新版初中化学教材科工整合内容设计特征分析

曾涛 李丹丹

摘   要：通过研究科工整合的理念，梳理、归纳初中化学教材中科工整合内容的类型、整合方式和呈现方式上的新特点，并对新教材中科工整合的内容设计进行特征研究，由此了解教材设计的情况，进而为优化教材设计和教学应用提供参考。

关键词：初中化学教材;工程实践;科工整合;特征

中图分类号：G633.8    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2020）11-0012-06

一、科学课程整合工程实践的背景

近年来，学校科学教育与数学、技术、工程的“联姻”或互相渗透（STEM）成为国际科学教育的新态势。在科学教育以及化学、物理、数学等分科科学教育中整合工程实践，并把发展学生的工程实践能力和对工程设计的理解力作为科学教育的主要目标，是国际上正在发生的基础科学教育和工程教育的革命性变化。在诸多国际科学教育改革文本中也指出，这是提高学生科学成就和科学兴趣最富有成效的改革方向。

在初中化学教学中实施科工整合教育主要有两个目的：第一，让工程实践支持化学教育。即在工程实践过程中学习、应用化学知识，由此使学生更好地掌握化学知识并获得应用知识解决复杂问题的能力，如此可培养学生的创造性思维与批判性思维。第二，在初中化学教育阶段，通过科工整合教育，可使学生初步体验工程实践，如此可培养学生的工程思维能力、工程实践能力、对工程职业的兴趣以及工程意识。可以说，化学教育是工程实践的载体，通过化学教育将工程实践在基础教育阶段展开，可深化学生对化学知识的理解，进而可促进化学知识在实践中的应用。

在工程教育长期缺失的背景下，科工整合教育为工程教育融入我国基础教育阶段提供了良好的契机，并体现出巨大的潜在价值。近年来，河北省基础教育阶段学校STEM教育逐步兴起，并以校本课程或在现行生物、物理、化学等科学分科课程中融入的方式实施，这是“科工整合实践”的初期实践基础。

化学工程与工艺是初中化学课程重要的有机组成部分。在初中化学中，科工整合教育存在巨大的教育价值。教材是教学内容的载体，因此应关注并增加有关科工整合的内容设计，以此为学生学科综合问题解决能力的发展服务。新版教材的科工整合内容在整合类型、整合方式和呈现方式上表现出新特点，本研究对新教材中的科工整合内容设计进行了特征研究，由此了解了教材的设计情况，以期为优化教材设计和教材的教学应用提供参考。

二、初中化学教材中科工整合内容的分析

初中化学教材中的科工整合内容被喻为理科中的跨学科内容，它指的是为了加深和拓展学生对化学知识的理解和运用，在化学知识的引入、生成和结束等任一阶段，将化学知识和化学工程与工艺相结合的教材内容。

（一）科工整合的类型

想梳理科工整合的类型就必须要先解决“科工整合是什么”的问题，即哪些类别的化学知识与哪些类别的工程内容结合。初中化学可分为元素及其化合物化学、理论化学、实验化学、计算化学四类。初中化学教育阶段的“科工整合”指的是将上述四类化学知识与工程实践相融合，而此处的工程在化学学科中，通常指的是化学工程与工艺，简称化工。化工既指运用化学方法制备的化学品，又包括改变物质组成、结构或合成新物质的技术，比如单质铝的制备;同时还包括应用于各种工业生产的实验手段，如水的工业净化、工业制取硝酸等。

化工产品多达25个门类，且每个门类中又各有二级分类。但就本文而言其分类方式过于繁杂，概括性不够，因此舍弃化工产品的分类方式，选用化工行业的分类方式。根据初中化学教材中的实质性内容，对化工行业进行筛选，最终可将中学化学中的化工内容分成9类，分别为：冶金、医药、能源及动力、轻工业、农药、环境与环保、石油化工、军工、精细化学品。为了使轻工业与精细化学品不产生交叉，本研究中的精细化学品特指具有特定的应用功能、技术密集、商品性强、产品附加值较高的化工产品，包括信息用化学品（磁性、感光材料）、食品和饲料添加剂、粘合剂、催化剂、功能高分子材料、颜料、涂料和燃料等。轻工业是指除精细化学品之外的，与日常生活息息相关的工业部门，如食品、烟酒、陶瓷、纺织、造纸、印刷等。

为增强研究信度，本研究在细化各维度操作方案的基础上，邀请了两位具有丰富教材研究经验的评定者利用文本分析的方法独立开展分析。对于一致同意的评定结果，可直接用于进一步的分析;对于不一致同意的评定结果，则通过协商达成一致后再用于分析。然后将编码结果以及各行各列出现的总频次填入表中，以方便统计和分析。

表中的编码方式是将元素及其化合物化学、理论化学、实验化学和计算化学分别标为1、2、3、4，并放在编码首位;然后各化工行业以中文拼音首字母表示，放在化学分类数字的后面，如冶金为YJ，图片则在首字母后加T;编码中最后的阿拉伯数字为该内容在教材中出现的频次。

需要指出的是：1.化工分类中的“其他”指的是与化工相关，但并未指明具体知识及其领域的教材内容，如“中和反应在日常生活和农业生产中有广泛的应用”，中和反应是理论化学，但“日常生活”“农业生产”没有特指哪个化工领域;2.一句话包括多个化工领域的按多次计数;3.将多张图片合成一个图片编码，如果多张图片指多个化工领域的按多次计数，反之则按1次计数。

表中显示教材中的化学内容与工程整合共出现432次，其中元素及其化合物化学与工程整合的最多，共出现213次，其中包含75幅圖片;理论化学与工程整合共出现174次，其中包含图片98幅;实验化学与工程整合共出现35次，其中包含图片17幅;与计算化学整合的最少，为10次。这说明教材对元素及其化合物化学、理论化学与工程整合的关注度较高。从横向看，能源与动力、冶金、轻工业、精细化学品、环境与环保是与化学结合度较高的化工行业。

（二）科工内容的整合方式

要想梳理科工内容的整合方式就要先阐明科工是如何整合的问题。化学是科学，科学要回答“是什么”和“为什么”的问题;而技术和工程则是要回答“做什么”和“怎么做”的问题。科学是工程和技术的基础，在工程和技术中一定蕴含着科学原理，而工程则是在真正意义上，将科学推向了实践，因此在真实世界中，科学、技术和工程往往密不可分。研究发现，教材通过以下几种形式将真实世界中的工程与化学科学在初中教材中合二为一。

1.知识介绍+应用拓展。“形状记忆合金”出现在教材的第八章中，在此章教材首先说明了什么是记忆合金，然后简单列举了记忆合金的用途，最后具体举例记忆合金在宇宙飞船天线中的应用，我们将这种整合模式称为“知识介绍+应用拓展”型。它通常以工业技术及其进展为载体，在加深学生对所学化学知识了解的同时，拓展学生的化工视野，打通学生与工程和科学知识间的通道。

2.工程情景中的知识引出。教材在科学知识的引入阶段，安排了大量的工程内容以激发学生的学习兴趣，使其产生想学的意向。例如在第八章，教材在起始部分安排了这样的文字：“铝能在短短的一百年里产量得到大幅度的提高，并被广泛地应用，除了因为人们改进了铝的冶炼方法，使其成本大大降低以及铝的密度较小外，还因为铝的抗腐蚀性能好，那么为什么铝具有这么好的抗腐蚀性呢？”这段话的设计目的是导入金属化学性质的学习。

真实的工程实践是直接参与到社会之中，并与其他领域发生相互作用的，同时还需要协调诸多现实制约中的矛盾（自然的、社会的、经济的、政治的、文化的、伦理的、法律的等等），然后针对实际问题创设出符合人类社会需求的人工产物的过程。在教材中虽然安排了大量类似的工程情景，但多数在后期并没有进一步呼应相应的内容。

3.工程情景中的知识形成。工程情景中的知識形成最具教育价值，它可在学习环境中激发学生的创造力，产生协作学习、共同发现和实验学习。工程始于某个问题、某种需求或者亟待解决某项工程问题的愿望。教材以解决现实问题为目标设计，为解决现实问题，学生必须要掌握一些物质的性质和反应原理，当学生探究、学习完原理之后，教材又引导学生运用所学知识，设计方案解决之前遇到的现实问题，这需要学生设计装置、制作作品、测试作品、修改完善作品以达最优才行。与之相关的内容有燃烧与灭火（灭火器的制作）、水的净化（净水器的制作）、酸碱指示剂等。

另一类工程情景中的知识形成是对工业流程的分析和设计，比如高炉炼铁（见下图）、自来水厂的工业净水过程、海水晒盐的流程等。以示意图和流程图出现在教材中的模型和模拟系统在培养学生的工业设计思维上具有重要的价值。学生像工程师一样，利用模型和模拟试验来分析系统，查找哪里有缺陷，或者测试新问题的可能解决方案，以此确认各种设计的优势和局限。如此一来，学生的收获绝不仅仅限于知识的获取，同时还涉及方法的掌握与观念的形成。学生将来未必能接触到“高炉炼铁”的化工设备，但学生可以根据模型反复分析其包含的技术方法以及技术观念，如此可促使他们未来在面对相关技术问题时，做出更理性的思考和更合理的决策。由此可见，工业流程的教学价值与其说体现在对工业过程的了解上，不如说体现在对技术方法的掌握与技术观念的形成上。

4.工程情景中的问题解决。工程情景中的问题解决有三种整合形式：第一种，以泛化的工业场景为背景，单纯考查化学学科知识。例如教材中“求某工厂化验室用15%的氢氧化钠溶液洗涤一定量石油产品中残余的硫酸”一题，该题以化工厂为背景，考查了酸碱反应和百分含量的计算。第二种，以特定的具体工业生产为背景，考查多个化学学科知识，且问题的设定涉及到工业设计思想，如“海水提取粗盐的流程”习题，该题以海水晒盐为背景，给出了海水提取粗盐的流程图。学生要解决这个问题，需要运用溶液、饱和溶液、蒸发、结晶、母液、粗盐等知识，还要能读懂流程图，因为从设计到工业流程，问题解决的真实度和难度都有所增加。第三种，涉及到工业设计层面问题的解决，答案具有开放性，如“某小型造纸厂向河中非法排放了大量碱性废液，请你根据所学知识，设计出两种检测碱性废液和受污染河水的方法，并试着提出治理的措施”。

（三）呈现的方式和位置

教材对其的呈现方式可分为栏目、正文、图片（包括流程图）、习题等。在教材中设计了一个供阅读的直接与科工整合相关的栏目“化学·技术·社会”，该栏目常用于陈述说明事实类知识，如“形状记忆合金”。另一个栏目“资料”也涉及部分工程内容，如“工业上如何大量制取氧气”。这些内容不仅起到知识延续、扩展工程视野的作用，更重要的是其选取了最前沿的工程问题，为学生提出用跨学科的方法解决“重大挑战”的教育问题提供了帮助，如节约用水和改善水质，让太阳能的使用成本更具竞争力以及制造价格更实惠的电动汽车等。

在正文中的科工整合内容常出现在章节的开头，用于激发学生的学习兴趣，引发学生思考。例如在教材的起始：“你或许常常在思索怎样才能使天空变得更蓝？河水变得更清澈？你或许想…发明新的药品…你或许想让那些废塑料变成燃料”。安排在正文中间的科工整合内容，多以文字+图片（流程图）的形式出现，用以探究物质的性质，介绍其工业用途和制取流程等。流程图是特殊的图片，它以工业特有形式，帮助学生梳理并建构工程知识，发展工程思维，是非常宝贵的工程教学材料。“工艺流程图”在教材中有6个，分别是“工业用水重复利用示意图”“水体污染来源示意图”“污水处理流程示意图”“自来水厂净水过程示意图”“高炉炼铁反应过程示意图”“海水晒盐流程图”。值得特别指出的是，由于工程内容的复杂性，教材应用了大量的图片（280幅，见表）对文字进行了补充说明。在正文的结束部分，物质的用途常以工程中的应用形式出现，例如教材181个习题中体现“科工整合”的习题有19个，占比约10%。

三、科工整合内容教材设计的特点

（一）充分重视化学科学与工程之间跨学科的联系

跨学科教育是一种新的教育尝试，其目的是倡导由问题解决驱动的跨学科理科教育，促使未来人才适应当今知识经济全球化的水平以及复杂性和合作性不断增强的大趋势。因此教材十分关注化学与工程跨学科的联系，在全书中共出现科工整合内容432次，分布于全部12个章节中，贯穿整个化学学科知识的引发、形成和问题解决环节，并出现了多种整合方式。

（二）运用多种呈现方式设计科工整合内容

作为平面媒体的教材要展现工程这种复杂的活动，无疑是非常困难的。因此教材应用了大量的图片如流程图、示意图等来辅助文字，这些图片将成为学生学习科工整合内容良好的载体。栏目中的科工整合内容应突出前沿性、人文性、现实性和复杂性，如此可帮助学生通过跨学科教育来理解和塑造世界。

（三）体现了工程实践的核心——设计和实践的迭代

工程的关键是设计，设计是产品开发过程的核心要素。设计的一般过程通常包括（1）发现与明确问题;（2）制定方案;（3）制作模型或原型;（4）测试、评估或优化;（5）产品的使用和维护。工程设计需要考虑可利用的条件和制约因素，并不断地改进和完善。迭代是一个不断重复的过程，其目的是为了逐步逼近目标或结果。每一次对过程的重复就是一次迭代，每一次迭代得到的结果会作为下一次迭代的初始值。在初中化学有限的内容中，教材多次设置了相应的内容，让学生有机会像工程师那样，从事工程构想、设计、实现和运行工作。

四、科工整合内容的问题与建议

（一）关于科工整合内容地位的再思考

教材虽然设置了众多科工整合内容，但绝大多数出现在课题的起始和结束部分，如“多种化工原料都要用到催化剂，请叙述其原理和用途”。教师在教学中对这些往往一语带过，所以其起到的工程教育价值值得商榷。

跨学科教育被视为促使未来人才适应当今知识经济全球化水平以及复杂性和合作性不断增强的大趋势的利器。但因受制于傳统的课程思路，人们并未深刻理解教材中跨学科内容的真正意蕴。目前，基于系统知识的教材设计占据主流地位，但在面对经济全球化的趋势时，我们应该思考如何让教材中的科工整合内容走出边缘化的境遇，并把它视为当前的需要和目的的有机组成部分来吸收，以实现其特殊的教育功能。

因此本研究呼吁与科工整合相关的教材内容的地位应该得到加强，应该更加显性化。显性化是指科工整合内容不是教材中可有可无、学生学与不学、教师教与不教均可的内容，而是应该在现有的基础上，花更多地笔墨于工程实践，同时在科学探究的基础上，将个别学习材料延伸至工程设计领域的内容。

（二）对科工整合内容设计的再思考

研究发现，教材中有些内容反复出现，如铝的冶炼和产量。且教材第八章的“课题一”和“课题二”使用了几乎完全相同的科工整合素材，这使教材的设计显得不够精细化。此外，科工整合内容的结构化和针对性也明显不足，操作化也有待加强。

结构化指的是教材应该分阶段、有目的地呈现科工整合内容，如此可使学生的工程能力在化学学科中得到逐步发展。教材的设计可以模仿科学探究的设计，即在某些内容上出现：提出和确定问题、建立和使用模型、设计和实施调查、分析和解释数据、利用技术思维、形成解释和设计解决方案、参与基于证据的讨论、评价和交流信息的整个过程，如此可使学生具有超出单学科研究的视野，进而可培养学生全面认识和解决复杂问题的能力。

在初中化学阶段，哪些工程能力能够被承载于现有的初中化学知识中呢？教材应该思考并精心设计哪些内容来解决针对性不足的问题呢？如净水器的设计和组装，可以重点培养学生迭代的工程思维和实践能力;再比如将“如何防止家里的刀、剪和农具等铁制品生锈”作为一个工程设计来处理，可使学生亲身经历解决工程问题的系统过程。在大部分情况下没有唯一的最佳方案，而是有一套解决方案，哪个方案属于最佳选择取决于评估的标准。当结构化和针对性得到增加时，教材的内容将更具操作性。

五、教学建议

（一）重视科工整合的理念

科工整合教育顺应科学教育的发展趋势，其无论是对化学教育的优化发展还是对培养学生的工程素养都有着极其重要的作用。因此教师和学生都应该摒弃传统的教学思想，积极接纳和学习科工整合内容。

（二）积极挖掘工程教育的价值

科工整合教学的理念在实现过程中，需要教师合理设置教学情景，并巧妙地将工程方案和化学知识相结合，这对于教师来说有一定的难度。因此教师在把握教学目标的基础上，要将知识赋于工业情景之中，使学生在工业情景中构建知识，加深对化学知识的理解和掌握，并运用相关原理动手制作工业产品，检验产品的实用性，如此可使学生有充足的时间测试、修改和完善作品，体会完整的工程实践过程，这体现出工程迭代思想和科学探究思想的融合。

（三）不断积累科工整合教学的案例

对于大多数化学教师而言，实施科工整合教育有很大难度。但随着STEM教育在我国的发展，许多学校和机构开始创新性地开展STEM教育设计，一些教师也开始注意积累这方面的素材，并应用到化学学科的科工整合教育中。比如在“节约水资源”一课中，教师可以使用项目化教学设计，将学科知识整合于项目中，由此可引导学生运用多学科知识设计制作节水水龙头。

科工整合教育在我国刚刚得到关注，未来还有很长的路要走，但我们对 《K-12年级科学教育框架：实践、跨学科概念和核心观念》中所展望的愿景：“到高中毕业时，所有学生都能欣赏科学的美丽和奇迹;掌握足够的科学和工程知识去参与相关议题的公开讨论;成为日常生活中关注科学技术信息的细心消费者;能够在学校之外继续学习科学;拥有能够进入自己所选职业的技能，包括（但不限于）科学、工程和技术领域的职业”充满希望。