結(jié)構(gòu)化視域下新舊三版高中化學(xué)教材內(nèi)容比較研究

摘要：基于教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)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(xué)教材中熱化學(xué)主題內(nèi)容進行比較。研究發(fā)現(xiàn)：新教材在內(nèi)容結(jié)構(gòu)化水平上有顯著提升。結(jié)合教材文本實例進一步對熱化學(xué)主題下知識關(guān)聯(lián)、認(rèn)識思路、核心觀念結(jié)構(gòu)化加以分析，并整合各版本教材優(yōu)勢特點提出教學(xué)實施建議。關(guān)鍵詞：教材對比；教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化；化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)；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(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體［1］。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（簡稱“2017版課標(biāo)”）提出教學(xué)與教材編寫均應(yīng)關(guān)注教學(xué)內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)化以促進學(xué)生從學(xué)科知識向?qū)W科核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化。內(nèi)容結(jié)構(gòu)化主要有三種形式，即基于知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化、基于認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化、基于核心觀念的結(jié)構(gòu)化［2］。分析教材內(nèi)容結(jié)構(gòu)化組織設(shè)計可為教師開展促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)提供指導(dǎo)。當(dāng)前化學(xué)教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化研究具有以下特點：第一，關(guān)注某主題下單一課題或多主題交叉而較少關(guān)注大單元（如物質(zhì)的分類［3］、人工固碳項目式學(xué)習(xí)［4］等）。第二，重教學(xué)實踐而輕文本分析，多由教學(xué)實踐經(jīng)驗總結(jié)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，研究方法也以定性分析為主。第三，側(cè)重知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化，如使用文本分析法對新舊教材熱化學(xué)主題下概念組織結(jié)構(gòu)加以對比［5］，但更具統(tǒng)整性的認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化、核心觀念結(jié)構(gòu)化情況則未能加以闡釋。化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)（熱化學(xué)）是高中化學(xué)選擇性必修模塊化學(xué)反應(yīng)原理的核心內(nèi)容之一，為學(xué)生認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)化分析工具，按內(nèi)容結(jié)構(gòu)化內(nèi)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(nèi)容結(jié)構(gòu)化縱向?qū)Ρ纫哉J(rèn)識課標(biāo)修訂后教材內(nèi)容選擇和編排上的承繼與創(chuàng)新，新人教版、新魯科版橫向?qū)Ρ纫哉J(rèn)識不同版本教材特點，整合多版教材內(nèi)容組織以結(jié)構(gòu)化構(gòu)建高中熱化學(xué)教學(xué)內(nèi)容。2.2研究方法使用Flowmap（流程圖）作為獲取教材知識架構(gòu)的工具，梳理各版教材化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)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(nèi)容組織有效性、知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)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(dāng)下方知識點對上方知識點有概念重現(xiàn)或信息回訪關(guān)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(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)主題知識架構(gòu)流程圖，再依據(jù)公式“整合廣度=概念回訪總數(shù)/（概念回訪總數(shù)+知識點總數(shù)）”計算整合廣度。以知識架構(gòu)流程圖為基礎(chǔ)，分析知識點及其呈現(xiàn)順序所體現(xiàn)的認(rèn)識思路，抽提可統(tǒng)整該主題的學(xué)科觀念，以確定該主題下認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化與核心觀念結(jié)構(gòu)化情況。為保障研究一致性及分析結(jié)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(dá)到95%一致性；不一致處再進一步討論直至達(dá)成共識。最終得到各版教材知識架構(gòu)流程圖、認(rèn)識思路圖、核心觀念結(jié)構(gòu)圖。3熱化學(xué)模塊教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的內(nèi)涵圖1以新人教版教材化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)主題為例，呈現(xiàn)知識架構(gòu)流程。依據(jù)知識架構(gòu)流程圖對三版教材該主題下整合廣度進行計算，結(jié)果見表2。由整合廣度可知新教材知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化水平較舊教材有所提升，這與已有研究結(jié)果一致［8］。以下將分別從知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化、認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化、核心觀念結(jié)構(gòu)化三個維度結(jié)合教材文本實例加以闡述。3.1基于知識關(guān)聯(lián)的熱化學(xué)結(jié)構(gòu)化分析相較于化學(xué)反應(yīng)原理模塊中其他主題，熱化學(xué)所涉知識體系并不龐大，但由于學(xué)生缺乏對各知識點間聯(lián)系的條理性認(rèn)識，故而感到內(nèi)容繁多且理解困難。整合三版教材知識流程架構(gòu)圖，將各知識點及其關(guān)聯(lián)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(yīng)熱、內(nèi)能等亦為知識架構(gòu)流程圖中多次信息回訪的節(jié)點，相關(guān)概念可界定為熱化學(xué)主題下核心概念，教師在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)對核心概念內(nèi)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(xiàn)形式存在差異，按照概念呈現(xiàn)欄目、概念闡述深度等對教材中出現(xiàn)的概念梳理可得表3。由統(tǒng)計結(jié)果可見，新教材在概念選擇上具有共性，體現(xiàn)為核心概念相似度高，且對核心概念中原本語焉不詳?shù)娜绶磻?yīng)熱、焓變、內(nèi)能等都進行補充闡述，突出了核心概念在知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化中的作用。舊教材核心概念選擇相同，但在內(nèi)涵闡釋詳盡程度上顯著弱于新教材，學(xué)生不知概念內(nèi)涵便難以建立概念間的聯(lián)系。如熱化學(xué)方程式書寫要點中需標(biāo)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(zhì)內(nèi)能，內(nèi)能變化又是化學(xué)變化伴隨能量變化的原因，在舊教材中未提及內(nèi)能及其影響因素，割裂概念聯(lián)系，無形中增大學(xué)習(xí)困難。與之不同的兩版新教材均從微觀角度闡釋內(nèi)能概念，這種深入學(xué)科本原的大概念是新教材知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化水平提升的關(guān)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(yīng)熱與焓變，其他概念引入時闡述詳略得當(dāng)避免加重學(xué)生認(rèn)知負(fù)擔(dān)。新魯科版概念建構(gòu)過程中鋪墊更多，對等壓反應(yīng)、體系與環(huán)境之間能量交換形式、體積功等概念均詳細(xì)解釋，并與大學(xué)化學(xué)接軌使用較大篇幅推導(dǎo)了焓（H）這一物理量，闡明了反應(yīng)熱與焓變間的定量關(guān)系，為學(xué)生形成學(xué)習(xí)熱化學(xué)的思路方法提供指導(dǎo)。3.2基于認(rèn)識思路關(guān)聯(lián)的熱化學(xué)結(jié)構(gòu)化分析認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化是指將認(rèn)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(rèn)識模型，發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)［10］。兩版新教材開篇用相同的問題導(dǎo)入：在實際應(yīng)用中，人們?nèi)绾味康孛枋龌瘜W(xué)反應(yīng)過程中釋放或吸收的能量呢［11］？緊承必修模塊中對化學(xué)反應(yīng)從吸放熱角度定性分類，進一步引發(fā)學(xué)生從定量層面思考，并由此統(tǒng)整該主題所有內(nèi)容，顯化本章節(jié)學(xué)科價值之一即定量認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)中的能量變化。將三版知識架構(gòu)流程圖中各知識節(jié)點和存在關(guān)聯(lián)的知識節(jié)點（如量熱計設(shè)計原理和中和反應(yīng)反應(yīng)熱測定均屬于實驗測定相關(guān)知識節(jié)點）的認(rèn)識視角加以分析，如中和反應(yīng)反應(yīng)熱測定屬于實驗認(rèn)識視角、燃燒熱等屬于反應(yīng)熱分類視角、基于化學(xué)鍵斷裂和形成分析能量變化屬于微觀認(rèn)識視角等，可總結(jié)出圖3所示熱化學(xué)認(rèn)識思路。圖3是多版教材整合后梳理的結(jié)果，各版教材未必完全符合以上認(rèn)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(yīng)熱分類這一認(rèn)識視角。由圖可知熱化學(xué)認(rèn)識思路可分為三個層級：第一層體現(xiàn)“定性定量”這一必修模塊到選擇性必修模塊的認(rèn)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(zhì)表征（包含物理量的定量表示和熱化學(xué)方程式表示）計算應(yīng)用逐步深入，厘清反應(yīng)熱、內(nèi)能、焓變等核心概念間的聯(lián)系。第三層在剖析能量變化本質(zhì)節(jié)點下，此處亦是熱化學(xué)主題中教學(xué)重點、難點，本質(zhì)剖析按宏觀內(nèi)能變化到微觀化學(xué)鍵斷裂與形成加以認(rèn)識，此處與前面感知反應(yīng)熱和后續(xù)熱化學(xué)方程式相關(guān)聯(lián)又滲透著宏觀感知微觀探析符號表征的認(rèn)識思路，呼應(yīng)了反應(yīng)熱計算的兩種方式（物質(zhì)總能量與鍵能）。由反應(yīng)熱到燃燒熱，由中和熱實驗測定到應(yīng)用蓋斯定律計算等均體現(xiàn)了由一般到特殊，從實驗、理論到實際應(yīng)用的思路。中和反應(yīng)反應(yīng)熱測定實驗編排位置前移值得關(guān)注，兩版新教材均在開篇闡明反應(yīng)熱定義后立即給出量熱計設(shè)計原理并以實驗探究形式開展中和反應(yīng)反應(yīng)熱測定，與舊教材中將該實驗放在反應(yīng)熱一節(jié)最后相比，新教材編排順序更符合學(xué)生認(rèn)知和科學(xué)概念建構(gòu)過程，突出了化學(xué)實驗學(xué)科價值，也為蓋斯定律提出做鋪墊“當(dāng)部分反應(yīng)熱無法通過實驗測定時又當(dāng)如何？”。認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化水平的提升從各版教材本主題各級標(biāo)題變動也可見一斑。舊人教版本章第一節(jié)第一個子標(biāo)題為“焓變反應(yīng)熱”，新人教版教材中更新為“反應(yīng)熱焓變”并同時增補了兩個二級標(biāo)題“反應(yīng)熱及其測定”“反應(yīng)熱與焓變”。反應(yīng)熱與焓變前后順序?qū)φ{(diào)順應(yīng)兩個概念認(rèn)知順序，學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)將伴隨能量變化，而能量變化形式為熱量時表現(xiàn)為化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)（反應(yīng)熱），焓變作為一個物理量可以定量表征化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的具體大小，從認(rèn)識邏輯上來說的確應(yīng)反應(yīng)熱在前，焓變在后。舊版教材中由于未對反應(yīng)熱概念做詳細(xì)界定，僅用恒壓條件下，反應(yīng)的熱效應(yīng)等于焓變［12］帶過，致使學(xué)生對焓變與反應(yīng)熱之間的關(guān)系始終似是而非。3.3基于核心觀念的熱化學(xué)結(jié)構(gòu)化分析化學(xué)核心觀念結(jié)構(gòu)化是對物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和其認(rèn)識過程的進一步抽象，以促使學(xué)生建構(gòu)和形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念［13］。核心觀念亦稱為學(xué)科大概念，以此聚焦化學(xué)教學(xué)不僅能夠增強知識的結(jié)構(gòu)性與內(nèi)在聯(lián)系，并且有助于化學(xué)基本觀念的形成，解決教學(xué)中存在的掌握知識與學(xué)生發(fā)展的矛盾［14］。2017版課標(biāo)內(nèi)容要求中化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)主題以“體系與能量”統(tǒng)整教學(xué)內(nèi)容，明確研究體系的基礎(chǔ)上引入能量視角完善認(rèn)識化學(xué)變化的思路，在兩版新教材教學(xué)素材、內(nèi)容選擇及編排中均有體現(xiàn)。以新人教版教材為例，梳理教材中出現(xiàn)的事實性知識、基本概念，分析大概念是如何逐級建構(gòu)又是如何統(tǒng)攝整章內(nèi)容的，據(jù)此繪制出大概念結(jié)構(gòu)圖（如圖4所示）。體系是熱力學(xué)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(yīng)實例圖配合文字介紹體系與環(huán)境的區(qū)別與聯(lián)系。初中和高中必修模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容聚焦物質(zhì)變化，理論探討深度有限，而選擇性必修模塊中追求對化學(xué)反應(yīng)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(yīng)類型下反應(yīng)體系壓強變化、體積變化加以討論，提出當(dāng)體系限定條件不同時反應(yīng)熱與體系內(nèi)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(yīng)的反應(yīng)熱，可見明確研究對象是科學(xué)研究前提。又如在人教版必修教材中以反應(yīng)前后熱量釋放或吸收界定吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)，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(tǒng)的處理。新魯科版教材雖未在反應(yīng)熱定義中適用體系與環(huán)境這組概念，但在對化學(xué)反應(yīng)伴隨能量變化的本質(zhì)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(chǔ)存在辯證統(tǒng)一關(guān)系：化學(xué)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(xué)生對能量守恒定律的認(rèn)識，這亦是進行反應(yīng)熱測量與計算的理論基礎(chǔ)。從兩版新教材內(nèi)容選擇和概念闡釋可見從化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)一章開始認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)不再僅關(guān)注物質(zhì)性質(zhì)，而要立足于系統(tǒng)內(nèi)各物質(zhì)相互聯(lián)系、體系與環(huán)境相互聯(lián)系的視角分析反應(yīng)歷程的具體變化。本章所出現(xiàn)的核心概念如反應(yīng)熱、焓變、內(nèi)能等都是描述體系熱力學(xué)狀態(tài)的宏觀可測性質(zhì)，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(tǒng)整本章的大概念之一有助于學(xué)生轉(zhuǎn)換認(rèn)識視角，培養(yǎng)系統(tǒng)化的反應(yīng)分析思路。體系從確定科學(xué)研究方法的角度統(tǒng)整本章，能量變化則從學(xué)科知識層面統(tǒng)攝本章所有內(nèi)容?；瘜W(xué)反應(yīng)伴隨能量轉(zhuǎn)化在初中與高中必修階段已建立起基本認(rèn)識，選擇性必修模塊中則對“定量認(rèn)識反應(yīng)熱”作為核心問題指導(dǎo)教材編寫，如內(nèi)能、焓等概念引入目的指向定量表征熱效應(yīng)，熱化學(xué)方程式、反應(yīng)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(xué)內(nèi)容，亦最終指向一個確切定量結(jié)果。在物質(zhì)變化視角下化學(xué)變化遵循質(zhì)量守恒，亦是化學(xué)方程式書寫的基礎(chǔ)，與之相對應(yīng)能量變化視角下化學(xué)變化遵循能量守恒定律，定量變化視角要求深化認(rèn)識能量守恒，理解各新物理量的意義。4教學(xué)啟示應(yīng)用流程圖分析法，以結(jié)構(gòu)化視角從知識關(guān)聯(lián)、認(rèn)識思路、核心觀念三個層面對三版教材進行研究發(fā)現(xiàn)：新版教材（包含人教版與魯科版）熱化學(xué)主題下內(nèi)容整合廣度增加，與舊人教版選修4教材相比教材知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化水平顯著提升；新教材內(nèi)容編排呈現(xiàn)上均注重凸顯認(rèn)識思路和核心觀念的結(jié)構(gòu)化，但在文本呈現(xiàn)上又有所差異，新人教版教材在保證內(nèi)容科學(xué)性同時充分考慮學(xué)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(gòu)過程做了詳盡闡述，便于學(xué)生理解。兩版新教材均重視聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，新人教版以生產(chǎn)生活實際情境編制反應(yīng)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(yīng)熱計算、感悟反應(yīng)能量變化的載體。兩版教材各有優(yōu)勢，可在實際教學(xué)過程中互為補充。4.1突出“體系與能量”大概念統(tǒng)攝作用，指導(dǎo)單元教學(xué)核心素養(yǎng)引領(lǐng)下的大概念單元教學(xué)，能夠促使教師深入思考知識背后更為本質(zhì)的思想方法（大概念），促進教師知識與方法的結(jié)構(gòu)化，提升教師思維的深度與廣度，進而提升學(xué)生的思維品質(zhì)和學(xué)習(xí)效率［17］。在教材分析基礎(chǔ)上，凝練出“體系與能量”作為統(tǒng)領(lǐng)本單元教學(xué)的大概念，在教學(xué)中應(yīng)圍繞大概念引領(lǐng)學(xué)生思考與理解，廣泛借鑒各版教材中的優(yōu)質(zhì)教學(xué)素材互為補充。如新人教版對反應(yīng)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(nèi)能變化所做分析均可作為創(chuàng)設(shè)問題情境、引發(fā)學(xué)生深度思考的素材。4.2重視提煉認(rèn)識思路，多維度認(rèn)識能量變化新人教版教材將化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)作為單獨一節(jié)，在章末“整理與提升”欄目中注重對化學(xué)認(rèn)識視角和認(rèn)識思路的提煉，其中給出的思維導(dǎo)圖直觀清晰，既有對整章內(nèi)容基于能量轉(zhuǎn)化與守恒進行的統(tǒng)整梳理，也有聚焦熱化學(xué)方程式的多視角認(rèn)識，是章末復(fù)習(xí)課知識梳理的重要參考。新魯科版教材將化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化作為完整一章，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)只是其中一節(jié)，因此知識梳理、例題、研究性活動等內(nèi)容篇幅較少，但也提示教師在教學(xué)中可將熱化學(xué)與電化學(xué)加以聯(lián)系，將熱化學(xué)中形成的認(rèn)識思路遷移至電化學(xué)模塊，進一步深化學(xué)生對“體系與能量”大概念的理解。4.3深入理解核心概念內(nèi)涵，實現(xiàn)知識關(guān)聯(lián)厘清各概念間的關(guān)聯(lián)依托于對概念內(nèi)涵的準(zhǔn)確認(rèn)識，新魯科版教材中內(nèi)能及內(nèi)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(yīng)熱等概念闡述清晰，使用新人教版教材教學(xué)時可作為課后補充閱讀材料幫助學(xué)有余力的學(xué)生理解概念推導(dǎo)建構(gòu)過程，新人教版教材在概念闡述上突出重點，理論推導(dǎo)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(zhì)內(nèi)能差異以圖示形式展示，可作為學(xué)生課前閱讀預(yù)習(xí)素材。兩版新教材綜合運用有利于幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)重點、逐步深入理解概念內(nèi)涵，有利于學(xué)生在復(fù)習(xí)中進行知識關(guān)聯(lián)。參考文獻：［1］［2］［13］普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民