基于微粒觀的人教版初、高中化學教材分析

摘要： 采用內容分析法，建立微粒觀分析類目，對人教版初、高中化學教材進行分析。結果表明，微粒觀組分在不同學段教材中的分布雖各有側重，但共性是側重在微粒符號觀、微粒本體觀、微粒作用觀、微粒結構觀；微粒觀組分在不同階段教材的發(fā)展呈現(xiàn)出與化學思維對象聯(lián)系廣度進階的特點。據(jù)此為基于微粒觀開展教學實踐提出三點建議。

關鍵詞： 微粒觀； 化學教材； 教材分析； 觀念進階

文章編號： 1005-6629（2024）06-0010-08 中圖分類號： G633．8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

化學觀念能反映核心素養(yǎng)的學科特質，初、高中化學新課標均明確要求學生能理解并運用化學基本觀念［1，2］?；瘜W基本觀念具有概括性和層次性的特征［3，4］，梳理教材中微粒觀發(fā)展路徑是逐步建構化學基本觀念的重要前提。作為化學基本觀念之一，微粒觀是指對微粒、微粒間的相互作用、物質結構及其對物質性質影響等所形成的總觀性認識［5］，反映了人們從微觀層面認識物質組成、結構、性質及變化規(guī)律的思維傾向。目前，國內外對微粒觀開展大量研究，其中在理論層面主要研究其內涵［6，7］與發(fā)展層級［8～10］，而實證方面則集中于微粒觀水平測查［11～13］和微粒觀教學實踐［14～16］?；瘜W觀念的形成是長期縱深遞進的結果，學生從初中接觸微觀粒子到高中進一步理解微粒與物質、變化和能量的關系，其微粒觀一直處于螺旋上升狀態(tài)，教學過程的斷層會導致學生化學觀念形成受阻［17］。然而，現(xiàn)有的微粒觀教材分析研究多停留在單一學段教材［18～20］。本研究基于微粒觀對人教版初、高中化學教材進行系統(tǒng)分析，總結微粒觀在教材中的分布特點，構建微粒觀在教材中的發(fā)展層級，為教師認識不同階段的教學內容對建構和發(fā)展學生微粒觀的作用、開展觀念建構教學提供參考。

2 研究設計

2.1 研究對象

選取人民教育出版社2012年版《義務教育教科書·化學》2本教科書和2019、2020年版《普通高中教科書·化學》5本教科書［21～27］為研究對象，將其劃分為義務教育教材（包括九年級上冊、九年級下冊）、高中必修教材（包括必修第一冊、必修第二冊）和高中選擇性必修教材（包括選擇性必修1、選擇性必修2、選擇性必修3）。

2.2 研究方法

采用內容分析法梳理微粒觀組分在不同學段化學教材中的分布情況和發(fā)展進階，共經歷5個步驟［28］：第一8gvuZ/5BeZWrlnZdnn6x8LGzR1gbgR5doL3NJoLFsAA=，進行抽樣，規(guī)定除教科書習題外的內容為樣本范圍。也就是說，不包括教材中的“練習與應用”和“復習與提高”欄目。第二，確定分析單元，依據(jù)研究目的確定本研究的分析單元為一句文本（或一張圖片、一個表格）。第三，構建微粒觀分析類目，通過文獻綜述和課標分析初擬組分類目，再通過分析教材修改完善分析類目，最后由三位專家進行效度檢驗。最終得到如表1所示的微粒觀組分框架，包含3類微粒觀共6個組分。本研究的微粒觀內涵包含結構觀，這是因為物質結構是由微粒及其相互作用形成［29］。第四，評判編碼與信度檢驗，依據(jù)分析類目對7本化學教材進行評判編碼，共得到1887個數(shù)據(jù)。邀請兩位專家對抽取30%的數(shù)據(jù)（566個）分別獨立編碼，計算得到評分者間信度為0．895，表明編碼結果具有良好信度。第五，進行統(tǒng)計分析，采用頻次統(tǒng)計和卡方檢驗等統(tǒng)計方法呈現(xiàn)微粒觀組分分布情況，再從學科知識和思維發(fā)展等角度對編碼數(shù)據(jù)進行定性分析，構建微粒觀組分層級進階，并統(tǒng)計在不同學段教材中微粒觀各水平的分布情況。

3 結果與討論

3.1 微粒觀組分分布情況

對微粒觀在3個階段教材中的頻次與百分比進行統(tǒng)計（見表2），結果表明整體上呈現(xiàn)出微粒觀各組分隨著學段發(fā)展逐漸豐富的特點，其共性是側重的組分主要是微粒符號觀、微粒本體觀、微粒作用觀和微粒觀結構觀?？ǚ綑z驗結果也表明，不同階段教材的微粒觀組分分布存在顯著性差異［χ2（10， 1887）=114.02， p<0.05］。

具體而言，義務教育教材側重微粒符號觀和微粒本體觀，這與教材特定的知識內容緊密相關。微粒符號因其本體作用和特定的表征思維，在各階段教材中均有廣泛體現(xiàn)。高中必修教材側重微粒符號觀、微粒結構觀、微粒本體觀和微粒作用觀，相較于義務教育階段有所提升。一方面是因為高中教材內容不斷豐富，另一方面教材在文字表述和符號表征上顯化對微粒、微粒間作用力和物質結構的描述。選擇性必修教材側重微粒符號觀、微粒作用觀、微粒結構觀、微粒本體觀，雖然與高中必修教材一致，但是承載這些觀念內涵的知識、概念的廣度和深度顯著提升。值得一提的是，盡管微粒分析觀和微粒價值觀在高中選擇性必修教材分布占比較少，但相較于前兩個階段有顯著增加。

3.2 微粒觀組分層級進階

基于微粒觀組分內涵與教材內容，以化學思維認識三對象（物質、變化、能量）［30］為進階變量，梳理微粒觀組分在不同階段化學教材中的進階路徑，以解決單一視角所建立的微粒觀層級兼容性差、進階孤立等問題。

下面以“微粒作用觀”為例闡述微粒觀組分進階模型（見圖1）。微粒作用觀劃分四個水平，分別用相應的字母代表每一水平中所包含1～3條觀念內涵，同一水平中的觀念內涵為并列關系。譬如，ZY-［BH-NL］表示微粒間的相互作用與“變化”和“能量”兩者存在關聯(lián)，不強調三者的聯(lián)系順序，該水平的內涵為“微粒間相互作用改變會引起能量的改變”。

3.2.1 微粒本體觀層級進階

微粒本體觀內涵可以劃分為3個層次，具體如圖2所示。其中，縱坐標左側的教材內容與右側的各水平內涵相對應。按照該進階層級將微粒本體觀282個數(shù)據(jù)進行水平劃分，結果顯示隨著學段的提高，微粒本體觀的2、 3水平逐漸占據(jù)主導，表明義務教育階段的教材主要建立低水平的微粒本體觀，即側重微粒本身的特點；高中階段的教材更適合幫助學生建立中、高水平的微粒本體觀，增加微粒與物質、變化和能量的關聯(lián)。卡方檢驗結果為χ2（4， 282）=16.38， p<0.05，說明不同階段教材中微粒本體觀水平分布存在顯著差異，呈現(xiàn)縱向、螺旋式發(fā)展的特點。

3.2.2 微粒作用觀層級進階

微粒作用觀內涵劃分為4個層次（見圖3）。其中，水平1關注微粒間的作用力及其類型和微觀粒子對微粒間作用力的影響，主要對應“化學鍵”“分子間作用力”等核心概念。水平2表示微粒間作用力與物質/變化/能量的單一聯(lián)系，集中體現(xiàn)在高中必修和選擇性必修教材。水平3表示微粒間作用力的變化引起物質/能量的變化。微粒作用觀的最高水平表示微粒間作用力與物質、變化和能量三者存在相互影響。對238個微粒作用觀編碼數(shù)據(jù)劃分層級水平，微粒作用觀各水平在初中和高中教材的分布呈現(xiàn)明顯的層次性，高中教材是幫助學生建立完整的微粒作用觀的重要素材。不過，相對于高中必修教材而言，選擇性必修教材中的微粒作用觀水平并未明顯提升。

3.2.3 微粒結構觀層級進階

基于物質結構與微粒、微粒間作用力的關系，微粒結構觀可視為對微粒本體觀和微粒作用觀的再發(fā)展。269個教材編碼數(shù)據(jù)所滲透的微粒結構觀內涵可劃分為3個水平（見圖4）。水平1體現(xiàn)不同層次的微觀結構以及微粒與微粒間作用力對其影響，對應著“原子結構”“分子結構”“晶體結構”等內容。水平2將結構與物質/變化/能量聯(lián)系起來，水平3表示物質結構與任意兩個思維認識對象的關聯(lián)，這兩個水平的觀念集中體現(xiàn)在高中階段教材中?？ǚ綑z驗結果為χ2（4， 269）=12.62， p<0.05，表明同階段教材中微粒結構觀水平分布存在顯著差異，具體體現(xiàn)為在義務教育教材側重發(fā)展水平1，即要求學生能夠認識物質是具有微觀結構的，而高中教材則以水平2和水平3為主，表明高中教材更強調“結構決定性質，性質反映結構”的觀念指引。

3.2.4 微粒符號觀層級進階

微粒符號觀從屬于方法型微粒觀，其觀念組分層次高于知識型微粒觀的三組分。微粒符號觀可劃分為4個水平（見圖5），其中水平1內涵可概括為化學符號、模型或圖示可以表征微粒、微粒間作用力及微粒的結構，這一內涵貫穿7本化學教材。水平2表示化學符號可以表征微觀層面內容與物質/變化的關聯(lián)，對應著化學式、結構式、原電池工作原理示意圖等內容。水平3強調用化學符號表示化學反應中的物質與微粒變化，化學方程式、離子方程式、電極反應式、有機反應式等內容都是這一觀念內涵的具體表現(xiàn)。水平4則是在水平3的基礎上增加對能量的表征，對應教材中的反應能量變化圖和熱化學方程式。

卡方檢驗結果為χ2（4， 917）=50.85， p<0.05，表明不同階段教材與微粒符號觀水平有顯著性關系。前三個水平均隨著學段的提高，出現(xiàn)的頻次逐漸增多，水平4只出現(xiàn)在高中選擇性必修教材中，既反映微粒符號觀內涵隨著初高中教材知識豐富呈現(xiàn)縱深發(fā)展的特點，還表明高中選擇性必修教材更關注對微粒符號的綜合運用。另外，從頻次百分比角度可以發(fā)現(xiàn)，水平2在三個學段中的相近且占據(jù)主要部分，這可能是因為教材中大部分內容采用化學式描述物質有關。值得關注的是，在高中必修和選擇性必修階段，水平3的頻次較為接近，這與必修階段課程重點（常見的無機物及其應用、簡單的有機化合物及其應用）有關。

3.2.5 微粒分析觀層級進階

微粒分析觀在中學階段出現(xiàn)頻次為81，可將其劃分為3個水平（見圖6）。其中，水平1強調利用現(xiàn)代技術手段對微觀層面進行探查，譬如通過掃描隧道顯微鏡、紅外光譜、X射線衍射等技術觀探測微觀粒子、微粒間作用力和結構。水平2的內涵拓展至對物質和變化微觀本質層面的探查分析，譬如氯離子的檢驗方法、飛秒技術的應用等等。水平3是通過化學實驗或儀器等手段對化學變化中的能量變化進行測定，集中體現(xiàn)在選擇性必修1“中和反應反應熱的測定”的部分。此外，微粒分析觀各水平頻次百分比統(tǒng)計結果顯示三個階段教材的內容主要滲透前兩個水平內涵，水平3只出現(xiàn)在選擇性必修教材，表明整體上人教版教材對發(fā)展學生微粒分析觀的要求不高，即要求學生了解可以通過實驗或科學技術手段對物質的微觀層面進行測定。

3.2.6 微粒價值觀層級進階

關于微粒價值觀的內容較少，對其中蘊含的觀念內涵進行水平劃分，如圖7所示。水平1體現(xiàn)微粒、微粒間作用力和結構在各領域的重要價值，在3個階段教材中均有所體現(xiàn)。水平2一方面表述為具有特定結構的物質在各領域的重要應用價值，例如，九年級教材“鏈狀結構的高分子材料（如聚乙烯塑料）具有熱塑性”體現(xiàn)了物質結構決定物質性質的價值內涵；另一方面表述為微觀粒子的運動變化價值，如選擇性必修2教材中所提到的ESR技術就是利用電子自旋原理。水平3分別對應教材中工業(yè)廢水的處理、霓虹燈工作原理、有機合成等內容?？ǚ綑z驗結果為χ2（4， 100）=13.27， p<0.05，表明微粒價值觀不同水平與不同階段教材類型有顯著關系。高水平的微粒價值觀在各階段教材中的占比逐漸增大，說明整體上水平發(fā)展是逐步提升。選擇性必修教材中反映化學應用價值的篇幅更多，更有助于學生建立完整的微粒價值觀，認識到化學來自生活也作用于生活，凸顯化學學科價值。

4 結論與建議

基于上述結果與討論，可以得到本研究的結論。一是微粒觀組分在不同學段教材的分布大致上相同，呈現(xiàn)出隨著學段提高而逐漸豐富的特點。二是具體至各個階段的教材，其共性是側重的組分主要是微粒符號觀、微粒本體觀、微粒作用觀、微粒結構觀。三是微粒觀組分在不同階段教材的發(fā)展呈現(xiàn)出化學思維對象聯(lián)系廣度進階的特點。據(jù)此，針對微粒觀教學實踐提出以下建議：

4.1 重視研究和使用教材，做好初高中化學教學銜接

微粒觀不是以顯性結論出現(xiàn)在教材中，而是內隱于化學教材的具體知識與核心概念。建立初高中微粒觀各組分進階圖，有利于把握教學梯度，做好教學銜接。以微粒本體觀發(fā)展為例，在初中階段根據(jù)學生認識微粒的特點，初步建立微觀視角；進入高中必修階段，引入基于微粒對物質分類的視角、認識物質的微觀本質等內容，建立宏觀與微觀的聯(lián)系；再到選擇性必修階段，深入探究物質內能的影響因素、物質變化的微觀本質等內容。學生在學習的過程中對微粒本質觀的認識也逐漸由單點到多點聯(lián)系再到結構化聯(lián)系的縱向發(fā)展。

4.2 形成微粒觀基本理解，開展“觀念建構”教學

“觀念建構”為本教學是從具體知識中歸納出持久性、遷移性的核心觀念理解為目的［31］，有利于增進學生對知識的深刻理解，促進其化學素養(yǎng)的全面發(fā)展［32］。實施“觀念建構”教學需要深入挖掘教材內容的觀念價值，概括提煉出重要觀念作為單元教學的目標。如借助微粒觀組分框架理解微粒觀內涵，借助微粒觀水平進階圖理清微粒觀與初、高中教材具體知識、核心概念的內在聯(lián)系，據(jù)此開展微粒觀為本教學的實證研究。

4.3 利用微粒觀組分層級，以評價促進教學

微粒觀的不同水平層級可作為學生微粒觀發(fā)展的教學評價工具，精準診斷學生的學習水平。依據(jù)不同階段學生的認知基礎和學校教學質量，確立學生不同階段應達成的學習水平，通過與之匹配的教學檢測達到診斷與教學指導的作用，從而確保學生在整個中學階段的微粒觀發(fā)展的順暢度，減少學生學習障礙。譬如，利用微粒結構觀水平層級，診斷初中生對原子結構的認識水平、診斷高一學生對無機化合物結構決定其性質的認識水平、診斷高二和高三學生有機化合物結構的變化判斷其化學反應類型的認識水平。

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