美國高中化學教材中跨學科內容分析

陸孟君 王世存 王紅梅

摘要： 以美國高中化學主流教材Chemistry： Concepts and Applications中的跨學科內容作為研究對象，將所跨學科的溯源和內容分析法相結合，分別從學科來源、分布位置和設置目的3個維度對其進行數量統計分析。在學科來源上，材料工程、物理學和生物學上數量居多;在分布位置上，則以習題和正文為主;在設置目的上，多為鞏固應用而設置。從當前新一輪課程改革出發，對我國高中化學教材的修訂和完善提出相應的建議： 滲透STSE理念，優化外觀和排版;增設跨學科欄目;注重知識的綜合應用。

關鍵詞： 跨學科內容; 高中化學教材; 化學： 概念與應用

文章編號： 1005-6629（2019）11-0026-05? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

1926年Woodorth于當時新成立的美國社會科學研究理事會（SSRC）首次提出跨學科（Interdisciplinarity）的概念[1]。18世紀中葉俄國科學家羅蒙諾索夫首先把物理和化學聯系在一起[2]，開創了化學跨學科的先河，在這之后，化學不斷地與其他學科進行著交叉聯系，并衍生出了物理化學、環境化學等跨學科專業。隨后Newell和Green將跨學科學習定義為“結合兩種或兩種以上學科以形成對某一問題或主題的綜合理解”[3]，跨學科學習的主要特點是“多學科知識在某一項目或主題中的聯結和融合”[4]。可見，與傳統的單學科學習相比，跨學科學習把學習的重心從知識記憶轉向整合不同學科的信息以及反思整個學習的過程，它能“增強學生的批判性思維能力、認知能力、解決問題的能力和跨學科聯系的敏感性”[5]。

由于當代知識的發展存在一個突出特點“在學科不斷分化基礎上的相互交叉、相互滲透而形成的高度整合化、跨學科趨勢”，同時現今人們面臨的許多社會問題，都需要綜合運用多門學科的知識去進行解決。在這一時代背景下，教育界掀起了一股對“跨學科”概念的研究熱潮，特別是美國于2013年4月正式發布的《下一代科學標準》（Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS），將科學學習劃分為科學與工程實踐 （Science and Engineering Practices）、跨學科概念（Crosscutting Concepts）和核心概念（Disciplinary Core Ideas）三個同等重要的維度[6]。NGSS的研制者認為，“現行標準詳細列出了瑣碎和不相關聯的知識清單，導致我們學校的科學課程是‘一英里長，一英寸深，忽視了科學知識之間的內在邏輯性和一致性”[7]，因此，NGSS著重強調了跨學科學習的重要性。為了研究美國化學教育中跨學科教學的現狀，就可以從其教材入手，因為教材是最基本、最重要的課程資源，是課程的物化形態[8]，所以，跨學科化學教學的現狀就可具體化為對化學教材中跨學科內容的研究。

1? 研究對象和方法

1.1? 研究對象

在教材研究中選擇教材時需考慮以下因素： 出版社的權威性、版本新舊、關注度、使用量等[9]。針對美國化學教材使用多元化的現狀，研究選定由美國McGrawHill公司出版的Chemistry： Concepts and Applications[10]（以下簡稱“美國高中化學教材”），該教材在美國課堂中有著相對較高的選用率，并且該教材也被浙江教育出版社出版為中譯本，對我國中學化學也產生了一定影響。

1.2? 研究方法

鑒于研究目的，需將所跨學科來源與內容分析法相結合，并使教材內容編排與選取內容的研究結合進行，從學科來源和分布位置的維度出發進行研究，可以在宏觀上顯性地表述跨學科內容的交叉情況，并能在宏觀上體現出其在美國高中化學教材中所處位置或欄目，從而進一步分析出其設置方式;而從設置目的的維度出發進行研究，可從微觀上深入獲知其具體內容。研究總體上從跨學科內容的學科來源、分布位置以及設置目的3個維度對美國高中化學教材中的跨學科內容進行分析。

在學科來源上，根據《中華人民共和國學科分類與代碼國家標準》（2009年版）簡稱《學科分類與代碼》GB/T13745-2009進行學科分類，將其歸類為自然科學類、人文與社會科學類、醫藥科學類、工程與技術科學類和農業科學類，并細化為各科學類別下的一級學科，以便于進行分析研究，具體分類如表1所示。在分布位置上，根據教材編排特點將其分為正文、例題、習題、專欄及其他五種類型。在設置目的上，結合化學學科的知識特點，將教材中跨學科內容主要分為新知引入、概念解釋、實驗探究和鞏固應用四種類型。

表1? 美國高中化學教材跨學科內容的學科來源

學科類別一級學科

自然科學類數學、物理學、生物學、地球科學、天文學等

人文與社會科學類語言學、歷史學、考古學、政治學、經濟學、藝術學、社會學、文學、體育科學等

醫藥科學類醫學、藥學等

工程與技術科學類材料工程、電子通信、計算機科學技術、航空航天科學技術等

農業科學類農學、林學等

例如教材中對“電子運動”部分進行說明時，提到“丹麥科學家丹尼爾斯·玻爾（1885～1962，早期曾與盧瑟福共事）認為，電子必定具有足夠的能量，這樣它才能在原子核的周圍不斷運動。為此，將電子的運動與太陽系中行星的運動進行了比較。玻爾認為，雖然行星與太陽之間通過萬有引力彼此吸引，但正是因為行星具有足夠的能量，才使它們可以穩定地處在固定的軌道上圍繞太陽旋轉”。在學科來源統計上，此段文字即在宏觀上呈現出化學與歷史學、天文學和地球科學之間的跨越，統計分析時，在一級學科的這三門學科上進行累加，同時在五大學科類別上，由于天文學和地球科學都屬于自然學科，需在“自然學科類”的數值統計上累加兩次，而另外歷史學屬于人文與社會科學類，所以需在“人文與社會科學類”的數值上累加一次。在分布位置統計上，此段文字說明是位于教材中的正文部分，在“正文”的統計數值上累加一次即可。在設置目的統計上，此段文字的主要目的為解析電子運動軌跡問題，即在“概念解釋”的統計數值上累加一次[11]。

2? 結果與討論

2.1? 學科來源

在學科來源方面（見圖1）的所屬一級學科數量統計上，有關材料工程的跨學科內容最多，高達239處，這些跨學科內容通常將化學作為基本的分析工具，應用于具體的材料工程項目中。相比較而言，有關生物學和物理學的跨學科內容也比較多，主要因為化學與物理、生物學科有著相似的理論體系，當代許多新興學科的出現都來自于化學與物理、生物學科的交叉點，這些學科之間的跨越，一方面可以推動相關學科的進步，另一方面也可以促進化學學科本身的發展。

圖1? 美國高中化學教材中跨學科內容的學科來源數量排序

這些跨學科內容將化學知識與自然、社會文化現象以及科學技術聯系起來，引導學生用化學的思維方法去理解和解決有關問題，理解“科學、技術、社會”之間的相互聯系和影響，以開闊學生的視野，培養學生建立起自然與社會相統一的整體意識，并用這種STS的思維模式指導學生多角度、多層面、立體化地思考科學的社會價值以及對人類文化所產生的影響[12]。

2.2? 分布位置

從教材中跨學科內容分布位置上來看，將其分為正文、例題、習題、專欄和其他（其中“其他”為教材中除去正文、例題、習題、專欄之外所呈現的內容），分析得出其以習題和正文為主，兩者所占比例相當，其他和專欄中的跨學科內容數量次之，而在例題中分布甚少，這主要和美國高中化學教材中的例題在總量上就偏少有關（見表2）。在習題上，美國高中化學教材都將其設置在章節復習題中，具體而言，在“本節復習題”的“化學應用”部分以及“第X章復習”中的“應用概念”部分，重視從不同方面去反映國情、科技成果以及生產、生活實際，特別是在“應用概念”部分在跨學科鏈接、化學與技術、化學與社會、生活中的化學以及工作原理等各小標題下的習題，這樣就將化學中抽象概念的應用和生動的現實世界聯系起來。

表2? 美國高中化學教材中跨學科內容分布位置統計

分布位置數量比例

其他14819.63%

正文23030.50%

例題70.93%

習題26935.68%

專欄10013.26%

在正文部分，縱觀跨學科內容的分布，在化學概念、原理和方法的引入、講解以及應用部分都有著一定數量的出現，這說明美國高中化學教材較好地做到了對跨學科內容進行多維度闡釋和精細加工，使得其便于理解，為學生學習化學知識起到“腳手架”的作用。

跨學科內容還常呈現于章前的介紹部分，并大多與實物圖片相結合的方式呈現有關本章內容的自然科學或社會現象等，例如火山礦巖、莊稼施肥、遨游世界的熱氣球等;非正文中還有一個跨學科內容集中分布的位置為旁注部分，經常涉及詞源和一些科學史實的介紹，目的在于補充與化學知識相關的其他學科知識。

在專欄部分，美國高中化學教材的專欄設計種類繁多，有生活中的化學、化學實驗、迷你實驗、起步實驗、化學與社會、化學與技術、工作原理、化學工作者以及跨學科鏈接，多達九大類的專欄設計，其以相對獨立的形式出現在教材中，通常篇幅較多，可以較為完整地呈現跨學科內容，增強了化學與科技、現實生活的聯系，從而促進了學生的內在動機和積極的態度，并使其獲得更高的解決問題的能力。

2.3? 設置目的

從教材跨學科內容的設置目的上來看，以鞏固應用為主，概念解釋和知識拓展次之，最后在實驗探究和新知引入方面其所占比例都相對而言較小（見表3）。教材中通常使用跨學科內容來創設問題情境，以對化學的概念、原理和方法等進行鞏固應用。鞏固應用可以更為全面地利用所學知識來解決現實中的問題，理論與現實相結合，體現了“授之以漁”而不是“授之以魚”的教學觀點，也為學生的創新思維、創新能力的培養提供更多素材和機會[13]。

表3? 美國高中化學教材中跨學科內容設置目的統計

設置目的數量比例

新知引入435.70%

概念解釋21828.91%

實驗探究537.03%

鞏固應用33444.30%

知識拓展10614.06%

在概念解釋上，跨學科內容通常作為類比方法的使用出現，以促進學生對化學概念的理解，例如將催化劑對反應速率的影響類比為跳高運動，將兩原子間爭奪共用電子類比為“拔河比賽”，將電子能級類比為俄羅斯套娃等等。

在新知引入和知識拓展上，跨學科內容有些以圖文并茂的形式出現在章前介紹部分，有些則在正文前段或中間部分，引導學生從已有的知識背景和生活經驗出發，學習和理解化學及其相關拓展知識。在化學學科教材分析上，實驗探究是一大模塊，從上文專欄部分的介紹中，可知美國高中化學教材中的實驗探究欄目種類較多，分別有化學實驗、迷你實驗、起步實驗三類，這些實驗兼具趣味性和生活性，能夠有效地激發學生學習興趣，活躍思維、拓寬探究視野，關注不同學科之間的聯系，以優化認知結構。特別是迷你實驗欄目中，通常是跨學科內容出現頻繁的位置，例如我的早餐是用什么做的、合成香料、酵母遇糖等等。

3? 啟示

通過上述對美國高中化學教材中跨學科內容的分析，對我國高中化學教材的修訂與完善的建議如下：

3.1? 滲透STSE理念

美國高中化學教材中跨學科內容在學科來源上，大多選自自然科學類、人文與社會科學類以及工程與技術科學類知識，這些內容使學生將化學學科的知識和技能置于“新材料”和“新情境”中去進行學習，認識到化學對技術、社會以及環境所創造的價值。《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）中就提出“形成‘化學·技術·社會·環境的基本理念”[14]。羅瑪就對香港地區初中科學課程文本中的“跨學科”整合設計進行了分析，發現其跨學科內容具體體現在課程設計、課程目標和課程內容三個方面[15]。為了體現新課標的改革理念，更為了培養學生應用STSE理念去多角度、多層次地思考化學的社會價值，就可以在教材中跨學科內容的設計上滲透STSE理念。