基于FLOW MAP的中美化學教材難度比較

高慧 王驕陽 閆春更 周青

摘要：采用FLOW MAP對中美四版化學教材中“物質的量”概念體系內容難度進行了測量與評價。定量統計表明，中國教材的整合廣度較美國教材高，表征深度較美國教材低。質性評價表明，美國教材的概念組織與整合設計以“化學計量思想與方法”演繹為內核，中國教材則以“物質的量相關概念的邏輯關系”演繹為內核；美國教材的內容表征注重情境線索搭建與類比思維的嵌入。

關鍵詞：FLOW MAP；教材難度比較；物質的量；化學教材

文章編號：1005–6629（2016）6–0019–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“物質的量”概念體系在中學化學中占有非常重要的地位[1]。該主題知識是化學計量的基礎，表征了宏觀與微觀之間的量化關系，對培養學生宏微結合的能力起到了關鍵性作用。“物質的量”概念體系包含的主要概念有：物質的量、阿伏伽德羅常數、摩爾質量、氣體摩爾體積、物質的量濃度。閆蒙鋼、鐘志健等人進行的實證研究均證明“物質的量”概念體系是教與學的難點[2，3]。“物質的量”核心概念體系把人們的研究視野從宏觀引入微觀，在微觀的世界里，需要人們更多地使用抽象邏輯思維來重新認識事物，學生認知水平的欠缺造成物質的量有關概念學習困難，教師的經驗錯覺與課程共建意識不夠又一次加大了學生學習的難度[4]。從教材特點分析出造成“物質的量”教學困難的5個方面：（1）概念多；（2）理論性強；（3）內容抽象；（4）符號雜；（5）計算難[5，6]。

對于這一學科教學難點，相關內容的教材編寫是如何回應的？本研究選取由人民教育出版社、山東科學技術出版社、江蘇教育出版社出版的三種代表性的中國高中化學教材（以下簡稱人教版、魯科版、蘇教版）與美國教材Chemistry： Concepts and Applications（McGraw Hill Education出版）作為研究對象，對“物質的量”概念體系內容難度進行了測量和評價，并對其隱含的教育寓意進行了探討。

1 研究方法

本研究基于由閆春更等建立的“二維度四指標”的教材難度評價模型[7]，依托知識結構表征的方法——Flow Map，重點對四版教材中“物質的量”概念體系的整合廣度和表征深度進行評價和比較。

1.1 評價模型簡介

閆春更等人認為教材的廣度與深度均具有“二象性”特征：對于廣度，教材一方面通過所選擇學科知識點的多少來體現課程的基本廣度，另一方面又通過學科知識的有效組織與整合來實現對課程基本廣度的消解，表現為“整合廣度”；對于深度，教材一方面通過所選擇學科知識本身的抽象度等來體現課程的基本深度，另一方面又通過內容表征時信息處理水平的合理提升來實現對課程基本深度的消解，表現為“表征深度”。據此，建立了如圖1所示的教材難度評價的二維度四指標模型[8]，基本廣度、基本深度取值大小與教科書難度呈正相關；整合廣度、表征深度取值大小與教科書難度呈負相關。對教材整合廣度和表征深度的評價有助于研究者在微觀層面深入認識學科知識與課程內容之間的關系，發現教科書編寫中的課程創生價值，為教科書編寫與改革提供更有針對性的參考。

1.2 FLOW MAP簡介

Flow Map（流程圖法）是兼具知識結構與信息表征評價功能的工具，最初被用于測量學生的認知結構，閆春更等將其用于教材評價領域以測評教材整合廣度和表征深度[9]。

Flow Map評價知識結構分為以下步驟：第一，通過信息轉錄構建知識或核心概念的順序圖。按照知識或概念出現的先后順序自上而下排列，并用順序符號表明其先后關系；第二，在順序圖的基礎上，按照不同知識或概念間的“信息回訪”或“概念重現”關系添加概念回訪符號，以完成流程圖；第三，對流程圖中每條知識或概念呈現時采用的信息處理方式進行評判。信息處理方式分為直接定義、描述、比較或對比、情境推理與解釋共4個層級水平，具體內涵如表1所示；第四，對流程圖中反映的知識結構的整合廣度、表征深度等進行定量統計；第五，針對流程圖反映的知識結構特征進行質性評價[10]。

1.3 借助Flow Map繪制教材知識結構流程圖

圖2是用Flow Map方法繪制的美國教材“物質的量”概念體系知識結構流程圖。文本框中呈現的是教材的知識或概念，按照其出現的先后順序自上而下排列，并用順序符號表明其先后關系。圖中的回歸箭頭表示不同知識或概念間的“信息回訪”或“概念重現”，即若后續知識點B的教材文本陳述中的某個核心術語曾首次出現于先前的知識點A中，則繪制一條由知識點B指向A的回訪箭頭。例如，圖2中知識點8、12的文本陳述中的術語“1mol”曾首次出現在知識點6中，因此分別出現了由知識點8、12指向知識點6的回訪箭頭。文本框中的A、B、C、D是對每個知識或概念呈現時采用的信息處理方式進行的評判。具體標準見表1[11]。

1.4 變量統計

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）。其中“概念回訪總數”即是流程圖中出現的概念回訪箭頭總數目。以美國教材為例，其“物質的量”概念體系的整合廣度=18/（18+20）=0.474。

對四層級（直接定義、描述、比較或對比、情境推理或解釋）分別編號A、B、C、D，依次賦值1分、2分、3分、4分進行數據統計，A、B級合并為低級信息表征水平（簡稱“低表征水平”），C、D級合并為高級信息表征水平（簡稱“高表征水平”），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）。以美國教材為例，其“物質的量”概念體系的表征深度為：30/44=0.682[12]。

整合廣度、表征深度的取值與教材難度呈負相關，即整合廣度、表征深度數值越大，則相應的教材難度越小。

2 結果討論

按照上述方法，分別對人教版、蘇教版、魯科版、美國教材四版高中化學教材中“物質的量”概念體系的整合廣度、表征深度進行了分析和比較（結果見表2），其中整合廣度一致性系數較高，總體水平為0.911，信度高；表征深度一致性系數的總體水平為0.737，信度良好。

2.1 整合廣度分析

從表2可見，美國教材的整合廣度最低，為 0.474，中國教材整合廣度均不小于0.524。即就整合廣度而言，美國教材“物質的量”概念體系內容的難度較中國教材大。

進一步分析流程圖內容，可從質性評價的角度審視四種教材內容整合的差異性。由圖2可知，美國教材中“如何方便計數”、“摩爾是微觀粒子的計量單元”、“1mol物質所含的微粒數”3個概念的回訪次數依次為4、4、3，從這一概念序列不難看出美國教材的概念組織與整合設計以“化學計量思想與方法”演繹為內核，緊密圍繞“計量問題——計量思想——計量方法”這一邏輯關系組織內容。另外，該教材還專門介紹了“化學計量學”這一概念，進一步印證了教材的編寫意圖，即通過提出問題、解決問題的過程，滲透化學計量的基本思想和方法，充分體現對化學計量學內容教學價值的強調。

對中國教材的流程圖進行分析發現，三個版本的中國教材主要圍繞核心概念“物質的量”、“1mol所包含的微粒數”進行知識內容的組織，各版本教材對以上兩個核心概念的回訪次數依次為：人教版6、5；魯科版7、5；蘇教版5、5。三個版本教材均從“物質的量是聯系宏觀和微觀的橋梁”引入該主題內容。明確給出“物質的量”的意義、符號和單位。在對摩爾質量、氣體摩爾體積、物質的量濃度的概念引入中均強調了新概念與物質的量概念內涵的關系。可見，中國教材重視核心概念“物質的量”內涵的解釋，傾向于以“物質的量相關概念的邏輯關系”演繹為內核組織相關內容。

綜合中美教材在整合廣度方面的差異可見，中國高中化學教材有助于學生建立較為清晰而完整的標準概念體系，有助于學生從知識的“符號”維度掌握課程；而美國高中化學教材則注重學生在問題解決過程中領悟化學計量的思想與方法，強調學生從知識生成“過程”維度掌握課程，在這一層面對學生提出的要求明顯高于中國教材（即導致難度較大）。

2.2 表征深度分析

由表2可見，美國教材的表征深度最高，達到了0.682，中國教材的表征深度不超過0.450。即就表征深度而言，美國教材“物質的量”概念體系內容的難度較中國教材小。

分析流程圖可以看出，美國教材對核心概念“如何方便計數”、“摩爾”等更多地運用了比較與對比（C）、情境推理與解釋（D）等高級信息表征策略，例如對知識點“如何方便計數”的表征水平，就將微觀粒子類比為錢幣，如何不通過挨個數就能確定大量錢幣的數量，運用了比較或對比的表征方式，所以等級為C；對“摩爾作為計量微觀粒子的計量單元”的表征水平，在數硬幣這樣一個大故事情境中，推理“如果你想數出原子個數，設定什么樣的單位比較合適呢？比起你數硬幣所選用的1000這個單位，你需要更大的單位，遠遠大于1000，可以多至100萬。原子實在太小，即使是一個普通大小的樣品物質，其所包含的微觀粒子數也是無法數清的，因此若把它們按照每組1000個來數的話，就不具有可操作性。即使以100000作為單位進行也是不合適的”[13]。進而直接給出“用來計量物質中原子、分子數的標準單位是摩爾（mol）”，因此屬于D（情境推理與解釋）表征水平。由于美國教材對該部分內容的呈現目的主要是讓學生通過已有的認知經驗建構起化學計量的思維和方法。基于此目的，大量采用較高的信息表征策略也在情理之中。

與此形成鮮明對比的是，中國教材對核心概念的表征上大多采用了直接定義（A）、描述（B）等低級表征水平，例如三種版本的中國教材對三個核心概念“可稱量物質與微粒數之間關系”、“物質的量”、“1mol所包含微粒數”的表征水平均依次為B、A、B。三種版本的中國教材均是通過要建立“可稱量物質與微粒數之間的關系”來引入“物質的量”，接著直接對“物質的量”進行描述，給出符號和單位，進而直接引入“1mol所含微粒數”，其表征水平均屬于直接定義或描述，所以歸為A或B等級。

美國教材編排的重點是微觀粒子的計量單元“摩爾”。以數40桶硬幣為情境，提出問題“如何方便計數”，引發思考，進而提出選擇計量單元的思想，將硬幣與微觀粒子進行類比，對微觀粒子計數時選擇摩爾作為計量單元，明確規定1摩爾所含的微粒數是6.02×1023，并將此數命名為阿伏伽德羅常數。同時，運用類比“如果把6.02×1023張紙堆起來，那么它的厚度可以從地球到太陽來回1000000次以上。紙張的厚度非常小，但是一個原子的體積更小，而1摩爾的鎂原子還鋪不滿手心”[14]。讓學生感受6.02×1023的龐大與微觀粒子的微小。接著，通過對計量微觀粒子與計量雞蛋的單位進行類比，發現計量單元大小與計量對象大小呈反比，滲透方法論思想。

在對1mol所包含的微粒數的介紹中，中美教材也顯現了較大的差異。中國教材均呈現了6.02×1023的數值來源——“0.012kg 12C中所含碳原子數”，但對于“為何摩爾質量數值與相對原子質量數值相等”均未作出解釋；美國教材直接給出1mol所包含的微粒數是6.02×1023后，通過情境推理的方式，解釋了摩爾質量與相對原子質量在數值上相等的原因。圖片呈現天平的兩端分別放置6個碳原子和6個鐵原子，天平指針偏向鐵原子一邊。并配以文字解釋道“1個鐵原子的平均質量是1個碳原子平均質量的4.65倍，1mol鐵原子的質量就是1mol碳原子質量的4.65倍”。

綜合中美教材在表征深度方面的差異可見，美國高中化學教材注重情境線索搭建，且通過較多類比思維的嵌入實現知識的文本演繹過程，關注對相關疑難概念的本質原因的推理和解釋。在這一層面上，美國教材對學生學習過程提供了更加有力的支撐（即導致難度較小）。

3 研究啟示

整合廣度的評價結果顯示，美國高中化學教材的整合水平低于中國教材，即美國教材在內容組織與整合層面的難度較大；質性分析表明，美國教材的內容整合注重“化學計量思想與方法”的全面滲透，與中國教材注重“物質的量相關概念的邏輯關系”有明顯差異。表征深度的比較結果顯示，美國高中化學教材在學科概念的呈現中注重情境線索的搭建與類比思維的嵌入，注重對情境推理與解釋等信息處理策略的滲透，對學生學習的支撐力更強。可見，對教材整合廣度和表征深度的評價不僅可以定量地反映教材的相關內容難度，也可以從質性研究的角度揭示教材編寫中蘊含的教學價值與教育寓意。

參考文獻：

[1][2]鐘志健.“物質的量”教學難度成因剖析[J].化學教學，2014，（10）：8～12.

[3][4]閆蒙鋼，陳英.高中化學新教材（必修1）中“物質的量”內容的難度分析[J].化學教育，2008，（5）：15～17.

[5]徐天榮.物質的量教學中先行組織者的設計[J].教學月刊（中學版），2009，（12上）：49～51.

[6]林秋成.利用三重表征訓練提高學生問題解決能力的實踐研究———以“物質的量”類問題解決為例[J].化學教與學，2014，（9）：25～27.

[7][8][9][10][11][12]閆春更，周青，王婷婷.教科書難度評價的模型建立與方法改進[J].上海教育科研，2015，（9）：42～45.

[13][14][美]菲利普（Phillips， J. S.）等著.王祖浩等譯.科學發現者·化學概念與應用（中冊）[M].杭州：浙江教育出版社，2008.