基于FLOW MAP的中美化学教材难度比较

高慧 王骄阳 闫春更 周青

摘要：采用FLOW MAP对中美四版化学教材中“物质的量”概念体系内容难度进行了测量与评价。定量统计表明，中国教材的整合广度较美国教材高，表征深度较美国教材低。质性评价表明，美国教材的概念组织与整合设计以“化学计量思想与方法”演绎为内核，中国教材则以“物质的量相关概念的逻辑关系”演绎为内核；美国教材的内容表征注重情境线索搭建与类比思维的嵌入。

关键词：FLOW MAP；教材难度比较；物质的量；化学教材

文章编号：1005–6629（2016）6–0019–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

“物质的量”概念体系在中学化学中占有非常重要的地位[1]。该主题知识是化学计量的基础，表征了宏观与微观之间的量化关系，对培养学生宏微结合的能力起到了关键性作用。“物质的量”概念体系包含的主要概念有：物质的量、阿伏伽德罗常数、摩尔质量、气体摩尔体积、物质的量浓度。闫蒙钢、钟志健等人进行的实证研究均证明“物质的量”概念体系是教与学的难点[2，3]。“物质的量”核心概念体系把人们的研究视野从宏观引入微观，在微观的世界里，需要人们更多地使用抽象逻辑思维来重新认识事物，学生认知水平的欠缺造成物质的量有关概念学习困难，教师的经验错觉与课程共建意识不够又一次加大了学生学习的难度[4]。从教材特点分析出造成“物质的量”教学困难的5个方面：（1）概念多；（2）理论性强；（3）内容抽象；（4）符号杂；（5）计算难[5，6]。

对于这一学科教学难点，相关内容的教材编写是如何回应的？本研究选取由人民教育出版社、山东科学技术出版社、江苏教育出版社出版的三种代表性的中国高中化学教材（以下简称人教版、鲁科版、苏教版）与美国教材Chemistry： Concepts and Applications（McGraw Hill Education出版）作为研究对象，对“物质的量”概念体系内容难度进行了测量和评价，并对其隐含的教育寓意进行了探讨。

1 研究方法

本研究基于由闫春更等建立的“二维度四指标”的教材难度评价模型[7]，依托知识结构表征的方法——Flow Map，重点对四版教材中“物质的量”概念体系的整合广度和表征深度进行评价和比较。

1.1 评价模型简介

闫春更等人认为教材的广度与深度均具有“二象性”特征：对于广度，教材一方面通过所选择学科知识点的多少来体现课程的基本广度，另一方面又通过学科知识的有效组织与整合来实现对课程基本广度的消解，表现为“整合广度”；对于深度，教材一方面通过所选择学科知识本身的抽象度等来体现课程的基本深度，另一方面又通过内容表征时信息处理水平的合理提升来实现对课程基本深度的消解，表现为“表征深度”。据此，建立了如图1所示的教材难度评价的二维度四指标模型[8]，基本广度、基本深度取值大小与教科书难度呈正相关；整合广度、表征深度取值大小与教科书难度呈负相关。对教材整合广度和表征深度的评价有助于研究者在微观层面深入认识学科知识与课程内容之间的关系，发现教科书编写中的课程创生价值，为教科书编写与改革提供更有针对性的参考。

1.2 FLOW MAP简介

Flow Map（流程图法）是兼具知识结构与信息表征评价功能的工具，最初被用于测量学生的认知结构，闫春更等将其用于教材评价领域以测评教材整合广度和表征深度[9]。

Flow Map评价知识结构分为以下步骤：第一，通过信息转录构建知识或核心概念的顺序图。按照知识或概念出现的先后顺序自上而下排列，并用顺序符号表明其先后关系；第二，在顺序图的基础上，按照不同知识或概念间的“信息回访”或“概念重现”关系添加概念回访符号，以完成流程图；第三，对流程图中每条知识或概念呈现时采用的信息处理方式进行评判。信息处理方式分为直接定义、描述、比较或对比、情境推理与解释共4个层级水平，具体内涵如表1所示；第四，对流程图中反映的知识结构的整合广度、表征深度等进行定量统计；第五，针对流程图反映的知识结构特征进行质性评价[10]。

1.3 借助Flow Map绘制教材知识结构流程图

图2是用Flow Map方法绘制的美国教材“物质的量”概念体系知识结构流程图。文本框中呈现的是教材的知识或概念，按照其出现的先后顺序自上而下排列，并用顺序符号表明其先后关系。图中的回归箭头表示不同知识或概念间的“信息回访”或“概念重现”，即若后续知识点B的教材文本陈述中的某个核心术语曾首次出现于先前的知识点A中，则绘制一条由知识点B指向A的回访箭头。例如，图2中知识点8、12的文本陈述中的术语“1mol”曾首次出现在知识点6中，因此分别出现了由知识点8、12指向知识点6的回访箭头。文本框中的A、B、C、D是对每个知识或概念呈现时采用的信息处理方式进行的评判。具体标准见表1[11]。

1.4 变量统计

整合广度=流程图中概念回访总数/（概念总数目+概念回访总数）。其中“概念回访总数”即是流程图中出现的概念回访箭头总数目。以美国教材为例，其“物质的量”概念体系的整合广度=18/（18+20）=0.474。

对四层级（直接定义、描述、比较或对比、情境推理或解释）分别编号A、B、C、D，依次赋值1分、2分、3分、4分进行数据统计，A、B级合并为低级信息表征水平（简称“低表征水平”），C、D级合并为高级信息表征水平（简称“高表征水平”），表征深度=高表征水平分值/（低表征水平分值+高表征水平分值）。以美国教材为例，其“物质的量”概念体系的表征深度为：30/44=0.682[12]。

整合广度、表征深度的取值与教材难度呈负相关，即整合广度、表征深度数值越大，则相应的教材难度越小。

2 结果讨论

按照上述方法，分别对人教版、苏教版、鲁科版、美国教材四版高中化学教材中“物质的量”概念体系的整合广度、表征深度进行了分析和比较（结果见表2），其中整合广度一致性系数较高，总体水平为0.911，信度高；表征深度一致性系数的总体水平为0.737，信度良好。

2.1 整合广度分析

从表2可见，美国教材的整合广度最低，为 0.474，中国教材整合广度均不小于0.524。即就整合广度而言，美国教材“物质的量”概念体系内容的难度较中国教材大。

进一步分析流程图内容，可从质性评价的角度审视四种教材内容整合的差异性。由图2可知，美国教材中“如何方便计数”、“摩尔是微观粒子的计量单元”、“1mol物质所含的微粒数”3个概念的回访次数依次为4、4、3，从这一概念序列不难看出美国教材的概念组织与整合设计以“化学计量思想与方法”演绎为内核，紧密围绕“计量问题——计量思想——计量方法”这一逻辑关系组织内容。另外，该教材还专门介绍了“化学计量学”这一概念，进一步印证了教材的编写意图，即通过提出问题、解决问题的过程，渗透化学计量的基本思想和方法，充分体现对化学计量学内容教学价值的强调。

对中国教材的流程图进行分析发现，三个版本的中国教材主要围绕核心概念“物质的量”、“1mol所包含的微粒数”进行知识内容的组织，各版本教材对以上两个核心概念的回访次数依次为：人教版6、5；鲁科版7、5；苏教版5、5。三个版本教材均从“物质的量是联系宏观和微观的桥梁”引入该主题内容。明确给出“物质的量”的意义、符号和单位。在对摩尔质量、气体摩尔体积、物质的量浓度的概念引入中均强调了新概念与物质的量概念内涵的关系。可见，中国教材重视核心概念“物质的量”内涵的解释，倾向于以“物质的量相关概念的逻辑关系”演绎为内核组织相关内容。

综合中美教材在整合广度方面的差异可见，中国高中化学教材有助于学生建立较为清晰而完整的标准概念体系，有助于学生从知识的“符号”维度掌握课程；而美国高中化学教材则注重学生在问题解决过程中领悟化学计量的思想与方法，强调学生从知识生成“过程”维度掌握课程，在这一层面对学生提出的要求明显高于中国教材（即导致难度较大）。

2.2 表征深度分析

由表2可见，美国教材的表征深度最高，达到了0.682，中国教材的表征深度不超过0.450。即就表征深度而言，美国教材“物质的量”概念体系内容的难度较中国教材小。

分析流程图可以看出，美国教材对核心概念“如何方便计数”、“摩尔”等更多地运用了比较与对比（C）、情境推理与解释（D）等高级信息表征策略，例如对知识点“如何方便计数”的表征水平，就将微观粒子类比为钱币，如何不通过挨个数就能确定大量钱币的数量，运用了比较或对比的表征方式，所以等级为C；对“摩尔作为计量微观粒子的计量单元”的表征水平，在数硬币这样一个大故事情境中，推理“如果你想数出原子个数，设定什么样的单位比较合适呢？比起你数硬币所选用的1000这个单位，你需要更大的单位，远远大于1000，可以多至100万。原子实在太小，即使是一个普通大小的样品物质，其所包含的微观粒子数也是无法数清的，因此若把它们按照每组1000个来数的话，就不具有可操作性。即使以100000作为单位进行也是不合适的”[13]。进而直接给出“用来计量物质中原子、分子数的标准单位是摩尔（mol）”，因此属于D（情境推理与解释）表征水平。由于美国教材对该部分内容的呈现目的主要是让学生通过已有的认知经验建构起化学计量的思维和方法。基于此目的，大量采用较高的信息表征策略也在情理之中。

与此形成鲜明对比的是，中国教材对核心概念的表征上大多采用了直接定义（A）、描述（B）等低级表征水平，例如三种版本的中国教材对三个核心概念“可称量物质与微粒数之间关系”、“物质的量”、“1mol所包含微粒数”的表征水平均依次为B、A、B。三种版本的中国教材均是通过要建立“可称量物质与微粒数之间的关系”来引入“物质的量”，接着直接对“物质的量”进行描述，给出符号和单位，进而直接引入“1mol所含微粒数”，其表征水平均属于直接定义或描述，所以归为A或B等级。

美国教材编排的重点是微观粒子的计量单元“摩尔”。以数40桶硬币为情境，提出问题“如何方便计数”，引发思考，进而提出选择计量单元的思想，将硬币与微观粒子进行类比，对微观粒子计数时选择摩尔作为计量单元，明确规定1摩尔所含的微粒数是6.02×1023，并将此数命名为阿伏伽德罗常数。同时，运用类比“如果把6.02×1023张纸堆起来，那么它的厚度可以从地球到太阳来回1000000次以上。纸张的厚度非常小，但是一个原子的体积更小，而1摩尔的镁原子还铺不满手心”[14]。让学生感受6.02×1023的庞大与微观粒子的微小。接着，通过对计量微观粒子与计量鸡蛋的单位进行类比，发现计量单元大小与计量对象大小呈反比，渗透方法论思想。

在对1mol所包含的微粒数的介绍中，中美教材也显现了较大的差异。中国教材均呈现了6.02×1023的数值来源——“0.012kg 12C中所含碳原子数”，但对于“为何摩尔质量数值与相对原子质量数值相等”均未作出解释；美国教材直接给出1mol所包含的微粒数是6.02×1023后，通过情境推理的方式，解释了摩尔质量与相对原子质量在数值上相等的原因。图片呈现天平的两端分别放置6个碳原子和6个铁原子，天平指针偏向铁原子一边。并配以文字解释道“1个铁原子的平均质量是1个碳原子平均质量的4.65倍，1mol铁原子的质量就是1mol碳原子质量的4.65倍”。

综合中美教材在表征深度方面的差异可见，美国高中化学教材注重情境线索搭建，且通过较多类比思维的嵌入实现知识的文本演绎过程，关注对相关疑难概念的本质原因的推理和解释。在这一层面上，美国教材对学生学习过程提供了更加有力的支撑（即导致难度较小）。

3 研究启示

整合广度的评价结果显示，美国高中化学教材的整合水平低于中国教材，即美国教材在内容组织与整合层面的难度较大；质性分析表明，美国教材的内容整合注重“化学计量思想与方法”的全面渗透，与中国教材注重“物质的量相关概念的逻辑关系”有明显差异。表征深度的比较结果显示，美国高中化学教材在学科概念的呈现中注重情境线索的搭建与类比思维的嵌入，注重对情境推理与解释等信息处理策略的渗透，对学生学习的支撑力更强。可见，对教材整合广度和表征深度的评价不仅可以定量地反映教材的相关内容难度，也可以从质性研究的角度揭示教材编写中蕴含的教学价值与教育寓意。

参考文献：

[1][2]钟志健.“物质的量”教学难度成因剖析[J].化学教学，2014，（10）：8～12.

[3][4]闫蒙钢，陈英.高中化学新教材（必修1）中“物质的量”内容的难度分析[J].化学教育，2008，（5）：15～17.

[5]徐天荣.物质的量教学中先行组织者的设计[J].教学月刊（中学版），2009，（12上）：49～51.

[6]林秋成.利用三重表征训练提高学生问题解决能力的实践研究———以“物质的量”类问题解决为例[J].化学教与学，2014，（9）：25～27.

[7][8][9][10][11][12]闫春更，周青，王婷婷.教科书难度评价的模型建立与方法改进[J].上海教育科研，2015，（9）：42～45.

[13][14][美]菲利普（Phillips， J. S.）等著.王祖浩等译.科学发现者·化学概念与应用（中册）[M].杭州：浙江教育出版社，2008.