多版本中美高中化学教科书“热化学”内容的比较研究

田 润 潘冠文

（上海星河湾双语学校，上海 201108）

能量观是化学科学的核心观念。［1］我国的能源转型是“碳达峰”、“碳中和”重大战略目标实现的关键。［2］高中阶段的“热化学”教学将为构建学生能量观和可持续发展思想，培养能源技术革新相关的化学化工人才打下坚实的基础。

化学教科书是达成教学目标的重要载体和工具，［3］通过国际比较研究，对比教科书“热化学”内容选择、组织编排、呈现方式的异同，聚焦国外教科书的编写特色，能为教师的创造性备课提供更多思路和资源素材。

一、研究样本

基于我国教科书“一标多本”的大背景，本研究选取了中美广泛使用的教科书各两版，以增强研究的客观性和丰富性。教科书样本具体信息见表1。

表1 教科书样本信息

二、内容选择的比较

“热化学”知识体系，核心内容分为3部分——“体系与能量”“化学反应的热效应”“热效应的应用”，根据概念的深广度细分为33个具体知识条目。各版教科书内容选取情况如表2所示，“√”表示选取，“-”表示未选取。

中国教科书以培养学生的学科素养和化学核心观念为出发点，精选核心知识加以适当拓展。人教版从广度上拓展，如通过知识迁移学习燃烧热；鲁科版从深度上拓展，如增加了体积功的描述，认知难度在人教版和两版美国教科书之间。

美国教科书涉及的知识条目较全，但正文篇幅大约是中国教科书的三倍，特点是:

（1）追求知识体系的完整性，如将生成焓也作为学习重点；

（2）注重概念的精确表述和完整推导，如包含焓变的公式推导；

（3）与能量、能源利用相关的STS 内容作为知识本体详细讲述，占6~8页。

因此，在知识的深广度方面对学生提出较大挑战。

三、组织编排的比较

各版教科书总体编排思路都为“能量转化→反应通过对比分析，中美教科书“热化学”的组织编排主要在以下三方面存在不同:热的概念→反应热的测定→反应热的计算”，表3对内容的组织编排进行了对比。

表3 教科书中“热化学”的组织编排

1.编排方式

中国教科书以螺旋式编排，按定量和抽象程度将“吸热反应与放热反应”和“反应热与焓变”分置于必修和选择性必修阶段中，遵循知识发展逻辑和学生认知发展规律。

美国教科书“热化学”独立成章，直线式编排，强调知识内在逻辑和系统化，以满足有志于深入研习化学的学生学习需求。

2.能量观的构建

中国教科书将“热化学”与“电化学”整合，构建能量分类观、转化观和守恒观。鲁科版必修2以更上位的“化学键化学反应规律”统领内容，将能量观与微粒观统一起来，深化了结构决定性质的核心观念。

美国教科书中的能量观构建得比较隐性，工具性大于观念性，将“热化学方程式”这一符号表征作为能量转化观和守恒观的化身，贯穿于其他知识主题，如“元素周期律”中的电离能和亲和能、“化学键”中的晶格能、“溶液”形成中的热效应等。

3.STS内容的组织

中国教科书将STS内容融于化学知识之中，设置思考讨论、查找资料等活动，如人教版选择性必修1在“燃烧热”一目下提及了煤、石油、天然气是重要的化石燃料，介绍了“重要的体内能源——脂肪”，安排了“了解火箭推进剂”的研究与实践活动。

美国教科书将STS 内容显性化地冠名为“节”，C版的STS 内容更是占据两节，内容详实，如详细介绍了氢能源的潜力，生产、储存、运输的困难。有关氢能源的生产，从方法上介绍了电解、热解、光解法等，从原料上介绍了甲烷和蒸汽、海水、生物质等，交代了研究工作所属的大学和教授，内容具有时代前沿性，也尽可能地通过热化学方程式、盖斯定律等化学知识进行表征和解释。

四、内容呈现的比较

内容呈现的比较分为插图设计、栏目设计和习题设计三大部分。

1.插图设计的比较

“宏—微—符”三重表征契合化学学科特点，［10］本研究将插图表征类型作为插图设计比较的切入点，统计结果见表4。

表4 教科书不同表征类型的插图数量

总体上，美国教科书插图更为丰富，尤其在多重表征图方面，除了需要表征的知识点更多外，同一个知识点可能有多幅表征图。

注:统计数据包含未编号插图。

具体来看，四版教科书的插图设计具有一定的共性:

第一，宏观表征图都主要集中于反应吸放热的现象、量热计、热效应的应用，且数量相当。

第二，微观表征图很少或没有，因为“热化学”中微观表征对象主要为动态的化学变化，需要与符号表征联用。

第三，采用了相似的符号表征图表示化学反应过程中的能量变化和焓变。

两版美国教科书采用了更多的多重表征图，插图各具特色。

第一，C版将高清照片和模拟图相结合，既还原真实情境激发学习兴趣，又聚焦关键要素便于学生理解，如图1（a）是弹式量热计构造的模拟图，图1（b）展示了弹式量热计中的核心部件——不锈钢弹筒。

图1 （a）弹式量热计的构造；（b）弹式量热计中的不锈钢弹筒

第二，P 版善用类比、举例的策略多角度、多层次地表征同一个抽象知识。如同样展示内能变化与热和功的关系，图2（a）和图2（b）是两则宏观反应实例，展现化学能的转化的两种方式；图3用存取款类比热和功对内能的改变，直观定性；图4以电池工作为例，进一步从定量角度说明内能变化与热和功的关系。

图2 （a）放热的化学反应；（b）做功的化学反应

图3 系统内能的“存取”

图4 （a）和（b）两种不同过程的内能变化相同

第三，P 版和C 版中微观-符号表征丰富，强调研究物质变化的微观和定量视角。图5 来自P 版，展示反应焓与键焓的关系；图6来自C版，展示反应焓与生成焓的关系。它们都通过微观表征展现物质组成的变化，通过符号表征将总反应处理成多个反应步骤的叠加，学生通过迁移应用“盖斯定律”自发推理出根据键焓或生成焓计算反应焓的公式，加强知识网络的建构，推动化学思维发展。

图5 运用键焓估算反应焓

图6 运用生成焓计算反应焓

2.栏目设计的比较

栏目设计影响着教师教学方法和学生学习活动。各版教科书的栏目名称虽有差异，但教学功能相同，表5总结对比了各版教科书不同功能类型栏目的数量。

表5 教科书不同功能类型栏目的数量

（1）探究实践类栏目

中国教科书以丰富的实验、调查等探究活动贯穿于学习各阶段，如鲁科版在课中的“活动·探究”栏目针对具体概念建构，章后的“微项目”栏目以项目式学习的方式，综合运用知识解决实际复杂问题，有利于科学思维的塑造。

美国教科书在课中正文部分没有学生实践探究活动的栏目化设计，如量热法在书中单独编排为节，详细介绍实验仪器、原理和计算方法，教师需准备额外的实验教材安排学生实验。

P 版在章末的探究实践类栏目——“设计一个实验”特色鲜明，下面缩略式地呈现案例并进行分析。

“设计一个实验”案例

想象你生活在180 年前，那时候功和热的关系还未知。你提出了一个猜想……为了检验这个猜想，你设计了一个实验装置……这其实就是1840 年焦耳的一个经典实验。你可以在网上搜索到……

问题:

（a）运用这个实验装置，你需要哪些测量值检验你的假设？

（b）在分析实验数据中你会使用什么公式？

（c）你认为能凭借一次单一的实验获得理想的结果吗？为什么？

（d）仪器的精确性将以何种方式影响你的结论？

（e）如果你在现在而非180年前做这个实验，列出从哪些方面修正仪器。

（f）举例展示热和另一种功（非机械功）之间的关系。

这是一项以化学史作为情境的探究活动，通过分析和改进著名科学家焦耳的实验，激发学生学习兴趣和成就感。注重信息收集分析能力和实验思维的培养，通过问题设置引导学生分析实验原理、装置、数据收集和处理，实验设计强调实验的准确度和精确度。

（2）思考讨论类栏目

鲁科版重视思考讨论类栏目在整个教学过程中的不同功能，设置有创设问题情境的“联想·质疑”栏

（3）拓展延伸类栏目

四版教科书拓展延伸类栏目数量差不多，除了C版外，其他三版教科书都从深入概念理解和联系社会目、进行概念建构的“交流·研讨”栏目和促进巩固提升的“迁移·应用”栏目。

P 版的思考讨论类栏目远多于其他三版教科书，特色是插图的栏目化设计。31幅插图中共有17幅设置了思考问题，称之为“go figure”（看一看）栏目，有利于提高学生通过宏—微—符三重表征进行观察思考的能力。例如图7所示的栏目需要学生仔细观察量热计的构造并思考背后的设计原理，回答“你为什么认为通常需要两个泡沫塑料杯，而非一个？”；图8所示的栏目需要学生通过对盖斯定律的理解和图像化思维，回答“假设总反应生成的是2H2O（g）而非2H2O（l）。图中的ΔH是否还保持不变？”生活两方面进行内容延伸，各版教科书的拓展延伸类栏目内容如表6所示。

图7 咖啡杯量热计

四版教科书联系社会生活的内容素材各不相同，美国教科书的拓展延伸类栏目篇幅更长，也能够为教师创设教学情境提供灵感。

（4）例题导引类栏目

中国教科书将反应热的计算单列为节或目，而非栏目。美国教科书有大量的例题栏目，图9和图10分别呈现了C版和P版教科书中例题栏目的结构化设计。

图9 C版教科书例题栏目的结构化设计

图10 P版教科书例题栏目的结构化设计

两版美国教科书的例题栏目设计思路类似，注重结构化讲解解题步骤，使学生掌握问题解决模型并举一反三，练习巩固。

从解题步骤来看，C 版的“我们从哪儿开始？”和“我们知道什么？”与P 版的“分析”为明确未知量和已知量；C 版的“我们怎么求解？”与P 版的“计划”和“解决”为明确要用的计算公式，带入数据求出结果；C 版的“现实检验”和P 版的“评价”为定性分析或通过事实性知识检验结果的合理性，常常需要联系实际生活。

（5）归纳概括类栏目

两国教科书的归纳概括类栏目数量相当，中国教科书在内容归纳概括方面更具系统性，强调学科观念、思维和素养培养。人教版在章节末在“整理与提升”栏目中以图表构建概念体系，体现了知识本体和认识思路的结构化；鲁科版在“本章自我评价”栏目列出本章涉及的核心素养、发展重点和对应的学业要求。

美国教科书强调知识概念和解题技能的概括，两版教科书章后均列出知识条目和计算公式列表，P 版的“Learning Outcomes”栏目与鲁科版的学业要求相当，学生核对条目进行自评；C版还会在正文中实时地以栏目总结知识点或计算方法。

3.习题设计的比较

两版中国教科书有节末和章末习题，两版美国教科书有章末习题，数量总结见表7。

表7 教科书的习题数量

中国教科书的习题题型多样，包括选择题、填空题、计算题和问答题，题目少而精，鲁科版对习题进行了不同认知层次的分类。

美国教科书的习题为计算题和问答题，注重定量和定性分析，题目多，起到作业题库的作用，特色之处在于部分题目要求分析宏—微—符表征图，如P版中“概念的图像题”。

五、研究结论和启示

我国教科书的“热化学”内容指向学生核心素养的培养，以学生为主体；两版美国教科书对应的课程成绩满足一定要求后可兑换大学学分，倾向于知识本位。

通过对比发现，我国教科书的编写在内容精选、螺旋式编排方面更适合我国学生学习的需要；在能量观的构建、丰富的探究活动、知识和认识思路的结构化这些方面更具优势，有利于化学学科核心素养的实现。

教师在开设竞赛课、选修课时，可以适当借鉴美国教科书的知识内容体系、STS 内容、插图、习题素材以满足特定场合的教学需求。此外，总结美国教科书的编写特色还可以归纳出以下几点启示，以期在教师创造性备课方面提供一些思路。

1.强化三重表征思维

第一，灵活运用表征。结合课堂实际，可以通过类比、举例、模型等，采用不同认知难度、体现不同侧重点的多幅表征图。美国教科书中的表征图具有这样的特点，可以借鉴。

第二，展示多重表征。培养学生的三重表征转换思维能力，尤其需重视微观表征和符号表征的运用，如利用热化学方程式描述其他章节概念，迁移应用盖斯定律的微观—符号表征于键焓、生成焓等内容的学习中。

第三，表征贯穿教学评。注重表征图在知识阐释、思考活动、练习巩固、学生评价等环节中的应用，且具有一致性。教师可以通过以下问题反思优化表征图的应用:

（1）是否制定了有关三重表征思维培养的教学目标？

（2）如何通过表征图评价学生达到了该目标？

（3）如何就该目标使用表征图设计教学活动？

（4）可以就表征图提出什么问题？

（5）是否设计了表征图的变式练习？

2.将化学扎根现实

第一，选择时代前沿性的情境素材。以旧技术的迭代更新、新技术的横空出世和未来技术的概念设想作为情境素材，展现某项具体的研究现状或成果引发学生强烈的兴趣和共鸣。

第二，突显STS内容中化学的认识功能。通过微观表征、符号表征等细节内容，剖析STS 内容背后的化学原理，深度融合章节内的化学学科知识和社会性内容，彰显化学的学科价值。

第三，将化学史中的科学过程作为学习对象。化学史可以转化为学生参与体验的探究活动，通过分析实验原理、实验设计、实验过程、数据分析与结论，进而设计改进或替代方案，提高学生站在巨人肩膀上探索化学的信心和成就感。

3.关注信息素养的培养

第一，培养利用信息解决问题的意识。学生进行问题解决的任务时，教师可以引导学生显性表达“我们已知什么？”“我们还需要什么信息？”激发学生主动获取知识、获取信息的动机。如在“废铝回收再生和电解铝冶炼哪个能源消耗更少？”的问题中，学生已知热量计算方法，推理出需要铝的熔化热、氧化铝分解的反应焓等数据。

第二，示范“查阅相关资料”，提升信息品位。教师作为学习的指导者，可以先提供给学生论文期刊等文献对教科书中呈现的情境素材做补充，并注明文献来源，学生在积累了一定量的阅读研习后，将会提高信息的搜索和判断能力，再自行查阅资料。

第三，培养分析和评价信息的思维习惯。美版教科书中解题范式的“现实检验”或“评价”步骤值得借鉴，学生解题后可再对比真实数据、联系生活经验评估结果的合理性和现实意义。如反思为什么通过键焓计算的反应热与真实数据有差异、测量计算得出的蛋白质的热值是否与体内代谢能量相当等问题。