高中“化學反應與能量轉化”內容及呈現方式比較

韓梅 任曉旭

摘 要 跨學科概念的研究對有效開展跨學科教學具有重要價值，“化學反應與能量轉化”主題內容具有跨學科性。以美國NGSS中“能量與物質”為分析視角，以依據《普通高中化學課程標準（2017年版）》編寫的我國新三版高中化學必修教材中“化學反應與能量轉化”主題內容為分析文本，從內容選取、圖像、欄目設置三個角度進行“能量與物質”跨學科概念觀點與跨學科性的比較分析，以期為高中化學教師更好地使用教材，開展“化學反應與能量轉化”主題跨學科教學提供參考。

關鍵詞 化學反應與能量轉化 能量與物質 跨學科概念 高中化學教材

作者簡介：韓梅（1979—），女，遼寧沈陽人，沈陽師范大學教師教育學院副教授，博士，碩士研究生導師，研究方向：學科課程與教學論、生態文明教育研究；任曉旭（1995—），女，遼寧鐵嶺人，沈陽師范大學碩士研究生，研究方向：化學教學研究。

基金項目：本文系中國教育學會2021年度教育科研專項重點課題“新時代中學生生態文明素養提升對策研究”（課題編號：21DY060605ZA）的階段性研究成果。

“化學反應與能量轉化”是高中化學必修主題3“物質結構基礎與化學反應規律”中的重要內容。化學反應伴隨著能量的變化，能量的流動、轉化及守恒不僅體現在化學學科中，在物理、生物、地理等學科中也有體現，有必要在“化學反應與能量轉化”的教學中適時融入其他學科的知識，培養學生的“能量觀”以及綜合解決問題的能力。跨學科概念是對理科知識共通性的高度概括，是科學課程“整合”理念的重要體現[1]，對有效開展跨學科教學具有重要支撐作用。2013年，美國頒布的《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS）中提出了四大學科領域的學科核心概念以及七大跨學科概念，“能量”是物質科學領域中重要的學科核心概念，“能量與物質”同時是七大跨學科概念之一[2]。“能量與物質”跨學科概念能夠為相關化學學科核心概念的學習提供一種認知支架，能夠加深學生對相關學科核心概念的理解和應用，在化學教學中具有重要地位。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）在“教材編寫建議”中指出：“應適當融合跨學科知識，發展學生解決綜合問題的能力”[3]83，雖未明確提及跨學科概念的表述，但是跨學科概念對于跨學科教學有效開展的價值不容質疑，即促進跨學科教學由知識層面上升到觀念層面。高中化學教材是化學課程標準的直接體現[4]240，也是高中化學教師組織開展教學的主要依據[4]246，跨學科概念能否在科學教育中發揮作用，在某種程度上取決于教材對其落實的程度和形式[5]。高中化學教材的編寫體現“能量與物質”跨學科概念的融入，對學生建構完整的物質轉化觀、能量觀具有積極價值。本文以NGSS中“能量與物質”跨學科概念的具體觀點為視角，以依據《新課標》編寫的三版必修教材中“化學反應與能量轉化”相關章節內容為分析文本，對其內容及呈現方式進行比較分析，以期為高中化學教師更好地使用教材開展“化學反應與能量轉化”的跨學科教學提供參考。

一、高中化學教材“化學反應與能量轉化”內容的比較分析

（一）研究對象與分析框架

本文以依據《新課標》編寫的人民教育出版社[6]（簡稱為“人教版”）、山東科學技術出版社[7]（簡稱為“魯科版”）、江蘇鳳凰教育出版社[8]（簡稱為“蘇教版”）三個版本普通高中化學必修教材中“化學反應與能量轉化”主題內容為研究對象，以“能量與物質”跨學科概念具體觀念為分析視角，比較分析三版必修教材中“化學反應與能量轉化”主題的內容及其呈現方式，具體比較分析主要從體現“能量與物質”跨學科概念的三個具體觀點的全面性、跨學科表述的顯性程度、體現程度三個角度進行比較，體現越全面、顯性度越強、程度越高，在落實“能量與物質”跨學科概念方面越具優勢。研究對象與分析框架相關信息如表1所示。

（二）“化學反應與能量轉化”內容的比較分析

基于“能量與物質”跨學科概念的視角，依據比較標準對必修課程主題3中“化學反應與能量轉化”內容要求及與之相匹配的三版必修教材相關章節內容進行比較分析。在體現“能量與物質”跨學科概念三個具體觀點的全面性方面，三版必修教材中“化學反應與能量轉化”內容均涉及化學反應與熱能（包括：放熱反應、吸熱反應，體系能量改變與化學鍵的關系、能源的合理利用）、化學反應與電能（包括：原電池的概念與原理、原電池的構成要件、化學電池）兩部分，與《新課標》的相關內容要求具有高度的一致性，對“能量與物質”跨學科概念中的觀點包括：①能量流動、②能量轉移、③能量守恒均有所體現，其中觀點③處于隱性層面，需要加以挖掘。具體來說，放熱反應、吸熱反應、體系能量改變與化學鍵的關系的內容主要體現了“能量與物質”跨學科概念的觀點①③，化學能向熱能以及電能的轉化及應用主要體現了“能量與物質”跨學科概念的觀點②。

在跨學科表述的顯性度方面，“能量與物質”跨學科概念具有理科共通性，相關觀點在物理、生物等學科中均有所體現。三版必修教材很少明確提出與物理、生物學科的關聯，只有魯科版教材在編寫化學能轉化為電能的知識時，明確提出了聯系物理學科中的電路知識，其他兩版教材主要以隱性的形式存在，需要教師在教學過程中積極建立與物理、生物學科的關聯，幫助學生全面理解化學反應中能量的流動、轉移與守恒。

在跨學科概念的體現程度方面，從內容所占篇幅與素材選取情況進行分析。三版必修教材“化學反應與能量轉化”主題內容在編排、所占篇幅與素材選取稍有不同。蘇教版對“能量與物質”跨學科概念的體現更為立體和飽滿。從相關章節編排與所占篇幅來看，人教版、魯科版相關內容集中分布于一節中，所占篇幅相當，分別為9頁、7.5頁；蘇教版相關內容則分散在兩節內容中，所占篇幅為13.5頁，高于人教版、魯科版，其中對化學反應與熱能著墨較多，引入了吸熱、放熱的定量表示（熱化學方程式）、熱值、電解池的概念，對“能量與物質”跨學科概念的體現更為立體和飽滿。從素材選取上來看，能源的合理利用方面，三版必修教材均選取了化石燃料（煤、石油、天然氣）、新能源（太陽能、氫能）作為素材，人教版、蘇教版還提及了風能等新能源的使用，其中蘇教版、魯科版均對氫能做了較為詳盡的介紹，蘇教版對太陽能的介紹也較為詳盡。可見，蘇教版在能源利用方面的素材選取稍具優勢，對“能量與物質”跨學科概念具體觀點的體現更為豐富、多元。

二、高中化學教材“化學反應與能量轉化”內容呈現方式的比較

教材的課文系統、欄目系統、圖像系統、習題系統之間的組配及功能的發揮是教科書呈現方式的主要體現方面[10]。本文僅對三版高中化學必修教材中“化學反應與能量轉化”相關內容的圖像系統、欄目系統進行比較分析。

（一）“化學反應與能量轉化”圖像設置的比較分析

教材的圖像系統具有形象直觀化的表述作用，有助于激發學生的學習興趣，增加感性認識，還可以幫助學生提高分析與歸納能力[11]177。高中化學教材中的圖像可分為圖片和表格兩類，其中圖片按形式和功能又可分為實驗圖、實物圖、示意圖、生產生活圖、肖像圖、統計圖等[11]91-94。示意圖、生產生活圖、實驗圖、實物圖、統計圖表均對“能量與物質”跨學科概念的建構起到一定的作用，據此對三版必修教材中“化學反應與能量轉化”的圖像設置（不包括整理類以及習題類欄目中的圖像）統計如圖1所示。

從圖1可以看出，三版必修教材在“化學反應與能量轉化”內容方面，針對各自編排特點對各類型圖像進行了有效的匹配，在一定程度上有助于理解“能量與物質”跨學科概念的具體觀點。在圖像總數方面，蘇教版必修教材（28幅）明顯高于人教版和魯科版必修教材（均15幅），說明蘇教版必修教材在呈現“化學反應與能量轉化”相關內容時比較重視圖像的選擇與配置，在圖像數量上具有一定的優勢。在圖像類型方面，人教版、魯科版均是示意圖和實驗圖數量較多，蘇教版示意圖和生產生活圖數量較多。可以看出在“化學反應與能量轉化”內容的圖像配置方面，三版必修教材都比較重視示意圖的使用，這與此部分內容的特點有關，示意圖有助于學生理解能量轉化的過程和“能量與物質”概念的建構。

三版必修教材的圖像在一定程度上體現了“化學反應與能量轉化”內容的跨學科性，其中示意圖與其他學科的聯系最多，能夠幫助學生深入理解復雜的反應原理。例如，三版必修教材中原電池原理示意圖展示了化學能轉化為電能的過程，主要體現了“能量與物質”跨學科概念中的觀點包括：①能量流動、②能量轉移。在理解氧化還原反應的同時，運用物理學知識以幫助理解電子、電流、離子的定向移動以及閉合回路的構成，有助于學生理解原電池的工作原理，解決生活中遇到的綜合問題。此外，從“能量與物質”跨學科概念視角，綜合多門學科知識，借助實驗圖能夠幫助學生理解實驗中的發光、吸放熱現象。通過真實的生產生活圖，學生能夠發現日常生產生活中所使用的物品、所遇到的問題需要綜合運用多門學科知識來創造與解決，進行跨學科教學。

（二）“化學反應與能量轉化”欄目設置的比較分析

高中化學教材中設置的欄目既是課程內容的載體，也承載了轉變學生的學習方式，落實學科核心素養培養的重要功能[12]。不同的欄目承載著不同的價值和功能，教師應有針對性地加以利用，以獲得理想的教學效果。人教版、蘇教版、魯科版三版必修教材在“化學反應與能量轉化”主題的欄目設置從種類方面（分別為8種、8種、10種）和總數方面（分別為11個、14個、13個）均具有豐富性，體現“能量與物質”跨學科概念的欄目各有特色，具體分析如下。

人教版必修教材雖未設置專門的跨學科欄目，但其“研究與實踐”（1個）、“信息搜索”（2個）欄目含有拓展學習內容的課題、項目研究和實踐活動，教師可對其進行適度開發，開展跨學科教學。例如，本主題“研究與實踐”欄目中研究課題是“了解車用能源”，通過此課題的研究能夠培養學生從不同學科角度分析和比較不同燃料和能量轉化方式的優劣，體會開發新的車用能源的重要意義。在分析與比較的過程中學生需要結合化學、物理、數學等學科知識，并能夠深刻領悟“能量與物質”跨學科概念中觀點②能量轉移的意義。

蘇教版必修教材涉及最多的欄目是“拓展視野”，出現次數達到了6次，其中4次出現在“化學能與電能的轉化”這一節內容中，在欄目中涉及了許多物理學科的電路知識以及與現實生活的聯系，對于教師綜合物理與化學學科知識從“能量與物質”跨學科概念視角出發開展跨學科教學，提升學生解決生活中實際問題的能力具有重要作用；蘇教版必修教材在欄目設置的亮點之一，即是設置了專門的跨學科欄目“跨學科鏈接”，體現了對跨學科教學的重視，但“化學反應與能量轉化”主題內容并未設置“跨學科鏈接”欄目，教師可以適當利用“拓展視野”欄目進行跨學科教學。

魯科版必修教材涉及最多的欄目是“活動探究”“交流研討”“遷移應用”，出現次數均為2次，可讓學生在探究、討論、應用中體悟到化學反應過程中物質的轉化以及能量的變化，對于激發學生的學習興趣，提升探究能力、綜合應用能力具有重要價值。魯科版必修教材的特色性欄目是“微項目”，該欄目對于教師基于項目式學習開展跨學科教學、引導學生運用跨學科知識解決實際問題、融合發展學科核心素養具有重要價值。在“化學反應與能量轉化”內容中“微項目”欄目的主題是“研究車用燃料及安全氣囊—利用化學反應解決實際問題”，通過此課題的研究能夠幫助學生建立化學反應中物質變化與能量變化的關聯，在解決實際問題的同時體會到“能量與物質”跨學科概念中觀點②能量轉移、③能量守恒的內涵。

三、結論與教學啟示

（一）結論

通過上述基于“能量與物質”跨學科概念的視角，三版必修教材中“化學反應與能量轉化”主題的內容及呈現方式的比較分析，得出以下結論。

1.在“化學反應與能量轉化”主題內容方面，與高中化學新課標具有較好的吻合度，對于“能量與物質”跨學科概念觀點均有一定的體現，但對于具體觀點的體現度存在差異。三版必修教材涉及的“化學反應與能量轉化”內容基本一致，但編排方式、所占篇幅與素材選取稍有不同；對于“能量與物質”跨學科概念的具體觀點的體現度存在差異，其中觀點②體現最充分，觀點①次之，觀點③則需要引申；與其他學科建立關聯的顯性度層面，魯科版教材在此方面稍具優勢，其他兩個版本教材主要以隱性的形式存在。

2.在“化學反應與能量轉化”內容圖像配置方面，圖像數量與類型的組配有利于建立跨學科關聯。圖像數量上蘇教版具有一定的優勢，優于人教版、魯科版教材；圖像類型上三版必修教材均是示意圖、實驗圖數量較多，蘇教版的生產生活圖數量也較多；圖像類型的功能與“化學反應與能量轉化”內容的特點做到了很好地匹配。其中，示意圖更能體現“能量與物質”跨學科概念的觀點，有利于建立跨學科關聯。

3.在“化學反應與能量轉化”內容欄目設置方面，三版必修教材在具體欄目的數量與類型匹配上存在差異，在相關跨學科欄目設計上各有特點。在跨學科欄目設計方面，蘇教版必修教材專門設計了跨學科欄目“跨學科鏈接”，但是本主題未有設置，可適當利用“拓展視野”欄目；人教版必修教材可以利用“研究與實踐”“信息搜索”欄目，魯科版必修教材設計了特色欄目“微項目”，這三種欄目在“能量與物質”跨學科概念教學中均有重要價值。

（二）教學啟示

結合上述三版必修教材中“化學反應與能量轉化”內容及呈現方式的比較分析結論，得出如下教學啟示與思考。

1.適當加強跨學科內容的體現度與顯性度。三版必修教材對于“能量與物質”跨學科概念的三個具體觀點均有一定的體現，但對于具體觀點的體現程度存在差異。從完整把握“化學反應與能量轉化”主題跨學科性的角度來說，對于具體觀點的呈現應具有一定均衡性與全面性，因此針對體現度相對不足的具體觀點，需要教師在教學中予以挖掘與提升，以便較為全面體現“能量與物質”跨學科概念的內涵。此外，“化學反應與能量轉化”主題作為具有跨學科性的內容，應積極與物理、生物學科建立關聯，三版必修教材對于跨學科內容體現的顯性度和增強師生的跨學科意識具有重要作用，因此有必要適當關注跨學科內容的顯性成分。化學教師在進行“化學反應與能量轉化”主題教學時，需要在深刻、全面領悟“能量與物質”跨學科概念具體觀點的基礎上，積極挖掘教材中化學能與電能轉化、能源合理利用的相關內容，建立與物理、生物學科的關聯，進而深化對此跨學科概念內涵的理解，促進真實問題的解決。

2.合理利用圖像功能開展跨學科教學。不同類型的圖像具有不同的功能，三版必修教材在“化學反應與能量轉化”主題相關內容的圖像數量、類型的配置上均體現了豐富性，不同類型圖像的功能與具體內容的特點也實現了很好的匹配，易于與其他學科建立關聯，其中示意圖在“能量與物質”跨學科概念教學中更具優勢。針對上述圖像的特點，化學教師在開展“化學反應與能量轉化”主題內容教學時，應合理選擇與應用，積極發揮各類圖像的應有價值。例如，三版必修教材中的原電池原理的結構示意圖展示了化學能轉化為電能的原理，直觀地體現了“能量與物質”跨學科概念中的觀點①②，此外理解原電池的工作原理不僅需要掌握氧化還原反應的知識，還需要聯系物理學科中的電路知識。“化學反應與能量轉化”主題相關圖像所蘊含的知識具有跨學科性，需要教師在教學中予以充分發掘、有效利用。

3.關注跨學科欄目的價值與有效使用。三版必修教材在“化學反應與能量轉化”主題相關跨學科欄目設置方面各具特色。蘇教版必修教材“拓展視野”欄目在本主題出現次數較多且便于與其他學科及生產生活相聯系，可利用其進行跨學科教學，但蘇教版專設的跨學科欄目“跨學科鏈接”在本主題未有體現；人教版、魯科版雖未專設跨學科欄目，但人教版必修教材的“研究與實踐”“信息搜索”以及魯科版必修教材的“微項目”欄目，其中蘊含著跨學科教學因素。化學教師應該充分挖掘上述欄目的跨學科因素與價值，積極開展跨學科教學活動設計與教學實踐，深化跨學科概念內涵的同時，促進綜合解決問題能力的提升。例如，蘇教版必修教材“拓展視野”欄目的一個主題是“太陽能及其利用”，體現了“能量與物質”跨學科概念中的觀點②③，綜合了化學、生物、物理等學科的知識解釋太陽能向生物質、化學能、電能的轉化，可為開展跨學科教學提供素材支撐。

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（責任編輯：姜顯光）