美国高中主流教材“原子结构与化学键”内容编写的教与学思想探析

文∣林铃 李秀华

一、问题的提出

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。可以说，化学在促进人类文明可持续发展中发挥着日益重要的作用，是揭示元素到生命奥秘的核心力量。

“原子结构与化学键”在化学学科中的学习至关重要，是探索化学反应原理微观结构的必经途径；联系着化学原理中的宏观角度，同时交织着化学反应现象和物质性质的本质特征。由于该部分内容由宏观学习转向了微观学习，对于初学者来说，其原理较为复杂，概念较为烦琐，存在一定的认知和理解困难。因此，帮助学生构建完整的“原子结构与化学键”知识体系，有助于培养学生将宏观认识和微观本质相结合，真正体会化学本质变化。这对于学生学习化学有着重要的作用。

通过查阅对美国高中主流教材中“物质结构和性质”“化学反应”和“能量与物质的相互作用”等专题内容的分析研究，我们可以发现，美国主流教材具有重视化学本质、强调实验过程、注重化学与生活相联系等特点。因此，研究美国主流教材的编排特点，对于我国基础教育教材的编写有借鉴学习意义。在此，选取美国教育书籍出版集团McGraw-Hill的Glencoe公司出版、浙江教育出版社出版发行的翻译版现行美国高中主流教材《化学：概念与应用》(Chemistry：ConceptsandApplications)(以下称“美国教材”)中“原子结构与化学键”章节为例，研究其内容设置和编排特点，以期为我国教材编写和一线教师教学提供参考。

二、“原子结构与化学键”的内容概述

美国现行的学制较常见的是“五三四”制：小学五年(1—5年级)、初中三年(6—8年级)、高中四年(9—12年级)。初中阶段开设的课程多为综合基础类的科学课程，高中阶段开始设置物理、化学、生物等分科课程。美国教育学者认为，化学是综合课程学科中的一部分，其任务是培养学生具备最基本的科学素养；同时将化学学科作为一门工具，解决生活问题。最为重要的是，化学作为一门科学，要帮助学生培养批判性思维，以便其日后进入化学领域或其他行业都能辩证性地思考问题。

“原子结构与化学键”章节设置在美国教材的第七章。在导入部分中，教材结合相关化学史和历史资料，从宏观的角度列举化学变化，进而转向微观世界，很好地进行了过渡，并举例说明了化学的功与过、化学的前景和局限，进而指出学习后面章节的必要性。正文部分，结合生活实际经验，用通俗的语言和形象生动的图形巧妙地解释了相关的概念，最后再通过科学性的语言表述，帮助初学者在概念难点的理解基础上，归纳总结；训练学生阅读能力和科学性总结归纳能力，从而避免了因概念枯燥而失去对学习的兴趣。教材在内容编写上，注重由浅入深的逻辑顺序，知识的罗列由零散到集中，最后再进行归纳总结，从而生成一个完整的知识网络。美国教材“原子结构与化学键”内容总体结构如表1所示。

表1 美国教材“原子结构与化学键”内容设置简介

三、“原子结构与化学键”编写中教与学的思想

(一)概念引入阶段巧用“生活情境”

美国教材在复杂抽象概念引入前，倾向于结合生活情境或者生活问题来呈现，借助生活中某些现象来帮助理解概念，从而建立概念意识。例如，在学习“原子是怎么结合的”和“元素如何结合”前，教材提出小问题来引发思考：“当你看自己的桌子时，你可能会觉得它是什么东西？固体。你可能会惊讶地发现所有物质，甚至固体像木头和金属一样，大部分空间都是空的。这怎么能？是吗？答案是，尽管空间可能很小或没有，但是对于原子来说，每一个原子内部都有许多空位。”“当你把拼图拼起来的时候，只要你不动它，它就会保持原样。当你拿起它，它可能会散开。当元素以化学键的形式相结合时，它们的结构就比较稳定。”

同时，教材中也会巧用一些案例来矫正学生原有意识里或认知中的一些错误。如“你可能认为电子就像行星围绕太阳转一样，但实际情况并非如此，如图1所示。行星没有电荷，但原子核中，原子带正电荷，电子带负电荷；行星的运行轨道是可以被预测的，位置可以被计算出来，但对电子来说并非如此，虽然电子确实在可预测的区域中运动，但是无法计算任何一个电子的精确位置，而科学家只能使用一个模型来大概预测电子的位置”。

图1 美国教材展示：“电子能级”组织型插图

由此可见，美国教材在知识概念导入方面，注重联系学生已有的知识，结合学生、学科和社会特点，注重让学生应用化学知识解决实际生活中存在的问题，强调培养学生的科学思维。

(二)巧用插图比喻，化抽象概念为形象

根据理查德的分类方法，我们可以将教材中的插图分为以下四种类型：装饰型插图、代表型插图、组织型插图和解释型插图。装饰型插图一般用来吸引学生的注意力，增加学习兴趣；代表型插图一般用来描绘实物以及实验装置；组织型插图一般用来描绘课本中的核心知识；解释型插图一般用来解释课本中某一系统的工作原理，如晶体堆积方式等。

对于概念较多且较为抽象的知识来说，组织型插图和解释型插图就显得尤为重要。组织型插图主要用来阐明教科书文本中各知识之间的关系，对知识的整合与总结有很大作用。这类插图主要体现的是知识传递功能以及整合概括功能。

美国教材在处理概念性知识时，多用组织型插图来化抽象为形象。例如，在学到“电子能级”时，结合运用语言说明和图像标注组合成的图片，既能说明知识结构，又能直观地表明变化的规律，便于知识的整合记忆，如图1所示。解释型插图旨在让学生了解物质的结构，如图2所示，在解释“金属键合”和“堆积方式”时，用三维立体结构来展示晶体的堆积方式。美国教材本章节的插图多达24幅，这表明其注重图片对真实情况的描述，以此来帮助学生建立完整、直观的知识内核。教科书的整体插图风格趋于真实化和立体化。

(三)设置相应栏目，引导概念理解

美国教材中栏目较多，如表2所示。“实验”栏目占据篇幅最大而且较为统一，通常位于每一节学习课题最后，是总结学习课题的主要手段，还包括“实验课题”“实验步骤与方法”“实验仪器与装置图”“实物图”“所需材料以及诀窍”“注意”等小栏目。教材在实验内容的选取上有开放性、综合性和实践性等特点，实验主题及实验过程都具有综合性。在本章节的实验内容中，需要学生自己设计晶胞模型并利用各种材料进行制作，用数学测量来判断所做出的模型是否符合科学性。由此可以看出，美国教材在实验过程的设计上注重活动性、探究性和过程性，不只是对实验知识和技能的考查，更是对实验探究能力、实验态度情感与价值观方面的培养，让学生不再畏惧较难的概念性知识，激发其学习兴趣。

图2 美国教材展示：“金属键合”“堆积方式”解释型插图

表2 美国教材中的栏目设置及其功能

美国教材注重跨学科融合，栏目设置能够很好地辅助学生学习，克服学习困难。“综合物理”栏目体现了各学科领域之间一脉相承的科学性，“综合职业”栏目关心科技发展，将经典化学和近代化学相融合，“科文阅读”栏目以化学知识为线索，更加强调跨学科文化渗透。

(四)习题设置层次多样，注重理解与应用

美国教材的习题设置重视化学知识的应用，多数习题都是从生活问题入手，注重在练习中促进学生的全面发展，同时重视培养学生对化学的兴趣及情感。

习题的设计恰当地把握了数量和类型之间的比例，层次性强，由易到难，强调对概念的理解的同时，注重化学操作技能的掌握以及实际解决问题的能力的培养。题型有选择题、简答题和开放性问题。在“原子结构与化学键”的章节中，要求计算、画图、寻找规律和总结的习题，强调和注重学生的计算能力、总结归纳能力和推理能力。有些章节还专门设有“写作”一栏，要求学生用化学语言写一些小论文，试图让学生通过灵活运用化学语言来表达自己，加深对化学概念和化学问题的理解。

图3 美国教材展示：开放式习题

四、总结与启示

(一)结论

美国教材“原子结构与化学键”章节编排特点有以下四个方面。首先，注重通过提出问题来建构概念，通过解决问题来理解原理。其次，擅长运用组织型插图和解释型插图来将抽象的概念或复杂的空间结构转为形象生动的形式，便于学生理解。再次，通过设置众多栏目，来引导学生学习书本知识，同时放眼于当今科学领域，注重跨学科知识融合，注重用实验来检验真理，用真理来引导实验。最后，通过有层次的习题来复习巩固，设置开放性习题，培养学生的批判性思维和发散性思维，以及科学素养。

(二)启示

在内容编写上，我国教材可以增强从生活实际出发，并回归生活实际的知识应用。在实验编排上，我国教材可以在思路设计、实验药品、仪器以及实验安全等部分进一步完善，帮助学生构建定量实验思维。在习题设置上，加强个性化试题的设置比例，将习题与实际生活相联系，用所学知识解释生活问题，让学生认识到化学是一门与生活息息相关的实用的学科。

在概念解释环节，教师应注意切实与生活实际相联系，用通俗易懂的语言深入浅出地解释复杂概念，便于学生的理解；同时可以结合插图、视频等资源，为学生提供更为丰富的认知，以此开阔学生视野，激发学生兴趣。在实验模块环节，教师需要注重学生实验，同时强调剂量因素，传达“量变影响质变”的理念。在实验安全上，教师需明确强化教育。在习题设置环节，注重不同学生的个性化习题设置；根据学生自身能力，在夯实概念知识的基础上，层层递进，由浅入深；强调习题联系生活实际，增加趣味性。

学生在学习过程中，应避免死记硬背，切忌视化学为一门记忆背诵的学科。要积极与生活实际相联系，将抽象的化学概念知识转化为形象的认知，提升对化学学科的学习兴趣和探索乐趣。在实验操作方面，学生应注意实验操作规范与安全，学会从生活中发现素材，进行有趣的生活实验；注意观察实验现象，遇到“异常”实验现象，要实事求是，学会运用所学知识进行质疑分析，发现新问题。在习题练习方面，学生应注意避免题海战术，在做题巩固知识的同时要懂得“知其然”，更“知其所以然”。透过现象看本质，在真实问题情境中，运用所学知识解释问题，揭示现象。