田 潤 潘冠文

（上海星河灣雙語學校，上海 201108）

能量觀是化學科學的核心觀念。［1］我國的能源轉型是“碳達峰”、“碳中和”重大戰(zhàn)略目標實現的關鍵。［2］高中階段的“熱化學”教學將為構建學生能量觀和可持續(xù)發(fā)展思想，培養(yǎng)能源技術革新相關的化學化工人才打下堅實的基礎。

化學教科書是達成教學目標的重要載體和工具，［3］通過國際比較研究，對比教科書“熱化學”內容選擇、組織編排、呈現方式的異同，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、內容選擇的比較

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

中國教科書以培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)和化學核心觀念為出發(fā)點，精選核心知識加以適當拓展。人教版從廣度上拓展，如通過知識遷移學習燃燒熱；魯科版從深度上拓展，如增加了體積功的描述，認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習重點；

（2）注重概念的精確表述和完整推導，如包含焓變的公式推導；

（3）與能量、能源利用相關的STS 內容作為知識本體詳細講述，占6~8頁。

因此，在知識的深廣度方面對學生提出較大挑戰(zhàn)。

三、組織編排的比較

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

表3 教科書中“熱化學”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“吸熱反應與放熱反應”和“反應熱與焓變”分置于必修和選擇性必修階段中，遵循知識發(fā)展邏輯和學生認知發(fā)展規(guī)律。

美國教科書“熱化學”獨立成章，直線式編排，強調知識內在邏輯和系統化，以滿足有志于深入研習化學的學生學習需求。

2.能量觀的構建

中國教科書將“熱化學”與“電化學”整合，構建能量分類觀、轉化觀和守恒觀。魯科版必修2以更上位的“化學鍵化學反應規(guī)律”統領內容，將能量觀與微粒觀統一起來，深化了結構決定性質的核心觀念。

美國教科書中的能量觀構建得比較隱性，工具性大于觀念性，將“熱化學方程式”這一符號表征作為能量轉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、“化學鍵”中的晶格能、“溶液”形成中的熱效應等。

3.STS內容的組織

中國教科書將STS內容融于化學知識之中，設置思考討論、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“重要的體內能源——脂肪”，安排了“了解火箭推進劑”的研究與實踐活動。

美國教科書將STS 內容顯性化地冠名為“節(jié)”，C版的STS 內容更是占據兩節(jié)，內容詳實，如詳細介紹了氫能源的潛力，生產、儲存、運輸的困難。有關氫能源的生產，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、生物質等，交代了研究工作所屬的大學和教授，內容具有時代前沿性，也盡可能地通過熱化學方程式、蓋斯定律等化學知識進行表征和解釋。

四、內容呈現的比較

內容呈現的比較分為插圖設計、欄目設計和習題設計三大部分。

1.插圖設計的比較

“宏—微—符”三重表征契合化學學科特點，［10］本研究將插圖表征類型作為插圖設計比較的切入點，統計結果見表4。

表4 教科書不同表征類型的插圖數量

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:統計數據包含未編號插圖。

具體來看，四版教科書的插圖設計具有一定的共性:

第一，宏觀表征圖都主要集中于反應吸放熱的現象、量熱計、熱效應的應用，且數量相當。

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

第三，采用了相似的符號表征圖表示化學反應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合，既還原真實情境激發(fā)學習興趣，又聚焦關鍵要素便于學生理解，如圖1（a）是彈式量熱計構造的模擬圖，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。如同樣展示內能變化與熱和功的關系，圖2（a）和圖2（b）是兩則宏觀反應實例，展現化學能的轉化的兩種方式；圖3用存取款類比熱和功對內能的改變，直觀定性；圖4以電池工作為例，進一步從定量角度說明內能變化與熱和功的關系。

圖2 （a）放熱的化學反應；（b）做功的化學反應

圖3 系統內能的“存取”

圖4 （a）和（b）兩種不同過程的內能變化相同

第三，P 版和C 版中微觀-符號表征豐富，強調研究物質變化的微觀和定量視角。圖5 來自P 版，展示反應焓與鍵焓的關系；圖6來自C版，展示反應焓與生成焓的關系。它們都通過微觀表征展現物質組成的變化，通過符號表征將總反應處理成多個反應步驟的疊加，學生通過遷移應用“蓋斯定律”自發(fā)推理出根據鍵焓或生成焓計算反應焓的公式，加強知識網絡的建構，推動化學思維發(fā)展。

圖5 運用鍵焓估算反應焓

圖6 運用生成焓計算反應焓

2.欄目設計的比較

欄目設計影響著教師教學方法和學生學習活動。各版教科書的欄目名稱雖有差異，但教學功能相同，表5總結對比了各版教科書不同功能類型欄目的數量。

表5 教科書不同功能類型欄目的數量

（1）探究實踐類欄目

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

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

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

“設計一個實驗”案例

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

問題:

（a）運用這個實驗裝置，你需要哪些測量值檢驗你的假設？

（b）在分析實驗數據中你會使用什么公式？

（c）你認為能憑借一次單一的實驗獲得理想的結果嗎？為什么？

（d）儀器的精確性將以何種方式影響你的結論？

（e）如果你在現在而非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）之間的關系。

這是一項以化學史作為情境的探究活動，通過分析和改進著名科學家焦耳的實驗，激發(fā)學生學習興趣和成就感。注重信息收集分析能力和實驗思維的培養(yǎng)，通過問題設置引導學生分析實驗原理、裝置、數據收集和處理，實驗設計強調實驗的準確度和精確度。

（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過程中的不同功能，設置有創(chuàng)設問題情境的“聯想·質疑”欄

（3）拓展延伸類欄目

四版教科書拓展延伸類欄目數量差不多，除了C版外，其他三版教科書都從深入概念理解和聯系社會目、進行概念建構的“交流·研討”欄目和促進鞏固提升的“遷移·應用”欄目。

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

圖7 咖啡杯量熱計

四版教科書聯系社會生活的內容素材各不相同，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)設教學情境提供靈感。

（4）例題導引類欄目

中國教科書將反應熱的計算單列為節(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分別呈現了C版和P版教科書中例題欄目的結構化設計。

圖9 C版教科書例題欄目的結構化設計

圖10 P版教科書例題欄目的結構化設計

兩版美國教科書的例題欄目設計思路類似，注重結構化講解解題步驟，使學生掌握問題解決模型并舉一反三，練習鞏固。

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，帶入數據求出結果；C 版的“現實檢驗”和P 版的“評價”為定性分析或通過事實性知識檢驗結果的合理性，常常需要聯系實際生活。

（5）歸納概括類欄目

兩國教科書的歸納概括類欄目數量相當，中國教科書在內容歸納概括方面更具系統性，強調學科觀念、思維和素養(yǎng)培養(yǎng)。人教版在章節(jié)末在“整理與提升”欄目中以圖表構建概念體系，體現了知識本體和認識思路的結構化；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)展重點和對應的學業(yè)要求。

美國教科書強調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”欄目與魯科版的學業(yè)要求相當，學生核對條目進行自評；C版還會在正文中實時地以欄目總結知識點或計算方法。

3.習題設計的比較

兩版中國教科書有節(jié)末和章末習題，兩版美國教科書有章末習題，數量總結見表7。

表7 教科書的習題數量

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

美國教科書的習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、研究結論和啟示

我國教科書的“熱化學”內容指向學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，以學生為主體；兩版美國教科書對應的課程成績滿足一定要求后可兌換大學學分，傾向于知識本位。

通過對比發(fā)現，我國教科書的編寫在內容精選、螺旋式編排方面更適合我國學生學習的需要；在能量觀的構建、豐富的探究活動、知識和認識思路的結構化這些方面更具優(yōu)勢，有利于化學學科核心素養(yǎng)的實現。

教師在開設競賽課、選修課時，可以適當借鑒美國教科書的知識內容體系、STS 內容、插圖、習題素材以滿足特定場合的教學需求。此外，總結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。結合課堂實際，可以通過類比、舉例、模型等，采用不同認知難度、體現不同側重點的多幅表征圖。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)學生的三重表征轉換思維能力，尤其需重視微觀表征和符號表征的運用，如利用熱化學方程式描述其他章節(jié)概念，遷移應用蓋斯定律的微觀—符號表征于鍵焓、生成焓等內容的學習中。

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

（1）是否制定了有關三重表征思維培養(yǎng)的教學目標？

（2）如何通過表征圖評價學生達到了該目標？

（3）如何就該目標使用表征圖設計教學活動？

（4）可以就表征圖提出什么問題？

（5）是否設計了表征圖的變式練習？

2.將化學扎根現實

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

第二，突顯STS內容中化學的認識功能。通過微觀表征、符號表征等細節(jié)內容，剖析STS 內容背后的化學原理，深度融合章節(jié)內的化學學科知識和社會性內容，彰顯化學的學科價值。

第三，將化學史中的科學過程作為學習對象?；瘜W史可以轉化為學生參與體驗的探究活動，通過分析實驗原理、實驗設計、實驗過程、數據分析與結論，進而設計改進或替代方案，提高學生站在巨人肩膀上探索化學的信心和成就感。

3.關注信息素養(yǎng)的培養(yǎng)

第一，培養(yǎng)利用信息解決問題的意識。學生進行問題解決的任務時，教師可以引導學生顯性表達“我們已知什么？”“我們還需要什么信息？”激發(fā)學生主動獲取知識、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、氧化鋁分解的反應焓等數據。

第二，示范“查閱相關資料”，提升信息品位。教師作為學習的指導者，可以先提供給學生論文期刊等文獻對教科書中呈現的情境素材做補充，并注明文獻來源，學生在積累了一定量的閱讀研習后，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慣。美版教科書中解題范式的“現實檢驗”或“評價”步驟值得借鑒，學生解題后可再對比真實數據、聯系生活經驗評估結果的合理性和現實意義。如反思為什么通過鍵焓計算的反應熱與真實數據有差異、測量計算得出的蛋白質的熱值是否與體內代謝能量相當等問題。