中美高中化学教材对现代科技前沿知识的比较

（一）知识的前沿性和更新速度

随着科技的发展和进步，各国理科教材中都加入了许多科技前沿知识，以开阔学生的眼界并让他们关注科技动态。正因为是科技前沿知识，所以就要求在教材编写时考虑到教材的使用年限和科技前沿知识的更新。在这一方面两国教材的编写各有特点，例如：人教版《化学》必修1的第四章中，有关于新型陶瓷的相关介绍，包括不同性质和用途的陶瓷材料及相关应用。选修中有一个“科学视野”的主题是“几种功能高分子材料”，介绍了2000年诺贝尔化学奖的研究成果——能导电的高分子化合物，高吸水性树脂和微胶囊，对于学生学习合成材料的性质有很大的帮助。

在《化学：物质与变化》一书中，其前沿性还体现在把最新的科技成果引入教材。这些教材的更新非常快，几乎每3～4年就更新一次。对于“化学与科技”这一部分的内容也有专门的栏目，不仅提供相关材料供学生阅读，每个主题后面都附上网址，随时更新该领域科技的发展和成就。例如：其中一个主题是“碳会比钢更硬吗”，这部分内容以一个吸引眼球的问题引入，为学生介绍了碳纤维合成材料在日常生活中的应用及其发展历程，并指出随着科技的不断进步，一开始为航空工业设计制造的碳纤维逐步进入了大众日常生活中，为人民生活带来切实的便利。随后，教材又介绍了碳纤维的定义以及第一种碳纤维——聚丙烯酰胺的合成过程。而后文章为学生揭示了碳纤维未来众多的应用方向，包括假肢、乐器、运动头盔、护具等。并在最后让学生思考与传统金属材料对比，碳纤维在假肢领域的优越性。整体而言，这一部分的内容贴近日常生活，为学生展示了将尖端化工科技应用到日常生活中的过程，能够激发学生对于化学学习的兴趣。

（二）现代科技前沿知识出现的频率

在人教版《化学》中关于现代科技前沿知识的介绍集中在必修的“科学视野”这个栏目中，还有选修2《化学与技术》一书中。以必修的“科学视野”栏目出现的频率作为统计，如表2-28所示。

表2-28　人教版《化学》必修“科学视野”栏目的出现频率

续表

由表2-28可以看出，作为对于现代科技的介绍为主要目的而设置的“科学视野”，基本上是每一章都有两个主题，内容与本章相关，包括相关的科技发展进程、现代生产技术及发展前景等。

《化学：物质与变化》中关于现代科技的介绍集中在“化学与社会”和“化学与科技”两个栏目中，每章最多一个栏目，根据内容设置，有的章没有该栏目的设置。整本教材共10个栏目，每个栏目基本占一到两页纸，内容全面，包括与本章相关的科技发展状况及未来发展的方向等。

从该部分内容出现的频率来看，人教版《化学》中的该部分内容出现的频率更高。《化学：物质与变化》中虽然栏目设置的个数和在教材中出现的频率不高，但是在教材正文内容或探究实验中也有很多关于现代科技发展的例子和介绍。例如：在第4章第2节中，有个探究实验关于“解读STM图像”，给出了STM的介绍以及在STM下观察到的硅原子形成的六边形结构、铁原子中的电子等，对于STM的工作原理和应用范围介绍得非常清楚。

（三）现代科技前沿知识的难度及要求(www.xing528.com)

人教版《化学》会把“科学视野”放在章的最后，对于科技前沿和现代科学技术解释得非常清楚。在选修课本中，4个单元中的11个课题的内容都要求学生掌握，例如：第一单元的课题2非常详尽地介绍了纯碱的生产工艺，包括氨碱法生产纯碱和联合制碱法、制碱工艺发展流程、反应方程式、生产流程、探究性实验等，需要学生具有一定的化学学习基础，尤其是工业流程设计、化学反应原理和各类化学品在日常生活中的应用等。该课题后的一个练习为“设计以纯碱、生石灰和水为原料生产烧碱的实验方案，写出有关反应的化学方程式。”另外，在选修课本的习题和练习部分，编排了一些实际生产中会出现的经济成本问题、环境问题或者产率问题，培养学生综合思考分析问题的能力。例如：在硫酸生产这一课题后的练习中有这样一道问题“某工厂每天要烧掉含硫1.6%的烟煤100 t，排放出的SO2会严重污染环境。如果变废为宝，将这些SO2回收利用，那么在理论上每年可生产98%的浓硫酸多少吨？”

《化学：物质与变化》中对科技前沿知识介绍得非常详尽，一般由相关物质性质、反应原理、日常应用及“相关调查（Investigating the Technology）”等部分组成。其中，“相关调查”对于学生的阅读科技材料和获取信息的能力是一个很好的锻炼。例如：在“燃料电池”一主题中，最后一个部分“相关调查”中设置了两个问题“如何让工业电解在实际生产中更加环保、更加经济？调查富勒烯和纳米管在氢燃料电池领域的应用。”这就要求学生在阅读完关于燃料电池的相关材料后总结相关内容并写出相对正规的调查报告，这一能力的培养在学生日后的学习中至关重要。

在美国《国家科学教育标准》中，对于学生在“科学与技术”方面的要求是“了解进行技术设计所需要的一般过程，具有理解科学与技术的能力。”例如：所有技术设计都有一定的局限性，完美无缺的设计方案是不存在的。所有技术解决方案都是利弊权衡的结果，要考虑安全性、成本、效率和外观等。“从个人和社会视角所见的科学”内容的所有标准主题如个人卫生和公共卫生、人口增长、自然资源、环境质量等都与技术密切相关。通过对这些问题的探讨学习，学生也可以纠正已经存在的一些与科技有关的错误概念和认知。

《化学：物质与变化》中还经常会涉及关于科技发展给人类带来的益处和弊端。例如在第6章元素周期表的历史中，有这样一段话：“1870年，已经有大概70种化学物质被发现，这几乎是拉瓦锡时期的三倍。但是工业革命也带来了很多问题，例如化学污染问题。”在文中同时给出了伦敦雾霾事件给我们带来的思考，并引导学生思考科技发展对于人类的影响。再如教材开头第1章第1节用了一整节的内容讲解氟氯昂对臭氧层的影响，以及各国对氟氯昂使用的限制。这样的范例在美国的教材中还有很多，这也提醒学生学习化学的意义：迅猛发展的化学已成为生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、信息科学等领域的重要基础，它在解决人类社会发展过程中面临的问题、提高人类的生活质量、促使人与自然和谐相处等方面发挥着重要的作用，如何辩证地看待科技发展对于我们生活所带来的影响是我们学习化学的最终目标。

（四）现代科技前沿知识的实践教学情况比较

人教版《化学》中对于现代科技的介绍一般以文字形式进行呈现，偶尔配有插图辅助学生理解，必修课本中都有彩色插图以吸引学生的兴趣，并通常以简洁明了的流程图和通俗易懂的语言向学生解释与现代科技相关的化学常识。例如在必修2第二章中关于生物体中的能量转化如图2-8所示。

这部分内容不会占太大篇幅，位于章末供学生阅读，如果没有教师的合理引导，学生很有可能在学习过程中忽略这部分的学习。在教师用书中，对于“科学视野”栏目的教学通常安排在最后，作为实际应用的案例。例如：上面的范例在教师用书中对于学生知识与技能方面的要求是“能源在人类过去、未来的生存和发展中起什么作用”，对于情感态度价值观方面的要求是“认识化学反应作为能源动力的社会应用及正、负面影响”。根据相关调查，对于教师的实践教学经历来说，大部分教师积极支持“科学视野”资源的开发，有少量的教师已经在平时的生活中，有意识地收集与化学相关的科技前沿和社会热点的资料，但是有一些教师由于课时安排原因或者教学资源有限并没有在实际教学中开展“科学视野”中有关科技前沿知识的教学［19］。

图2-8　人教版《化学》“科学视野”栏目案例［23］

总体来说，《化学：物质与变化》内容覆盖面较宽，但对元素的物理和化学性质的叙述非常少。似乎美国教材对元素性质的叙述是最少的，而对有机化学的阐述更少，如果教师不适当补充的话，可能导致学生连一些基本的化学反应也不了解。教材的前沿性并不意味着教材深奥难懂。由于配上了很多生动的插图，教师在教学时并没有感到特别困难。教材对于科技前沿知识和原理解释多以文字和插图相结合的形式，力求学生通过自学或者在教师引导下获取更多的信息。例如第11章的“化学与技术”栏目的主题是制药工业（Making Medicines），在对应的教师用书中明确规定了相应的教学目的、教学背景、教学策略和调查研究指导方法，强调了这部分内容在整个章节教学中的重要性。具体内容如图2-9所示。

图2-9　《化学：物质与变化》“化学与科技”栏目案例［20］

《化学：物质与变化》中的“如何工作（How It Works）”栏目中，对于生活中所用到的化学品在工业上的生产原理进行了详细的介绍，用科学性的语言描述让学生对于某些化学品的性质和制备过程有了更深入的理解。例如：第5章中该栏目的设置位于第2节中，对激光器的内部结构图中的各个部分做了详细的介绍，并且从激光产生的原理和传播的过程都做了详细的解释，如图2-10。因为在该章内容总的电磁波谱里面没有列入激光，但是激光的运用在生活中非常广泛，这一个栏目的增加对于学生理解光子在激光产生中的释放过程很有帮助。