中美高中生物教材難度比較
——以“光合作用”為例

嚴 丹 吳萌希 任山章*

（1.杭州師范大學經亨頤教師教育學院 浙江杭州 310000）

（2.杭州市余杭區余杭第二高級中學 浙江杭州 311100）

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》提出要“調整教材內容，科學設計課程難度”。2019年中國發行了各版本高中生物新教材，2018年美國發行第二版高中生物教材。“光合作用”對生態系統的物質循環和能量流動都具有十分重要的意義，其概念與應用也是高中生物學的重要內容。下面使用史寧中與閆春更等建立的課程難度模型評價教材質量，對2019年人民教育出版社出版的高中生物教材“光合作用與能量轉化”（以下簡稱人教版）與美國高中主流生物教材《Biology：The dynamics of Life》“光合作用”（第二版，以下簡稱美國教材），進行定量對比分析，基于此提出一些新教材的使用建議。

1 研究方法

1.1 評價模型簡介

本研究結合史寧中等構建的教材課程難度定量模型與閆春更等建立的“二維度四指標”的教材難度評價模型，采用知識結構表征方法——Flow Map作為評價工具。

（1）史寧中等構建的教材課程難度定量模型，依據影響課程難度的3個因素的關系建構了課程難度定量模型：N=αS/T+（1-α）G/T（0＜α＜1）。其中，N表示課程難度，S表示課程深度，T表示課程時間，G表示課程廣度，α為加權系數，G/T指可見廣度，S/T指可見深度。該模型反映課程難度與可見廣度、可見深度呈正相關。廣度以知識目標的數量來量化，深度通過相應課程目標的不同要求程度的累積量來刻畫，時間的統計以課程標準中規定的課時量為依據，加權系數α暫未有廣泛認同的取值。

（2）閆春更等改進史寧中模型后建立“二維度四指標”的教材難度評價模型，增加整合廣度和表征深度兩個與課程難度負相關的指標。整合廣度是通過對課程內容的有效組織整合來實現對課程基本廣度的消解，計算公式為：整合廣度=流程圖中概念回訪總數/（概念總數目+概念回訪總數）。表征深度是通過內容表征時的信息處理水平的合理提升來實現對課程基本深度的消解，計算公式為：表征深度=高表征水平分值/（低表征水平分值+高表征水平分值）。為保證評價結果的可靠性，研究中通過兩名研究者采取這一方法分別對同一課程內容進行難度評價，然后針對各維度的數據結果計算一致性系數。

1.2 依據課程難度定量模型分析課程內容

從課程廣度、課程深度和課程時間3個維度對兩種教材進行課程內容分析（表1）。課程廣度以知識目標的數量來量化，人教版和美國教材課程廣度系數取值分別用G1、G2表示。課程深度使用課標中具體的行為動詞進行賦值，具體賦值如下：知識性目標的要求程度有了解、理解和應用，深度賦值分別為1分、2分、3分；技能性目標的程度有模仿和獨立操作，深度賦值分別為1分、3分；情感性目標的要求程度有經歷、反應和領悟，深度賦值分別為1分、2分、3分，人教版和美國教材課程深度系數取值分別用S1、S2表示。課程時間取該課程內容的課時，人教版和美國教材課程時間系數取值分別用T1、T2表示。

表1 中美高中生物教材“光合作用”課程廣度、課程深度和課程時間量化表

1.3 借助Flow Map繪制教材知識結構流程圖

圖1是用Flow Map方法繪制的美國教材“光合作用”概念體系知識結構流程圖。圖中文字呈現的是教材中知識或概念，按其出現的先后順序自上而下使用箭頭連接；回歸箭頭表示不同知識或概念間的“信息回訪”或“概念重現”；A、B、C、D是對每個知識或概念呈現時信息處理方式的評分（A為直接定義，B為描述，C為比較或對比，D為情景推理與解釋），并依次對其進行1分、2分、3分、4分的賦值，其中A、B為低表征水平，C、D為高表征水平。

圖1 美國教材中“光合作用”知識結構流程圖

2 結果分析與討論

按照上述方法，研究者1、研究者2分別對兩種教材中“光合作用”部分內容的可見廣度、可見深度、整合廣度和表征深度進行了分析和比較，結果依次記為統計1、統計2（表2），其中整合廣度一致性系數為0.863，表征深度一致性系數為0.782，信度良好。

表2 中美高中生物教材“光合作用”難度比較

2.1 課程廣度分析

由表2可見，中美可見廣度與整合廣度差異均不大。可見，廣度反映知識點的數量，取值越大，代表教材包含的知識點越多，相應的難度越大；整合廣度則反映知識點的整合性，取值越大，表明知識點之間的結構性越好，難度越小。結合表2數據，美國教材的可見廣度高于人教版，即知識點覆蓋面廣于人教版教材；整合廣度略小于人教版，即人教版的知識有效組織整合略高于美國教材。學習者的學習過程非直線式地對各知識點進行“機械性學習”，而是對某個學科知識結構的整體理解過程。因此，相對來說，人教版“光合作用”一節更容易學習。

進一步分析流程圖和教材內容，可從質性評價的角度審視兩種教材內容整合的特點。由圖1可知，美國教材按照“光合作用的化學方程式—光反應—葉綠體和色素—卡爾文循環—選擇性途徑”的順序編制教材，主要以概念轉變的形式進行組織，不利于對學生遷移應用能力的培養。此外，美國教材使用插圖解釋電子傳遞與卡爾文循環，增加了教材的整合廣度，有利于學生對光合作用的概念形成。

人教版圍繞兩個核心概念“葉綠體的結構”“光合作用”進行內容的組織。①通過“問題探討：生產實踐中的植物工廠如何進行環境條件控制”創設情境，由此引導學生思考光合作用的條件和原料方面的問題。②安排實驗“捕獲光能的色素”，以問題串貫穿正文的形式引導學生認識捕獲光能的色素和結構。③結合生物學史，引導學生認識光合作用的原理、過程與應用。與美國教材不同，人教版使用大量科學家的實驗，如恩格爾曼探究葉綠體功能、希爾探究光合作用原理等，不僅滲透生物學史，也是科學本質的教育——科學工作采用基于實證的范式，增加了可見廣度，有助于學生建立生物學觀念，了解科學知識產生的過程。

2.2 課程深度分析

由表2可見，中美可見深度差異較大，分別為4.33和6.00；表征深度差異也較大，分別為0.570和0.392。可見，深度通過對知識點本身的抽象度和所要求的思維深度來界定，數據越大，表明課程對學生要求越高，難度越大；表征深度則通過對信息處理水平的合理提升來實現對課程可見深度的消解，數據越大，則知識的抽象程度越小，課程難度越小。美國教材的可見深度高于人教版，而表征深度卻小于人教版，說明從課程深度看，人教版“光合作用”一節的課程難度較小。

從質性評價的角度分析中美教材內容表征的差異性，以“光合作用的原理”為例，人教版通過回憶光合作用的定義、化學方程式，從能量轉換角度提出光合作用釋放的氧氣來自哪里，討論科學家探究光合作用原理的實驗，結合示意圖，闡述光合作用是分階段進行的，并使用“符-宏-微”三重表征的方法，有利于學生形成科學思維、更好地理解光合作用原理。美國教材則直接給出光合作用反應式，結合圖片說明光合作用的發生分為兩個階段。

3 基于中美高中生物教材比較的啟示

（1）根據課程根本任務——立德樹人，教師在教學過程中應首先考慮光合作用的教育價值，既關注生命觀念與科學思維的形成，又注重科學探究與社會責任的培養。針對不同的教學內容，落實核心素養的側重點也應有所不同。例如，探索光合作用與呼吸作用時，要闡明細胞生命活動過程中貫穿著物質與能量的變化，教師應幫助學生建立起“物質與能量觀”；“探究光合作用影響因素”是全過程的探究活動，則是培養學生科學探究能力的重要載體。

（2）教師要注意巧用插圖。美國教材中“電子傳遞”與“卡爾文循環”的精美插圖更能直觀顯示光合作用的過程，且利于培養興趣、易于自學。在教學中，教師可借鑒其插圖，培養學生模型建構能力，使學生加深對光合作用機理的理解。

（3）教師要注重生物科學史和科學本質的學習，增加課程廣度。人教版大量使用的科學史能夠增加教材的可讀性與趣味性，同時又利于學生對知識點的理解。

（4）教師要落實科學、技術和社會相互關系的教育。人教版在課堂引入的植物工廠及光合作用原理在生產實踐中的應用都有體現。教師可升華這部分內容，如讓學生對如何提高農業生產的產量寫份建議書。