美國AP化學課程框架分析與啟示

方圓圓 王磊

摘要： AP化學課程是國外化學“大學先修課程”的典型代表。對其新修訂的課程與考試說明進行分析后發現，其圍繞六個大概念組織課程框架，強調基礎知識和科學實踐的統整，關注高階化學學科能力的發展，特別是結合美國《K12科學教育框架》的對比分析能看到其清晰的進階脈絡。其設計方案對我國普通高中選修課程和CAP等相關大學先修課程的課程設計和教學有一定的參考價值。

關鍵詞： 大學先修課程; AP化學課程; 課程改革

文章編號： 10056629（2019）4009305中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

21世紀是人才、物資和信息交流空前密切的時代，隨著我國經濟、社會的發展以及教育國際化的進程，美國“大學先修課程”（Advanced Placement course，以下簡稱AP課程）已經以多種形式走進我國。本文聚焦于AP課程中的化學課程，介紹并分析AP化學課程的整體框架與核心要點，以期為我國普通高中選修課程和CAP等相關大學先修課程的課程設計和教學提供參考。

1 AP課程概述

美國AP課程是由美國大學理事會（The College Board）主持開發的面向具有潛力、追求卓越、期望發展其個性和興趣的高中生設置的大學先修課程[1]。其課程和考試由大學教師及資深AP教師組成的委員會設計，以確保其準確反映課程對高中學生達到大學（一般為大學一年級）水平的期望。學生在高中選修AP課程，并通過統一的AP考試后，能在申請大學時獲得優勢，并可抵扣大學學分，有利于學生從中學教育過渡到大學教育并獲得學業成功。

該課程由福特基金會在1951年啟動，1955年由美國大學理事會接手管理。經過半個多世紀的不斷發展和完善，如今AP課程已形成包括英語、數學、物理、化學等23個學科領域，38門科目在內的課程體系，并設置了與之配套的考試評價系統。據不完全統計，在美國約25000所公、私立高中里，已經有60%的高中開設了AP課程，包括哈佛大學、耶魯大學等著名高等學府在內的22個國家的3388所大學承認AP課程學分。放眼全球，AP課程及相關考試也已在包括我國在內的80多個國家開展。

就我國基礎教育發展自身而言，隨著我國基礎教育課程改革的不斷深化，特別是新修訂的高中課程方案和課程標準的頒布，高中課程設置的多元性和發展性，以及與大學課程的有機銜接已成為高中課程改革的核心關切點。而以“追求卓越”為目標的AP課程正是重視個性化發展、充分發揮學生潛能的優質課程的典型代表。在美國，AP課程的開設數目以及學生人數已成為評價一所高中辦學質量的一項重要指標[2]。隨著我國一些重點中學（如北京師范大學附屬實驗學校、華東師范大學第二附屬中學等）和大學（如北京大學、上海交通大學等）對先修課程的關注，特別是2014年聯合國內多所知名大學和優質高中試點的“中國大學先修課程（CAP）”項目[3]，標志著以AP課程為代表的大學先修課程已登上基礎教育的舞臺，這同時也呼吁著，教育研究對國內外相關課程研究的跟進。

2 AP化學課程分析

在2006年，美國大學理事會發起了對AP物理、化學和生物學課程的重新設計，旨在平衡課程內容的廣度與深度，并進一步加強科學實踐，即特定學科內容下的批判性思維、探究、推理和溝通能力[4]。此次對課程的重新設計首先體現在對課程標準的修訂上。修訂后的AP化學課程標準，即《AP化學課程與考試說明》（AP Chemistry Course and Exam Description，以下簡稱《課程說明》）共五章，分別對AP課程、AP化學課程框架、實驗探究、課程審核和考試評價進行了說明。本文基于對此文本的分析，分層次介紹課程標準中的學習目標，特別是對其中的大概念、科學實踐等核心要素的內涵以及相互間的關系進行討論。

2.1 課程框架

為體現科學的內在統一性，幫助學生建構整合的概念認知，許多國家均嘗試通過“共通概念”或“核心概念”等大概念（Big Ideas）來整合課程內容。如2012年，美國國家研究委員會（NRC）頒布《幼兒園到12年級科學教育框架》，提出科學課程的三個維度——實踐、共通概念和核心概念[5]。《科學教育的原則與大概念》一書介紹了大概念的內涵及其進階發展對科學教育的重要意義：“……這些核心觀念及其進階過程能幫助學生理解其生活中的事件和現象，并在其結束學業、邁入社會后，持續發生影響。[6]”這種課程組織方式得到了各國學者的廣泛認同，修訂后的AP化學課程也是順承這一理念的典型代表。

《課程說明》第二章“AP化學課程框架”對該課程框架進行了結構化的說明（見圖1）。修訂后的AP化學課程圍繞著六個大概念組織課程內容。每一個大概念下包含若干“基本理解”（Enduring Understandings），其對大概念中的多個核心概念做了進一步闡釋。基本理解的實現包含基礎知識（Essential Knowledge）和科學實踐（Sciences Practices）兩方面內容，二者共同作用， 得到每個基本理解在學習后所要達到的學習目標（Learning Objectives）。

2.2 大概念、基本理解和基礎知識

此輪AP化學課程修訂最重要的變化之一是首次提出了六個化學課程的“大概念”，用以將零散的知識點進行整合。化學中有許多概念需要理解，有許多事實性知識需要記憶。將概念進行整合，利于幫助學生更好地理解概念的內涵和外延以及概念之間的關系，利于學生將各概念納入化學學科的知識體系，還利于促進學生應用概念分析解決問題。AP化學課程中提煉出了6個大概念，分別關于物質的原子本質（BI1）、結構與作用力決定性質（BI2）、化學變化的本質（BI3）、化學動力學（BI4）、化學熱力學（BI5）與化學平衡（BI6），其基本內涵如圖2所示。

大概念1中給出了化學學科研究物質的兩個重要觀念： 元素觀與微粒觀。大概念2將物質的性質，即能夠發生轉變的原因統一歸結為作用力。大概念3揭示了化學反應的本質——原子的重排或重組，同時包含電子的轉移。大概念4關于化學反應動力學，主要體現在對反應速率和反應機理的理解上。大概念5圍繞熱力學定律描述了能量在化學反應中重要性。大概念6介紹了化學平衡這一核心概念及其基本要點。

各大概念又包含若干基本理解，以大概念1為例： 盡管大概念中強調“所有物質由原子構成”（EU1.A），原子代表化學反應中最基本的微粒，“在任何化學和物理變化中，原子守恒”（EU1.E），但化學性質的體現是在分子水平層面的，由原子構成的分子體現出來。元素的意義，一方面可以將原子按其所“具有的獨特原子結構”分類（EU1.B），另一方面在于“許多化學性質和物理性質通過原子序數能夠顯示出可預測的周期律”（EU1.C）。為了研究無法直接觀察的原子，人們建構了“原子模型以解釋原子的集合產生的宏觀現象”（EU1.D）。

各基本理解下包含有若干基礎知識點，以“大概念”1中的基本理解1.A為例，其包含3個基本知識點，如表1所示。對于每一個基本知識點，框架中還給出了學生理解的具體內容與程度： 例如基礎知識點1.A.1包含以下內容： a.對于給定的元素，任意數量該種原子的平均質量總是相同的;b.純凈物僅含一種特定的原子或分子的粒子（或基本單位）;混合物包含多種特定的原子或分子的粒子（或基本單位）;c.由于某一特定化合物的分子總是由特定比例的幾種原子組合而成，所以任意該化合物的純樣品的組成元素的質量比總是相同的。

2.3 科學實踐

除了概念理解外，AP化學課程也十分注重科學實踐，且基礎知識的落實被整合在科學實踐中。科學實踐在教學過程中能為學生提供感性認識，從而使學生對基礎知識能夠有更深入的理解，同時，以某些科學實踐的結果為素材，又能夠進一步提高學生解釋現象和預測現象的能力。科學實踐是AP化學課程中重要的組成部分，也是學生在AP化學課程中取得成功的重要基礎。AP化學課程要求的7項科學實踐見圖3。

修訂后的AP化學課程分7個要素解構了科學實踐活動： 科學實踐1（SP1）體現對于表征與建模的要求，科學實踐2（SP2）要求學生具備數學推導能力，科學實踐3（SP3）期望學生能提出科學問題，并據此開展研究，科學實踐4（SP4）和科學實踐5（SP5）則要求學生能夠針對科學問題收集數據并進行分析，科學實踐6（SP6）期望學生將科學理論應用于科學解釋中，科學實踐7（SP7）要求學生能夠將不同學科間的概念進行關聯，發展對學科更深刻的認識。

每一類科學實踐活動下，對應若干的活動亞類。例如： 培養學生應用科學理論進行科學解釋的能力是科學類AP課程的重要目標，科學實踐6（SP6）體現了這一目標，并將科學解釋能力拆分為5個不同的能力要素： 能夠通過證據論證（SP 6.1），例如基于化合價論證某一反應為氧化還原反應;根據證據來構建解釋（SP 6.2），例如構建符合反應速率定律的反應機理;闡明理論是如何被改進或替代的（SP 6.3），例如引用證據闡釋原子理論逐步被完善的過程;使用模型和理論提出預測或論點（SP 6.4），如使用VSEPR理論來預測分子的結構;評估多種解釋的可能性（SP 6.5），如使用證據在多種可能中確定某一化學反應的機理。

對比其他標準文件對科學實踐的解構，AP化學課程中的科學實踐展現出更強的綜合性和問題解決指向性。例如，對比AP化學課程中對于科學實踐的要求與美國《K12科學教育框架》[6]的科學與工程實踐（見表2），在看到兩者一致性的同時，還可以清晰地看到AP化學課程中的科學實踐更指向實際問題的解決，而且其每項要素均可視作《K12科學教育框架》中幾條要素的綜合。考慮到AP化學課程是在中小學科學課程基礎上的拓展和延伸，這種綜合性和問題解決指向性體現了AP課程開發者對高階課程的特別設計。

2.4 學習目標： 理解與實踐的整合

在AP化學課程中，所有的大概念、基本理解、基礎知識、科學實踐都是為學生達到相應的學習目標而服務的。學習目標是對所有學習者提出的共同基本要求，具有普遍性和共通性，對整個教學系統起著不可替代的指導作用[7]。學習目標一方面能夠指導教師，使其選擇的教學內容和教學活動符合課程標準的基本要求，另一方面使學生更加明確課程的學習范圍與基本要求，有利于學生的課程選擇與自主學習。《課程說明》第二章末的《附錄： AP化學概念一覽》中，完整列出了六個大概念下的117個學習目標，將每一個學習目標的實現，都逐一與具體的基礎知識和科學實踐相對應，有些學習目標結合了兩個或兩個以上的科學實踐。表3從大概念1、大概念2和大概念3中各選取了一項學習目標，說明其如何由所對應的基礎知識和科學實踐融合而成。AP化學課程標準對學習目標所對應的基本理解和科學實踐的說明，既使得教師在設計每一知識內容下的學生活動時，能夠獲得實踐活動類型的建議，又使得學生在課程學習過程中，其科學實踐能力能夠獲得全要素的發展。

大概念學習目標（LO）對應基礎知識（EK）對應科學實踐（SP）

1LO1.1 學生能夠基于原子分子理論，論證某種化合物的任意純樣品的組成元素的質量比總是相同的。EK1.A.1 分子由原子的特定排列組合構成;不同元素或相同元素按照不同數量比例能夠組合成不同的分子。SP6.1 學生能夠使用證據為提出的論點辯護。

2LO2.3 學生能夠使用微粒模型的各個方面（微粒間距、微粒運動、微粒間的吸引力），解釋固相與液相以及固體材料與液體材料之間的差異。EK2.A.1 固體和液體的不同性質可以用它們結構上的差異來解釋，無論是在微粒水平還是在超分子水平上。SP6.4 學生能夠根據科學理論與模型對自然現象進行解釋和預測。

SP7.1 學生能夠跨越時間與空間的尺度聯系現象和模型。

3LO3.3 學生能夠使用計算結果來預測在實驗室進行的反應結果或分析偏離預期的結果。EK3.A.2 利用配平的化學方程式中的摩爾比進行化學計算可以得出許多定量信息。化學計量不僅僅是化學家的工作，其在現實世界中也有著重要應用。SP2.2 學生能夠應用數學方法描述自然現象中的數量關系。

SP5.1 學生能夠分析數據，并確定數據的特征或關系。

3 對我國相關課程設計的啟示

化學教育的內容豐富多元且相互之間關聯緊密，其課程設計也應順應當前“整合發展”的科學課程改革趨勢[8]，以大概念為核心進行多維整合，為化學教育多方面的知識內容與實踐要素建構有意義的聯系[9]。修訂后的AP化學課程踐行了上述理念，通過大概念的引領和設立學習目標時知識與實踐的融合，在課程中力圖還原化學中科學概念、知識、理論和方法相互聯系的本質。

AP化學課程圍繞6個大概念組織課程內容，這6個大概念涵蓋了物質結構與性質（BI1和BI2）、化學變化（BI3）及化學反應原理（BI4、 BI5、 BI6）等化學學科最核心的議題，實現對課程內容的深化整合。這與當前科學教育的發展理念高度吻合，反映了信息時代對重構科學課程的要求。其實質上還原了化學知識之間的廣泛聯系和交互影響，對于教學而言，能在一定程度上更好地促進教師和學生認識到課程內容之間的關聯，利于學生在更上位建構對知識體系的認識，在更深層次實現對概念原理的理解。

在此基礎上，修訂后的AP化學課程還格外關注了對概念理解和科學實踐的整合。在分析時我們發現，AP化學課程每一個學習目標都是由具體基礎知識點與某項具體科學實踐共同構成的。通過細化實踐的具體目標與要素，學生能夠避免對事實性知識的機械記憶，而是通過與概念相關的實踐發展推理的必要技能。同時，課程為科學實踐提供的示例，給了教師各種可供選擇的教學素材，使每一個學習目標能落到實處。

此外，AP化學課程對如何在中學階段促進化學核心素養的進階提供了參考。在美國，AP化學課程通常開設在11或12年級，選修該課程的先修條件是已完成基礎化學課程以及代數課程，因此AP化學課程對于學生在各核心概念的理解上有著更高的要求。以物質概念為例，對比其與《K12科學教育框架》中初中段和高中段的要求（見表4），可以看到AP化學課程對物質的原子本質的強調，并能從中理出一條清晰的進階脈絡。

物質是由微粒（類似空心球體，不區分原子分子）組成的，微粒極小但處于永不停息的運動中。每一種元素因原子內部結構的不同而具有不同的反應性質，不同元素的原子會相互結合形成化學鍵，這種結合要遵循一定的規則。原子以一定的方式結合成分子，分子之間或者原子之間可以形成簡單分子、網絡結構。物質由原子構成，原子的種類是有限的，不同種類的原子被定義為不同的元素。每種元素的原子都具有獨特的結構，由電子和原子核之間的相互作用產生。

隨著我國《普通高中化學課程標準（2017年版）》的頒布，如何規劃并開設選修階段課程成為新課程實施的關注點。部分地區和學校“一刀切”強制學生選擇的模式是不符合課程改革精神的。但是在哪些類型的學校、為哪些水平的學生提供最適宜的課程，仍需要研究的支撐和實踐的嘗試。AP化學課程的理念和內容設置無疑是當前科學教育改革趨勢的體現，這也正是為什么其中的許多理念已經在我國此輪課程標準修訂中被吸納發展。但如本文一開篇所述，這里介紹的AP化學課程所代表的模式適用于有著強烈高階發展需要的學生。故在借鑒此類課程并進行課程本土化時，首先要注意其適用對象。對于具有其他需要的學生，則應在整合發展的理念下，審慎地選擇處于學生最近發展區的課程內容，對課程進行合理改造。

參考文獻：

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