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)科知識體系的最基本成分。概念具有兩個基本特征，即概念的內(nèi)涵和外延。概念的內(nèi)涵就是指這個概念的含義，即該概念所反映的事物對象所特有的屬性。在化學(xué)學(xué)科中，能反映出學(xué)科知識的詞語或者短語可看作概念，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個化學(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。促進學(xué)生對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］

概念是教科書中表述知識的重要形式，是學(xué)生建構(gòu)知識的認識方式?！胺磻?yīng)熱”是高中化學(xué)反應(yīng)原理模塊的重要內(nèi)容，是高中生進入選擇性必修階段較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)的“第一個”反應(yīng)原理——熱化學(xué)，也是錢揚義提出的“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”既作為一個獨立的學(xué)科概念，又可被視作一個學(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“反應(yīng)熱”知識的系統(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，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)成績的提高。此外，龔文慧指出在編寫教材時呈現(xiàn)不必要的化學(xué)概念，會導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生認知負擔(dān)。［5］因此，有必要梳理出國內(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、研究方法與過程

1.初選“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念

采用文本分析法，通過查閱高中化學(xué)人教版（2019 版）、魯科版（2019 版）和蘇教版（2019 版）教科書的必修第2 冊以及選擇性必修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。同時參考大學(xué)無機化學(xué)教材、物理化學(xué)教材、美國科學(xué)教育標準（2012）以及我國高中化學(xué)課程標準，以保證關(guān)聯(lián)概念的權(quán)威性和國際性。在選取概念時，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)系緊密度進行篩選。該問卷為Likert7點量表，將關(guān)聯(lián)概念與“反應(yīng)熱”的密切程度劃分為7個尺度，“1”表示關(guān)系十分遠，“7”表示關(guān)系十分密切，密切程度從“1”到“7”逐級遞增。篩選出關(guān)系密切程度評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)方向和無機化學(xué)方向的大學(xué)教授發(fā)放有效概念評定問卷。保留高中化學(xué)教師評分≥5 分或大學(xué)專家認定頻次≥3（認定頻次即若干名專家認為此概念與“反應(yīng)熱”具有有效性，則納入概念群）和認定比例≥0.5（認定頻次/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 冊和選擇性必修1，必修共有33 個概念，選修共有65 個概念，見表1。特別說明，在學(xué)生不會產(chǎn)生認知困難和理解歧義的前提下，本研究對概念的表述作相應(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 冊和選擇性必修1，必修共17個概念，選修共有39個概念，見表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 冊和選擇性必修1，必修共26 個概念，選修共55 個概念，見表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)課程標準“反應(yīng)熱”相關(guān)概念

教育部發(fā)布的普通高中化學(xué)課程標準（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、焓變、能源、內(nèi)能、物質(zhì)聚集狀態(tài)、蓋斯定律、燃燒熱。高中課程標準（2017 版）強調(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行反應(yīng)焓變的計算。

（5）美國科學(xué)教育課程標準“反應(yīng)熱”相關(guān)概念

在美國新一代科學(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，國內(nèi)以及美國的課程標準均注重對反應(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識“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)無機化學(xué)和物理化學(xué)板塊中講述。以章偉光主編的《無機化學(xué)（第二版）》［7］和傅獻彩主編的《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)無機化學(xué)和物理化學(xué)教材中，共有44個與“反應(yīng)熱”有關(guān)的“化學(xué)熱力學(xué)”一般關(guān)聯(lián)概念。“化學(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)主要研究宏觀過程中的能量變化、化學(xué)反應(yīng)過程進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“反應(yīng)熱”進行討論，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)，同時結(jié)合實際的熱化學(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)容更注重通過數(shù)學(xué)建模與計算了解體系與環(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“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念的選取邊界，深化對“反應(yīng)熱”的本原性理解，同時兼顧大學(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）教科書概念為主，依據(jù)魯科版教材補充“鍵能”概念，最終得到69 個“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念，見表5?？梢园l(fā)現(xiàn)，“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念較少與電化學(xué)、化學(xué)動力學(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“熱化學(xué)”的系統(tǒng)認識。

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)概念篩選問卷共60份，回收有效問卷56份，回收有效率為93.3%。將問卷所得數(shù)據(jù)輸入SPSS26.0統(tǒng)計，69個關(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準差，從中篩選出關(guān)系密切程度評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個較低得分的概念，最后得到58個“反應(yīng)熱”高關(guān)聯(lián)概念，見表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)概念專家評定結(jié)果

針對58個高關(guān)聯(lián)概念，邀請8名學(xué)科專家填寫調(diào)查問卷予以評定，共回收有效問卷6份。統(tǒng)計專家們對每個概念的認定頻次（即若干名專家認為此概念與“反應(yīng)熱”具有高關(guān)聯(lián)，可納入概念群）和認定比例（認定頻次/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，在58個高關(guān)聯(lián)概念中保留高中化學(xué)教師評分≥5 分或大學(xué)專家認定頻次≥3（認定比例≥0.5）的概念作為“反應(yīng)熱”最終概念群，評定后的結(jié)果見表7。

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

4.“反應(yīng)熱”有效概念遴選結(jié)果

通過高中化學(xué)教師與大學(xué)學(xué)科專家評定，“反應(yīng)熱”主題內(nèi)容的有效概念共30個，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、溫度、熱量、體系、環(huán)境、物質(zhì)聚集狀態(tài)、化學(xué)計量數(shù)。其中，“焓變”高居第一位，與教材和高考的內(nèi)容相一致。

對比“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念初選結(jié)果和經(jīng)過一線教師和專家評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、火箭推進劑、化石燃料、清潔能源等均被專家們剔除。最終得到的30個化學(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)計算。基于此，可以推測專家們認為高二學(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”進行聯(lián)系不存在障礙，應(yīng)更加注重對原理類化學(xué)知識的學(xué)習(xí)，基于三重表征的視角認識“反應(yīng)熱”。

通過對教材內(nèi)容的整體分析，30個有效概念可概括為6類。（1）宏觀內(nèi)因（11個）: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）:化學(xué)鍵、化學(xué)鍵斷裂、化學(xué)鍵形成。（3）反應(yīng)類型（4個）:吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)、中和反應(yīng)、燃燒。（4）符號表征（3 個）:熱化學(xué)方程式、能量守恒定律、蓋斯定律。（5）熱量種類（5個）:中和熱、燃燒熱、量熱計、溫度、熱量。（6）影響因素（4個）:體系、環(huán)境、物質(zhì)聚集狀態(tài)、化學(xué)計量數(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識“反應(yīng)熱”本質(zhì)。

三、結(jié)語

本研究通過對權(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)概念立足國內(nèi)教材與課程標準，同時也借鑒國外文件，保證“反應(yīng)熱”關(guān)聯(lián)概念具備可靠性與普適性。再者，通過高中化學(xué)教師和大學(xué)學(xué)科專家評定最終得到“反應(yīng)熱”主題內(nèi)容的30個有效概念，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，遴選結(jié)果可為中學(xué)化學(xué)教材的編寫以及化學(xué)教育實踐中科學(xué)有效開展概念教學(xué)提供參考。教師在教學(xué)與命題過程中要注重利用“有效概念”，促進學(xué)生對學(xué)科大概念、核心概念的本原性理解，減少認知負擔(dān)，從而促進學(xué)生培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。