美国高中化学教材中跨学科内容分析

陆孟君 王世存 王红梅

摘要： 以美国高中化学主流教材Chemistry： Concepts and Applications中的跨学科内容作为研究对象，将所跨学科的溯源和内容分析法相结合，分别从学科来源、分布位置和设置目的3个维度对其进行数量统计分析。在学科来源上，材料工程、物理学和生物学上数量居多;在分布位置上，则以习题和正文为主;在设置目的上，多为巩固应用而设置。从当前新一轮课程改革出发，对我国高中化学教材的修订和完善提出相应的建议： 渗透STSE理念，优化外观和排版;增设跨学科栏目;注重知识的综合应用。

关键词： 跨学科内容; 高中化学教材; 化学： 概念与应用

文章编号： 1005-6629（2019）11-0026-05            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

1926年Woodorth于当时新成立的美国社会科学研究理事会（SSRC）首次提出跨学科（Interdisciplinarity）的概念[1]。18世纪中叶俄国科学家罗蒙诺索夫首先把物理和化学联系在一起[2]，开创了化学跨学科的先河，在这之后，化学不断地与其他学科进行着交叉联系，并衍生出了物理化学、环境化学等跨学科专业。随后Newell和Green将跨学科学习定义为“结合两种或两种以上学科以形成对某一问题或主题的综合理解”[3]，跨学科学习的主要特点是“多学科知识在某一项目或主题中的联结和融合”[4]。可见，与传统的单学科学习相比，跨学科学习把学习的重心从知识记忆转向整合不同学科的信息以及反思整个学习的过程，它能“增强学生的批判性思维能力、认知能力、解决问题的能力和跨学科联系的敏感性”[5]。

由于当代知识的发展存在一个突出特点“在学科不断分化基础上的相互交叉、相互渗透而形成的高度整合化、跨学科趋势”，同时现今人们面临的许多社会问题，都需要综合运用多门学科的知识去进行解决。在这一时代背景下，教育界掀起了一股对“跨学科”概念的研究热潮，特别是美国于2013年4月正式发布的《下一代科学标准》（Next Generation Science Standards，以下简称NGSS），将科学学习划分为科学与工程实践 （Science and Engineering Practices）、跨学科概念（Crosscutting Concepts）和核心概念（Disciplinary Core Ideas）三个同等重要的维度[6]。NGSS的研制者认为，“现行标准详细列出了琐碎和不相关联的知识清单，导致我们学校的科学课程是‘一英里长，一英寸深，忽视了科学知识之间的内在逻辑性和一致性”[7]，因此，NGSS着重强调了跨学科学习的重要性。为了研究美国化学教育中跨学科教学的现状，就可以从其教材入手，因为教材是最基本、最重要的课程资源，是课程的物化形态[8]，所以，跨学科化学教学的现状就可具体化为对化学教材中跨学科内容的研究。

1  研究对象和方法

1.1  研究对象

在教材研究中选择教材时需考虑以下因素： 出版社的权威性、版本新旧、关注度、使用量等[9]。针对美国化学教材使用多元化的现状，研究选定由美国McGrawHill公司出版的Chemistry： Concepts and Applications[10]（以下简称“美国高中化学教材”），该教材在美国课堂中有着相对较高的选用率，并且该教材也被浙江教育出版社出版为中译本，对我国中学化学也产生了一定影响。

1.2  研究方法

鉴于研究目的，需将所跨学科来源与内容分析法相结合，并使教材内容编排与选取内容的研究结合进行，从学科来源和分布位置的维度出发进行研究，可以在宏观上显性地表述跨学科内容的交叉情况，并能在宏观上体现出其在美国高中化学教材中所处位置或栏目，从而进一步分析出其设置方式;而从设置目的的维度出发进行研究，可从微观上深入获知其具体内容。研究总体上从跨学科内容的学科来源、分布位置以及设置目的3个维度对美国高中化学教材中的跨学科内容进行分析。

在学科来源上，根据《中华人民共和国学科分类与代码国家标准》（2009年版）简称《学科分类与代码》GB/T13745-2009进行学科分类，将其归类为自然科学类、人文与社会科学类、医药科学类、工程与技术科学类和农业科学类，并细化为各科学类别下的一级学科，以便于进行分析研究，具体分类如表1所示。在分布位置上，根据教材编排特点将其分为正文、例题、习题、专栏及其他五种类型。在设置目的上，结合化学学科的知识特点，将教材中跨学科内容主要分为新知引入、概念解释、实验探究和巩固应用四种类型。

表1  美国高中化学教材跨学科内容的学科来源

学科类别一级学科

自然科学类数学、物理学、生物学、地球科学、天文学等

人文与社会科学类语言学、历史学、考古学、政治学、经济学、艺术学、社会学、文学、体育科学等

医药科学类医学、药学等

工程与技术科学类材料工程、电子通信、计算机科学技术、航空航天科学技术等

农业科学类农学、林学等

例如教材中对“电子运动”部分进行说明时，提到“丹麦科学家丹尼尔斯·玻尔（1885～1962，早期曾与卢瑟福共事）认为，电子必定具有足够的能量，這样它才能在原子核的周围不断运动。为此，将电子的运动与太阳系中行星的运动进行了比较。玻尔认为，虽然行星与太阳之间通过万有引力彼此吸引，但正是因为行星具有足够的能量，才使它们可以稳定地处在固定的轨道上围绕太阳旋转”。在学科来源统计上，此段文字即在宏观上呈现出化学与历史学、天文学和地球科学之间的跨越，统计分析时，在一级学科的这三门学科上进行累加，同时在五大学科类别上，由于天文学和地球科学都属于自然学科，需在“自然学科类”的数值统计上累加两次，而另外历史学属于人文与社会科学类，所以需在“人文与社会科学类”的数值上累加一次。在分布位置统计上，此段文字说明是位于教材中的正文部分，在“正文”的统计数值上累加一次即可。在设置目的统计上，此段文字的主要目的为解析电子运动轨迹问题，即在“概念解释”的统计数值上累加一次[11]。

2  结果与讨論

2.1  学科来源

在学科来源方面（见图1）的所属一级学科数量统计上，有关材料工程的跨学科内容最多，高达239处，这些跨学科内容通常将化学作为基本的分析工具，应用于具体的材料工程项目中。相比较而言，有关生物学和物理学的跨学科内容也比较多，主要因为化学与物理、生物学科有着相似的理论体系，当代许多新兴学科的出现都来自于化学与物理、生物学科的交叉点，这些学科之间的跨越，一方面可以推动相关学科的进步，另一方面也可以促进化学学科本身的发展。

图1  美国高中化学教材中跨学科内容的学科来源数量排序

这些跨学科内容将化学知识与自然、社会文化现象以及科学技术联系起来，引导学生用化学的思维方法去理解和解决有关问题，理解“科学、技术、社会”之间的相互联系和影响，以开阔学生的视野，培养学生建立起自然与社会相统一的整体意识，并用这种STS的思维模式指导学生多角度、多层面、立体化地思考科学的社会价值以及对人类文化所产生的影响[12]。

2.2  分布位置

从教材中跨学科内容分布位置上来看，将其分为正文、例题、习题、专栏和其他（其中“其他”为教材中除去正文、例题、习题、专栏之外所呈现的内容），分析得出其以习题和正文为主，两者所占比例相当，其他和专栏中的跨学科内容数量次之，而在例题中分布甚少，这主要和美国高中化学教材中的例题在总量上就偏少有关（见表2）。在习题上，美国高中化学教材都将其设置在章节复习题中，具体而言，在“本节复习题”的“化学应用”部分以及“第X章复习”中的“应用概念”部分，重视从不同方面去反映国情、科技成果以及生产、生活实际，特别是在“应用概念”部分在跨学科链接、化学与技术、化学与社会、生活中的化学以及工作原理等各小标题下的习题，这样就将化学中抽象概念的应用和生动的现实世界联系起来。

表2  美国高中化学教材中跨学科内容分布位置统计

分布位置数量比例

其他14819.63%

正文23030.50%

例题70.93%

习题26935.68%

专栏10013.26%

在正文部分，纵观跨学科内容的分布，在化学概念、原理和方法的引入、讲解以及应用部分都有着一定数量的出现，这说明美国高中化学教材较好地做到了对跨学科内容进行多维度阐释和精细加工，使得其便于理解，为学生学习化学知识起到“脚手架”的作用。

跨学科内容还常呈现于章前的介绍部分，并大多与实物图片相结合的方式呈现有关本章内容的自然科学或社会现象等，例如火山矿岩、庄稼施肥、遨游世界的热气球等;非正文中还有一个跨学科内容集中分布的位置为旁注部分，经常涉及词源和一些科学史实的介绍，目的在于补充与化学知识相关的其他学科知识。

在专栏部分，美国高中化学教材的专栏设计种类繁多，有生活中的化学、化学实验、迷你实验、起步实验、化学与社会、化学与技术、工作原理、化学工作者以及跨学科链接，多达九大类的专栏设计，其以相对独立的形式出现在教材中，通常篇幅较多，可以较为完整地呈现跨学科内容，增强了化学与科技、现实生活的联系，从而促进了学生的内在动机和积极的态度，并使其获得更高的解决问题的能力。

2.3  设置目的

从教材跨学科内容的设置目的上来看，以巩固应用为主，概念解释和知识拓展次之，最后在实验探究和新知引入方面其所占比例都相对而言较小（见表3）。教材中通常使用跨学科内容来创设问题情境，以对化学的概念、原理和方法等进行巩固应用。巩固应用可以更为全面地利用所学知识来解决现实中的问题，理论与现实相结合，体现了“授之以渔”而不是“授之以鱼”的教学观点，也为学生的创新思维、创新能力的培养提供更多素材和机会[13]。

表3  美国高中化学教材中跨学科内容设置目的统计

设置目的数量比例

新知引入435.70%

概念解释21828.91%

实验探究537.03%

巩固应用33444.30%

知识拓展10614.06%

在概念解释上，跨学科内容通常作为类比方法的使用出现，以促进学生对化学概念的理解，例如将催化剂对反应速率的影响类比为跳高运动，将两原子间争夺共用电子类比为“拔河比赛”，将电子能级类比为俄罗斯套娃等等。

在新知引入和知识拓展上，跨学科内容有些以图文并茂的形式出现在章前介绍部分，有些则在正文前段或中间部分，引导学生从已有的知识背景和生活经验出发，学习和理解化学及其相关拓展知识。在化学学科教材分析上，实验探究是一大模块，从上文专栏部分的介绍中，可知美国高中化学教材中的实验探究栏目种类较多，分别有化学实验、迷你实验、起步实验三类，这些实验兼具趣味性和生活性，能够有效地激发学生学习兴趣，活跃思维、拓宽探究视野，关注不同学科之间的联系，以优化认知结构。特别是迷你实验栏目中，通常是跨学科内容出现频繁的位置，例如我的早餐是用什么做的、合成香料、酵母遇糖等等。

3  启示

通过上述对美国高中化学教材中跨学科内容的分析，对我国高中化学教材的修订与完善的建议如下：

3.1  渗透STSE理念

美国高中化学教材中跨学科内容在学科来源上，大多选自自然科学类、人文与社会科学类以及工程与技术科学类知识，这些内容使学生将化学学科的知识和技能置于“新材料”和“新情境”中去进行学习，认识到化学对技术、社会以及环境所创造的价值。《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）中就提出“形成‘化学·技术·社会·环境的基本理念”[14]。罗玛就对香港地区初中科学课程文本中的“跨学科”整合设计进行了分析，发现其跨学科内容具体体现在课程设计、课程目标和课程内容三个方面[15]。为了体现新课标的改革理念，更为了培养学生应用STSE理念去多角度、多层次地思考化学的社会价值，就可以在教材中跨学科内容的设计上渗透STSE理念。