基于微粒觀的人教版初、高中化學(xué)教材分析

摘要： 采用內(nèi)容分析法，建立微粒觀分析類目，對人教版初、高中化學(xué)教材進(jìn)行分析。結(jié)果表明，微粒觀組分在不同學(xué)段教材中的分布雖各有側(cè)重，但共性是側(cè)重在微粒符號觀、微粒本體觀、微粒作用觀、微粒結(jié)構(gòu)觀；微粒觀組分在不同階段教材的發(fā)展呈現(xiàn)出與化學(xué)思維對象聯(lián)系廣度進(jìn)階的特點(diǎn)。據(jù)此為基于微粒觀開展教學(xué)實(shí)踐提出三點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞： 微粒觀； 化學(xué)教材； 教材分析； 觀念進(jìn)階

文章編號： 1005-6629（2024）06-0010-08 中圖分類號： G633．8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

化學(xué)觀念能反映核心素養(yǎng)的學(xué)科特質(zhì)，初、高中化學(xué)新課標(biāo)均明確要求學(xué)生能理解并運(yùn)用化學(xué)基本觀念［1，2］?；瘜W(xué)基本觀念具有概括性和層次性的特征［3，4］，梳理教材中微粒觀發(fā)展路徑是逐步建構(gòu)化學(xué)基本觀念的重要前提。作為化學(xué)基本觀念之一，微粒觀是指對微粒、微粒間的相互作用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其對物質(zhì)性質(zhì)影響等所形成的總觀性認(rèn)識［5］，反映了人們從微觀層面認(rèn)識物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化規(guī)律的思維傾向。目前，國內(nèi)外對微粒觀開展大量研究，其中在理論層面主要研究其內(nèi)涵［6，7］與發(fā)展層級［8～10］，而實(shí)證方面則集中于微粒觀水平測查［11～13］和微粒觀教學(xué)實(shí)踐［14～16］?；瘜W(xué)觀念的形成是長期縱深遞進(jìn)的結(jié)果，學(xué)生從初中接觸微觀粒子到高中進(jìn)一步理解微粒與物質(zhì)、變化和能量的關(guān)系，其微粒觀一直處于螺旋上升狀態(tài)，教學(xué)過程的斷層會導(dǎo)致學(xué)生化學(xué)觀念形成受阻［17］。然而，現(xiàn)有的微粒觀教材分析研究多停留在單一學(xué)段教材［18～20］。本研究基于微粒觀對人教版初、高中化學(xué)教材進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)微粒觀在教材中的分布特點(diǎn)，構(gòu)建微粒觀在教材中的發(fā)展層級，為教師認(rèn)識不同階段的教學(xué)內(nèi)容對建構(gòu)和發(fā)展學(xué)生微粒觀的作用、開展觀念建構(gòu)教學(xué)提供參考。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 研究對象

選取人民教育出版社2012年版《義務(wù)教育教科書·化學(xué)》2本教科書和2019、2020年版《普通高中教科書·化學(xué)》5本教科書［21～27］為研究對象，將其劃分為義務(wù)教育教材（包括九年級上冊、九年級下冊）、高中必修教材（包括必修第一冊、必修第二冊）和高中選擇性必修教材（包括選擇性必修1、選擇性必修2、選擇性必修3）。

2.2 研究方法

采用內(nèi)容分析法梳理微粒觀組分在不同學(xué)段化學(xué)教材中的分布情況和發(fā)展進(jìn)階，共經(jīng)歷5個步驟［28］：第一8gvuZ/5BeZWrlnZdnn6x8LGzR1gbgR5doL3NJoLFsAA=，進(jìn)行抽樣，規(guī)定除教科書習(xí)題外的內(nèi)容為樣本范圍。也就是說，不包括教材中的“練習(xí)與應(yīng)用”和“復(fù)習(xí)與提高”欄目。第二，確定分析單元，依據(jù)研究目的確定本研究的分析單元為一句文本（或一張圖片、一個表格）。第三，構(gòu)建微粒觀分析類目，通過文獻(xiàn)綜述和課標(biāo)分析初擬組分類目，再通過分析教材修改完善分析類目，最后由三位專家進(jìn)行效度檢驗(yàn)。最終得到如表1所示的微粒觀組分框架，包含3類微粒觀共6個組分。本研究的微粒觀內(nèi)涵包含結(jié)構(gòu)觀，這是因?yàn)槲镔|(zhì)結(jié)構(gòu)是由微粒及其相互作用形成［29］。第四，評判編碼與信度檢驗(yàn)，依據(jù)分析類目對7本化學(xué)教材進(jìn)行評判編碼，共得到1887個數(shù)據(jù)。邀請兩位專家對抽取30%的數(shù)據(jù)（566個）分別獨(dú)立編碼，計(jì)算得到評分者間信度為0．895，表明編碼結(jié)果具有良好信度。第五，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用頻次統(tǒng)計(jì)和卡方檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法呈現(xiàn)微粒觀組分分布情況，再從學(xué)科知識和思維發(fā)展等角度對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析，構(gòu)建微粒觀組分層級進(jìn)階，并統(tǒng)計(jì)在不同學(xué)段教材中微粒觀各水平的分布情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 微粒觀組分分布情況

對微粒觀在3個階段教材中的頻次與百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表2），結(jié)果表明整體上呈現(xiàn)出微粒觀各組分隨著學(xué)段發(fā)展逐漸豐富的特點(diǎn)，其共性是側(cè)重的組分主要是微粒符號觀、微粒本體觀、微粒作用觀和微粒觀結(jié)構(gòu)觀。卡方檢驗(yàn)結(jié)果也表明，不同階段教材的微粒觀組分分布存在顯著性差異［χ2（10， 1887）=114.02， p<0.05］。

具體而言，義務(wù)教育教材側(cè)重微粒符號觀和微粒本體觀，這與教材特定的知識內(nèi)容緊密相關(guān)。微粒符號因其本體作用和特定的表征思維，在各階段教材中均有廣泛體現(xiàn)。高中必修教材側(cè)重微粒符號觀、微粒結(jié)構(gòu)觀、微粒本體觀和微粒作用觀，相較于義務(wù)教育階段有所提升。一方面是因?yàn)楦咧薪滩膬?nèi)容不斷豐富，另一方面教材在文字表述和符號表征上顯化對微粒、微粒間作用力和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的描述。選擇性必修教材側(cè)重微粒符號觀、微粒作用觀、微粒結(jié)構(gòu)觀、微粒本體觀，雖然與高中必修教材一致，但是承載這些觀念內(nèi)涵的知識、概念的廣度和深度顯著提升。值得一提的是，盡管微粒分析觀和微粒價(jià)值觀在高中選擇性必修教材分布占比較少，但相較于前兩個階段有顯著增加。

3.2 微粒觀組分層級進(jìn)階

基于微粒觀組分內(nèi)涵與教材內(nèi)容，以化學(xué)思維認(rèn)識三對象（物質(zhì)、變化、能量）［30］為進(jìn)階變量，梳理微粒觀組分在不同階段化學(xué)教材中的進(jìn)階路徑，以解決單一視角所建立的微粒觀層級兼容性差、進(jìn)階孤立等問題。

下面以“微粒作用觀”為例闡述微粒觀組分進(jìn)階模型（見圖1）。微粒作用觀劃分四個水平，分別用相應(yīng)的字母代表每一水平中所包含1～3條觀念內(nèi)涵，同一水平中的觀念內(nèi)涵為并列關(guān)系。譬如，ZY-［BH-NL］表示微粒間的相互作用與“變化”和“能量”兩者存在關(guān)聯(lián)，不強(qiáng)調(diào)三者的聯(lián)系順序，該水平的內(nèi)涵為“微粒間相互作用改變會引起能量的改變”。

3.2.1 微粒本體觀層級進(jìn)階

微粒本體觀內(nèi)涵可以劃分為3個層次，具體如圖2所示。其中，縱坐標(biāo)左側(cè)的教材內(nèi)容與右側(cè)的各水平內(nèi)涵相對應(yīng)。按照該進(jìn)階層級將微粒本體觀282個數(shù)據(jù)進(jìn)行水平劃分，結(jié)果顯示隨著學(xué)段的提高，微粒本體觀的2、 3水平逐漸占據(jù)主導(dǎo)，表明義務(wù)教育階段的教材主要建立低水平的微粒本體觀，即側(cè)重微粒本身的特點(diǎn)；高中階段的教材更適合幫助學(xué)生建立中、高水平的微粒本體觀，增加微粒與物質(zhì)、變化和能量的關(guān)聯(lián)?？ǚ綑z驗(yàn)結(jié)果為χ2（4， 282）=16.38， p<0.05，說明不同階段教材中微粒本體觀水平分布存在顯著差異，呈現(xiàn)縱向、螺旋式發(fā)展的特點(diǎn)。

3.2.2 微粒作用觀層級進(jìn)階

微粒作用觀內(nèi)涵劃分為4個層次（見圖3）。其中，水平1關(guān)注微粒間的作用力及其類型和微觀粒子對微粒間作用力的影響，主要對應(yīng)“化學(xué)鍵”“分子間作用力”等核心概念。水平2表示微粒間作用力與物質(zhì)/變化/能量的單一聯(lián)系，集中體現(xiàn)在高中必修和選擇性必修教材。水平3表示微粒間作用力的變化引起物質(zhì)/能量的變化。微粒作用觀的最高水平表示微粒間作用力與物質(zhì)、變化和能量三者存在相互影響。對238個微粒作用觀編碼數(shù)據(jù)劃分層級水平，微粒作用觀各水平在初中和高中教材的分布呈現(xiàn)明顯的層次性，高中教材是幫助學(xué)生建立完整的微粒作用觀的重要素材。不過，相對于高中必修教材而言，選擇性必修教材中的微粒作用觀水平并未明顯提升。

3.2.3 微粒結(jié)構(gòu)觀層級進(jìn)階

基于物質(zhì)結(jié)構(gòu)與微粒、微粒間作用力的關(guān)系，微粒結(jié)構(gòu)觀可視為對微粒本體觀和微粒作用觀的再發(fā)展。269個教材編碼數(shù)據(jù)所滲透的微粒結(jié)構(gòu)觀內(nèi)涵可劃分為3個水平（見圖4）。水平1體現(xiàn)不同層次的微觀結(jié)構(gòu)以及微粒與微粒間作用力對其影響，對應(yīng)著“原子結(jié)構(gòu)”“分子結(jié)構(gòu)”“晶體結(jié)構(gòu)”等內(nèi)容。水平2將結(jié)構(gòu)與物質(zhì)/變化/能量聯(lián)系起來，水平3表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)與任意兩個思維認(rèn)識對象的關(guān)聯(lián)，這兩個水平的觀念集中體現(xiàn)在高中階段教材中?？ǚ綑z驗(yàn)結(jié)果為χ2（4， 269）=12.62， p<0.05，表明同階段教材中微粒結(jié)構(gòu)觀水平分布存在顯著差異，具體體現(xiàn)為在義務(wù)教育教材側(cè)重發(fā)展水平1，即要求學(xué)生能夠認(rèn)識物質(zhì)是具有微觀結(jié)構(gòu)的，而高中教材則以水平2和水平3為主，表明高中教材更強(qiáng)調(diào)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的觀念指引。

3.2.4 微粒符號觀層級進(jìn)階

微粒符號觀從屬于方法型微粒觀，其觀念組分層次高于知識型微粒觀的三組分。微粒符號觀可劃分為4個水平（見圖5），其中水平1內(nèi)涵可概括為化學(xué)符號、模型或圖示可以表征微粒、微粒間作用力及微粒的結(jié)構(gòu)，這一內(nèi)涵貫穿7本化學(xué)教材。水平2表示化學(xué)符號可以表征微觀層面內(nèi)容與物質(zhì)/變化的關(guān)聯(lián)，對應(yīng)著化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式、原電池工作原理示意圖等內(nèi)容。水平3強(qiáng)調(diào)用化學(xué)符號表示化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)與微粒變化，化學(xué)方程式、離子方程式、電極反應(yīng)式、有機(jī)反應(yīng)式等內(nèi)容都是這一觀念內(nèi)涵的具體表現(xiàn)。水平4則是在水平3的基礎(chǔ)上增加對能量的表征，對應(yīng)教材中的反應(yīng)能量變化圖和熱化學(xué)方程式。

卡方檢驗(yàn)結(jié)果為χ2（4， 917）=50.85， p<0.05，表明不同階段教材與微粒符號觀水平有顯著性關(guān)系。前三個水平均隨著學(xué)段的提高，出現(xiàn)的頻次逐漸增多，水平4只出現(xiàn)在高中選擇性必修教材中，既反映微粒符號觀內(nèi)涵隨著初高中教材知識豐富呈現(xiàn)縱深發(fā)展的特點(diǎn)，還表明高中選擇性必修教材更關(guān)注對微粒符號的綜合運(yùn)用。另外，從頻次百分比角度可以發(fā)現(xiàn)，水平2在三個學(xué)段中的相近且占據(jù)主要部分，這可能是因?yàn)榻滩闹写蟛糠謨?nèi)容采用化學(xué)式描述物質(zhì)有關(guān)。值得關(guān)注的是，在高中必修和選擇性必修階段，水平3的頻次較為接近，這與必修階段課程重點(diǎn)（常見的無機(jī)物及其應(yīng)用、簡單的有機(jī)化合物及其應(yīng)用）有關(guān)。

3.2.5 微粒分析觀層級進(jìn)階

微粒分析觀在中學(xué)階段出現(xiàn)頻次為81，可將其劃分為3個水平（見圖6）。其中，水平1強(qiáng)調(diào)利用現(xiàn)代技術(shù)手段對微觀層面進(jìn)行探查，譬如通過掃描隧道顯微鏡、紅外光譜、X射線衍射等技術(shù)觀探測微觀粒子、微粒間作用力和結(jié)構(gòu)。水平2的內(nèi)涵拓展至對物質(zhì)和變化微觀本質(zhì)層面的探查分析，譬如氯離子的檢驗(yàn)方法、飛秒技術(shù)的應(yīng)用等等。水平3是通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)或儀器等手段對化學(xué)變化中的能量變化進(jìn)行測定，集中體現(xiàn)在選擇性必修1“中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定”的部分。此外，微粒分析觀各水平頻次百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示三個階段教材的內(nèi)容主要滲透前兩個水平內(nèi)涵，水平3只出現(xiàn)在選擇性必修教材，表明整體上人教版教材對發(fā)展學(xué)生微粒分析觀的要求不高，即要求學(xué)生了解可以通過實(shí)驗(yàn)或科學(xué)技術(shù)手段對物質(zhì)的微觀層面進(jìn)行測定。

3.2.6 微粒價(jià)值觀層級進(jìn)階

關(guān)于微粒價(jià)值觀的內(nèi)容較少，對其中蘊(yùn)含的觀念內(nèi)涵進(jìn)行水平劃分，如圖7所示。水平1體現(xiàn)微粒、微粒間作用力和結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域的重要價(jià)值，在3個階段教材中均有所體現(xiàn)。水平2一方面表述為具有特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在各領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值，例如，九年級教材“鏈狀結(jié)構(gòu)的高分子材料（如聚乙烯塑料）具有熱塑性”體現(xiàn)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)的價(jià)值內(nèi)涵；另一方面表述為微觀粒子的運(yùn)動變化價(jià)值，如選擇性必修2教材中所提到的ESR技術(shù)就是利用電子自旋原理。水平3分別對應(yīng)教材中工業(yè)廢水的處理、霓虹燈工作原理、有機(jī)合成等內(nèi)容?？ǚ綑z驗(yàn)結(jié)果為χ2（4， 100）=13.27， p<0.05，表明微粒價(jià)值觀不同水平與不同階段教材類型有顯著關(guān)系。高水平的微粒價(jià)值觀在各階段教材中的占比逐漸增大，說明整體上水平發(fā)展是逐步提升。選擇性必修教材中反映化學(xué)應(yīng)用價(jià)值的篇幅更多，更有助于學(xué)生建立完整的微粒價(jià)值觀，認(rèn)識到化學(xué)來自生活也作用于生活，凸顯化學(xué)學(xué)科價(jià)值。

4 結(jié)論與建議

基于上述結(jié)果與討論，可以得到本研究的結(jié)論。一是微粒觀組分在不同學(xué)段教材的分布大致上相同，呈現(xiàn)出隨著學(xué)段提高而逐漸豐富的特點(diǎn)。二是具體至各個階段的教材，其共性是側(cè)重的組分主要是微粒符號觀、微粒本體觀、微粒作用觀、微粒結(jié)構(gòu)觀。三是微粒觀組分在不同階段教材的發(fā)展呈現(xiàn)出化學(xué)思維對象聯(lián)系廣度進(jìn)階的特點(diǎn)。據(jù)此，針對微粒觀教學(xué)實(shí)踐提出以下建議：

4.1 重視研究和使用教材，做好初高中化學(xué)教學(xué)銜接

微粒觀不是以顯性結(jié)論出現(xiàn)在教材中，而是內(nèi)隱于化學(xué)教材的具體知識與核心概念。建立初高中微粒觀各組分進(jìn)階圖，有利于把握教學(xué)梯度，做好教學(xué)銜接。以微粒本體觀發(fā)展為例，在初中階段根據(jù)學(xué)生認(rèn)識微粒的特點(diǎn)，初步建立微觀視角；進(jìn)入高中必修階段，引入基于微粒對物質(zhì)分類的視角、認(rèn)識物質(zhì)的微觀本質(zhì)等內(nèi)容，建立宏觀與微觀的聯(lián)系；再到選擇性必修階段，深入探究物質(zhì)內(nèi)能的影響因素、物質(zhì)變化的微觀本質(zhì)等內(nèi)容。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中對微粒本質(zhì)觀的認(rèn)識也逐漸由單點(diǎn)到多點(diǎn)聯(lián)系再到結(jié)構(gòu)化聯(lián)系的縱向發(fā)展。

4.2 形成微粒觀基本理解，開展“觀念建構(gòu)”教學(xué)

“觀念建構(gòu)”為本教學(xué)是從具體知識中歸納出持久性、遷移性的核心觀念理解為目的［31］，有利于增進(jìn)學(xué)生對知識的深刻理解，促進(jìn)其化學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展［32］。實(shí)施“觀念建構(gòu)”教學(xué)需要深入挖掘教材內(nèi)容的觀念價(jià)值，概括提煉出重要觀念作為單元教學(xué)的目標(biāo)。如借助微粒觀組分框架理解微粒觀內(nèi)涵，借助微粒觀水平進(jìn)階圖理清微粒觀與初、高中教材具體知識、核心概念的內(nèi)在聯(lián)系，據(jù)此開展微粒觀為本教學(xué)的實(shí)證研究。

4.3 利用微粒觀組分層級，以評價(jià)促進(jìn)教學(xué)

微粒觀的不同水平層級可作為學(xué)生微粒觀發(fā)展的教學(xué)評價(jià)工具，精準(zhǔn)診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。依據(jù)不同階段學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和學(xué)校教學(xué)質(zhì)量，確立學(xué)生不同階段應(yīng)達(dá)成的學(xué)習(xí)水平，通過與之匹配的教學(xué)檢測達(dá)到診斷與教學(xué)指導(dǎo)的作用，從而確保學(xué)生在整個中學(xué)階段的微粒觀發(fā)展的順暢度，減少學(xué)生學(xué)習(xí)障礙。譬如，利用微粒結(jié)構(gòu)觀水平層級，診斷初中生對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識水平、診斷高一學(xué)生對無機(jī)化合物結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)的認(rèn)識水平、診斷高二和高三學(xué)生有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的變化判斷其化學(xué)反應(yīng)類型的認(rèn)識水平。

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廣東省2023年一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目；廣東省2022年學(xué)位與研究生教育改革研究項(xiàng)目；廣東省2022年課程思政改革示范項(xiàng)目（示范課堂）；廣東省2021年一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目；華南師范大學(xué)2023年中外合作混合式共享課程建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)共同資助。

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