新版初中化學教材科工整合內容設計特征分析

曾濤 李丹丹

摘? ?要：通過研究科工整合的理念，梳理、歸納初中化學教材中科工整合內容的類型、整合方式和呈現方式上的新特點，并對新教材中科工整合的內容設計進行特征研究，由此了解教材設計的情況，進而為優化教材設計和教學應用提供參考。

關鍵詞：初中化學教材;工程實踐;科工整合;特征

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2020）11-0012-06

一、科學課程整合工程實踐的背景

近年來，學校科學教育與數學、技術、工程的“聯姻”或互相滲透（STEM）成為國際科學教育的新態勢。在科學教育以及化學、物理、數學等分科科學教育中整合工程實踐，并把發展學生的工程實踐能力和對工程設計的理解力作為科學教育的主要目標，是國際上正在發生的基礎科學教育和工程教育的革命性變化。在諸多國際科學教育改革文本中也指出，這是提高學生科學成就和科學興趣最富有成效的改革方向。

在初中化學教學中實施科工整合教育主要有兩個目的：第一，讓工程實踐支持化學教育。即在工程實踐過程中學習、應用化學知識，由此使學生更好地掌握化學知識并獲得應用知識解決復雜問題的能力，如此可培養學生的創造性思維與批判性思維。第二，在初中化學教育階段，通過科工整合教育，可使學生初步體驗工程實踐，如此可培養學生的工程思維能力、工程實踐能力、對工程職業的興趣以及工程意識。可以說，化學教育是工程實踐的載體，通過化學教育將工程實踐在基礎教育階段展開，可深化學生對化學知識的理解，進而可促進化學知識在實踐中的應用。

在工程教育長期缺失的背景下，科工整合教育為工程教育融入我國基礎教育階段提供了良好的契機，并體現出巨大的潛在價值。近年來，河北省基礎教育階段學校STEM教育逐步興起，并以校本課程或在現行生物、物理、化學等科學分科課程中融入的方式實施，這是“科工整合實踐”的初期實踐基礎。

化學工程與工藝是初中化學課程重要的有機組成部分。在初中化學中，科工整合教育存在巨大的教育價值。教材是教學內容的載體，因此應關注并增加有關科工整合的內容設計，以此為學生學科綜合問題解決能力的發展服務。新版教材的科工整合內容在整合類型、整合方式和呈現方式上表現出新特點，本研究對新教材中的科工整合內容設計進行了特征研究，由此了解了教材的設計情況，以期為優化教材設計和教材的教學應用提供參考。

二、初中化學教材中科工整合內容的分析

初中化學教材中的科工整合內容被喻為理科中的跨學科內容，它指的是為了加深和拓展學生對化學知識的理解和運用，在化學知識的引入、生成和結束等任一階段，將化學知識和化學工程與工藝相結合的教材內容。

（一）科工整合的類型

想梳理科工整合的類型就必須要先解決“科工整合是什么”的問題，即哪些類別的化學知識與哪些類別的工程內容結合。初中化學可分為元素及其化合物化學、理論化學、實驗化學、計算化學四類。初中化學教育階段的“科工整合”指的是將上述四類化學知識與工程實踐相融合，而此處的工程在化學學科中，通常指的是化學工程與工藝，簡稱化工。化工既指運用化學方法制備的化學品，又包括改變物質組成、結構或合成新物質的技術，比如單質鋁的制備;同時還包括應用于各種工業生產的實驗手段，如水的工業凈化、工業制取硝酸等。

化工產品多達25個門類，且每個門類中又各有二級分類。但就本文而言其分類方式過于繁雜，概括性不夠，因此舍棄化工產品的分類方式，選用化工行業的分類方式。根據初中化學教材中的實質性內容，對化工行業進行篩選，最終可將中學化學中的化工內容分成9類，分別為：冶金、醫藥、能源及動力、輕工業、農藥、環境與環保、石油化工、軍工、精細化學品。為了使輕工業與精細化學品不產生交叉，本研究中的精細化學品特指具有特定的應用功能、技術密集、商品性強、產品附加值較高的化工產品，包括信息用化學品（磁性、感光材料）、食品和飼料添加劑、粘合劑、催化劑、功能高分子材料、顏料、涂料和燃料等。輕工業是指除精細化學品之外的，與日常生活息息相關的工業部門，如食品、煙酒、陶瓷、紡織、造紙、印刷等。

為增強研究信度，本研究在細化各維度操作方案的基礎上，邀請了兩位具有豐富教材研究經驗的評定者利用文本分析的方法獨立開展分析。對于一致同意的評定結果，可直接用于進一步的分析;對于不一致同意的評定結果，則通過協商達成一致后再用于分析。然后將編碼結果以及各行各列出現的總頻次填入表中，以方便統計和分析。

表中的編碼方式是將元素及其化合物化學、理論化學、實驗化學和計算化學分別標為1、2、3、4，并放在編碼首位;然后各化工行業以中文拼音首字母表示，放在化學分類數字的后面，如冶金為YJ，圖片則在首字母后加T;編碼中最后的阿拉伯數字為該內容在教材中出現的頻次。

需要指出的是：1.化工分類中的“其他”指的是與化工相關，但并未指明具體知識及其領域的教材內容，如“中和反應在日常生活和農業生產中有廣泛的應用”，中和反應是理論化學，但“日常生活”“農業生產”沒有特指哪個化工領域;2.一句話包括多個化工領域的按多次計數;3.將多張圖片合成一個圖片編碼，如果多張圖片指多個化工領域的按多次計數，反之則按1次計數。

表中顯示教材中的化學內容與工程整合共出現432次，其中元素及其化合物化學與工程整合的最多，共出現213次，其中包含75幅圖片;理論化學與工程整合共出現174次，其中包含圖片98幅;實驗化學與工程整合共出現35次，其中包含圖片17幅;與計算化學整合的最少，為10次。這說明教材對元素及其化合物化學、理論化學與工程整合的關注度較高。從橫向看，能源與動力、冶金、輕工業、精細化學品、環境與環保是與化學結合度較高的化工行業。

（二）科工內容的整合方式

要想梳理科工內容的整合方式就要先闡明科工是如何整合的問題。化學是科學，科學要回答“是什么”和“為什么”的問題;而技術和工程則是要回答“做什么”和“怎么做”的問題。科學是工程和技術的基礎，在工程和技術中一定蘊含著科學原理，而工程則是在真正意義上，將科學推向了實踐，因此在真實世界中，科學、技術和工程往往密不可分。研究發現，教材通過以下幾種形式將真實世界中的工程與化學科學在初中教材中合二為一。

1.知識介紹+應用拓展。“形狀記憶合金”出現在教材的第八章中，在此章教材首先說明了什么是記憶合金，然后簡單列舉了記憶合金的用途，最后具體舉例記憶合金在宇宙飛船天線中的應用，我們將這種整合模式稱為“知識介紹+應用拓展”型。它通常以工業技術及其進展為載體，在加深學生對所學化學知識了解的同時，拓展學生的化工視野，打通學生與工程和科學知識間的通道。

2.工程情景中的知識引出。教材在科學知識的引入階段，安排了大量的工程內容以激發學生的學習興趣，使其產生想學的意向。例如在第八章，教材在起始部分安排了這樣的文字：“鋁能在短短的一百年里產量得到大幅度的提高，并被廣泛地應用，除了因為人們改進了鋁的冶煉方法，使其成本大大降低以及鋁的密度較小外，還因為鋁的抗腐蝕性能好，那么為什么鋁具有這么好的抗腐蝕性呢？”這段話的設計目的是導入金屬化學性質的學習。

真實的工程實踐是直接參與到社會之中，并與其他領域發生相互作用的，同時還需要協調諸多現實制約中的矛盾（自然的、社會的、經濟的、政治的、文化的、倫理的、法律的等等），然后針對實際問題創設出符合人類社會需求的人工產物的過程。在教材中雖然安排了大量類似的工程情景，但多數在后期并沒有進一步呼應相應的內容。

3.工程情景中的知識形成。工程情景中的知識形成最具教育價值，它可在學習環境中激發學生的創造力，產生協作學習、共同發現和實驗學習。工程始于某個問題、某種需求或者亟待解決某項工程問題的愿望。教材以解決現實問題為目標設計，為解決現實問題，學生必須要掌握一些物質的性質和反應原理，當學生探究、學習完原理之后，教材又引導學生運用所學知識，設計方案解決之前遇到的現實問題，這需要學生設計裝置、制作作品、測試作品、修改完善作品以達最優才行。與之相關的內容有燃燒與滅火（滅火器的制作）、水的凈化（凈水器的制作）、酸堿指示劑等。

另一類工程情景中的知識形成是對工業流程的分析和設計，比如高爐煉鐵（見下圖）、自來水廠的工業凈水過程、海水曬鹽的流程等。以示意圖和流程圖出現在教材中的模型和模擬系統在培養學生的工業設計思維上具有重要的價值。學生像工程師一樣，利用模型和模擬試驗來分析系統，查找哪里有缺陷，或者測試新問題的可能解決方案，以此確認各種設計的優勢和局限。如此一來，學生的收獲絕不僅僅限于知識的獲取，同時還涉及方法的掌握與觀念的形成。學生將來未必能接觸到“高爐煉鐵”的化工設備，但學生可以根據模型反復分析其包含的技術方法以及技術觀念，如此可促使他們未來在面對相關技術問題時，做出更理性的思考和更合理的決策。由此可見，工業流程的教學價值與其說體現在對工業過程的了解上，不如說體現在對技術方法的掌握與技術觀念的形成上。

4.工程情景中的問題解決。工程情景中的問題解決有三種整合形式：第一種，以泛化的工業場景為背景，單純考查化學學科知識。例如教材中“求某工廠化驗室用15%的氫氧化鈉溶液洗滌一定量石油產品中殘余的硫酸”一題，該題以化工廠為背景，考查了酸堿反應和百分含量的計算。第二種，以特定的具體工業生產為背景，考查多個化學學科知識，且問題的設定涉及到工業設計思想，如“海水提取粗鹽的流程”習題，該題以海水曬鹽為背景，給出了海水提取粗鹽的流程圖。學生要解決這個問題，需要運用溶液、飽和溶液、蒸發、結晶、母液、粗鹽等知識，還要能讀懂流程圖，因為從設計到工業流程，問題解決的真實度和難度都有所增加。第三種，涉及到工業設計層面問題的解決，答案具有開放性，如“某小型造紙廠向河中非法排放了大量堿性廢液，請你根據所學知識，設計出兩種檢測堿性廢液和受污染河水的方法，并試著提出治理的措施”。

（三）呈現的方式和位置

教材對其的呈現方式可分為欄目、正文、圖片（包括流程圖）、習題等。在教材中設計了一個供閱讀的直接與科工整合相關的欄目“化學·技術·社會”，該欄目常用于陳述說明事實類知識，如“形狀記憶合金”。另一個欄目“資料”也涉及部分工程內容，如“工業上如何大量制取氧氣”。這些內容不僅起到知識延續、擴展工程視野的作用，更重要的是其選取了最前沿的工程問題，為學生提出用跨學科的方法解決“重大挑戰”的教育問題提供了幫助，如節約用水和改善水質，讓太陽能的使用成本更具競爭力以及制造價格更實惠的電動汽車等。

在正文中的科工整合內容常出現在章節的開頭，用于激發學生的學習興趣，引發學生思考。例如在教材的起始：“你或許常常在思索怎樣才能使天空變得更藍？河水變得更清澈？你或許想…發明新的藥品…你或許想讓那些廢塑料變成燃料”。安排在正文中間的科工整合內容，多以文字+圖片（流程圖）的形式出現，用以探究物質的性質，介紹其工業用途和制取流程等。流程圖是特殊的圖片，它以工業特有形式，幫助學生梳理并建構工程知識，發展工程思維，是非常寶貴的工程教學材料。“工藝流程圖”在教材中有6個，分別是“工業用水重復利用示意圖”“水體污染來源示意圖”“污水處理流程示意圖”“自來水廠凈水過程示意圖”“高爐煉鐵反應過程示意圖”“海水曬鹽流程圖”。值得特別指出的是，由于工程內容的復雜性，教材應用了大量的圖片（280幅，見表）對文字進行了補充說明。在正文的結束部分，物質的用途常以工程中的應用形式出現，例如教材181個習題中體現“科工整合”的習題有19個，占比約10%。

三、科工整合內容教材設計的特點

（一）充分重視化學科學與工程之間跨學科的聯系

跨學科教育是一種新的教育嘗試，其目的是倡導由問題解決驅動的跨學科理科教育，促使未來人才適應當今知識經濟全球化的水平以及復雜性和合作性不斷增強的大趨勢。因此教材十分關注化學與工程跨學科的聯系，在全書中共出現科工整合內容432次，分布于全部12個章節中，貫穿整個化學學科知識的引發、形成和問題解決環節，并出現了多種整合方式。

（二）運用多種呈現方式設計科工整合內容

作為平面媒體的教材要展現工程這種復雜的活動，無疑是非常困難的。因此教材應用了大量的圖片如流程圖、示意圖等來輔助文字，這些圖片將成為學生學習科工整合內容良好的載體。欄目中的科工整合內容應突出前沿性、人文性、現實性和復雜性，如此可幫助學生通過跨學科教育來理解和塑造世界。

（三）體現了工程實踐的核心——設計和實踐的迭代

工程的關鍵是設計，設計是產品開發過程的核心要素。設計的一般過程通常包括（1）發現與明確問題;（2）制定方案;（3）制作模型或原型;（4）測試、評估或優化;（5）產品的使用和維護。工程設計需要考慮可利用的條件和制約因素，并不斷地改進和完善。迭代是一個不斷重復的過程，其目的是為了逐步逼近目標或結果。每一次對過程的重復就是一次迭代，每一次迭代得到的結果會作為下一次迭代的初始值。在初中化學有限的內容中，教材多次設置了相應的內容，讓學生有機會像工程師那樣，從事工程構想、設計、實現和運行工作。

四、科工整合內容的問題與建議

（一）關于科工整合內容地位的再思考

教材雖然設置了眾多科工整合內容，但絕大多數出現在課題的起始和結束部分，如“多種化工原料都要用到催化劑，請敘述其原理和用途”。教師在教學中對這些往往一語帶過，所以其起到的工程教育價值值得商榷。

跨學科教育被視為促使未來人才適應當今知識經濟全球化水平以及復雜性和合作性不斷增強的大趨勢的利器。但因受制于傳統的課程思路，人們并未深刻理解教材中跨學科內容的真正意蘊。目前，基于系統知識的教材設計占據主流地位，但在面對經濟全球化的趨勢時，我們應該思考如何讓教材中的科工整合內容走出邊緣化的境遇，并把它視為當前的需要和目的的有機組成部分來吸收，以實現其特殊的教育功能。

因此本研究呼吁與科工整合相關的教材內容的地位應該得到加強，應該更加顯性化。顯性化是指科工整合內容不是教材中可有可無、學生學與不學、教師教與不教均可的內容，而是應該在現有的基礎上，花更多地筆墨于工程實踐，同時在科學探究的基礎上，將個別學習材料延伸至工程設計領域的內容。

（二）對科工整合內容設計的再思考

研究發現，教材中有些內容反復出現，如鋁的冶煉和產量。且教材第八章的“課題一”和“課題二”使用了幾乎完全相同的科工整合素材，這使教材的設計顯得不夠精細化。此外，科工整合內容的結構化和針對性也明顯不足，操作化也有待加強。

結構化指的是教材應該分階段、有目的地呈現科工整合內容，如此可使學生的工程能力在化學學科中得到逐步發展。教材的設計可以模仿科學探究的設計，即在某些內容上出現：提出和確定問題、建立和使用模型、設計和實施調查、分析和解釋數據、利用技術思維、形成解釋和設計解決方案、參與基于證據的討論、評價和交流信息的整個過程，如此可使學生具有超出單學科研究的視野，進而可培養學生全面認識和解決復雜問題的能力。

在初中化學階段，哪些工程能力能夠被承載于現有的初中化學知識中呢？教材應該思考并精心設計哪些內容來解決針對性不足的問題呢？如凈水器的設計和組裝，可以重點培養學生迭代的工程思維和實踐能力;再比如將“如何防止家里的刀、剪和農具等鐵制品生銹”作為一個工程設計來處理，可使學生親身經歷解決工程問題的系統過程。在大部分情況下沒有唯一的最佳方案，而是有一套解決方案，哪個方案屬于最佳選擇取決于評估的標準。當結構化和針對性得到增加時，教材的內容將更具操作性。

五、教學建議

（一）重視科工整合的理念

科工整合教育順應科學教育的發展趨勢，其無論是對化學教育的優化發展還是對培養學生的工程素養都有著極其重要的作用。因此教師和學生都應該摒棄傳統的教學思想，積極接納和學習科工整合內容。

（二）積極挖掘工程教育的價值

科工整合教學的理念在實現過程中，需要教師合理設置教學情景，并巧妙地將工程方案和化學知識相結合，這對于教師來說有一定的難度。因此教師在把握教學目標的基礎上，要將知識賦于工業情景之中，使學生在工業情景中構建知識，加深對化學知識的理解和掌握，并運用相關原理動手制作工業產品，檢驗產品的實用性，如此可使學生有充足的時間測試、修改和完善作品，體會完整的工程實踐過程，這體現出工程迭代思想和科學探究思想的融合。

（三）不斷積累科工整合教學的案例

對于大多數化學教師而言，實施科工整合教育有很大難度。但隨著STEM教育在我國的發展，許多學校和機構開始創新性地開展STEM教育設計，一些教師也開始注意積累這方面的素材，并應用到化學學科的科工整合教育中。比如在“節約水資源”一課中，教師可以使用項目化教學設計，將學科知識整合于項目中，由此可引導學生運用多學科知識設計制作節水水龍頭。

科工整合教育在我國剛剛得到關注，未來還有很長的路要走，但我們對 《K-12年級科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心觀念》中所展望的愿景：“到高中畢業時，所有學生都能欣賞科學的美麗和奇跡;掌握足夠的科學和工程知識去參與相關議題的公開討論;成為日常生活中關注科學技術信息的細心消費者;能夠在學校之外繼續學習科學;擁有能夠進入自己所選職業的技能，包括（但不限于）科學、工程和技術領域的職業”充滿希望。