi)容，將能量觀與微粒觀統(tǒng)一起來，深化了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的核心觀念。

美國教科書中的能量觀構(gòu)建得比較隱性，工具性大于觀念性，將“熱化學(xué)方程式”這一符號表征作為能量轉(zhuǎn)化觀和守恒觀的化身，貫穿于其他知識主題，如“元素周期律”中的電離能和親和能、“化學(xué)鍵”中的晶格能、“溶液”形成中的熱效應(yīng)等。

3.STS內(nèi)容的組織

中國教科書將STS內(nèi)容融于化學(xué)知識之中，設(shè)置思考討論、查找資料等活動，如人教版選擇性必修1在“燃燒熱”一目下提及了煤、石油、天然氣是重要的化石燃料，介紹了“重要的體內(nèi)能源——脂肪”，安排了“了解火箭推進(jìn)劑”的研究與實踐活動。

美國教科書將STS 內(nèi)容顯性化地冠名為“節(jié)”，C版的STS 內(nèi)容更是占據(jù)兩節(jié)，內(nèi)容詳實，如詳細(xì)介紹了氫能源的潛力，生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)睦щy。有關(guān)氫能源的生產(chǎn)，從方法上介紹了電解、熱解、光解法等，從原料上介紹了甲烷和蒸汽、海水、生物質(zhì)等，交代了研究工作所屬的大學(xué)和教授，內(nèi)容具有時代前沿性，也盡可能地通過熱化學(xué)方程式、蓋斯定律等化學(xué)知識進(jìn)行表征和解釋。

四、內(nèi)容呈現(xiàn)的比較

內(nèi)容呈現(xiàn)的比較分為插圖設(shè)計、欄目設(shè)計和習(xí)題設(shè)計三大部分。

1.插圖設(shè)計的比較

“宏—微—符”三重表征契合化學(xué)學(xué)科特點，［10］本研究將插圖表征類型作為插圖設(shè)計比較的切入點，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 教科書不同表征類型的插圖數(shù)量

總體上，美國教科書插圖更為豐富，尤其在多重表征圖方面，除了需要表征的知識點更多外，同一個知識點可能有多幅表征圖。

注:統(tǒng)計數(shù)據(jù)包含未編號插圖。

具體來看，四版教科書的插圖設(shè)計具有一定的共性:

第一，宏觀表征圖都主要集中于反應(yīng)吸放熱的現(xiàn)象、量熱計、熱效應(yīng)的應(yīng)用，且數(shù)量相當(dāng)。

第二，微觀表征圖很少或沒有，因為“熱化學(xué)”中微觀表征對象主要為動態(tài)的化學(xué)變化，需要與符號表征聯(lián)用。

第三，采用了相似的符號表征圖表示化學(xué)反應(yīng)過程中的能量變化和焓變。

兩版美國教科書采用了更多的多重表征圖，插圖各具特色。

第一，C版將高清照片和模擬圖相結(jié)合，既還原真實情境激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，又聚焦關(guān)鍵要素便于學(xué)生理解，如圖1（a）是彈式量熱計構(gòu)造的模擬圖，圖1（b）展示了彈式量熱計中的核心部件——不銹鋼彈筒。

圖1 （a）彈式量熱計的構(gòu)造；（b）彈式量熱計中的不銹鋼彈筒

第二，P 版善用類比、舉例的策略多角度、多層次地表征同一個抽象知識。如同樣展示內(nèi)能變化與熱和功的關(guān)系，圖2（a）和圖2（b）是兩則宏觀反應(yīng)實例，展現(xiàn)化學(xué)能的轉(zhuǎn)化的兩種方式；圖3用存取款類比熱和功對內(nèi)能的改變，直觀定性；圖4以電池工作為例，進(jìn)一步從定量角度說明內(nèi)能變化與熱和功的關(guān)系。

圖2 （a）放熱的化學(xué)反應(yīng)；（b）做功的化學(xué)反應(yīng)

圖3 系統(tǒng)內(nèi)能的“存取”

圖4 （a）和（b）兩種不同過程的內(nèi)能變化相同

第三，P 版和C 版中微觀-符號表征豐富，強調(diào)研究物質(zhì)變化的微觀和定量視角。圖5 來自P 版，展示反應(yīng)焓與鍵焓的關(guān)系；圖6來自C版，展示反應(yīng)焓與生成焓的關(guān)系。它們都通過微觀表征展現(xiàn)物質(zhì)組成的變化，通過符號表征將總反應(yīng)處理成多個反應(yīng)步驟的疊加，學(xué)生通過遷移應(yīng)用“蓋斯定律”自發(fā)推理出根據(jù)鍵焓或生成焓計算反應(yīng)焓的公式，加強知識網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)，推動化學(xué)思維發(fā)展。

圖5 運用鍵焓估算反應(yīng)焓

圖6 運用生成焓計算反應(yīng)焓

2.欄目設(shè)計的比較

欄目設(shè)計影響著教師教學(xué)方法和學(xué)生學(xué)習(xí)活動。各版教科書的欄目名稱雖有差異，但教學(xué)功能相同，表5總結(jié)對比了各版教科書不同功能類型欄目的數(shù)量。

表5 教科書不同功能類型欄目的數(shù)量

（1）探究實踐類欄目

中國教科書以豐富的實驗、調(diào)查等探究活動貫穿于學(xué)習(xí)各階段，如魯科版在課中的“活動·探究”欄目針對具體概念建構(gòu)，章后的“微項目”欄目以項目式學(xué)習(xí)的方式，綜合運用知識解決實際復(fù)雜問題，有利于科學(xué)思維的塑造。

美國教科書在課中正文部分沒有學(xué)生實踐探究活動的欄目化設(shè)計，如量熱法在書中單獨編排為節(jié)，詳細(xì)介紹實驗儀器、原理和計算方法，教師需準(zhǔn)備額外的實驗教材安排學(xué)生實驗。

P 版在章末的探究實踐類欄目——“設(shè)計一個實驗”特色鮮明，下面縮略式地呈現(xiàn)案例并進(jìn)行分析。

“設(shè)計一個實驗”案例

想象你生活在180 年前，那時候功和熱的關(guān)系還未知。你提出了一個猜想……為了檢驗這個猜想，你設(shè)計了一個實驗裝置……這其實就是1840 年焦耳的一個經(jīng)典實驗。你可以在網(wǎng)上搜索到……

問題:

（a）運用這個實驗裝置，你需要哪些測量值檢驗?zāi)愕募僭O(shè)？

（b）在分析實驗數(shù)據(jù)中你會使用什么公式？

（c）你認(rèn)為能憑借一次單一的實驗獲得理想的結(jié)果嗎？為什么？

（d）儀器的精確性將以何種方式影響你的結(jié)論？

（e）如果你在現(xiàn)在而非180年前做這個實驗，列出從哪些方面修正儀器。

（f）舉例展示熱和另一種功（非機械功）之間的關(guān)系。

這是一項以化學(xué)史作為情境的探究活動，通過分析和改進(jìn)著名科學(xué)家焦耳的實驗，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和成就感。注重信息收集分析能力和實驗思維的培養(yǎng)，通過問題設(shè)置引導(dǎo)學(xué)生分析實驗原理、裝置、數(shù)據(jù)收集和處理，實驗設(shè)計強調(diào)實驗的準(zhǔn)確度和精確度。

（2）思考討論類欄目

魯科版重視思考討論類欄目在整個教學(xué)過程中的不同功能，設(shè)置有創(chuàng)設(shè)問題情境的“聯(lián)想·質(zhì)疑”欄

（3）拓展延伸類欄目

四版教科書拓展延伸類欄目數(shù)量差不多，除了C版外，其他三版教科書都從深入概念理解和聯(lián)系社會目、進(jìn)行概念建構(gòu)的“交流·研討”欄目和促進(jìn)鞏固提升的“遷移·應(yīng)用”欄目。

P 版的思考討論類欄目遠(yuǎn)多于其他三版教科書，特色是插圖的欄目化設(shè)計。31幅插圖中共有17幅設(shè)置了思考問題，稱之為“go figure”（看一看）欄目，有利于提高學(xué)生通過宏—微—符三重表征進(jìn)行觀察思考的能力。例如圖7所示的欄目需要學(xué)生仔細(xì)觀察量熱計的構(gòu)造并思考背后的設(shè)計原理，回答“你為什么認(rèn)為通常需要兩個泡沫塑料杯，而非一個？”；圖8所示的欄目需要學(xué)生通過對蓋斯定律的理解和圖像化思維，回答“假設(shè)總反應(yīng)生成的是2H2O（g）而非2H2O（l）。圖中的ΔH是否還保持不變？”生活兩方面進(jìn)行內(nèi)容延伸，各版教科書的拓展延伸類欄目內(nèi)容如表6所示。

圖7 咖啡杯量熱計

四版教科書聯(lián)系社會生活的內(nèi)容素材各不相同，美國教科書的拓展延伸類欄目篇幅更長，也能夠為教師創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境提供靈感。

（4）例題導(dǎo)引類欄目

中國教科書將反應(yīng)熱的計算單列為節(jié)或目，而非欄目。美國教科書有大量的例題欄目，圖9和圖10分別呈現(xiàn)了C版和P版教科書中例題欄目的結(jié)構(gòu)化設(shè)計。

圖9 C版教科書例題欄目的結(jié)構(gòu)化設(shè)計

圖10 P版教科書例題欄目的結(jié)構(gòu)化設(shè)計

兩版美國教科書的例題欄目設(shè)計思路類似，注重結(jié)構(gòu)化講解解題步驟，使學(xué)生掌握問題解決模型并舉一反三，練習(xí)鞏固。

從解題步驟來看，C 版的“我們從哪兒開始？”和“我們知道什么？”與P 版的“分析”為明確未知量和已知量；C 版的“我們怎么求解？”與P 版的“計劃”和“解決”為明確要用的計算公式，帶入數(shù)據(jù)求出結(jié)果；C 版的“現(xiàn)實檢驗”和P 版的“評價”為定性分析或通過事實性知識檢驗結(jié)果的合理性，常常需要聯(lián)系實際生活。

（5）歸納概括類欄目

兩國教科書的歸納概括類欄目數(shù)量相當(dāng)，中國教科書在內(nèi)容歸納概括方面更具系統(tǒng)性，強調(diào)學(xué)科觀念、思維和素養(yǎng)培養(yǎng)。人教版在章節(jié)末在“整理與提升”欄目中以圖表構(gòu)建概念體系，體現(xiàn)了知識本體和認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化；魯科版在“本章自我評價”欄目列出本章涉及的核心素養(yǎng)、發(fā)展重點和對應(yīng)的學(xué)業(yè)要求。

美國教科書強調(diào)知識概念和解題技能的概括，兩版教科書章后均列出知識條目和計算公式列表，P 版的“Learning Outcomes”欄目與魯科版的學(xué)業(yè)要求相當(dāng)，學(xué)生核對條目進(jìn)行自評；C版還會在正文中實時地以欄目總結(jié)知識點或計算方法。

3.習(xí)題設(shè)計的比較

兩版中國教科書有節(jié)末和章末習(xí)題，兩版美國教科書有章末習(xí)題，數(shù)量總結(jié)見表7。

表7 教科書的習(xí)題數(shù)量

中國教科書的習(xí)題題型多樣，包括選擇題、填空題、計算題和問答題，題目少而精，魯科版對習(xí)題進(jìn)行了不同認(rèn)知層次的分類。

美國教科書的習(xí)題為計算題和問答題，注重定量和定性分析，題目多，起到作業(yè)題庫的作用，特色之處在于部分題目要求分析宏—微—符表征圖，如P版中“概念的圖像題”。

五、研究結(jié)論和啟示

我國教科書的“熱化學(xué)”內(nèi)容指向?qū)W生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，以學(xué)生為主體；兩版美國教科書對應(yīng)的課程成績滿足一定要求后可兌換大學(xué)學(xué)分，傾向于知識本位。

通過對比發(fā)現(xiàn)，我國教科書的編寫在內(nèi)容精選、螺旋式編排方面更適合我國學(xué)生學(xué)習(xí)的需要；在能量觀的構(gòu)建、豐富的探究活動、知識和認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化這些方面更具優(yōu)勢，有利于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的實現(xiàn)。

教師在開設(shè)競賽課、選修課時，可以適當(dāng)借鑒美國教科書的知識內(nèi)容體系、STS 內(nèi)容、插圖、習(xí)題素材以滿足特定場合的教學(xué)需求。此外，總結(jié)美國教科書的編寫特色還可以歸納出以下幾點啟示，以期在教師創(chuàng)造性備課方面提供一些思路。

1.強化三重表征思維

第一，靈活運用表征。結(jié)合課堂實際，可以通過類比、舉例、模型等，采用不同認(rèn)知難度、體現(xiàn)不同側(cè)重點的多幅表征圖。美國教科書中的表征圖具有這樣的特點，可以借鑒。

第二，展示多重表征。培養(yǎng)學(xué)生的三重表征轉(zhuǎn)換思維能力，尤其需重視微觀表征和符號表征的運用，如利用熱化學(xué)方程式描述其他章節(jié)概念，遷移應(yīng)用蓋斯定律的微觀—符號表征于鍵焓、生成焓等內(nèi)容的學(xué)習(xí)中。

第三，表征貫穿教學(xué)評。注重表征圖在知識闡釋、思考活動、練習(xí)鞏固、學(xué)生評價等環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，且具有一致性。教師可以通過以下問題反思優(yōu)化表征圖的應(yīng)用:

（1）是否制定了有關(guān)三重表征思維培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)？

（2）如何通過表征圖評價學(xué)生達(dá)到了該目標(biāo)？

（3）如何就該目標(biāo)使用表征圖設(shè)計教學(xué)活動？

（4）可以就表征圖提出什么問題？

（5）是否設(shè)計了表征圖的變式練習(xí)？

2.將化學(xué)扎根現(xiàn)實

第一，選擇時代前沿性的情境素材。以舊技術(shù)的迭代更新、新技術(shù)的橫空出世和未來技術(shù)的概念設(shè)想作為情境素材，展現(xiàn)某項具體的研究現(xiàn)狀或成果引發(fā)學(xué)生強烈的興趣和共鳴。

第二，突顯STS內(nèi)容中化學(xué)的認(rèn)識功能。通過微觀表征、符號表征等細(xì)節(jié)內(nèi)容，剖析STS 內(nèi)容背后的化學(xué)原理，深度融合章節(jié)內(nèi)的化學(xué)學(xué)科知識和社會性內(nèi)容，彰顯化學(xué)的學(xué)科價值。

第三，將化學(xué)史中的科學(xué)過程作為學(xué)習(xí)對象?；瘜W(xué)史可以轉(zhuǎn)化為學(xué)生參與體驗的探究活動，通過分析實驗原理、實驗設(shè)計、實驗過程、數(shù)據(jù)分析與結(jié)論，進(jìn)而設(shè)計改進(jìn)或替代方案，提高學(xué)生站在巨人肩膀上探索化學(xué)的信心和成就感。

3.關(guān)注信息素養(yǎng)的培養(yǎng)

第一，培養(yǎng)利用信息解決問題的意識。學(xué)生進(jìn)行問題解決的任務(wù)時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生顯性表達(dá)“我們已知什么？”“我們還需要什么信息？”激發(fā)學(xué)生主動獲取知識、獲取信息的動機。如在“廢鋁回收再生和電解鋁冶煉哪個能源消耗更少？”的問題中，學(xué)生已知熱量計算方法，推理出需要鋁的熔化熱、氧化鋁分解的反應(yīng)焓等數(shù)據(jù)。

第二，示范“查閱相關(guān)資料”，提升信息品位。教師作為學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，可以先提供給學(xué)生論文期刊等文獻(xiàn)對教科書中呈現(xiàn)的情境素材做補充，并注明文獻(xiàn)來源，學(xué)生在積累了一定量的閱讀研習(xí)后，將會提高信息的搜索和判斷能力，再自行查閱資料。

第三，培養(yǎng)分析和評價信息的思維習(xí)慣。美版教科書中解題范式的“現(xiàn)實檢驗”或“評價”步驟值得借鑒，學(xué)生解題后可再對比真實數(shù)據(jù)、聯(lián)系生活經(jīng)驗評估結(jié)果的合理性和現(xiàn)實意義。如反思為什么通過鍵焓計算的反應(yīng)熱與真實數(shù)據(jù)有差異、測量計算得出的蛋白質(zhì)的熱值是否與體內(nèi)代謝能量相當(dāng)?shù)葐栴}。