中英化学教科书的比较研究——以“化学反应速率”为例

○石月，王喜贵

（内蒙古师范大学化学与环境科学学院，内蒙古呼和浩特 010022）

教科书是学校教育中的主要材料，是使学生达到课程标准所要求目标的内容载体［1］。“工欲善其事，必先利其器”，教科书作为教学的主要工具，其编写质量直接影响教学效果。英国基础教育享誉世界［2］，随着教育国际化的推进，其IGCSE课程在全球范围内认可度显著提高，由英国剑桥考试中心认定的IGCSE考试用书成为国际学校的主流教科书［3］。化学反应速率是化学动力学的基础，也是化学平衡的起点，它们共同描述化学反应的动态进程［4］。本文选取我国人民教育出版社出版的高中《化学必修第二册》《化学反应原理》（简称人教版）和英国霍德教育集团（HodderEducation Group）出版的CambridgeIGCSEChemistry（简称HE版）中的“化学反应速率”内容进行比较研究，主要有两个目的：一是为教科书的编写者提供相关建议，二帮助教师了解教科书的编排特点，更好地服务于课堂教学，提升教学效果。

一、课程标准的比较

（一）英国IGCSE课程简介

IGCSE（InternationalGeneralCertificateofSecondaryEducation）是剑桥大学国际委员会针对世界各国就读于英系教育体制下适龄学生参加的中学毕业考试课程［5］，也是A-Level的先导课程和CIE剑桥全球测试的组成部分［6］。IGCSE课程设置物理、化学等64门可选科目，考试通过获IGCSE证书［7］，该证书是学生进入A-Level大学预科深造的凭证，同时IGCSE成绩也是大学入学的参考部分［5-7］。

（二）中英化学课程标准的比较

从教学和评价目标两方面梳理中英化学课程标准，基本情况见表1。

表1 中英化学课程标准的比较

1.教学目标。我国以化学学科核心素养为导向，细化为五个层面，不仅关注认知领域，如宏观辨识与微观探析，同时强调非认知层面，如科学态度与社会责任，力图全方位、多角度促进学生发展［8］；英国从知识理解与应用、实验技能两方面对学生需掌握的知识进行质性规定与量化评价［9］，可以看出英国侧重“双基”的培养，着眼于发展学生适应未来社会的基本知识与技能，并尤为凸显知识技能的应用层面。在情感态度方面只作简单的质性描述：一方面，公众难以对情感目标达成共识；另一方面，他们认为情感领域的目标难以测量［10］。

2.评价目标。两国都按层级水平划分评价目标，我国依水平高低细化为四级水平，每级均包含核心素养的五个层面，并对同一素养水平下的学习要求用从低到高的行为动词定性描述；英国将评价目标划分为三个层次，分别为科学知识的理解水平、处理信息与解决问题的能力、实验技能。但英国与我国不同之处在于对每一层级的目标均进行定量描述，呈现具体比重，基于量化视角为教学和考试提供方向指引，避免定性评价的主观性［9］。

二、内容设置的比较

（一）内容标准的比较

我国普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订，简称新课标）［8］中必修与选修模块关于“化学反应速率”内容的要求：（1）知道化学反应速率的表示方法；（2）通过实验探究，了解温度、浓度、压强和催化剂对反应速率的影响，认识化学变化是有条件的；（3）学习运用变量控制法研究化学反应，了解控制反应条件在生产和科研中的作用；（4）知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对反应速率的影响。

英国IGCSE化学课程内容标准分为基础和提升两部分，根据内容标准差异拟定难度不同的平行试卷，学生参加以基础部分为内容标准的试卷只能获得中等及以下等级（C-G），而参加围绕基础和提升部分拟定的试卷有资格获得更高等级（A*-E），学生可以依据自身能力选择学习内容与试卷类型，给予学生自由选择权。英国课程标准在“化学反应速率”中规定学生需掌握以下内容。（1）基础：解释浓度、颗粒大小、催化剂（酶）和温度对反应速率的影响；利用上述因素解释生活现象，如面粉厂和矿井爆炸事件；选取可行的方法测定有气体生成反应的反应速率；解释反应速率实验中的相关数据。（2）提升：选择合适的方法研究给定变量对反应速率的影响；利用反应粒子间的碰撞解释温度、浓度对反应速率的影响；解释光在光化学反应中的作用及其对反应速率的影响；描述光照在摄影业中的应用（银离子还原为银的过程）；描述光照在光合作用中的用途（二氧化碳和水在光照等条件下，转化成葡萄糖和氧气）。

从内容标准的细化程度看：我国通过提供大体的思路与框架，为教师留有充分的发展空间，促进生成更具创新性的课堂；英国对知识的要求更详尽，并列举翔实的生活素材，如“解释矿井爆炸缘由”等，于教师而言更具指导性。此外，两国都注重核心知识的教学价值，且目标取向趋于一致，即将知识转化为解决问题的能力，但实现路径不同。我国认为学科核心知识是学科能力的基础，学生只有将知识变为自觉主动的认识才能转化为学科能力和素养［11］，因此强调通过认识思路、方法的提炼，应用迁移，进而解决实际问题［14］，如“学习运用变量控制法研究化学反应”。英国通过将知识蕴于生活化素材的方式，让学生在解决问题的过程中自主运用所学知识，从而实现知识到能力的进阶［9］，呈现一定的层次性，学生可灵活选择学习内容与试卷类型。

（二）核心知识的比较

国内教科书将“化学反应速率”内容进行难度划分，在必修二和选修一两册教科书中呈现，相关知识分布在章内单元；英国将所有知识内容整合到一本教科书中，又因“化学反应速率”属于中学阶段重点内容，因此以“化学反应”为主题单独成章。

1.核心知识选取。“化学反应速率”内容可以分为化学反应速率概念、化学反应速率的相关理论、影响化学反应速率的因素和化学反应速率的测定四部分，并进一步细化为如表2所示的知识点。统计表2中知识点数量发现，人教版为16个，HE版为26个，HE版的细化程度更高，但仅通过知识点数量衡量知识广度存在一定局限性，需深入解读。

关于“化学反应速率概念”，人教版阐述了化学反应速率概念及表示，但HE版没有明确的概念界定。可见我国较为重视厘清、界定概念，关注知识的理论性和基础性。

在“化学反应速率相关理论”中，人教版与HE版均阐述了碰撞理论，人教版以碘化氢的分解反应为例，借助基元反应、活化能与活化分子等概念及碘化氢分子碰撞示意图、反应历程势能图深入阐释有效碰撞和反应的微观历程，为从微观视角理解反应速率的影响因素奠定理论基础。相比较而言，HE版在此所占篇幅较小，仅利用活化能和反应历程势能图简要概述。由此可知，人教版注重挖掘理论深度，运用具体实例及图示帮助学生从多维视角构建理论知识。

在“影响反应速率因素”中，人教版涉及物质本身、温度、浓度、催化剂和压强5个因素，而HE版选取粒子大小、温度、浓度、催化剂、压强和光照6个因素。人教版强调物质本身即内部因素的影响，而HE版关注粒子大小和光照两个因素。在外部因素中，人教版将每个因素细化为1—2个知识点，而HE版细化为2—6个知识点，重点关注光照和催化剂（酶）因素（表2）。以催化剂内容为例，人教版细化为催化剂对反应速率影响的一般规律和催化剂作用下的反应历程势能图2个知识点，而HE版选取6个知识点支撑，知识的深度与广度得到拓展与延伸。从催化剂的概念特征、各因素对反应速率影响的规律、催化剂的作用机理直至汽车催化转化器、制乳酪的工业应用实例，基于宏观—微观视角深度理解催化剂的性质与本质，并最终以生活生产实例指向应用目的，从而实现宏观概念—微观实质—应用迁移的转化。与此同时，在催化剂中延伸出生物学科里酶的知识点，包括酶的特性、作用机理及应用，体现跨学科理念。可以看出，HE版教科书不仅大力倡导生活化素材的开发，同时重视体现跨学科思想。此外，HE版利用较大篇幅阐述光照因素，提出光化学反应概念，并结合臭氧层空洞、光合作用等实例加以证实，进一步凸显英国利用生活化素材加强知识的应用。

在反应速率的测定上：人教版利用锌与不同浓度的硫酸反应测定收集等量氢气所需时间，通过理论计算得出反应速率；HE版通过碳酸钙与盐酸反应的实验，测定不同时间内混合物的质量变化得到质量减少量随时间的变化图，进而统计分析图像信息，定性比较、定量计算反应速率。人教版侧重培养学生理论计算能力，而HE版采用实时采集数据、图像描述数据、定量统计分析的方式，直观地进行测定与分析，培养学生处理数据的能力。

2.核心知识组织。教科书的编排是依据一定的知识逻辑、教学逻辑和学生认知逻辑，对知识进行分类、整理与概括，不同的编排逻辑会产生不同的学习效果［13］。从横向组织看，我国遵循定性认识→定量认识的逻辑顺序，比如在介绍浓度对反应速率的影响时，在必修阶段设计大理石与盐酸反应的实验，通过观察气泡冒出的剧烈程度让学生对速率快慢形成定性认识，进而在选修阶段，通过硫酸与锌反应的实验测定反应速率，实现定性认识→定量认识的升华；英国采取定性与定量结合的方式编排，在探究实验中，要求学生观察实验现象差异，同时记录、处理实验数据，将质性描述与量化实证协调配合，共同推进认知层面的深化。

教科书内容的纵向编排，主要体现为知识呈现的先后次序。人教版在编排该内容时，首先进行概念界定，然后通过实验揭示影响反应速率因素的宏观规律，接着阐述有效碰撞理论，并从微观视角解释规律，由宏观规律深入至微观实质，由浅入深，注重学生认知发展；英国教科书认为系统的理论是理解知识的基础，从介绍碰撞理论出发，让学生充分理解反应实质，进而设计实验，基于微观理论解释实验现象，概括反应规律，采用先理论后知识的方式，突出教科书编排的逻辑顺序。

（三）STSE素材的选取

随着新课程改革的推进，STSE（科学·技术·社会·环境）教育成为理科学科的重要内容［14］。人教版和HE版中加入了大量的STSE素材，如表3所示。我国2019年人教版较2007年版新增了科学技术类素材，如飞秒技术、铂—钯—铑合金催化剂等，但仍延续如铁生锈、溶洞形成等新颖性不足的素材。HE版融入大量丰富的STSE素材，将化学知识与科学、技术、社会、环境问题深度融合，紧密联系当前生产生活，体现真实性。如证实颗粒大小影响反应速率时，引入牙买加面粉厂爆炸事件，并附事件发生的准确时间、地点及伤亡情况，凸显社会问题的真实性，引发学生关注；在证实压强影响反应速率时，引入哈伯制氨工艺，从科学技术层面体现化学的实用性；在阐述光照对反应速率的影响时，引出臭氧层空洞问题，利用化学知识解释环境问题，激发学生兴趣；在证实酶影响反应速率时，融合大量生活生产素材，从婴儿食品成分到乳酪的工艺生产，无一不在贯彻STSE思想。

表3 中英化学教科书STSE素材比较

三、实验设计比较

化学是以实验为基础的学科，实验是化学教学的有效手段［15］，通过实验现象的分析和推理，帮助学生理解化学定律和原理，培养学科素养。

（一）实验内容的比较

在探究“温度、浓度、催化剂”对反应速率的影响时，两版教材均选择双氧水分解和硫代硫酸钠与硫酸反应的实验来验证观点（表4），究其原因，可能与实验现象明显、反应速率适中便于观察现象有关［16］。在探究催化剂影响反应速率时，人教版以是否在双氧水中加入催化剂为变量形成对照实验，通过观察气泡出现快慢定性比较反应速率；HE版在两份等量过氧化氢中分别加入0.5g和1g二氧化锰，通过改变催化剂用量测定氧气随时间变化的生成量，显然从定量角度证实催化剂的影响。又如，在探究浓度对反应速率影响的实验中，人教版通过硫代硫酸钠与硫酸反应出现浑浊的时间比较速率大小；HE版的操作是在硫代硫酸钠与硫酸的反应容器下垫一张画“×”的白纸，以“×”完全被覆盖的时间作为反应结束的标准点，尽可能降低实验者主观误差，在此基础上绘制浓度—时间图来定量分析二者关系。由此可见，HE版更倾向从定量角度设计实验，经过严格的数据处理过程培养学生严谨求实的科学态度和证据推理的核心素养。

表4 中英化学教科书“化学反应速率影响因素”实验设计比较

（二）实验过程的比较

两版教科书在设计实验时都极为注重探究性，但探究程度及表现方式不同。人教版设计了“探究”和“实验活动”等实验栏目，为避免学生自主实验的盲目性，在“探究”栏目设计问题、假设、用品、实验、结论等流程，给定仪器试剂、记录表格等，为学生提供有力的指导，起到实验操作流程示范和思路引领的作用［13］。基于前面的探究经验，在章后设置“实验活动”栏目，呈现实验目的、原理、用品和操作步骤，条目清晰、层次分明，帮助学生巩固、熟练掌握实验探究方法和程序。但由于国内教科书的指导性较强，学生自主设计成分相对较少，不能参与完整的探究过程，探究性略显不足。HE版在设计实验时仅以实验简述和1—2幅插图作为引导（表5），让学生基于给定信息自行设计，参与甄选仪器、确定实验步骤等整个探究过程，通过自主探究与合作交流，解决实验中尚存在的问题，同时学生能够自行摸索、掌握探究程序，促进科学探究与创新意识的形成。

表5 中英化学教科书中浓度对化学反应速率影响的实验设计

（三）实验结果的处理

实验结论精确与否，取决于学生能否恰当处理分析实验数据。以浓度影响反应速率的实验为例（表5），人教版以不同浓度的硫代硫酸钠与硫酸反应设计了两组实验，通过比较反应出现浑浊的时间判断速率大小，进而印证教材中“增大反应物浓度，化学反应速率增大，降低反应物浓度，化学反应速率减小”的反应规律。该结论的获取是建立在视觉基础上的感性认识，缺乏定量分析，且实验次数较少，准确性难以控制。HE版选取与人教版相同的反应及自变量，但为确保结论的准确性，设计了六组实验，并以“×”完全被覆盖的时间作为定量判断反应程度的辨认点。数据建立在感官观察的基础上，很难找出真实值［17］，因此要求学生在坐标纸上根据实验数据描点绘图，分析自变量（浓度）与因变量（时间）的关系，为了便于直接观察，同时理解时间与速率的关系，引入“速率＝1／反应时间”进行转化，引导学生由浓度—时间图绘制浓度—速率图，最终基于图像趋势推出“反应物浓度增大，反应速率加快”的实验结论。HE版的结论是通过学生收集五组以上实验数据，利用统计绘图工具，真实模拟科研过程，经过理性分析图像中自变量与因变量的关系而获得。学生在观察现象—记录数据—绘图—统计趋势—获得结论过程中，伴随着定性观察与定量分析环节，认知发展经历从感性认识到理性认识的飞跃，使化学实践活动上升为实验思维，帮助学生形成完整的探究思路，进而发挥实验教学的完整功能。由此可知，英国将数据处理与分析过程作为整个实验的关键环节，这值得我国学习借鉴。

四、插图比较

插图是教科书的重要组成部分，既可以解释、概括文字内容，也可以对其进行补充和延伸。综合已有研究，将插图分为实验图、实物图、微观与原理模拟图、生产生活图、数据表格图、知识归纳图六类［18-20］，统计两版教科书插图，得到中英教材插图数量—类型比较图（图1）。

从图1发现，HE版在本节的插图类型与数量均较人教版丰富，除未涉及“知识归纳图”外，其他五类均有分布，其中以微观与原理模拟图、生产生活图、数据表格图为主，实物图和实验图次之；人教版在该节没有呈现“知识归纳图”和“数据表格图”，且插图总数（7幅）远少于HE版（21幅）。通过各类插图在总插图中占比来比较，两版“实验图”和“实物图”的占比基本一致，人教版“微观与原理模拟图”占比远超HE版（58%），主要聚焦解释有效碰撞理论，但人教版对于“数据表格图”的重视程度有待提升。

图2中的a和b分别为人教版和HE版测定反应速率的装置图。人教版将该图置于页面边缘，尺寸较小且图像模糊。据相关研究表明，国内高中化学教科书中90%以上的插图以单一方框的形式安插在书中某一角［21］，所占篇幅较小，个别图无法清晰观察试剂、实验数据等；HE版中该图占近半页篇幅，拍摄视角大，注重插图的清晰度，学生可以清晰地观察仪器特征、试剂的颜色状态、细微的实验现象和具体的测定数据，将真实的测定过程进行最大限度的还原，具有极强的代入感，激发学生探究欲的同时为课上实验做准备。

图2 中英化学教科书实验图的比较

我国新课标要求学生“能收集并用数据、图表等多种方式描述实验证据，能基于现象和数据进行分析推理得出合理结论”，明确数据处理和图像表征的重要作用，但在整套人教版教科书中，数据图出现频次较少，学生依据数据规范绘图、利用图像统计分析的能力较弱；英国十分重视发展学生数据处理能力和基于证据推断结论的逻辑思维［8］，为了总结各因素对反应速率的影响，在每一实验后均要求学生对所记录的数据以图像简化表征，直观呈现自变量与因变量的关系，进而做出结论（图3）。通过图像简化繁杂数据，直观表征数量关系，帮助学生认识到利用数形结合解决问题的高效性，拓宽处理数据的方法，从而提升解决问题的能力。

图3 HE版中的数据表格图

五、结论与启示

（一）拓宽选材范围，挖掘应用价值

由于中英两国学制、培养目标、评价方式的差异，两国教材在知识细化程度、侧重方向和素材选取层面均有差异。相比较而言，英国教科书的知识细化程度更高，涉及范围更广，融入大量STSE内容，帮助学生从生活走进化学，由化学走向社会。“化学反应速率”内容一定程度上反映出教科书整体的侧重方向，人教版注重知识概念，侧重理论层面，而HE版偏向实践领域，且深深体现STSE理念，注重从多维视角挖掘化学知识在生活中的应用价值。如HE版探究面粉厂爆炸缘由、揭示乳酪工业生产原理等，均从现实生活中抽取包含科学、技术、社会等多领域素材，拓宽学生视野，促进知识的迁移应用，渗透用中学、学以致用的观念。因而我国教科书在选取知识素材时，要特别关注素材的丰富性与实用价值，以发展学生核心素养为引领，拓宽选材范围，基于多维视角呈现相关知识内容，比如可以适当融入STSE素材、以跨学科理念支撑相关知识概念，加强学科知识与实践应用间的联系与深化，培养学生综合解决问题的能力，促进核心素养的落实与发展。

该节的重点是探究反应速率的影响因素，鉴于该知识在生活中有较为广泛的应用，因而在教学中应抓住此特点，引入合适、新颖的生活化素材。实际上，HE版在本节为我们提供了较多的STSE参考范例，教师可以依教学设计之需在每引入一个影响因素之前进行导入过渡，也可以在其之后引入，加强迁移应用。总之，选取与主题契合的、丰富的生活化素材，与生活建立紧密的联系，挖掘其应用价值，培养学生适应当下和未来生活的必备品格和关键能力。

（二）加强实验探究，关注实验数据的量化分析

实验是化学课程的重要组成部分，我国与英国在课程标准中均指出实验探究的重要性［7-8］。为了让每个学生均能独立操作实验，人教版教科书呈现完整的探究程序，而学生自主设计的内容相对较少；英国在设计实验时呈现文字简述和实验插图，让学生在深度思考与合作探究下体验完整的探究过程。此外，英国强调实验数据的量化分析。英国HE版教材的每一个实验均基于单一变量设置多组实验，让学生反复尝试与实践后，收集多组数据→图像表征→统计图像趋势→定量分析变量关系→获得实验结论。在绘图统计的帮助下，拓宽学生处理数据的方法，发展学生定量分析能力。国内实验通常利用定性实验结论学习化学原理，停留在感性认知层面［17］，在定量处理数据方面略显薄弱。

针对上述情况，我国在后续教科书修订过程中宜聚焦两方面问题：第一，加强实验探究，适当“留白”，确保探究真正落实。鉴于设置实验探究的目的更多在于帮助学生形成和发展实验探究思路而非聚焦实验操作本身，因而在教科书实验探究部分的编写过程中，应尽量减少完整的实验方案、操作步骤的阐述，给予适当“留白”，提供简单的实验思路和方法引导，让学生依据实验探究思路进行自主思考和合作交流，充分实现探究目的。第二，增设多组定量实验，保证实验的严谨性和准确性。通过分析发现，我国教科书中涉及的定量实验较少，并且已有的定量实验对比组数也较少，不具有代表性且无法保证实验结果的准确性。因而教科书在编制过程中宜增设多组定量对比实验，使学生能够依据多组实验数据进行统计分析获得较为准确的结论，通过量化思维解决问题，形成严谨求实的科学态度。

教师应引导学生运用质性量化相结合的思维分析实验结果。化学反应速率一节中“影响反应速率的因素”涉及多个探究实验，教科书在“探究”栏目中已经给出可供选择的仪器和药品，并且提供完整的“温度影响反应速率”的实验方案，学生可通过定性观察实验现象得出实验结论。鉴于定量分析方法较为重要，因而鼓励学生设计多组定量研究的实验方案。以探究浓度因素的实验为例，通过多次改变硫代硫酸钠溶液和水的体积，获取多组实验数据，对数据进行整合后，通过绘制图像的形式对数据进行定量描述，依据图像表征的趋势，总结规律，最终获得实验结论。学生通过处理和分析数据，易于掌握定量分析数据的方法，进而形成基于质性和量化相结合的思维去分析、解决问题。

（三）增加插图数量、类型，注重插图细节处理

我国2019年人教版化学教科书较2007年版而言，插图数量增加，插图类型更加多样［18］，但较英国HE版仍存在一定差距，建议在后续的教科书编制中适当增加插图数量，丰富插图类型，尤其关注数据表格图的功能价值。此外，我们发现英国教科书插图的清晰度、还原实验的真实度等细节处理方面较为精细，一定程度上彰显图像美感。因此，我国教科书在插图编制过程中，要确保插图科学性的前提下适当提高插图质量，如通过细节处理提高清晰度、提升插图艺术美感等，为学生创造真实美妙的视觉体验，有利于培养学生发现美、感受美、鉴赏美的能力，促进美育发展。此外，新高考对学生读图获取关键信息能力的要求逐渐提高，并主要集中于数据图，我国教科书该节内容虽涉及多个实验，但没有呈现数据图，建议增设如本文图3所示的实验数据图，让学生在平时的学习中多接触此类插图，并通过练习逐渐掌握读图—析图技巧，提高读图能力，进而能快速辨识、提取图中关键信息，提高解决问题的能力。

化学是以实验为基础的学科，相应地会出现较为庞杂的数据，而数据图可以简化、直观表征数据，更易得出实验结论。教师在实验教学中要充分发挥数据图优势，引导学生依据实验数据做定量分析，并将数据转化为图像形式，根据图像表征的关键信息推断结论，以此培养学生推理的核心素养。