吳晗清 金鈺瑩 穆 銘 趙芳祺

(首都師范大學教師教育學院，北京 100037)

0 引 言

從知識的領(lǐng)域劃分，化學平衡是化學反應原理的重要內(nèi)容，是中學階段學生初步學習和應用化學熱力學及化學動力學知識的主陣地．中學化學課程中，化學平衡一般包括兩方面內(nèi)容：(1)化學平衡概念、原理 (如勒夏特列原理)等核心理論；(2)包括電離平衡、水解平衡及沉淀溶解平衡等在內(nèi)的各類化學平衡體系．從知識所承載的化學觀念及其課程功能來看，化學平衡是學生建立“變化觀”的核心載體，能夠幫助學生從熱力學與動力學視角加深對化學反應(變化)本質(zhì)的認識，幫助學生加深對科學理論與社會生產(chǎn)實踐之間差異的認識，促進學生化學定量思維的形成及計算能力的提高．教材作為課程的重要文本載體，其對化學平衡內(nèi)容的選擇、編排和呈現(xiàn)不僅影響著學生對化學平衡知識的學習和掌握，更意味著化學平衡教學應該發(fā)揮怎樣的課程功能，可能生成何等的教育價值．

“化學平衡”是學生掌握化學反應本質(zhì)和規(guī)律的基礎(chǔ)，也是認識科學本質(zhì)的過程，化學平衡是后續(xù)學習水溶液中的電離平衡、水解平衡、難溶電解質(zhì)的溶解平衡的核心，對理解這些平衡具有重要的指導意義，也為探究酸、堿、鹽的性質(zhì)和用途，選擇化工生產(chǎn)的適宜條件和最大產(chǎn)率具有理論指導作用．化學平衡屬于抽象理論內(nèi)容，理論知識的抽象性和復雜性成為教師和學生的教學難點，因此，有必要研究美國化學教材的“化學平衡”內(nèi)容是如何呈現(xiàn)，并在我國教材和美國化學教材有關(guān)“化學平衡”內(nèi)容分析比較基礎(chǔ)上，設(shè)計出適合我國教學實際情況的教學設(shè)計以供教師借鑒和學習，通過合理利用化學探究性實驗，引導學生關(guān)注化學與社會生活的緊密聯(lián)系，不斷培養(yǎng)和提高學生的科學探究能力，以達到加強化學學科教育的現(xiàn)實價值．

1 教材及其比較的分析框架

1.1 教材分析背景

中國高中化學教材有人教版、蘇教版和魯教版等多種教材，人教版的高中必修教材是以學科知識的邏輯順序為主來構(gòu)建教材體系，而蘇教版化學教材體系的構(gòu)建具有“起點高，落點低”的特色，所謂起點高就是教材體系構(gòu)建首先給學生一個上位的觀念或方法，引領(lǐng)學生后續(xù)的學習，而落點低是緊密聯(lián)系學生生活經(jīng)驗，從社會生活問題入手來學習有關(guān)的元素化合物的知識．魯教版的特點概括而言就是“高觀點、大視野、多角度”．我國高中化學教材統(tǒng)一使用《化學反應原理》[1]．選修四《化學反應原理》是從化學反應與能量、化學反應速率和化學平衡以及溶液中的離子平衡等方面，探索化學反應的規(guī)律及應用．化學平衡是屬于第二章《化學反應速率和化學平衡》的第三節(jié)內(nèi)容，化學平衡包含的內(nèi)容有可逆反應與不可逆反應、化學平衡狀態(tài)、化學平衡常數(shù)．

美國學校所使用的高中化學教材沒有固定的書目，每個學校所使用的教材也不一致，美國高中化學教材的版本較多，其中《化學：與變化著的世界相聯(lián)系》[2]就是一本充分體現(xiàn)了美國環(huán)境教育理念，以化學活動、綜合科學、聯(lián)系生活STS和問題解決4種類型共22個專題的形式探討了具體的環(huán)境問題來進行環(huán)境教育的教材；《化學：概念與應用》[3]是美國現(xiàn)行高中化學的主流教材之一，教材的設(shè)計注重不同學科知識之間的聯(lián)系以及各學科知識間的協(xié)調(diào)，注重化學研究的過程與方法，以及科學精神、價值觀等；資源豐富，為學生提供各種化學學習和建構(gòu)的資源，既以化學知識為載體讓學生了解文學、藝術(shù)、歷史、政治、科技發(fā)展與生活常識，又以生活及社會問題為情景境，介紹化學知識；教材的知識性、思想性以及制作的工藝水平契合高中學生的認知心理發(fā)展水平，力求體現(xiàn)學生的“學”．

1.2 分析框架

通過對已有相關(guān)研究文獻的閱讀，比較研究主要集中在對化學教材文本的整體比較，研究范圍比較大，如教材文化背景、情境取材等[3]．部分實驗比較主要是對高中化學教材中設(shè)計的所有實驗進行比較，研究具體實驗內(nèi)容的微觀比較內(nèi)容少之又少．具體的實驗的研究是非常重要的，具體實驗關(guān)乎到操作形式、實驗藥品和器材選擇等．在這基礎(chǔ)之上，經(jīng)過篩選確立以高中化學中選修最廣泛的模塊——化學反應原理為研究對象．相應地，選定美國教材《化學：概念與應用》中的化學平衡部分為研究比較對象．首先，比較該內(nèi)容在兩個版本中教材的位置、教學引入等；其次，從具體的知識點構(gòu)成、實驗設(shè)置、欄目開設(shè)進行比較．通過對中美教材具體的分析，最后得出兩個國家的教材在化學平衡這部分內(nèi)容設(shè)計的特點，最后提出教學對策，吸取兩個版本教材的優(yōu)點，改進不足．

2 中美高中教材化學平衡對比分析

2.1 章節(jié)設(shè)置

中美高中化學教材“化學平衡”章節(jié)對比結(jié)果列于表1．可知，中國教材將化學平衡和化學速率相結(jié)合，在必修與選修之間形成階梯式教學，符合學生的認知規(guī)律，采用集中式教學，教學內(nèi)容主要集中在第二章與第三章部分．美國教材將化學平衡和化學反應速率融合在化學反應的本質(zhì)這一節(jié)，進一步與化學方程式和化學反應類型相結(jié)合，體現(xiàn)宏觀-微觀-符號的三重表征．并采用分散式教學，分布在第六章化學方程式和化學反應、第十四章酸、堿和pH值．有助于拓展學生的知識層面，體現(xiàn)化學知識生活化、分層化，便于學生的理解．

表1 中美高中化學教材“化學平衡”章節(jié)對比

2.2 教學引入

在教材引入部分，中國人教版教材在化學平衡這部分內(nèi)容的教學引入是從溶解平衡出發(fā)類比可逆反應的化學平衡，總結(jié)化學平衡的特征，各組分濃度不再改變，看似停止，反應到達了“限度”動態(tài)平衡，反應實質(zhì)還在進行，正、逆反應速率相等．而這樣的設(shè)計意圖從溶解平衡出發(fā)，引出化學平衡，從化學平衡的特征引入了反應限度這一概念．美國教材特別注重圖片的設(shè)置上．這樣更加貼近生活、生動形象，便利學生理解，引發(fā)學生的學習興趣．比如由汽車充放電示意圖引出可逆反應，由乘客上下地鐵引出化學平衡狀態(tài)，由小狗飲用水槽中水引出壓強對化學平衡的影響，由雙氧水對傷口消毒引出濃度對化學平衡的影響，由變色龍的變色引出反應速率的概念，由夾心餅干引出限量反應物的概念．

中美教材的引入方式有所不同，但美國教材從生活中事例入手，學生理解更加清晰，直觀的圖片為其設(shè)計亮點，符合學生的認知發(fā)展規(guī)律，更適合教學的創(chuàng)新性．

2.3 具體知識點

中美教材在內(nèi)容選取上呈現(xiàn)一致性，總體差異不大．中國教材關(guān)于化學平衡知識的選取比較全面，突出特點是選取了轉(zhuǎn)化率(但并未選取不可逆反應)、反應體系壓力平衡常數(shù)、及惰性氣體對化學平衡的影響等知識點．對于壓強對化學平衡的影響只在化學平衡移動的定義中提及并未詳述．中國教材化學平衡內(nèi)容選取完整，系統(tǒng)性強．美國教材知識較零散，在化學反應本質(zhì)這一節(jié)中穿插和滲透．美國教材未涉及有關(guān)化學平衡的計算．

表2 中國與美國教材具體知識點對比分析

2.4 知識體系框架

中國人教版教材中，關(guān)于化學平衡的知識體系分散在必修二以及選修四的兩個模塊中．具體來說，必修二中的化學反應速率與限度內(nèi)容中，包含化學反應速率(定性描述反應速率，實驗探究溫度、濃度對反應速率的影響)以及化學反應限度(化學反應的最大程度，引出化學平衡狀態(tài))．學生建立了可逆反應的概念，對平衡狀態(tài)的描述處于定性水平，即基于物質(zhì)的濃度不隨時間變化(以及相應的宏觀現(xiàn)象)來描述這種狀態(tài)；并且無法對同一反應可能存在的多種平衡狀態(tài)建立合理的關(guān)聯(lián)，認為不同平衡狀態(tài)都是孤立存在的，沒有任何內(nèi)在的聯(lián)系．對于反應限度的理解也停留在感性階段，認為反應限度與平衡狀態(tài)是同一概念，就是可逆反應進行到了“看似”停止的狀態(tài)；選修四中的化學反應速率與化學平衡內(nèi)容中，包含化學反應速率(定量表示反應速率，實驗探究溫度、濃度、壓強、催化劑對反應速率的影響)，化學平衡(可逆反應與不可逆反應，化學平衡狀態(tài)概念及特征，化學平衡常數(shù)及其相關(guān)計算)和化學反應進行的方向．對于平衡狀態(tài)的學習，主要引入了化學平衡常數(shù)(K)，然而教師對于平衡常數(shù)的概念教學有著不同的設(shè)計和處理，這也導致學生的認識方式發(fā)展有了明顯的差異．

中國人教版教科書將化學平衡與化學反應速率結(jié)合在化學必修二中簡單接觸化學平衡，在學生頭腦中初步建立化學平衡概念，為選修四化學反應原理中學習更為復雜的化學平衡知識做鋪墊，建立了階梯式的的內(nèi)容編排形式，更易于學生的接受和理解美國高中化學教科書在化學反應本質(zhì)一節(jié)融合化學反應速率和化學平衡內(nèi)容，進一步將本節(jié)與反應類型、化學方程式內(nèi)容整合，有助于學生以“宏觀-微觀-符號”的三重表征為核心，認識化學反應，但知識跳躍性較我國人教版教科書大，對學生的要求比較高．美國教材知識體系框架如圖1所示．美國教材中，化學反應本質(zhì)的內(nèi)容包含，描述影響反應方向的因素(定性描述可逆反應，平衡的概念、特點，改變反應的方向，增加反應物能量)和分類影響反應速率的因素(溫度、濃度、催化劑影響化學反應速率，活化能的概念，限量反應物的概念)，其中限量反應物是指在由兩種反應物組成的反應體系中，如果一種反應物比另一種反應物更早地被消耗完，那對于反應徹底進行來說，數(shù)量不足的反應物被稱為限量反應物．

圖1 美國教材知識體系框架

2.5 實驗設(shè)置

通過對比，將兩國教材中的實驗進行規(guī)整，對比結(jié)果列于表3．中國教材在平衡部分涉及了7個實驗，分別是化學平衡中滴加酸堿改變K2Cr2O7在溶液中的平衡，濃度對化學平衡的影響，溫度對化學平衡的影響；電離和水解平衡中CH3COOH與B(OH)3分別與Na2CO3反應；難溶電解質(zhì)溶解平衡中Mg(OH)2沉淀溶解的規(guī)律，AgNO3與NaCl反應，加入KI，再加入Na2S；MgCl2與NaOH；與FeCl3生成Fe(OH)3等7個反應．美國教材涉及3個實驗，分別是一個簡單的置換反應，探索化學變化，淀粉與碘的時鐘反應，其中“淀粉與碘的時鐘反應”用以設(shè)計溫度、濃度對化學反應速率的影響．簡要的展現(xiàn)化學平衡的實驗內(nèi)容，而美國教材在第六章沒有呈現(xiàn)具體實驗，在第十四章設(shè)置具體實驗，來講解電離和水解平衡，都是從生活實例入手，其中以胃藥為載體，貼近生活，符合生活化學的教學[4]．

表3 中美高中化學教材化學平衡實驗對比

2.6 欄目設(shè)置

中美高中化學教材化學平衡欄目設(shè)置對比結(jié)果列于表4．從欄目數(shù)量上比較，兩版教科書差別不大，都比較重視欄目所起的作用．通過對中美高中化學教材“化學平衡”欄目設(shè)置進行分類，將中國人教版與美國教材的欄目分為學科知識、探究性學習、科學史、化學與社會生活4大類．其中中國人教版學科知識包含資料與科學視野；探究性學習包含學與問、思考與交流、實驗、科學探究；科學史包含科學史話；化學與社會生活包含化家庭小實驗．美國教材學科知識包含本節(jié)預覽、詞源(介紹要學的新概念)；探究性學習包含迷你試驗、化學實驗；科學史包含生物學鏈接、化學鏈接(拓展學生知識面)；化學與社會生活包含化學工作者、化學與技術(shù)、生活中的化學、家庭實驗．中國人教版強調(diào)知識的基礎(chǔ)性和基本技能的熟練掌握，注重交叉學科的前沿知識，強調(diào)實驗的重要性，重視對學科素養(yǎng)的培養(yǎng); 美國教材中有好多實驗與我國的不同，更注重與生活的聯(lián)系，易于操作又能激起學生的好奇心和興趣，在學生頭腦中建立“生活化學”的概念．

表4 中美高中化學教材化學平衡欄目設(shè)置對比

3 結(jié)論與建議

中美教材化學平衡部分設(shè)計的特點列于表5．在教材中的位置，中國教材采用集中編排的方式；美國教材則分散在不同的章節(jié)．教學引入環(huán)節(jié)，中國教材側(cè)重學科、多文字、重邏輯；美國教材則偏重于生活、多圖片、較直觀．學科知識方面，中國教材強調(diào)知識的系統(tǒng)性系統(tǒng)，重理論(勒夏特列原理)學習；而美國教材側(cè)重基礎(chǔ)、解釋生活中的現(xiàn)象．實驗設(shè)置方面，中國教材數(shù)量多、重學科知識、實驗操作等；美國教材數(shù)量也較多、不過側(cè)重于注重生活中的類比．欄目開設(shè)方面，中國教材重視科學探究的規(guī)范，美國教材重視化學與社會生活[5]．

總體而言，兩版教材各有所長．中國人教版教材內(nèi)容設(shè)置難易適中，適合大部分學生；強調(diào)實驗的規(guī)范及重要性；設(shè)置很多化學平衡常數(shù)相關(guān)的計算題，強調(diào)知識的基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性．而美國教材中的案例與生活貼近，難以理解的概念以圖片直觀表述；緊密結(jié)合化學學科發(fā)展前沿，還強調(diào)跨學科整合等．他山之石可以攻玉，在教學中，教師要吸取各方優(yōu)勢，做到“洋為中用”，實現(xiàn)化學平衡教學難點的突破[4]．

表5 中美教材化學平衡部分設(shè)計的特點

3.1 先學平衡再學速率對于學生學習的順利進階的影響

學生初次學習化學平衡的概念時(如人教版必修二)，頭腦中存在一些體現(xiàn)其不同理解水平的迷思概念，而這些迷思概念會一直保留到下一個階段的化學平衡學習(如人教版選修四)．但是特別要指出的是，這些迷思概念的產(chǎn)生并不是學生在學習過程中不努力或粗心大意所致，而是由于教材、教學等相關(guān)的誤導，使得學生在解決問題時所使用的分析框架是混亂的．比如，動力學關(guān)注反應的過程，熱力學只關(guān)涉體系的狀態(tài)，兩者有著不同的研究對象，存在本質(zhì)的差異．但是教學中往往通過速率來建立平衡，還通過速率的改變來討論的平衡的移動，從而兩者往往混為一談，時而速率，時而平衡，導致學生誤以為速率的改變是平衡移動的原因，事實上焓和熵才是影響平衡的關(guān)鍵因素[6]．

美國教材的設(shè)置情況為，第六章第三節(jié)化學反應的本質(zhì)中的主要內(nèi)容，先是可逆反應、化學平衡、影響化學平衡的因素，然后在學反應速率、活化能及影響反應速率的因素等．在第十四章中，主要是弱電解質(zhì)的電離、鹽類水解等平衡問題．其實，魯教版教材《化學反應原理》中的編排順序[7]，也是將化學反應方向和限度放在化學反應速率之前教學．在內(nèi)容設(shè)置上，將平衡前置能較好地避免學生迷思概念帶來的學習誤區(qū)，從而促進學生學習的順利進階．這一點，在教學實踐中需要引起足夠的重視．

3.2 利用化學探究性實驗，培養(yǎng)學生良好的科學探究能力

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學，化學理論教學與實驗教學是有機的整體，二者相輔相成、相得益彰．普通高中化學課程標準指出，要讓學生掌握基本的化學實驗方法和技能；了解化學實驗研究的一般過程，初步形成運用化學實驗解決問題的能力；形成實事求是、嚴謹細致的科學態(tài)度，具有批判精神和創(chuàng)新意識等．然而調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實際上高中學生遠遠沒有達成這一目標．大部分教師由于對實驗價值缺乏足夠的認知，加之高考升學壓力、實驗硬件條件等限制，導致僅有少量的教師能比較正常地開展實驗教學，而且絕大部分實驗多為驗證性的簡單實驗[8]．

比如中國人教版在化學平衡這部分涉及了7個實驗(酸堿與平衡，濃度、溫度對化學平衡的影響，弱酸的電離，沉淀溶解的規(guī)律，沉淀的轉(zhuǎn)化，水解等)，可見教材設(shè)置的實驗數(shù)量較多，所涉及到的內(nèi)容也幾乎覆蓋了化學平衡的各個方面．然而實踐中，教師容易將科學探究與高考應試二元對立起來，很少能按照要求去完成探究性實驗．在實驗過程學生積極性并不高，照單抓藥、缺乏問題意識和持續(xù)探究的熱情．美國教材中化學平衡的實驗數(shù)量也很多，如淀粉與碘的時鐘反應(溫度、濃度對化學反應速率的影響)，3種酸(醋酸、鹽酸、硫酸)與蛋清生成氣體速率的比較，治療胃酸的抗酸劑(碳酸鹽)等．雖然美國教材沒有中國人教版教材內(nèi)容全面系統(tǒng)，也沒有特別強調(diào)科學探究的規(guī)范,但是實現(xiàn)了化學實驗的探究性、生活化、微型化及綠色化．在實驗教學中，教師應當加強系統(tǒng)性、探究性和生活化的整合．

3.3 關(guān)注化學與社會生活的緊密聯(lián)系，加強化學學科的現(xiàn)實價值

前已述及，美國教材在教學引入、欄目設(shè)置、實驗等方面的鮮明特征就是緊密聯(lián)系學生的社會生活實際．如教學引入部分，由汽車充放電示意圖引出可逆反應，由乘客上下地鐵引出化學平衡狀態(tài)等．又如充分利用生活中的物質(zhì)，以紫甘藍作為酸堿指示劑，以檸檬汁或白醋來替代酸等．這方面，中國人教版教材稍遜一籌，而且教師在教學實踐中往往更是脫離學生的生活實際．學生的化學學習由客觀的、邏輯的化學知識體系編織而成的，是理性的概括和提升，它過濾了學生的個性、主觀性以及化學知識發(fā)展的歷史性．從而只見“知識”不見“人”，學習單調(diào)貧乏，沒有價值感．有研究表明，學生認為化學教育的最大價值就在于提升自己的生活品質(zhì)，增進對社會的理解．其次學習化學的價值才是化學思想與方法、知識與技能、應對考試等[9]．所以，教學中關(guān)注化學與社會生活的緊密聯(lián)系迫在眉睫．

不過化學教育要回歸生活世界，并不是庸俗化地簡單地用“生活世界”來統(tǒng)領(lǐng)學校教育．而是讓學生在學習化學概念、知識之前，緊密聯(lián)系學生已有的生活經(jīng)驗，充分調(diào)動學生的個體知識．大力發(fā)掘與生活中衣食住行等相關(guān)的化學內(nèi)容，增強化學學習的親生活性[10]．比如水資源、豐富的有機化合物，各種功能材料，化工生產(chǎn)，藥物合成等．另外，利用化學知識培養(yǎng)學生洞察生活的能力，養(yǎng)成一種敏銳的極具學科特色的化學眼光，入木三分地深度分析問題．如食品與藥物安全、三廢處理與綠色化學、迷信的揭秘與科學素養(yǎng)、生態(tài)文明的建設(shè)等，從而更好地理解化學與生活的共生關(guān)系．教學應當從生活經(jīng)驗入手，開展化學探究，最終學以致用地以化學的方式來解決問題，培養(yǎng)學生健全的科學素養(yǎng)[11]．