美國高中化學教材中“化學與技術”教育的啟示

摘要：美國高中化學教材《化學：概念與應用》將“化學與技術”的內容以15個專欄的形式鑲嵌在化學知識邏輯順序的主線上。通過實用技術、實驗室技術和工業技術三種技術類型內容的滲透，培養學生的技術素養與科學素養，同時深化了化學教學。

關鍵詞：化學與技術；美國高中；高中化學；化學教材

文章編號：1005－6629(2010)11－0051－04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

我國高中化學課程結構中選修模塊《化學與技術》是中學化學教學中的難點。本文通過分析美國高中化學教材“Chemistry: Concepts and Application”（以下稱《化學：概念和應用》）[1]中技術教育的理念與實施方法，以期為我國高中化學選修模塊“化學與技術”教學的有效開展提供借鑒。

1美國高中化學教學中的技術教育內容

科學與技術已經發展為一個不可分割的整體，科學教育和技術教育在教學目標的表述、課程資源的建設以及學生能力的形成方面已經不可分割， 呈融合趨勢[2]。已再版7次的美國高中化學教材《化學：概念和應用》中的技術教育內容是融合在化學知識中，以“化學與技術”欄目（見表1）呈現的，具體可分為實用技術、實驗室技術和工業技術[3]。

1.1實用技術

實用技術是指以化學知識為基礎，應用于日常社會生活中的手段和方法。《化學：概念和應用》在第三章、 第十一章、 第十三章 、 第十六章 、 第二十章 和第二十一章共6章中加入了實用技術內容（見表1），分別為“形狀記憶合金、高壓氧氣房、多功能膠體、法醫上的血液檢測、放射性元素在考古學上的應用”。這些技術內容分別作為元素周期律、氣體的體積、水和水溶液、氧化還原反應和核化學知識的問題情境，不僅引起學生的學習興趣，同時又能鞏固和拓展學生所學習的化學知識，而且讓學生體會、認識化學科學的實用性。這些實用技術涉及人類的健康（如“高壓氧氣房”）、日常生活用品（如“形狀記憶合金”）和社會文化（如“放射性元素在考古學上的應用”）等多個領域。例如，“形狀記憶合金”設置在第三章元素周期表的第二節金屬元素后，學生對金屬元素與合金的概念已有了初步的認識，教材在技術欄目中設置真實的問題情境來介紹形狀記憶合金，鞏固學生對金屬性質和合金的認識，拓展了學生對金屬的實用性及金屬對人類貢獻的了解。

案例：形狀記憶合金

問題情境：“超市中用來捆扎購物袋的鍍膜金屬絲的柔韌性很強，可以任意彎曲，既不會傷手指也不會扎破袋子。但是，如果我們將該彎曲的金屬絲放置在一個特定溫度下，它可以自發的伸直，這是為什么呢?”

技術原理：形狀記憶合金的“記憶”原理在于這種合金具有兩種晶體結構（結構1和結構2），結構1和結構2在特定的條件下（溫度）可以相互轉化。 一種合金在一定溫度下結構為1時，合金可以被彎曲成任意形狀；當溫度改變至結構1向結構2轉化的特定溫度值時，合金的結構由結構1轉化成結構2，此時已被彎曲的合金會自動伸直；如果再改變溫度至轉化的特定溫度，合金的結構由結構2轉化成結構1，合金又可以彎曲。只要控制特定的條件，合金就會顯示出該條件下的特性：伸直或者彎曲，相當于有了記憶能力。

技術應用：鎳鈦記憶合金的應用——血栓過濾器。

血栓過濾器由鎳鈦合金的金屬絲制造而成，工作原理是：在低于人體體溫的溫度下將過濾器折疊，置入靜脈血管內；在人體體溫下，過濾器會自動打開，恢復原狀，捕獲血液中的凝塊，阻止血液的凝塊進入心臟和肺部，用于治療當前發病率較高的血栓病。

拓展創新： (1)推斷：室溫下，改變鎳鈦合金鏡框的形狀，那么在高于室溫還是低于室溫的條件下，鏡框能夠恢復原狀？(2)應用： 用鎳鈦合金設計一個能夠平穩升降的簡易杠桿。

1.2實驗室技術

實驗室技術是指用于科學實驗研究的手段和方法。《化學：概念和應用》介紹了化學科學研究中常用的一些現代高科技方法，如掃描隧道顯微鏡、掃描探針顯微鏡、原子力顯微鏡和色譜分析技術，分布在教材的第七章原子結構和第九章化學鍵中（見表1）。例如，色譜技術被編排在第九章化學鍵中。學生通過化學鍵的學習，知道分子中的原子之間以及分子和分子之間都存在相互作用，既有引力也有斥力。這時介紹色譜技術，讓學生感知分子之間作用力的存在，深化化學鍵與分子間作用力的概念。

案例：色譜技術

問題情境：“生活中有很多混合物，比如：血液、空氣、食物等等，不計其數。科學家設計了許多方法分離混合物，其中有一種方法是色譜技術。那么，什么是色譜呢？海報被雨水淋濕后，上面的字會模糊，這就是一個色譜的例子。”

技術原理：利用待分離的各種物質在氣相或液相中的分配系數、吸附能力和親和能力等的不同達到分離混合物的目的。

技術類型：基于上述原理，介紹了紙色譜法、薄層色譜法、凝膠色譜法和氣相色譜法等四種常用的基本分離方法。

拓展創新： （1）識別被雨水浸透的紙畫上的固定相和流動相； （2）設計一個實驗方法，用紙色譜法分離一種混合物并獲取混合物中的純樣品。

學生掌握色譜這種重要的實驗室技術的同時，也了解了色譜技術在生活與工農業中的應用。例如教材告訴學生便攜式氣相色譜儀與質譜結合在一起可用來測定空氣中的污染性氣體。

1.3工業技術

工業技術是指用于工業制造和農業生產中的手段和方法。《化學：概念和應用》在第六章化學反應和平衡、第八章元素周期律、第十章物質的動力學理論、第十二章定量化學、第十四章酸、堿和pH、第十七章電化學共6章中設計了工業技術內容（見表1），包括“合成氨”、“空氣的分離”、“提高生成物的產率”、“硫酸的制備”、“碳和合金鋼”等。

“提高化學合成中生成物的產率”被編排在第十二章定量化學中。從硫酸的用途、經濟效益和重要性等方面來說明技術的開發與社會、經濟、環境等因素有著密切的關系。

案例：“提高化學合成中生成物的產率” 技術

問題情境：“硫酸的產量一度被作為衡量一個國家經濟發展水平的重要因素，產率是提高產量的決定因素。那么，如何提高硫酸的產率呢?”

技術原理：生產硫酸常用兩種方法—鉛室法和接觸法。

鉛室法是工業生產硫酸的第一種方法，由于這種方法生產的硫酸純度較低，質量百分數僅有60～80 %，現已不常用。但是其生產成本低，在對硫酸純度要求不高的情況下，可以采用此種工藝。

接觸法的生產成本比鉛室法稍高，但是方法簡便，硫酸產品純度高，質量分數可達98%，產率高且沒有污染環境的副產物，因而被廣泛采用。接觸法共有四個步驟（用化學方程式表示），

第一步： S(g)+O2(g)=SO2(g)

第二步： 2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g)（催化劑作用下進行）

第三步： SO3(g)+H2SO4(l)=H2S2O7(l)

第四步： H2S2O7(l)+H2O(l)=2H2SO4(l)

技術評價：從成本、催化劑、產物的質量、產率和污染環境等幾個方面比較，最終確定使用接觸法。接觸法生產硫酸的原料豐富、產品純度高、產率高，且無污染環境的副產物。像接觸法這樣的合理且經濟的化學生產技術我們稱之為綠色化學技術，是現代工業生產過程所倡導的。

拓展創新：假設用煅燒硫鐵礦的方法生產二氧化硫，寫出化學方程式。硫酸是怎樣用于生產鹽酸的，寫出化學方程式。

2美國高中化學教材中技術教育的編排特點和啟示

2.1編排特點

2.1.1以欄目形式呈現，體現學科教學與技術教育的融合

教材中的技術教育內容是以“技術(Technology)”欄目形式呈現，鑲嵌在化學知識邏輯順序的主線上，設置在知識教學內容之后。技術教育內容是化學知識教學的真實問題情境。技術教育與科學知識有機融合，達到相互促進，給予學生完整的技術教育的作用。

2.1.2以系統的技術教育內容展開，體現化學知識-生活問題-技術創新

每個“技術(Technology)”專欄都包括技術發展史或技術發明背景、技術原理及技術設計、技術應用類型、技術討論等4個子題目。教材在化學知識內容后，以學生已有的生活經驗和化學認識水平為基礎，引入技術的發明背景；然后引入技術原理；再列舉技術的應用實例；接著引導學生分析評價該技術的設計。這種順序使學生認識到技術是以嚴密的科學知識為基礎的，技術是進行科學研究不可或缺的科學方法；讓學生感知化學知識轉化為技術產品的過程，形成根據科學原理設計、制作產品的技術觀念，發展學生利用化學材料的特殊功能制造出合格產品的技術能力，引導學生認識實際化工生產技術問題的復雜性，了解技術不僅可以解決問題也可以制造新問題，技術的開發不可避免地涉及到效益及代價的權衡，技術的開發必須評價該技術對環境和社會的影響等各方面問題；最后讓學生討論該技術在解釋和解決生活和生產中的實際問題時所發揮的作用，培養學生解決問題的能力。

2.2啟示

培養具有技術素養的現代公民， 提升學生的科學素養和技術素養一直是美國科學教育的主旋律[4]。在學科教學中滲透技術教育，在學科教學活動中，以拓展的方式培養學生的技術意識、技術觀念和技術設計能力等是美國實施知識的實用性教育即技術教育的重要途徑[5]。美國高中化學教材中的技術教育內容分析與評析對我國高中化學選修模塊“化學與技術”教學的啟示如下。

2.2.1化學與技術教育的展開應以化學知識為基礎

技術教育內容例如技術的應用可以通過具體的技術實例，讓學生直觀和深刻地感受化學知識如何應用于技術。化學知識和技術的有效融合有利于化學知識的應用性教育，讓化學知識的應用性和時代性更加外顯，知識因技術而鮮活起來，有利于化學知識的拓展，從而有利于化學知識的深化。

2.2.2 基于化學教學的技術教育要重視學生技術素養的提高

技術素養包括技術知識、技術能力、技術思考與行為的方式，其中技術能力是技術素養的核心。通過技術發明背景、技術原理及技術設計、技術應用類型和拓展等4個主題可以有效地提升學生的技術素養。技術發明背景可以讓學生感受化學技術發展的脈絡，體會技術發展給人類和社會發展的貢獻；技術原理可以使學生理解技術的科學基礎。技術應用類型可以向學生展示技術在生產和生活中的具體應用，培養學生對技術學習的興趣。拓展以問題解決為中心，通過開放的討論、辯論和交流，促使學生思考，發生思維碰撞，激發學生創造的潛能，提高學生問題解決能力。

2.2.3 化學教學與技術教育的融合有利于學生創新能力的提高

創新能力包括創新思維和創新實踐能力。美國高中化學教材中融入了多種與化學知識相關的技術類型，設置的拓展內容讓學生利用所學的知識和技能解決實際生產和生活中的問題，為學生提供了進行科學實踐的機會，有利于創新實踐能力的培養。

2.2.4 化學教學與技術教育的融合有利于學生科學素養的形成

比如：教材中工業技術“硫酸的制備”從成本、產物的質量、產率和污染環境等幾個方面綜合考慮制定生產方案，有助于學生形成正確的科學價值觀，正確認識技術與社會的關系，理解化學知識在改進技術、促進社會發展方面的重要作用。同時，將對科學技術的理解與整個人類、環境和文化系統的復雜性結合起來，并以此為根據對未來做出決策，有利于STS理念的滲透，有效促進學生科學素養的提高。

美國高中化學教材化學: 概念與應用中的技術教育內容，不僅為學生提供大量的應用各種學科知識的技術，還重視讓學生了解技術的本質，形成技術意識、技術觀念與技術能力等技術素養，形成對技術的興趣、培養學生的創造意識和革新能力，在競爭激烈的技術世界中，為自己開拓一個更為廣闊的天地。 這種編排理念與方式對我國新的高中課程結構中各技術模塊的教材編寫與教學有一定的啟示。

參考文獻：

[1]陳亦人.現代科學技術概論[M].杭州：浙江科學技術出版社，2005.

[2]周青，楊輝祥，倪俊超.論技術教育的重要性[J].課程.教材.教法， 2004， (9): 64～68.

[3]徐杰.讓學生為技術世界做準備—美國技術教育改革的新動向[J].物理教師，2005，(9):50～53.

[4]周青，趙永春.美國高中化學教材中的職業生涯教育[J].外國中小學教育，2007，(4):60～65.

[5] John.S. Phillips， VictorS. Strozak， Cheryl Wistrom.CHEMISTRY: Concepts and Application， Glencoe/McGraw-Hill， copyright 2005.