結構化視域下新舊三版高中化學教材內容比較研究

摘要：基于教學內容結構化組織視角，采用流程圖分析法對新人教版、新魯科版、舊人教版三版高中化學教材中熱化學主題內容進行比較。研究發(fā)現：新教材在內容結構化水平上有顯著提升。結合教材文本實例進一步對熱化學主題下知識關聯、認識思路、核心觀念結構化加以分析，并整合各版本教材優(yōu)勢特點提出教學實施建議。關鍵詞：教材對比；教學內容結構化；化學反應熱效應；流程圖法1問題的提出教材是課程的物化形態(tài)和文本素材，是培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的重要載體［1］。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（簡稱“2017版課標”）提出教學與教材編寫均應關注教學內容組織結構化以促進學生從學科知識向學科核心素養(yǎng)轉化。內容結構化主要有三種形式，即基于知識關聯的結構化、基于認識思路的結構化、基于核心觀念的結構化［2］。分析教材內容結構化組織設計可為教師開展促進學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展的教學提供指導。當前化學教學內容結構化研究具有以下特點：第一，關注某主題下單一課題或多主題交叉而較少關注大單元（如物質的分類［3］、人工固碳項目式學習［4］等）。第二，重教學實踐而輕文本分析，多由教學實踐經驗總結內容結構化，研究方法也以定性分析為主。第三，側重知識關聯結構化，如使用文本分析法對新舊教材熱化學主題下概念組織結構加以對比［5］，但更具統整性的認識思路結構化、核心觀念結構化情況則未能加以闡釋?；瘜W反應的熱效應（熱化學）是高中化學選擇性必修模塊化學反應原理的核心內容之一，為學生認識化學反應引入能量視角。本研究在該主題下選擇舊人教版選修4，新人教版、新魯科版選擇性必修1三版教材作為研究對象，使用Flowmap（流程圖）作為教材知識結構化分析工具，按內容結構化內涵建立分析框架以分析三版教材編寫特點。2研究對象和方法2.1研究對象如表1所示。對新舊人教版內容結構化縱向對比以認識課標修訂后教材內容選擇和編排上的承繼與創(chuàng)新，新人教版、新魯科版橫向對比以認識不同版本教材特點，整合多版教材內容組織以結構化構建高中熱化學教學內容。2.2研究方法使用Flowmap（流程圖）作為獲取教材知識架構的工具，梳理各版教材化學反應的熱效應主題知識點編排邏輯，選擇閆春更等研究者建立的教材難度評價模型中的整合廣度［6］對三版教材內容組織有效性、知識關聯結構化水平進行定量表征，具體操作步驟為［7］：將各知識點按教材編排先后順序自上而下排列，用線性箭頭連接，當下方知識點對上方知識點有概念重現或信息回訪關系時使用回歸箭頭連接，具體可見圖1。最終得到各版教材化學反應的熱效應主題知識架構流程圖，再依據公式“整合廣度=概念回訪總數/（概念回訪總數+知識點總數）”計算整合廣度。以知識架構流程圖為基礎，分析知識點及其呈現順序所體現的認識思路，抽提可統整該主題的學科觀念，以確定該主題下認識思路結構化與核心觀念結構化情況。為保障研究一致性及分析結果信效度，由一名教育專家及課題組另一成員彼此獨立進行教材分析，達到95%一致性；不一致處再進一步討論直至達成共識。最終得到各版教材知識架構流程圖、認識思路圖、核心觀念結構圖。3熱化學模塊教學內容結構化的內涵圖1以新人教版教材化學反應的熱效應主題為例，呈現知識架構流程。依據知識架構流程圖對三版教材該主題下整合廣度進行計算，結果見表2。由整合廣度可知新教材知識關聯結構化水平較舊教材有所提升，這與已有研究結果一致［8］。以下將分別從知識關聯結構化、認識思路結構化、核心觀念結構化三個維度結合教材文本實例加以闡述。3.1基于知識關聯的熱化學結構化分析相較于化學反應原理模塊中其他主題，熱化學所涉知識體系并不龐大，但由于學生缺乏對各知識點間聯系的條理性認識，故而感到內容繁多且理解困難。整合三版教材知識流程架構圖，將各知識點及其關聯以概念圖形式繪出（如圖2）。概念圖中箭頭多次指向的概念如焓變、反應熱、內能等亦為知識架構流程圖中多次信息回訪的節(jié)點，相關概念可界定為熱化學主題下核心概念，教師在教學中應當對核心概念內涵深入剖析并多次鞏固。三版教材核心概念選擇上有共性，但呈現形式存在差異，按照概念呈現欄目、概念闡述深度等對教材中出現的概念梳理可得表3。由統計結果可見，新教材在概念選擇上具有共性，體現為核心概念相似度高，且對核心概念中原本語焉不詳的如反應熱、焓變、內能等都進行補充闡述，突出了核心概念在知識關聯結構化中的作用。舊教材核心概念選擇相同，但在內涵闡釋詳盡程度上顯著弱于新教材，學生不知概念內涵便難以建立概念間的聯系。如熱化學方程式書寫要點中需標注壓強、溫度、聚集狀態(tài)實際源于以上三種因素能影響物質內能，內能變化又是化學變化伴隨能量變化的原因，在舊教材中未提及內能及其影響因素，割裂概念聯系，無形中增大學習困難。與之不同的兩版新教材均從微觀角度闡釋內能概念，這種深入學科本原的大概念是新教材知識關聯結構化水平提升的關鍵。在概念補充完善上，新人教版與新魯科版各有特點。新人教版教材中對核心概念與次級概念區(qū)分明確，突出反應熱與焓變，其他概念引入時闡述詳略得當避免加重學生認知負擔。新魯科版概念建構過程中鋪墊更多，對等壓反應、體系與環(huán)境之間能量交換形式、體積功等概念均詳細解釋，并與大學化學接軌使用較大篇幅推導了焓（H）這一物理量，闡明了反應熱與焓變間的定量關系，為學生形成學習熱化學的思路方法提供指導。3.2基于認識思路關聯的熱化學結構化分析認識思路結構化是指將認識環(huán)節(jié)按照一定邏輯線索有機組織起來，形成穩(wěn)定的認識模型，發(fā)展學生的模型認知素養(yǎng)［10］。兩版新教材開篇用相同的問題導入：在實際應用中，人們如何定量地描述化學反應過程中釋放或吸收的能量呢［11］？緊承必修模塊中對化學反應從吸放熱角度定性分類，進一步引發(fā)學生從定量層面思考，并由此統整該主題所有內容，顯化本章節(jié)學科價值之一即定量認識化學反應中的能量變化。將三版知識架構流程圖中各知識節(jié)點和存在關聯的知識節(jié)點（如量熱計設計原理和中和反應反應熱測定均屬于實驗測定相關知識節(jié)點）的認識視角加以分析，如中和反應反應熱測定屬于實驗認識視角、燃燒熱等屬于反應熱分類視角、基于化學鍵斷裂和形成分析能量變化屬于微觀認識視角等，可總結出圖3所示熱化學認識思路。圖3是多版教材整合后梳理的結果，各版教材未必完全符合以上認識思路，如新魯科版教材中未給出燃燒熱概念，故不存在對反應熱分類這一認識視角。由圖可知熱化學認識思路可分為三個層級：第一層體現“定性定量”這一必修模塊到選擇性必修模塊的認識視角進階。第二層則是在“定量”這個核心視角下從描述測定剖析本質表征（包含物理量的定量表示和熱化學方程式表示）計算應用逐步深入，厘清反應熱、內能、焓變等核心概念間的聯系。第三層在剖析能量變化本質節(jié)點下，此處亦是熱化學主題中教學重點、難點，本質剖析按宏觀內能變化到微觀化學鍵斷裂與形成加以認識，此處與前面感知反應熱和后續(xù)熱化學方程式相關聯又滲透著宏觀感知微觀探析符號表征的認識思路，呼應了反應熱計算的兩種方式（物質總能量與鍵能）。由反應熱到燃燒熱，由中和熱實驗測定到應用蓋斯定律計算等均體現了由一般到特殊，從實驗、理論到實際應用的思路。中和反應反應熱測定實驗編排位置前移值得關注，兩版新教材均在開篇闡明反應熱定義后立即給出量熱計設計原理并以實驗探究形式開展中和反應反應熱測定，與舊教材中將該實驗放在反應熱一節(jié)最后相比，新教材編排順序更符合學生認知和科學概念建構過程，突出了化學實驗學科價值，也為蓋斯定律提出做鋪墊“當部分反應熱無法通過實驗測定時又當如何？”。認識思路結構化水平的提升從各版教材本主題各級標題變動也可見一斑。舊人教版本章第一節(jié)第一個子標題為“焓變反應熱”，新人教版教材中更新為“反應熱焓變”并同時增補了兩個二級標題“反應熱及其測定”“反應熱與焓變”。反應熱與焓變前后順序對調順應兩個概念認知順序，學生已經認識到化學反應將伴隨能量變化，而能量變化形式為熱量時表現為化學反應的熱效應（反應熱），焓變作為一個物理量可以定量表征化學反應熱效應的具體大小，從認識邏輯上來說的確應反應熱在前，焓變在后。舊版教材中由于未對反應熱概念做詳細界定，僅用恒壓條件下，反應的熱效應等于焓變［12］帶過，致使學生對焓變與反應熱之間的關系始終似是而非。3.3基于核心觀念的熱化學結構化分析化學核心觀念結構化是對物質及其變化的本質和其認識過程的進一步抽象，以促使學生建構和形成化學學科的核心觀念［13］。核心觀念亦稱為學科大概念，以此聚焦化學教學不僅能夠增強知識的結構性與內在聯系，并且有助于化學基本觀念的形成，解決教學中存在的掌握知識與學生發(fā)展的矛盾［14］。2017版課標內容要求中化學反應的熱效應主題以“體系與能量”統整教學內容，明確研究體系的基礎上引入能量視角完善認識化學變化的思路，在兩版新教材教學素材、內容選擇及編排中均有體現。以新人教版教材為例，梳理教材中出現的事實性知識、基本概念，分析大概念是如何逐級建構又是如何統攝整章內容的，據此繪制出大概念結構圖（如圖4所示）。體系是熱力學基本概念之一，新舊三版教材均在章節(jié)開篇引入體系與環(huán)境這組概念，新人教版教材中還以鹽酸與氫氧化鈉溶液反應實例圖配合文字介紹體系與環(huán)境的區(qū)別與聯系。初中和高中必修模塊學習內容聚焦物質變化，理論探討深度有限，而選擇性必修模塊中追求對化學反應進行多角度、多層次的實驗與理論探討［15］。若研究對象選擇不同時，描述體系的變量、所適用的公式亦有所不同，如新魯科版教材引入“焓”時，就不同反應類型下反應體系壓強變化、體積變化加以討論，提出當體系限定條件不同時反應熱與體系內能變化間并不完全一致，故而定義焓這一物理量表示等壓反應的反應熱，可見明確研究對象是科學研究前提。又如在人教版必修教材中以反應前后熱量釋放或吸收界定吸熱反應和放熱反應，但對吸收或釋放熱量定量描述時，教材以“體系向環(huán)境釋放或從環(huán)境吸收”進行限定，在量熱計原理介紹中也有將量熱計近似于孤立系統的處理。新魯科版教材雖未在反應熱定義中適用體系與環(huán)境這組概念，但在對化學反應伴隨能量變化的本質原因剖析中補充了體系與環(huán)境間的能量交換形式，體系變化與環(huán)境變化以能量守恒定律為基礎存在辯證統一關系：化學變化中能量在體系與環(huán)境中交換，總量保持恒定，交換形式又可分為熱和功兩種［16］，有效深化學生對能量守恒定律的認識，這亦是進行反應熱測量與計算的理論基礎。從兩版新教材內容選擇和概念闡釋可見從化學反應的熱效應一章開始認識化學反應不再僅關注物質性質，而要立足于系統內各物質相互聯系、體系與環(huán)境相互聯系的視角分析反應歷程的具體變化。本章所出現的核心概念如反應熱、焓變、內能等都是描述體系熱力學狀態(tài)的宏觀可測性質，也均要受到體系自身特性如溫度、壓強的限制，以體系作為統整本章的大概念之一有助于學生轉換認識視角，培養(yǎng)系統化的反應分析思路。體系從確定科學研究方法的角度統整本章，能量變化則從學科知識層面統攝本章所有內容?；瘜W反應伴隨能量轉化在初中與高中必修階段已建立起基本認識，選擇性必修模塊中則對“定量認識反應熱”作為核心問題指導教材編寫，如內能、焓等概念引入目的指向定量表征熱效應，熱化學方程式、反應熱實驗測定、蓋斯定律等分屬符號表征、實驗探究、理論計算的教學內容，亦最終指向一個確切定量結果。在物質變化視角下化學變化遵循質量守恒，亦是化學方程式書寫的基礎，與之相對應能量變化視角下化學變化遵循能量守恒定律，定量變化視角要求深化認識能量守恒，理解各新物理量的意義。4教學啟示應用流程圖分析法，以結構化視角從知識關聯、認識思路、核心觀念三個層面對三版教材進行研究發(fā)現：新版教材（包含人教版與魯科版）熱化學主題下內容整合廣度增加，與舊人教版選修4教材相比教材知識關聯結構化水平顯著提升；新教材內容編排呈現上均注重凸顯認識思路和核心觀念的結構化，但在文本呈現上又有所差異，新人教版教材在保證內容科學性同時充分考慮學生可接受性，概念層級清晰；新魯科版教材則對核心概念建構過程做了詳盡闡述，便于學生理解。兩版新教材均重視聯系生產生活實際，新人教版以生產生活實際情境編制反應熱計算例題，新魯科版將燃料選擇與綜合利用以課堂交流探討形式用以落實反應熱計算、感悟反應能量變化的載體。兩版教材各有優(yōu)勢，可在實際教學過程中互為補充。4.1突出“體系與能量”大概念統攝作用，指導單元教學核心素養(yǎng)引領下的大概念單元教學，能夠促使教師深入思考知識背后更為本質的思想方法（大概念），促進教師知識與方法的結構化，提升教師思維的深度與廣度，進而提升學生的思維品質和學習效率［17］。在教材分析基礎上，凝練出“體系與能量”作為統領本單元教學的大概念，在教學中應圍繞大概念引領學生思考與理解，廣泛借鑒各版教材中的優(yōu)質教學素材互為補充。如新人教版對反應熱定義、量熱計原理描述緊扣體系與環(huán)境間的能量交換，新魯科版教材圍繞能量守恒定律對體系內能變化所做分析均可作為創(chuàng)設問題情境、引發(fā)學生深度思考的素材。4.2重視提煉認識思路，多維度認識能量變化新人教版教材將化學反應的熱效應作為單獨一節(jié)，在章末“整理與提升”欄目中注重對化學認識視角和認識思路的提煉，其中給出的思維導圖直觀清晰，既有對整章內容基于能量轉化與守恒進行的統整梳理，也有聚焦熱化學方程式的多視角認識，是章末復習課知識梳理的重要參考。新魯科版教材將化學反應與能量轉化作為完整一章，化學反應的熱效應只是其中一節(jié)，因此知識梳理、例題、研究性活動等內容篇幅較少，但也提示教師在教學中可將熱化學與電化學加以聯系，將熱化學中形成的認識思路遷移至電化學模塊，進一步深化學生對“體系與能量”大概念的理解。4.3深入理解核心概念內涵，實現知識關聯厘清各概念間的關聯依托于對概念內涵的準確認識，新魯科版教材中內能及內能變化量、體系與能量間的能量交換、體積功、焓及焓變、等壓反應熱等概念闡述清晰，使用新人教版教材教學時可作為課后補充閱讀材料幫助學有余力的學生理解概念推導建構過程，新人教版教材在概念闡述上突出重點，理論推導較少，概念闡釋清晰易懂，直觀明了，如對聚集狀態(tài)不同的同一物質內能差異以圖示形式展示，可作為學生課前閱讀預習素材。兩版新教材綜合運用有利于幫助學生明確學習重點、逐步深入理解概念內涵，有利于學生在復習中進行知識關聯。參考文獻：［1］［2］［13］普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民