高中化学“反应热”主题“有效概念”的研究

陈德成

（华南师范大学附属中学 广东 广州 510630）

概念是反映事物本质属性的思维形式，［1］也是构成学科知识体系的最基本成分。概念具有两个基本特征，即概念的内涵和外延。概念的内涵就是指这个概念的含义，即该概念所反映的事物对象所特有的属性。在化学学科中，能反映出学科知识的词语或者短语可看作概念，如离子反应、氧化还原反应、原电池、电解池可被理解成一个个化学概念，可持续发展、火力发电也可以被看作是概念，化学键断裂、化学键形成等亦可以被当作概念。促进学生对概念的正确理解和建构，是中小学课堂教学的重要任务。［2］

概念是教科书中表述知识的重要形式，是学生建构知识的认识方式。“反应热”是高中化学反应原理模块的重要内容，是高中生进入选择性必修阶段较为系统地学习的“第一个”反应原理——热化学，也是钱扬义提出的“化学学科关键词”中的重要关联概念。［3］在教材中，“反应热”既作为一个独立的学科概念，又可被视作一个学科主题，即高中阶段的“热化学”。在该主题中，存在许多与之相关的概念，但并非所有的概念都对“反应热”知识的系统构建起着关键作用。起着关键作用的概念称作“有效概念［4］”，它们能高度体现“反应热”的核心知识，如Ayyildiz［4］调查了土耳其教材中“化学反应和能量”单元的有效概念，包括基本概念（Basicconcepts）与子概念（Sub-concepts），发现梳理出有效概念有助于学生学习成绩的提高。此外，龚文慧指出在编写教材时呈现不必要的化学概念，会导致学生产生认知负担。［5］因此，有必要梳理出国内高中化学“反应热”的有效概念。本研究将“反应热”看作一个学科主题，结合文本分析和量化分析的方法，确定高中化学“反应热”主题内容的“有效概念”。

一、研究方法与过程

1.初选“反应热”关联概念

采用文本分析法，通过查阅高中化学人教版（2019 版）、鲁科版（2019 版）和苏教版（2019 版）教科书的必修第2 册以及选择性必修1 中“化学反应的热效应”章节的相关内容，以及后续化学反应原理模块中与“反应热”有关的内容，选取与“反应热”相关的化学概念。同时参考大学无机化学教材、物理化学教材、美国科学教育标准（2012）以及我国高中化学课程标准，以保证关联概念的权威性和国际性。在选取概念时，注重选取物质类、原理类、应用类、观念类等化学概念，不考虑化学科学家如“勒夏特列”，物理量单位如“千焦”“摩尔”“千焦每摩尔”等概念。关联概念的挑选由3 名从事高中化学教育的教师完成，将3 名教师挑选出的相同概念作为最终结果。

2.筛选“反应热”关联概念

向高中化学教师发放自编的概念筛选问卷，教师依据关联概念与“反应热”的关系紧密度进行筛选。该问卷为Likert7点量表，将关联概念与“反应热”的密切程度划分为7个尺度，“1”表示关系十分远，“7”表示关系十分密切，密切程度从“1”到“7”逐级递增。筛选出关系密切程度评定平均分大于或等于4分的概念作为“反应热”的有效概念。

3.确定“反应热”有效概念

为更能从学科本质与化学学科视角出发梳理“反应热”的有效概念，向物理化学方向和无机化学方向的大学教授发放有效概念评定问卷。保留高中化学教师评分≥5 分或大学专家认定频次≥3（认定频次即若干名专家认为此概念与“反应热”具有有效性，则纳入概念群）和认定比例≥0.5（认定频次/总人数）的概念作为“反应热”有效概念。

二、结果与讨论

1.“反应热”关联概念的初步遴选结果

（1）国内高中化学教材中的关联概念

查阅人教版新教材必修第2 册和选择性必修1，必修共有33 个概念，选修共有65 个概念，见表1。特别说明，在学生不会产生认知困难和理解歧义的前提下，本研究对概念的表述作相应处理，如教材的“中和反应反应热”简称为“中和热”，“化学键的形成与断裂”拆分成“化学键形成”和“化学键断裂”两个概念，“物质的聚集状态”改成“物质聚集状态”。

表1 人教版（2019版）“反应热”关联概念初选

查阅鲁科版（2019 版）教材必修第2 册和选择性必修1，必修共17个概念，选修共有39个概念，见表2。

表2 鲁科版（2019版）“反应热”关联概念初选

查阅苏教版（2019 版）教材必修第2 册和选择性必修1，必修共26 个概念，选修共55 个概念，见表3。

表3 苏教版（2019版）“反应热”关联概念初选

（2）普通高中化学课程标准“反应热”相关概念

教育部发布的普通高中化学课程标准（2017 年版）中关于“反应热”相关概念，主要有:化学能、体系、恒温、热化学方程式、热能、温度、恒压、燃料、能量守恒定律、压强、焓变、能源、内能、物质聚集状态、盖斯定律、燃烧热。高中课程标准（2017 版）强调:要基于内能和内能变化理解“反应热”的本质，能辨识能量转化形式以及能用热化学方程式表示能量变化以及能进行反应焓变的计算。

（5）美国科学教育课程标准“反应热”相关概念

在美国新一代科学教育框架［6］中，“能量”作为学科核心概念（Core Idea PS3:Energy），其主要内容包括:能量的定义（PS3.A:Definitions of Energy）、能量守恒与能量传递（PS3.B:Conservation of Energy and Energy Transfer）、能量与力的关系（PS3.C:Relationship Between Energy and Forces）和化学过程与日常生活中的能量（PS3.D:Energy in Chemical Processes and Everyday Life）。“反应热”是“能量”的下位概念，其关联的概念还有“系统（system）”“能量守恒（conservation of energy）”“热能（heat）”和“能量最大利用率（maximum efficiency）”等。PS3.A:Definitions of Energy提到要从宏观尺度和微观尺度理解“能量”的表现形式和变化。由此，国内以及美国的课程标准均注重对反应热（能量）的定义和转化的理解，尤其注重从宏观和微观角度认识“反应热”的本质是学科必然要求。

（4）大学化学教材“反应热”相关概念

大学化学课程与高中化学课程有着紧密的连结。从大学化学课程的角度出发，“反应热”主题概念的上位概念是“化学热力学”。“化学热力学”主要在大学无机化学和物理化学板块中讲述。以章伟光主编的《无机化学（第二版）》［7］和傅献彩主编的《物理化学（第五版）》［8］为例，“化学热力学”的相关概念见表4。

表4 大学化学教材中“反应热”关联概念

在大学无机化学和物理化学教材中，共有44个与“反应热”有关的“化学热力学”一般关联概念。“化学热力学”属于化学反应基本原理的重要内容。化学热力学主要研究宏观过程中的能量变化、化学反应过程进行的方向与限度的规律，以热力学第一、第二和第三定律为基础。与高中化学不同的是，大学化学着重从热力学函数层面对“反应热”进行讨论，如引入热力学能（亦称内能）、焓、熵和吉布斯自由能等热力学函数，同时结合实际的热化学数据研究物质系统在不同条件下发生物理和化学变化时的能量转变。大学化学教材中的“反应热”内容更注重通过数学建模与计算了解体系与环境之间的能量转换，更偏向从宏观角度探索化学反应发生所遵循的基本规律，更聚焦工业生产、环保生活、科学技术发展、人类社会文明等宏大议题，是“科学探究与创新精神”和“科学态度与社会责任”的高水平表现。从大学化学教材中遴选“化学热力学”主题的概念旨在拓展对“反应热”关联概念的选取边界，深化对“反应热”的本原性理解，同时兼顾大学化学与中学化学的衔接。大学化学“反应热”关联概念表明要注重从“系统与环境”和“条件与过程”两方面理解“反应热”这一热力学概念。

（5）“反应热”关联概念初选结果汇总

研究发现，人教版教材中的概念较丰富且全面，因此本研究选取“反应热”关联概念以人教版（2019版）教科书概念为主，依据鲁科版教材补充“键能”概念，最终得到69 个“反应热”关联概念，见表5。可以发现，“反应热”关联概念较少与电化学、化学动力学等内容有关，体现出“反应热”内容在反应原理模块中较为系统与完整，学生在“反应热”主题基本能形成对“热化学”的系统认识。

表5 “反应热”关联概念初选结果

2.“反应热”关联概念的筛选结果

向高中化学教师发放“反应热”高关联概念筛选问卷共60份，回收有效问卷56份，回收有效率为93.3%。将问卷所得数据输入SPSS26.0统计，69个关联概念与“反应热”概念关系密切程度的平均值与标准差，从中筛选出关系密切程度评定平均分大于或等于4.00的概念作为“反应热”高关联概念群，剔除11个较低得分的概念，最后得到58个“反应热”高关联概念，见表6。

表6 “反应热”关联概念筛选结果

3.“反应热”关联概念专家评定结果

针对58个高关联概念，邀请8名学科专家填写调查问卷予以评定，共回收有效问卷6份。统计专家们对每个概念的认定频次（即若干名专家认为此概念与“反应热”具有高关联，可纳入概念群）和认定比例（认定频次/总人数）。结合中学一线高中化学教师和大学化学专家的意见，在58个高关联概念中保留高中化学教师评分≥5 分或大学专家认定频次≥3（认定比例≥0.5）的概念作为“反应热”最终概念群，评定后的结果见表7。

表7 “反应热”关联概念专家评定结果

4.“反应热”有效概念遴选结果

通过高中化学教师与大学学科专家评定，“反应热”主题内容的有效概念共30个，分别是:焓变、反应物总能量、内能、生成物总能量、键能、化学能、热能、始态、终态、能量变化、焓、化学键、化学键断裂、化学键形成、吸热反应、放热反应、中和反应、燃烧、热化学方程式、能量守恒定律、盖斯定律、中和热、燃烧热、量热计、温度、热量、体系、环境、物质聚集状态、化学计量数。其中，“焓变”高居第一位，与教材和高考的内容相一致。

对比“反应热”关联概念初选结果和经过一线教师和专家评定得到的最终概念群发现，初选阶段提取出的情境类和观念类概念如体温、火力发电、能源利用率、可持续发展、火箭推进剂、化石燃料、清洁能源等均被专家们剔除。最终得到的30个化学概念更加具有化学学科特色，着重从宏微结合的角度阐述“反应热”的定义、本质、表征以及数学计算。基于此，可以推测专家们认为高二学生已在初中阶段的生物学科、化学学科中熟悉了体温、火力发电、能源利用率、可持续发展、火箭推进剂、化石燃料、清洁能源等此类交叉学科概念，学生将上述概念与“反应热”进行联系不存在障碍，应更加注重对原理类化学知识的学习，基于三重表征的视角认识“反应热”。

通过对教材内容的整体分析，30个有效概念可概括为6类。（1）宏观内因（11个）:焓变、反应物总能量、内能、生成物总能量、键能、化学能、热能、始态、终态、能量变化、焓。（2）微观内因（3 个）:化学键、化学键断裂、化学键形成。（3）反应类型（4个）:吸热反应、放热反应、中和反应、燃烧。（4）符号表征（3 个）:热化学方程式、能量守恒定律、盖斯定律。（5）热量种类（5个）:中和热、燃烧热、量热计、温度、热量。（6）影响因素（4个）:体系、环境、物质聚集状态、化学计量数。由此可以看出，有效概念注重阐述“反应热”的本质，尤其是能从宏观与微观的视角认识“反应热”本质。

三、结语

本研究通过对权威文本的分析提炼出“反应热”关联概念，所得的关联概念立足国内教材与课程标准，同时也借鉴国外文件，保证“反应热”关联概念具备可靠性与普适性。再者，通过高中化学教师和大学学科专家评定最终得到“反应热”主题内容的30个有效概念，可概括成6类。其遴选程序可为中学理科概念的“有效概念”研究提供思路与范式。

“反应热”主题内容的有效概念较为充分地反映出该主题内容的核心知识，遴选结果可为中学化学教材的编写以及化学教育实践中科学有效开展概念教学提供参考。教师在教学与命题过程中要注重利用“有效概念”，促进学生对学科大概念、核心概念的本原性理解，减少认知负担，从而促进学生培养化学学科核心素养。