美国高中化学教材的特色总结及优化方案

在宏观、中观和微观三个层面分析完教材编制的理念之后，笔者以五版上海中学国际部在过去10多年里使用的化学教材为实际素材，并在此基础上对美国部分主流高中化学教材的特色核心栏目以及它们的内容进行了总体性梳理，总结出了它们具体的特色。

美国主流高中化学教材主要具备了如下几大特点——科学性、系统性、先进性、可读性和开放性，而这几大特点的背后又有相应的课程与心理学理论作为依据和基础。

1.科学性

化学教材的科学性是指在科学本质以及化学本质的指引下，向学生展示科学探究的概貌，在日常教学及实验活动中渗透科学探究精神与创新精神的培养，并列举化学科学发展的简明历史等。科学性不仅强调科学观点和方法的正确与否，还要强调对于实验结果可以有不同解释、不同假设，尽管实验结果只有一个。科学探究精神与创新精神的培养，则需要学生具备一定批判精神，不能单纯地接受某一个科学事实。这一特性的理论依据来自科学哲学中的科学方法论。

组织、安排科学方法的教学内容，有4种可能的模式［10］：

（1）设置专门的拓展型的科学方法课程。国内外的一些试验表明，这种模式难度较大，不容易取得好效果，尚需要下工夫进行研究。

（2）在化学课程中设置专门的科学方法教学单元。这种模式对第（1）种模式有所改善，但在本质上没有大的区别。

（3）把科学方法教育分散、融合在整个课程中。这种模式避免了科学方法跟研究对象的分离，减少了学习困难，但不利于学生对科学方法形成清晰、系统的认识。

（4）把科学方法教育分散、融合在整个课程中，在适当的教学阶段，引导学生对科学方法分别进行讨论和小结。

美国高中化学教材中对于科学方法论的处理，通常开辟专门的章节加以论述，呈现方式则是多样化。以上文提到的前四版美国教材为例，“科学方法及数据处理”教学内容的位置是处于教材的开篇阶段的部分章节。同时，它们也并不是机械地向学生展示科学研究的基本步骤，并要求学生机械地记忆这些步骤，而是将科学研究与化学甚至生活中的具体事例进行联系，再把这些科学研究的基本步骤渗透其中。而在“科学方法”相关章节的学习之后，教材也并没有将这一重要步骤淡化，相反，在后续的章节里，它得到了具体化、实例化与深入化，真正做到了“润物细无声”。而学生在四年的化学学习之后，也势必对基本研究方法有所掌握，即使在将来从事与化学无关的职业，也会有一定程度的批判精神与质疑精神，提升自己的科学素养，成为一个合格的世界公民。教材中每一个重要化学概念的引出都用大量的篇幅来说清原因和由来，很少有直接把结论呈现给学生读者的。

以最为经典的原子结构理论为例——

在《化学：与变化的世界相联系》一书里，为了讲清楚为什么科学家认为物质是由原子组成的、原子的结构理论是如何发展的，该书用了57页的篇幅和90多幅彩色插图来讲述原子结构和原子结构理论在一百多年中的发展过程，以及发展过程中每一次重大变革发生的原因和相关证据。

而在《化学：物质与变化》一书中，该内容占了63页以及38幅插图与8个表格。此外，还有8个不同的实验，STS类科技文章共计4篇，与历史关联的文章和与物理关联的文章各1篇。

在培生版《化学》一书中，该内容占了58页以及30幅插图与5个表格，用3个“化学与你”的专栏介绍了电子显微镜和发光二极管的技术以及原子模型的简史。另外，还有2个快速实验、2个微型实验、5个教师演示、5个学生活动等探究动手的环节。

以上三版教材均用了两个大章的篇幅，来向学生展示原子结构的发展历程以及电子排布的有关知识点。“学生们自然而然要询问原子的内部结构，让他们懂得‘我们是如何知道的’可能很困难，然而很重要。当原子结构存在的证据和论据被教师和教材的直接断言所取代的时候，高质量的学习和科学探究的精神和实践也就丧失殆尽了。尽管许多实验难以在学校的环境下再现，但是学生可以阅读一些实际报告并考察一下导致现代原子概念诞生的那一证据链。原子的本质远未被充分认识，科学家们仍然在继续研究原子并且已经发现构成中子和质子的更小成分。”［11］以上三版教材就是根据这一论述的精神，并结合相关课程理论和认知心理学的理论对原子结构这一化学学科里最基本、最经典的内容进行甄选和处理的。

除了原子结构理论，在元素周期表、气体定律、化学动力学、酸碱理论、有机化学史等内容上，也都可以找到“科学探究”这一科学本质中的最核心概念之一。美国高中教材对于这些概念性的知识，都不是简单地一笔带过，而是非常详细地介绍它们的由来以及目前对于这些概念的公众及科学家层面的认识程度。而且，美国教材也并不否认一些有争议的科学事实，比如：冷聚变争议，在《化学：与变化的世界相联系》一书里，它被安排在了第24章的第3节。这也许就是我们所说的科学精神里的探究性和批判性吧！

《IB化学》则将“科学本质”作为一个固定的栏目放在每一章的结尾部分，进行总结。同时在第11章专门讲解测量与数据处理，包括：化学实验中对测量的误差、不确定性、随机误差和系统误差、有效数字、计算过程中的有效数字的处理、用数据作图等。

在化学史实教育方面，每版教材也各有各的呈现方式。以培生版《化学》为例，“化学与你”这一栏目就包含了“历史”小栏目。在教材中，共有三处是以专栏的形式出现的化学史的长篇文字材料，分别是《原子模型的发展》（第5章）、《炸药的历史》（第11章）以及《亚历山大·伏特》（第21章）。

2.系统性

化学教材的系统性是指它整体展现了化学学科的基本逻辑结构，并以螺旋式、渐进式上升的方式由简入深，由表及里，同时兼顾了化学学科与外部世界的交叉与联系。这一特性的理论依据就是结构主义课程理论以及系统论。

布鲁纳认为：“不论我们选教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构。”［12］“而所谓结构，就是构成该学科的那些基本概念、原理和方法，是事物之间的基本关系在学科内部的体现。”［13］

我国系统科学研究的发动者和带头人钱学森教授曾经指出，个人和社会子系统是开放的复杂巨系统，涉及人的系统也是属于开放的复杂巨系统。化学教材系统涉及人，因而也属于开放的复杂巨系统。对开放的复杂巨系统，无法像简单系统或简单巨系统乃至复杂巨系统那样作严格的理论描述并得出精确的结论。钱学森教授指出，目前解决开放的复杂巨系统问题唯一的方法，就是使用综合继承法。对开放的复杂巨系统的综合集成要以人类积累的全部知识为基础来进行，要在整个现代科学知识体系中作大跨度的跳跃，实行“泛化”思维，集智慧之大成［14］。

美国教材按照化学学科本身的逻辑结构，以学科内容为主，紧密体现了该学科的理论体系。这样的安排能使学生对化学学科先由总体的了解，再进一步深化对课程的认识。从美国教材的章节安排可以看出，它是按照学科逻辑和教学规律来编写的，其中原子结构及化学键都处于理论性很强的内容，学生理解起来有一定的困难。然而，它却是学习元素周期表的基础，而元素周期表则是学习元素化学性质的主线，理解了元素周期表就领会了化学的部分精髓。除了《IB化学》和培生版《化学》，其他三版教材均在详细介绍了元素周期表的原理和规律后，仅用一节的篇幅就涵盖了大部分主族元素的化学性质。因为根据元素在周期表中的位置，学生已经可以推断出该元素组成原子的电子排布结构，从而可以推断出该元素大体上的化学性质了。培生版《化学》甚至把这一内容作为书后的附录。

3.先进性

教材的先进性是指教材每隔几年进行修订，并不断增添近代科学研究的最新成果、化学技术在生活中的最新应用以及与化学有关的职业等。这一特性的理论依据就是要素主义课程观和后现代主义课程观。从版次更新可以看出，化学教材每隔几年进行修订，不断增添近代科学最新研究成果，并与现代科技生活紧密结合，对前沿技术进行了介绍和探讨。

以国外教材独有的量子力学原子模型为例，尽管量子理论离中学生很遥远，但它通过化学教材，向学生揭示了科学研究的基本方法论。学生可能很长一段时间里无法亲自进行量子理论的研究和数据采集与处理，但通过化学课程的学习，可以了解到原子释放光谱和吸收光谱是可以通过现代仪器测量的。

正是由于教材会每隔一段时间根据实际情况进行修订与调整，这就保证并保持了教材的“新鲜度”。这是由科学技术的飞速发展所决定的，它需要通过教育改革及时地反映到课程教材中去。教材具有一定的先进性即时效性，这是美国教材的一大特征。在展示经典的近代科学研究成果的同时，我们在教材中还可以及时读到最新的研究成果，拉近了学生与前沿科学技术的距离。学生在课堂学习或课外学习中，就有机会一览化学的最新研究成果。

在《化学：与变化的世界相联系》一书里，共设有27个STS栏目，每章各有一篇文章。它们讨论一些跟本章节内容相关的、即时的、重要的，甚至有争议的科学技术发展的最新情况。这样不仅能够加深学生对概念的理解，更能引导它们的批判性思维，不仅可以通过课堂上的讨论，更可以通过自己的研究来实现［15］。

最新技术的展现和学习在AP以及IB教材的选修部分中表现得也尤为明显。AP教材的材料、冶金、环境化学、配位化学等内容虽然不在考试范围里，但作为知识面的拓展，学生还是可以通过自学等方式来了解化学技术最新前沿的发展趋势的。此外，生命教育在AP教材《化学：中心科学》里也占有一定的比重，有学者对此进行了详细的分析，如表2-14。(www.xing528.com)

表2-14　《化学：中心科学》生命教育相关内容

续表

续表

从生命教育的角度看，《化学：中心科学》主要采用专题与专栏结合的方式渗透生命教育。教材中共有14个专题涉及该章节化学知识与生命研究的关系，如“食物和燃料”是在“热化学”一章中，介绍了各种营养物质的能量转化和各种食物的燃烧热。教材最有特色的是设置了“化学与生命”专栏，有26个课题，选取一些引人入胜的话题，极易激发学生对化学和生命关系的关注和兴趣，如“熵和生命”栏目把化学中一个极抽象的定义“熵”与生命的自组织行为联系在一起，揭示了生命的神奇。教材还注意见缝插针，在引言、习题和其他的栏目中也有关于化学与生命关系的诠释。教材的这种编排方式，在保证本学科知识体系完善的基础上，把化学与生命自然地联系起来，既满足了化学学科的教学要求，又能有针对性地进行生命教育［16］。

根据2014年IB化学大纲的要求，《IB化学》选修部分有4项内容，分别是：材料、生物化学、能量以及药物化学。与传统纸质教材不同，这四项内容并没有印刷在剑桥版教材的后面，而是提供网络化的数字资源，供教师和学生选用。

除了最新技术及科学研究成果的展示，学生还可以通过化学教材了解到一切与化学有关的职业前景。

《化学：与变化世界相联系》的职业生涯教育栏目“从学校到工作”共有10篇文字。它包含了一名学生的简历、职业介绍、应聘技巧以及作者的话。这些职业有的需要高中文化，有的还需要博士及以上的文化。这些职业的基本信息以及化学学科知识在这些职业里所起的作用也会有所提及。

《化学：物质与变化》在每一章都有一个不同的与化学有关的职业介绍，共计26个不同的职业。从教师、科普作家，到科学家、工程师，甚至医生都有。涵盖面非常广泛。

在培生版《化学》里，职业教育是作为“化学与你”的子栏目出现的，全书共有6篇介绍化学相关职业的长篇文字，供学生阅读，分别是：《运动营养顾问》（第9章）、《大气化学家》（第14章）、《化学工程师》（第18章）、《农艺学家》（第19章）、《纵火调查员》（第22章）与《生物化学家》（第24章）。

高中四年是聚焦志趣、培养兴趣的重要阶段。在学科教育中渗透职业教育，可以让学生更直观地接触到相关职业，同时通过科学实验和活动，还可以让他们在中学阶段就提前体验科学研究。职业生涯教育的融入，丰富了化学课程资源，为化学教师拓宽了课程空间和教学视野，为化学课程资源的开发和利用开辟了新的领域，使化学课程内容更为丰富［17］。如果教材的支撑系统够完善，实验室的建设足够超前，学生甚至有机会在学校里就从事一些简单的科学家式的研究。

4.可读性

知识是千变万化的，学生要适应这一变化，变化是常量。教育的四大支柱包括：学会认知、学会做事、学会共同生活、学会生存。教材的可读性就是指化学教材以最通俗易懂的语言向学生展示化学学科的知识，并适合学生在一定程度上进行自主学习。这一特性的理论依据就是多元智能理论和建构主义认知心理学。

教材要提高学生学习的兴趣。虽然，美国化学教材课本十分厚重，但却丝毫没有削减学生学习的兴趣。相反，学生通过自学和预习，可以在上课之前就对化学有一个概貌性的认知，并通过与教师的沟通和课堂互动，及时解决在预习中遇到的一些问题，从而建构起符合自身认知与发展规律的个性化的化学知识。同时，为了吸引学生的兴趣，化学教材在插图和练习上也进行了一定的改革和创新。

以《化学：与变化的世界相联系》为例：

为了向学生生动地讲述电子的波粒二象性特征，教材在第4章第3节向学生展示了西方国家非常有名的“老妪/少女图”。学生读者可以从各自不同的视角以及对图片的不同理解出发，对图片进行相关的解构和重组，进而进入对电子特性的探究之中。

为了将学生引入“元素周期律”的学习，教材在第6章第1节开头的地方就展示了一幅在学生中非常常见的体育明星卡片的插图，并启发学生思考如何将这些明星卡片进行归类，进而探究元素在历史上是根据哪些指标（如：质量、原子序数等）进行归类和整理的。

在第18章“酸、碱和盐”的学习中，对于如何来定义“酸”与“碱”，教材在第1节开篇之处向学生展示了一幅“猫和狗”的图片，很多猫和狗在一起拍了合照。教材启发学生对酸碱定义是从对猫狗的定义入手的。“认识猫与狗是非常简单的，但是理解并定义这些动物却要花大力气。化学家面临着类似的两难问题：如何定义酸和碱。”简单的一句话，生动的一幅图，就将学生引入酸碱基本理论的学习之中去了。

在比较深奥的热力学第二定律的学习中，为了让学生理解什么是“熵”或“混乱度”的概念，教材在第23章第3节里同样用了生活中常见的拼版和扑克牌的插图作为类比，非常直观也非常有效地向学生展示了什么是“熵”。

中学生对未知事物充满了好奇，为了更生动形象地向他们展示元素递变规律，在第5章第3节“元素周期律”的正文最后，教材向学生展示了一张“外星球的元素周期表”。该元素周期表上共有42个外星元素，尽管它们看似陌生，却是学生已经在前5章的学习中遇到过的。该元素周期表旨在让学生根据已学的知识，来推导元素在其他星球可能的周期表位置。从过去10余年的实践来看，学生对这道新颖的问题非常有兴趣，这道题很受欢迎和好评。

为了符合学生实际认知，美国的化学教材降低了课程内容的难度，并在知识的广度上做足文章。布鲁纳的结构主义学说，通过科学课程的改革，又重新获得了活力。布鲁纳过去曾一度主张向小学生教授微积分，这无疑会招致批判。后来，布鲁纳又重新向公众解释了他的初衷，他主张的其实是向小学生教授“小学生”式的微积分。这一观点在化学教材的编制上也是同样适用的。教材编制要符合学生实际的认知发展水平，要面向大众化。目前的美国高中化学教材不能说是完全根据这一思路来改革，但至少在一定程度上已经消除了化学课程深奥、枯燥的印象，将来也会继续在《科学教育框架》以及《下一代科学教育标准》的指导下，推出一批更生动、更吸引学生的教材。

5.开放性

教材的开放性是指突破传统意义上的课堂教学模式，教材的实践可以在广义的范围内进行。同时，教材中的训练系统也突破了传统的练习册模式，开始注重学生阅读理解之后对科学事实、科学知识的多样分析。另外，教材的支撑系统也不再是单一化的教师参考用书，而是趋于多样化、高科技化。这一特性背后的课程理论就是后现代主义课程观主张的“耗散结构”与“自组织体系”。

美国中学化学教材附有大量的教学参考资料，设计教学过程的方方面面，非常实用，对提高教学的效率，提高教师的教学专业素养都很有帮助。这些参考资料包括学生用书、教师参考用书、学生实验手册、教师实验手册、教学光盘、视频片段、配套习题等。教师可以根据实际情况对教材内容进行二次开发，形成个性化的教学风格，提高学生的兴趣。

综上所述，美国化学教材的特色可总结如表2-15。

表2-15　美国化学教材特色总结