美國(guó)高中化學(xué)教材中“化學(xué)與技術(shù)”教育的啟示

摘要：美國(guó)高中化學(xué)教材《化學(xué)：概念與應(yīng)用》將“化學(xué)與技術(shù)”的內(nèi)容以15個(gè)專欄的形式鑲嵌在化學(xué)知識(shí)邏輯順序的主線上。通過(guò)實(shí)用技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和工業(yè)技術(shù)三種技術(shù)類型內(nèi)容的滲透，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)與科學(xué)素養(yǎng)，同時(shí)深化了化學(xué)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)與技術(shù)；美國(guó)高中；高中化學(xué)；化學(xué)教材

文章編號(hào)：1005－6629(2010)11－0051－04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

我國(guó)高中化學(xué)課程結(jié)構(gòu)中選修模塊《化學(xué)與技術(shù)》是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn)。本文通過(guò)分析美國(guó)高中化學(xué)教材“Chemistry: Concepts and Application”（以下稱《化學(xué)：概念和應(yīng)用》）[1]中技術(shù)教育的理念與實(shí)施方法，以期為我國(guó)高中化學(xué)選修模塊“化學(xué)與技術(shù)”教學(xué)的有效開展提供借鑒。

1美國(guó)高中化學(xué)教學(xué)中的技術(shù)教育內(nèi)容

科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)不可分割的整體，科學(xué)教育和技術(shù)教育在教學(xué)目標(biāo)的表述、課程資源的建設(shè)以及學(xué)生能力的形成方面已經(jīng)不可分割， 呈融合趨勢(shì)[2]。已再版7次的美國(guó)高中化學(xué)教材《化學(xué)：概念和應(yīng)用》中的技術(shù)教育內(nèi)容是融合在化學(xué)知識(shí)中，以“化學(xué)與技術(shù)”欄目（見表1）呈現(xiàn)的，具體可分為實(shí)用技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和工業(yè)技術(shù)[3]。

1.1實(shí)用技術(shù)

實(shí)用技術(shù)是指以化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，應(yīng)用于日常社會(huì)生活中的手段和方法。《化學(xué)：概念和應(yīng)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(shí)用技術(shù)內(nèi)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(yī)上的血液檢測(cè)、放射性元素在考古學(xué)上的應(yīng)用”。這些技術(shù)內(nèi)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(yīng)和核化學(xué)知識(shí)的問題情境，不僅引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)又能鞏固和拓展學(xué)生所學(xué)習(xí)的化學(xué)知識(shí)，而且讓學(xué)生體會(huì)、認(rèn)識(shí)化學(xué)科學(xué)的實(shí)用性。這些實(shí)用技術(shù)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(huì)文化（如“放射性元素在考古學(xué)上的應(yīng)用”）等多個(gè)領(lǐng)域。例如，“形狀記憶合金”設(shè)置在第三章元素周期表的第二節(jié)金屬元素后，學(xué)生對(duì)金屬元素與合金的概念已有了初步的認(rèn)識(shí)，教材在技術(shù)欄目中設(shè)置真實(shí)的問題情境來(lái)介紹形狀記憶合金，鞏固學(xué)生對(duì)金屬性質(zhì)和合金的認(rèn)識(shí)，拓展了學(xué)生對(duì)金屬的實(shí)用性及金屬對(duì)人類貢獻(xiàn)的了解。

案例：形狀記憶合金

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

技術(shù)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(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2），結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2在特定的條件下（溫度）可以相互轉(zhuǎn)化。 一種合金在一定溫度下結(jié)構(gòu)為1時(shí)，合金可以被彎曲成任意形狀；當(dāng)溫度改變至結(jié)構(gòu)1向結(jié)構(gòu)2轉(zhuǎn)化的特定溫度值時(shí)，合金的結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)1轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)2，此時(shí)已被彎曲的合金會(huì)自動(dòng)伸直；如果再改變溫度至轉(zhuǎn)化的特定溫度，合金的結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)2轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)1，合金又可以彎曲。只要控制特定的條件，合金就會(huì)顯示出該條件下的特性：伸直或者彎曲，相當(dāng)于有了記憶能力。

技術(shù)應(yīng)用：鎳鈦記憶合金的應(yīng)用——血栓過(guò)濾器。

血栓過(guò)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(guò)濾器折疊，置入靜脈血管內(nèi)；在人體體溫下，過(guò)濾器會(huì)自動(dòng)打開，恢復(fù)原狀，捕獲血液中的凝塊，阻止血液的凝塊進(jìn)入心臟和肺部，用于治療當(dāng)前發(fā)病率較高的血栓病。

拓展創(chuàng)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(fù)原狀？(2)應(yīng)用： 用鎳鈦合金設(shè)計(jì)一個(gè)能夠平穩(wěn)升降的簡(jiǎn)易杠桿。

1.2實(shí)驗(yàn)室技術(shù)

實(shí)驗(yàn)室技術(shù)是指用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的手段和方法。《化學(xué)：概念和應(yīng)用》介紹了化學(xué)科學(xué)研究中常用的一些現(xiàn)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(shù)，分布在教材的第七章原子結(jié)構(gòu)和第九章化學(xué)鍵中（見表1）。例如，色譜技術(shù)被編排在第九章化學(xué)鍵中。學(xué)生通過(guò)化學(xué)鍵的學(xué)習(xí)，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(shí)介紹色譜技術(shù)，讓學(xué)生感知分子之間作用力的存在，深化化學(xué)鍵與分子間作用力的概念。

案例：色譜技術(shù)

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(jì)其數(shù)。科學(xué)家設(shè)計(jì)了許多方法分離混合物，其中有一種方法是色譜技術(shù)。那么，什么是色譜呢？海報(bào)被雨水淋濕后，上面的字會(huì)模糊，這就是一個(gè)色譜的例子。”

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

技術(shù)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(chuàng)新： （1）識(shí)別被雨水浸透的紙畫上的固定相和流動(dòng)相； （2）設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(xué)生掌握色譜這種重要的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的同時(shí)，也了解了色譜技術(shù)在生活與工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。例如教材告訴學(xué)生便攜式氣相色譜儀與質(zhì)譜結(jié)合在一起可用來(lái)測(cè)定空氣中的污染性氣體。

1.3工業(yè)技術(shù)

工業(yè)技術(shù)是指用于工業(yè)制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的手段和方法。《化學(xué)：概念和應(yīng)用》在第六章化學(xué)反應(yīng)和平衡、第八章元素周期律、第十章物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)理論、第十二章定量化學(xué)、第十四章酸、堿和pH、第十七章電化學(xué)共6章中設(shè)計(jì)了工業(yè)技術(shù)內(nèi)容（見表1），包括“合成氨”、“空氣的分離”、“提高生成物的產(chǎn)率”、“硫酸的制備”、“碳和合金鋼”等。

“提高化學(xué)合成中生成物的產(chǎn)率”被編排在第十二章定量化學(xué)中。從硫酸的用途、經(jīng)濟(jì)效益和重要性等方面來(lái)說(shuō)明技術(shù)的開發(fā)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等因素有著密切的關(guān)系。

案例：“提高化學(xué)合成中生成物的產(chǎn)率” 技術(shù)

問題情境：“硫酸的產(chǎn)量一度被作為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要因素，產(chǎn)率是提高產(chǎn)量的決定因素。那么，如何提高硫酸的產(chǎn)率呢?”

技術(shù)原理：生產(chǎn)硫酸常用兩種方法—鉛室法和接觸法。

鉛室法是工業(yè)生產(chǎn)硫酸的第一種方法，由于這種方法生產(chǎn)的硫酸純度較低，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)僅有60～80 %，現(xiàn)已不常用。但是其生產(chǎn)成本低，在對(duì)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(chǎn)成本比鉛室法稍高，但是方法簡(jiǎn)便，硫酸產(chǎn)品純度高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)98%，產(chǎn)率高且沒有污染環(huán)境的副產(chǎn)物，因而被廣泛采用。接觸法共有四個(gè)步驟（用化學(xué)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(jìn)行）

第三步： SO3(g)+H2SO4(l)=H2S2O7(l)

第四步： H2S2O7(l)+H2O(l)=2H2SO4(l)

技術(shù)評(píng)價(jià)：從成本、催化劑、產(chǎn)物的質(zhì)量、產(chǎn)率和污染環(huán)境等幾個(gè)方面比較，最終確定使用接觸法。接觸法生產(chǎn)硫酸的原料豐富、產(chǎn)品純度高、產(chǎn)率高，且無(wú)污染環(huán)境的副產(chǎn)物。像接觸法這樣的合理且經(jīng)濟(jì)的化學(xué)生產(chǎn)技術(shù)我們稱之為綠色化學(xué)技術(shù)，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程所倡導(dǎo)的。

拓展創(chuàng)新：假設(shè)用煅燒硫鐵礦的方法生產(chǎn)二氧化硫，寫出化學(xué)方程式。硫酸是怎樣用于生產(chǎn)鹽酸的，寫出化學(xué)方程式。

2美國(guó)高中化學(xué)教材中技術(shù)教育的編排特點(diǎn)和啟示

2.1編排特點(diǎn)

2.1.1以欄目形式呈現(xiàn)，體現(xiàn)學(xué)科教學(xué)與技術(shù)教育的融合

教材中的技術(shù)教育內(nèi)容是以“技術(shù)(Technology)”欄目形式呈現(xiàn)，鑲嵌在化學(xué)知識(shí)邏輯順序的主線上，設(shè)置在知識(shí)教學(xué)內(nèi)容之后。技術(shù)教育內(nèi)容是化學(xué)知識(shí)教學(xué)的真實(shí)問題情境。技術(shù)教育與科學(xué)知識(shí)有機(jī)融合，達(dá)到相互促進(jìn)，給予學(xué)生完整的技術(shù)教育的作用。

2.1.2以系統(tǒng)的技術(shù)教育內(nèi)容展開，體現(xiàn)化學(xué)知識(shí)-生活問題-技術(shù)創(chuàng)新

每個(gè)“技術(shù)(Technology)”專欄都包括技術(shù)發(fā)展史或技術(shù)發(fā)明背景、技術(shù)原理及技術(shù)設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用類型、技術(shù)討論等4個(gè)子題目。教材在化學(xué)知識(shí)內(nèi)容后，以學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)和化學(xué)認(rèn)識(shí)水平為基礎(chǔ)，引入技術(shù)的發(fā)明背景；然后引入技術(shù)原理；再列舉技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例；接著引導(dǎo)學(xué)生分析評(píng)價(jià)該技術(shù)的設(shè)計(jì)。這種順序使學(xué)生認(rèn)識(shí)到技術(shù)是以嚴(yán)密的科學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)的，技術(shù)是進(jìn)行科學(xué)研究不可或缺的科學(xué)方法；讓學(xué)生感知化學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為技術(shù)產(chǎn)品的過(guò)程，形成根據(jù)科學(xué)原理設(shè)計(jì)、制作產(chǎn)品的技術(shù)觀念，發(fā)展學(xué)生利用化學(xué)材料的特殊功能制造出合格產(chǎn)品的技術(shù)能力，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)際化工生產(chǎn)技術(shù)問題的復(fù)雜性，了解技術(shù)不僅可以解決問題也可以制造新問題，技術(shù)的開發(fā)不可避免地涉及到效益及代價(jià)的權(quán)衡，技術(shù)的開發(fā)必須評(píng)價(jià)該技術(shù)對(duì)環(huán)境和社會(huì)的影響等各方面問題；最后讓學(xué)生討論該技術(shù)在解釋和解決生活和生產(chǎn)中的實(shí)際問題時(shí)所發(fā)揮的作用，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

2.2啟示

培養(yǎng)具有技術(shù)素養(yǎng)的現(xiàn)代公民， 提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)一直是美國(guó)科學(xué)教育的主旋律[4]。在學(xué)科教學(xué)中滲透技術(shù)教育，在學(xué)科教學(xué)活動(dòng)中，以拓展的方式培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)意識(shí)、技術(shù)觀念和技術(shù)設(shè)計(jì)能力等是美國(guó)實(shí)施知識(shí)的實(shí)用性教育即技術(shù)教育的重要途徑[5]。美國(guó)高中化學(xué)教材中的技術(shù)教育內(nèi)容分析與評(píng)析對(duì)我國(guó)高中化學(xué)選修模塊“化學(xué)與技術(shù)”教學(xué)的啟示如下。

2.2.1化學(xué)與技術(shù)教育的展開應(yīng)以化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)

技術(shù)教育內(nèi)容例如技術(shù)的應(yīng)用可以通過(guò)具體的技術(shù)實(shí)例，讓學(xué)生直觀和深刻地感受化學(xué)知識(shí)如何應(yīng)用于技術(shù)。化學(xué)知識(shí)和技術(shù)的有效融合有利于化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用性教育，讓化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用性和時(shí)代性更加外顯，知識(shí)因技術(shù)而鮮活起來(lái)，有利于化學(xué)知識(shí)的拓展，從而有利于化學(xué)知識(shí)的深化。

2.2.2 基于化學(xué)教學(xué)的技術(shù)教育要重視學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的提高

技術(shù)素養(yǎng)包括技術(shù)知識(shí)、技術(shù)能力、技術(shù)思考與行為的方式，其中技術(shù)能力是技術(shù)素養(yǎng)的核心。通過(guò)技術(shù)發(fā)明背景、技術(shù)原理及技術(shù)設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用類型和拓展等4個(gè)主題可以有效地提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。技術(shù)發(fā)明背景可以讓學(xué)生感受化學(xué)技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)，體會(huì)技術(shù)發(fā)展給人類和社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)；技術(shù)原理可以使學(xué)生理解技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)。技術(shù)應(yīng)用類型可以向?qū)W生展示技術(shù)在生產(chǎn)和生活中的具體應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣。拓展以問題解決為中心，通過(guò)開放的討論、辯論和交流，促使學(xué)生思考，發(fā)生思維碰撞，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造的潛能，提高學(xué)生問題解決能力。

2.2.3 化學(xué)教學(xué)與技術(shù)教育的融合有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高

創(chuàng)新能力包括創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力。美國(guó)高中化學(xué)教材中融入了多種與化學(xué)知識(shí)相關(guān)的技術(shù)類型，設(shè)置的拓展內(nèi)容讓學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)和技能解決實(shí)際生產(chǎn)和生活中的問題，為學(xué)生提供了進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，有利于創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2.2.4 化學(xué)教學(xué)與技術(shù)教育的融合有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成

比如：教材中工業(yè)技術(shù)“硫酸的制備”從成本、產(chǎn)物的質(zhì)量、產(chǎn)率和污染環(huán)境等幾個(gè)方面綜合考慮制定生產(chǎn)方案，有助于學(xué)生形成正確的科學(xué)價(jià)值觀，正確認(rèn)識(shí)技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系，理解化學(xué)知識(shí)在改進(jìn)技術(shù)、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展方面的重要作用。同時(shí)，將對(duì)科學(xué)技術(shù)的理解與整個(gè)人類、環(huán)境和文化系統(tǒng)的復(fù)雜性結(jié)合起來(lái)，并以此為根據(jù)對(duì)未來(lái)做出決策，有利于STS理念的滲透，有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。

美國(guó)高中化學(xué)教材化學(xué): 概念與應(yīng)用中的技術(shù)教育內(nèi)容，不僅為學(xué)生提供大量的應(yīng)用各種學(xué)科知識(shí)的技術(shù)，還重視讓學(xué)生了解技術(shù)的本質(zhì)，形成技術(shù)意識(shí)、技術(shù)觀念與技術(shù)能力等技術(shù)素養(yǎng)，形成對(duì)技術(shù)的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造意識(shí)和革新能力，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的技術(shù)世界中，為自己開拓一個(gè)更為廣闊的天地。 這種編排理念與方式對(duì)我國(guó)新的高中課程結(jié)構(gòu)中各技術(shù)模塊的教材編寫與教學(xué)有一定的啟示。

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