德國中學化學教材中核心概念的編寫特色研究

耿秀梅 倪娟

摘要：以“化學平衡”為例，梳理德國教科書《今日化學SⅡ》中核心概念的編寫特色。有以下五點可供教材編寫與教學實踐借鑒：選擇真實的情境并一以貫之；突出圖像的直觀作用使抽象內容具體化；充分運用實驗活動助力概念形成；利用數據分析，調動邏輯數理智能促進概念同化；精心設置實踐型作業，在綜合應用中理解概念。

關鍵詞：德國教材；化學平衡；核心概念；編寫特色

文章編號：1005–6629（2016）8–0017–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

加德納提出課程應圍繞核心概念來組織，使核心概念以不同的方式、從不同的角度、適應不同的智能組合而反復呈現。德國教材素以重教育現代化和實用技術著稱，教材重視與生產生活實際及科學前沿聯系、加強化學學科知識微觀本質的揭示，在與其他學科的聯系、綜合能力的培養以及學生的實驗技能等方面均有顯著特色。本研究以德國萊茵蘭-普法爾茨州的高中化學教材《今日化學SⅡ》（ChemieHeute-sekundarbereich SⅡ）[1]中的“化學平衡”知識板塊為例，關注德國教材對核心概念這一重要內容的編寫特色，以期為我國的教材修訂及教學實踐提供借鑒。

1 核心概念的界定與教學功能

1.1 核心概念

核心概念是位于學科中心的概念性知識，包括重要概念、原理及理論等基本理解和解釋，內容能夠展現當代學科圖景，是學科結構的主干部分[2]。依據課程標準和教學實際，確定中學化學平衡內容有以下核心概念：可逆反應的限度，化學中的平衡，平衡常數，勒夏特列原理。

1.2 教學功能

核心概念是學科的靈魂，是經過高度提煉概括后形成的超越事實的思考方式，具有統攝性和概括力。核心概念可以為新知識的獲取提供組織結構，從而使學生于在校期間和畢業后能夠運用這些核心概念迅速獲取新知識[3]。奧蘇貝爾提倡，教師要教給學生學科和教材的基本結構，即那些最有“解釋力量”的高度抽象和概括性觀念，從而以有效的方式促進學習和遷移。核心概念的體現方式反映了學習進程。

2 德國教材核心概念的編排特色

2.1 德國教材中“化學平衡”內容

在德國教材中，化學平衡各部分內容采取了多樣化的呈現方式，見圖1。

國內教材將化學平衡與溶液中的離子反應分列兩個單元，德國教材則由化學平衡統領，采用“總-分-總”的方式呈現，從四大平衡事實的分析研究中總結出平衡學習的基本觀念，再提煉上升為核心概念，最后回歸到實際應用中深化理解。

通過“事實提煉→基本觀念→核心概念→應用”的編排特色，呈現出認識發展趨向而非知識解析取向，核心概念的“核心性”正是在這種認識發展的過程中得以體現。在知識點的具體呈現方式上，存在情境素材、圖表圖像、實驗設計等特色，不同的內容有著不同的引入方式，同一主題也采用多樣的方式方法，采用歸納式的教材生成路徑，實現化學核心概念的理解、遷移、應用和創造。而且，不同概念的生成路徑相同，這對于進行方法教育無疑會很有好處。

2.2 “化學平衡”的核心概念編排特色

2.2.1 真實的情境引入概念并貫穿前后，激發探究熱情

化學概念的產生本身就是從感知具體的物質和現象開始，經過由表及里、由感性到理性的概括和抽象形成的[4]。化學史實、化學現象、生活場景、自然現象、化學技術發展等真實具體、生動豐富的情境素材，在德國化學教材中被高頻度使用，如化學平衡的引入部分，提供了這樣的情境素材：高原訓練，家務中的鈣沉積，由氨制造的肥料和炸藥，食品香料，工業煉鐵，尿結石等。通過這些真實的熟悉的生活場景，學生體驗到化學平衡在生活生產中廣泛存在。同時，以知識的重要性與實用性，讓學生感覺到自己認識上的不足，激發出學生求知的原動力：工業上怎樣做到大規模合成氨？一氧化碳還原氧化鐵，為什么不能進行到底？可用什么辦法更快更少花費地完成反應？草酸鈣什么情況下能結晶出來？學生的質疑意識一旦蘇醒，他們必定會積極地尋找證據，在探索的過程中解決問題。

附錄部分，典型的情境素材有：水垢的形成與處理方式，高山病、潛水病、血紅蛋白和高鐵血紅蛋白、氰中毒的治療等。不僅如此，教材的作業設置，也依托真實情境。如，雙效催化法生產硫酸、氨的合成、合成氣和轉化等。注重真實情境的全程性和發展性，可為學生提供檢驗和運用科學知識的載體，引領學生開展學習過程，體驗將科學運用于解決實際問題的樂趣，同時形成清晰的知識體系，獲得對知識的更深層次的理解。

2.2.2 突出圖像圖片設計認識概念，促進思維加工

德國教材的化學平衡內容，有著豐富的圖片信息，尤其在模型表達和微觀問題方面有著明顯的優勢。豐富的插圖有利于調動學生的多感官參與學習活動，以感性思維促進理性思維的加工，促進核心概念的形成。圖片使用情況統計如表2。

平衡建立的過程和平衡狀態的動態性是化學平衡的核心概念之一，因為概念的抽象性，學生理解十分困難。平衡建立模型實驗圖（如圖2），用粗細玻璃管分別表示正逆反應速率，模擬了瞬間速率的變化，直觀地表達了從兩個方向建立平衡的過程，為學生畫出速率時間圖、濃度時間圖提供了直觀的素材。隨著反應物和生成物濃度的變化，正逆反應速率也在逐漸變化，二者差距逐漸縮小，當ν正=ν逆時，各物質的濃度都不再變化，達到平衡狀態；如果繼續加入反應物或生成物，ν正≠ν逆，平衡被打破，通過調整濃度再次達到ν正=ν逆，新平衡建立。用直觀的模型圖，以形象思維演示抽象的概念，這對我們的教學實踐有著重要的指導意義。

在氨的合成內容中，為了消除學生的理論分析與化工生產的認識差距，把陌生、復雜的生產場景以簡明清晰的工藝流程方式加以展示（見圖3）。

氨的生成是一個放熱反應，反應中粒子數減少。根據勒夏特列原理，在較低溫度和較高壓力下更有利反應的進行。催化劑層之間連有熱交換器，用以帶走氣體混合物在生成氨時釋放出來的熱能。合成在循環操作方式下進行：生成的氨用液化的方式不斷從混合物中除去，沒有反應的氣體和新加進去的合成氣一起重新通入反應器。分析反應特征，應用勒夏特列原理，結合生產實際，選擇有利于反應轉化與速率的合適條件。學科能力的發展目標，是在事實知識的學習中形成觀念與方法，在實際應用中以有效的方式遷移。這同時也是核心概念的教學價值。

用不同長度的箭頭，直觀表示反應在低溫和高溫時的轉化程度（2000K、2700K），反映不同溫度對平衡的影響。突出表現了溫度決定了平衡的位置；溫度變化時，平衡向“對抗”的方向移動。

2.2.3 在實驗活動中生成概念，形成科學方法

蘇教版教材在相關內容中設計了5個實驗活動，而德國教材中有11個實驗活動，統計如表3。

從實驗數量上看，蘇教版教材與德國教材對實驗的重視程度沒有大的差異，從內容與形式上來看，蘇教版教材多安排探究實驗與方案設計，德國教材中，實驗活動安排在每節內容之后，設計嚴謹，對實驗步驟、材料與作業，均有明確要求，實驗的目的就在于指導學生運用自然觀察智能，進行思維加工，促進概念形成與同化，見以下案例。

亞鐵離子與銀離子的反應及其逆反應

材料：漏斗，濾紙，塑料注射器（5mL），硝酸銀溶液（0.1 mol·L-1，稀），硫酸亞鐵（0.1 mol·L-1）在稀硫酸中的溶液，硝酸鐵Fe（NO3）3在硫酸（稀）中配成的濃溶液，鹽酸（稀）。

步驟：

正反應：

1.在試管中放置5mL硝酸銀溶液，加入5mL硫酸亞鐵溶液。將混合物放十分鐘后立即過濾。

2.在濾液中滴入鹽酸。

逆反應：

1.將濾紙上的銀用水徹底洗滌，直到濾液中不再能檢驗出銀離子為止。

2.在銀上加幾毫升硝酸鐵溶液。

3.將滴下來的溶液收集在干凈試管中，加鹽酸檢驗銀離子。

作業：

a）寫出反應方程式。在正反應中如果過早過濾有什么影響？

b）在正反應的濾液中溶入一些硫酸亞鐵，提高Fe2+離子的濃度，會有反應發生嗎？

相比蘇教版設計通過檢測少量反應物的存在來定義可逆反應，德國教材通過濃度變化來控制反應的方向，揭示可逆反應存在的普遍性和影響平衡移動的因素。在思維要求上有明顯不同，側重對確定結果的驗證、解釋，培養學生的實證意識。提供具體實驗材料、明確的實驗步驟，體現了嚴謹求實的特點，對學生的實驗設計和相應的實驗作業的完成有明確的導向和示范作用。不要求實驗方案的設計，思維訓練主要體現在實驗過程中和實驗結束后的作業中，實驗作業在知識延伸和思維拓展上存在明顯優勢。

2.2.4 數據分析同化概念，調動邏輯數理智能

硫酸鉛的物質的量濃度乘以硫酸鉛的摩爾質量（M=303 g·mol-1），得到以質量濃度β表示的溶解度。

β（PbSO4）=0.039 g·L-1

通過歸納推理，將溶度積和溶解度關聯起來，理解二者在表述物質溶解能力方面的異同，由此得出結論：鹽的溶解平衡可以定量地用溶度積Kw來描述，Kw是由飽和溶液中離子濃度計算出來的。并沒有限定難溶鹽存在的溶解平衡，鹽類只要達到飽和溶液，都存在溶解度平衡。根據離子濃度關系又回到“平衡常數是反應限度的定量描述，利用Q與K的關系可以判斷反應的狀態”的核心概念上來。同時，引入pKw分析方法，對于過小的數值，經過對數處理得出便于比較分析的數據，與用pH描述溶液的酸堿性相一致。經過數理運算和邏輯推理，這種方法指導有利于發展學生數據處理和應用、數形結合能力，對于思維能力的提高不言而喻。

2.2.5 實踐類作業解答應用概念，促進系統理解

概念學習要遵循“應用至上”的原則，在應用中深化理解。德國教材中的作業設置更加靈活多樣，除了章節末專門的復習練習題和擴展題，章節中在實驗部分與概念提出之后都有針對性的作業，數量不等，形式多樣。

從作業內容來看，相比我國教材設置的側重概念辨析、知識理解為主的作業，德國教材提供大量的實踐型作業，均指向生產生活中平衡類實際問題的解決，側重理論指導下實踐方案的優化組合或選擇。如，冰面上的冰鞋效應，霧的形成與消失；平衡在自然界和工業中的重要性是什么？夏季長期炎熱使海里和河里的魚死亡，說明這一事實。從實驗中認識到的平衡狀態時各物質的關系在日常生活中有什么用處？學習了硫酸的合成路線之后，針對生產過程設計10個題目。

從解決方式來看，相比我國教材作業的直接應用概念分析、類比、推理等思維活動，德國教材中實踐型作業設置側重信息技能的培養。如查閱稀硫酸回收利用的可能性；查閱氨的最重要的應用領域；查閱工業上如何由煤得到氮；查閱德國最重要的基本化學產品的年產量，并用圖表表示；查閱碘——直鏈淀粉包合物；查閱反應中，為了取得盡可能高的轉化率，工業生產中采取了哪些方法？資源應用的多元化，是學生獨立學習的基本素質，不僅有利于培養學生證據素材使用的意識，也突出表現了教材以認識發展為取向的價值觀念，與核心概念的呈現方式統一起來。二者對比，德國教材作業更注重層次性與功能性，以針對性、實用性和系統性為特色，強調個體在解決實際問題的過程中，將知識和概念放在系統里理解，避免碎片化的事實知識的孤立記憶。

3 啟示

（1）對于化學學科而言，構建出學科核心概念發展體系是擺在課程專家與一線教師面前的迫切任務[6]。教材設計要注意知識的前后聯系和系統性，同時注意開發學生的多元智能，促進學生全面發展。研究德國教材關于核心概念的編排特色，從精選真實的情境素材、豐富的圖片資料、嚴謹的數理分析、目標明確的實驗活動、靈活多樣的作業設置，都凸顯了基于核心概念的“為多元智能而教，通過多元智能而教”的教材意義。

（2）教材和教學要通過問題與活動的設計激活學生原有知識，幫助學生建立事實、概念和核心概念間的聯系。德國教材的優勢對我國教材的改進或教學實踐有著以下借鑒意義：運用類比模型展示、解析抽象概念，選擇形象而生動的示意圖都是注重學生心理、培養學習興趣的切入點；內容選擇要注意STSE理念的滲透，利用化學工作及知識的社會意義培養學生強烈的社會責任感；實驗設置要強化情境真實、聯系生活，在培養學生的環保意識和安全意識、評價方式等方面多加關注；作業注意要結合實踐設置，通過歸納類比、數據處理、演繹證明、反思與構建等思維過程的作業有利于培養學生的理性思維。

參考文獻：

[1] Wolfgang Asseblbornusw.Chemieheute-SekundarbereichSⅡ. BildungshausSchulbuchverlage，2010：95～120.

[2]艾里克森著.蘭英譯.概念為本的課程與教學[M].北京：中國輕工業出版社，2003.

[3]周玉芝.以核心概念為統領設計化學教學[J].化學教育，2012，（6）：27～29.

[4]郭睿.我國化學概念教學二十五年[J].教育科學研究，2006，（4）：47～51.

[5][6]吳慶生.中學化學核心概念關鍵特征的建構策略[J].化學教育，2015，（1）：34～38.