基于學科理解的高中化學教材研究

賴婷 邢顥譽 劉曉玲

摘要：教師學科理解水平的高低是“學科核心素養”能否切實深入課堂的關鍵影響因素。在素養導向教學時代背景下，開展基于深化學科理解的教材研究，對于教師深度把握教材內容、進一步理解化學學科本質，開展素養為本的教學具有重要意義。以電解質溶液主題為例，立足教師視角探索基于學科理解的教材研究路徑，挖掘內隱的認識視角與思路，構建電解質溶液認知模型與學科能力進階模型，從而有效實現素養落地。

關鍵詞：化學學科理解；水溶液；科學思維；教材對比；學科能力進階

2017年國家教育部頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（下稱“新課標”）強調發展和培養學生的核心素養能力，同時強調教師要有更高的專業素養，要注重依托各種途徑提升其化學學科理解能力^[1]。教師學科理解水平是實現素養落地的基礎，其往往制約著化學教學活動設計與實施?；瘜W科學經驗的傳遞理論認為，作為化學科學經驗傳遞者的化學教師需要站在課程標準、學科體系的高度上進行學科理解，最終實現化學科學經驗由課程化、教師化到學生化的轉變^[2]。而當前多數教師化學學科理解停留于概念知識的認識層面，故有必要植根學科理解的起點，深挖基于學科理解的教材研究路徑。電解質溶液主題橫跨必修和選擇性必修（下稱“選必”）教材，其抽象程度和邏輯形式水平比較高，化學學科特質明顯，是發展核心素養的重要載體。本文基于學科理解展開對電解質溶液主題的教材研究，以期深化教師學科理解水平，并為教師深度把握教材提供可行路徑。

1 化學學科理解的內涵

化學學科理解的直接目的是要求化學教師提升自身的學科理解水平，從而拔高化學學科教學水平^[3]。作為一種輸入性的學習活動，其主體是化學教師，是教師對化學學科知識及思維方式、方法的一種本原性和結構性的認識^[1]。其學科功能總體包含兩個層面：“理解什么”與“怎樣理解”，具體體現為“本原性問題”“認識思路與視角”和“概念層級結構”這三個學科理解結果^[4]。其中，本原性問題制約著教師理解的深廣度，其涵蓋對于主題的學科功能特質的理解。而認識思路及視角為核心要素，是學科理解水平最直接的體現，其涵蓋了內隱于知識體系中的學科思維方法^[5]。概念層級結構則反映了學科知識的廣度。依據各概念的學科價值與功能可將各個概念關聯整合為有組織的概念體系，故其涵蓋了特定主題的學科知識結構。

從教師學科理解的原始樣態來看，大多呈現出淺層次的理解樣態，即將學科理解窄化為學科知識理解，而忽視學科知識載體背后的學科特性、知識結構與思維方式^[6]。實然，化學學科理解實際上是教師對化學學科本質，學科知識與思維方法及學科發展價值的理性認知，故教師需整體理解特定主題的學科特征，內容及價值，以提升自身的學科理解水平，最終實現素養落地。

2 基于學科理解的教材分析路徑

化學教育活動中必然伴隨著科學經驗的傳遞。而依據化學科學經驗傳遞機制理論^[2]，教師化學學科理解范圍應涵蓋以下過程（見圖1）。其中，深化對于教材、課標的學科理解是實現科學經驗傳遞的基石。因此，化學教師需要從化學科學專業領域中去挖掘化學學科獨有的學科本質及功能價值，深入理解課標與教材的編寫意圖，抽提并整合化學學科知識和思維方式、方法。

不同學科的學科本質及價值受制于研究對象和范式的不同而有所差異，這也就直接影響了教材的研究結果。因此，理解學科本質及價值是深化學科理解的教材研究的前提。而學科本質內隱于學科形成與發展的歷史進程中，并伴隨學科發展而被賦予更新的價值^[6]。對此，教師首先要深入挖掘化學史中更高層面，更抽象的關于方法論、認識論等方面的隱性知識，以此建立宏觀層面的學科認知。宏觀層面學科認知的建立能夠引領教材分析路徑，促進微觀層面學科認知的建立。其次，理解課程標準是深化學科理解的教材研究的關鍵。教師需剖析課程標準中對特定主題的架構和呈現，審視其隱含的核心素養發展進階，從而指引后續教材內容的研究。而對于具體教材內容的分析，則需站在認識論的視角，關注教材內容中蘊藏的不同層次水平的認識視角與思路，從而建立微觀層面的學科認知。

基于以上，可以構建表1中的教材分析思路。

3 電解質溶液主題化學史

化學史是教師理解化學學科的重要語境素材，其對完整、系統地認識化學學科本體和社會功能價值有著必要的基礎性作用^[7]。梳理與剖析科學事件的發生、解決直至理論的提出與爭議，有助于我們挖掘內在的思維要素，理解學科本質與價值。通過電解質溶液主題相關歷史的梳理^[8]，可歸納概括為兩個核心爭議問題：①電解質在通電前是否會解離？②電解質溶液中的微粒發生哪些相互作用以及進行到什么程度？在兩個問題的解決中形成了不同的認識視角：宏微結合視角以及化學平衡視角。

化學的研究對象是物質，而微粒是人類用來理解物質成分時創造的概念^[9]，故建立微粒觀是研究物質在水溶液中行為的關鍵。微粒視角是認識“電離及離子反應”的獨特視角。歷史上對于電解質溶液的研究往往是從宏觀的現象或性質中提出質疑，以此不斷深挖溶液中的微觀本質并提出相關理論，再進一步通過科學探究尋找宏觀事實以證實理論（見圖2）。在此過程中，人們的認識發展水平由宏觀進階為微觀。

化學平衡視角是認識“水溶液中的離子平衡”的獨特視角?；瘜W平衡理論的提出實際上為電解質溶液中平衡體系的探索奠定了堅實基礎（見圖3）。歷史上，平衡觀念的建立蘊藏了定性到定量的認識發展進階。前期的科學家們受制于化學熱力學研究不成熟的因素，更多是從定性角度研究化學反應的方向。直至熱力學定律的提出，人們才逐漸從定量視角認識化學平衡。

站于學科歷史體系，電解質溶液主題研究的基本問題實際上是“物質在水溶液中的存在形式及轉化”。

3 基于學科理解的電解質溶液主題教材分析

3.1 基于新課標要求建立宏觀層面認知

電解質溶液主題在必修和選必模塊均有涉及，通過比較課標中相應內容的要求（見表2），可以抽提出認識發展進階。必修模塊強調從定性和微觀視角認識物質在水溶液的狀態和變化，注重微粒觀、變化觀的建立。而選必模塊注重從定量，微觀，系統和化學平衡的視角認識物質在水溶液中的變化，了解離子反應是有一定的限度的，注重微粒觀、平衡觀以及變化觀的建立。從必修到選必階段，學生認知發展從定性到定量，從孤立到系統，從單一到多角度逐漸螺旋式上升（見圖3）。

水平一：能認識離子反應本質，能結合實例書寫離子方程式。能從物質的組成、構成微粒、主要性質等方面解釋或說明化學變化的本質特征。

水平二：認識化學變化的多樣性與復雜性，能說明化學變化的本質特征。

水平三：能從多個角度對化學反應進行分類，認識化學反應的本質，能運用宏，微，符等方式描述、說明物質轉化的本質與規律。能運用化學原理和方法解釋和解決生產生活的實際問題。

水平四：能從不同角度對物質及其變化進行分析和推斷，能運用化學原理和方法對解決生產和生活中的熱點問題提出創造性建議。

選必

強弱電解質，電離平衡，水解平衡，沉淀溶解平衡，離子反應與平衡的應用

認識角度：粒子種類與數量，離子反應與平衡；

認識思路：自主運用離子反應與平衡思想解決復雜電解質溶液問題，形成系統認識思路。

能用化學用語正確表述水溶液中的離子反應與平衡；

能通過實驗證明水溶液中存在的離子平衡；

能從電離、離子反應、化學平衡角度分析溶液的性質；

能簡單計算溶液PH并調控溶液酸堿性；

能綜合運用離子反應、化學平衡原理，分析和解決生產、生活中有關電解質溶液的實際問題。

3.2 基于不同版本教材建立微觀層面認知

布魯納主張從表層結構與深層結構兩個層次理解學科基本結構。其中，厘清教材中特定主題的內容編排與核心概念體系是形成表層結構化的關鍵。而對教材內容深層結構的理解，是基于學科本質及內隱于教材表層結構的思維方式的認識。以新人教版和新魯科版為研究對象，挖掘學科知識結構與思維方式，建立微觀層面學科認知。

3.2.1 電解質溶液主題教材內容編排

兩版教材在該主題上的內容編排存在差異（見表3）。在必修模塊，兩版教材均將“導電，自由移動離子以及電流”等基本概念作為腳手架，以此建構“電離”及“電解質”等化學核心概念。然而，關于電離及電解質這兩個核心概念的編排順序卻有所不同。2019年魯科版以“電離”作為“電解質”的先行組織者，從認識發展的難度來看，這種編排能夠有效降低“電解質”的認識難度^[10]。在選必模塊，兩版教材的內容編排均呈現出“單相體系—多相體系—復雜體系”的特點。不同的是，2019年人教版以“溶質—溶劑—溶質-溶劑相互作用”的順序建構核心概念，符合電解質溶液科學史發展順序。而魯科版以“溶劑—溶質—溶質-溶劑相互作用”為順序，更凸顯學生由簡單溶液到復雜溶液的認識發展進階。此外，前三節通過多種學科理解活動建立電離，水解以及沉淀溶解平衡等核心概念，而第四節“離子反應”作為近遷移應用實踐活動，有效整合了離子反應與離子平衡認識角度，最后通過【微項目】中的遠遷移活動，促使學生實現認識思路和角度的自主調用^[11]?？梢?，魯科版教材的內容編排側重從核心概念的建立，應用到系統化的進階。

3.2.2 必修模塊教材內容深層結構分析

必修階段注重建立“微粒觀、變化觀”等核心觀念，強調形成微觀粒子種類及相互作用的認識視角。從教材中具體內容來看，2019年人教版以宏觀的導電現象為切入點，借助NaCl的微觀圖示逐漸深入微觀本質?！緦嶒灐繖谀縿t通過“分析Na₂SO₄與BaCl₂溶液反應前后水溶液中的微粒種類”活動有效外顯了核心認識角度?！舅伎寂c討論】欄目以“離子反應方程式的書寫”引導學生關聯微粒種類及離子反應的認識角度。而教材正文部分簡要提及了離子反應在物質制備與分離等方面的應用，其是建立認識思路的有效路徑，教師可以據此設計有層次的學習活動任務，引導學生建立認識思路。與人教版不同的是，2019年魯科版注重通過多種可視化工具建立認識視角?！居^察·思考】欄目利用稀H₂SO₄與Ba（OH）₂溶液反應過程的電導率圖像，引導學生從離子種類和變化角度認識化學反應。再通過離子的檢驗與物質除雜和分離等關聯核心認識角度，并構建認識模型，以【活動探究】中“食鹽的精制”的高水平探究活動將認知模型轉化為具體的問題解決模型，此過程隱藏了“實踐——認識——再實踐”的情境暗線?！痉椒▽б俊靖爬āふ稀繖谀烤怙@了電解質溶液體系的認識思路?？梢?，相對于人教版，魯科版更加凸顯實踐與應用的邏輯關聯，注重將認識模型轉化為問題解決模型，促進學生自主調用認識思路（見圖5）。

3.2.3 選必模塊教材內容深層結構分析

選必階段注重多種認識角度的整合，尤其凸顯平衡思想在電解質溶液體系中的應用。2019年人教版注重凸顯平衡及其應用，在正文中強調了K-Q關系與水溶液中平衡狀態的關系^[12]。同時核心概念建構過程中均蘊含著“物質在水溶液中的存在形式——微粒種類——微粒相互作用——作用結果——宏觀現象”的電解質溶液認識思路。以“鹽類的水解”為例，人教版首先通過【探究】中“鹽溶液的酸堿性”的活動，引導學生從宏觀現象感知鹽溶液的酸堿性。之后通過【思考與討論】外顯核心認識角度（微粒及反應），引導學生從微粒種類，數量及相互作用角度分析原因，在此過程暴露學生的前概念并建立“鹽類的水解”核心概念。而【思考與討論】中“溶液的酸堿性與pH關系探究”活動則引導學生逆向應用認識思路，并豐富核心認識角度（化學平衡）?！緦嶒灮顒印康脑O置，則力求通過設置高水平探究活動，引導學生自主靈活調用多種認識角度，建立認識思路?！狙芯颗c實踐】中“了解水處理過程中的化學原理”活動則促使學生應用認識模型解決真實復雜的實際問題，將認識模型轉化為解決問題模型。而【整理與提升】實現了電解質溶液的認識思路的外顯?？梢?，人教版注重認識思路的外顯以及認識發展的進階，也注重通過多樣化欄目的設置建構多種認識角度（微粒，反應，平衡）。

2019年魯科版更加注重整合必修與選必內容，實現認識角度的系統化。同時魯科版欄目較人教版更加豐富，且注重認識思路的外顯（見圖6）。例如【活動探究】中“利用鹽類水解制備膠體、凈水和除水”的活動要求學生自主設計實驗方案，該過程能夠促使學生建立認識角度間的邏輯關聯，內化認識思路，再通過【方法導引】外顯復雜電解質溶液體系分析的一般思路。而【交流·研討】中“泡沫滅火器工作原理”，“溶洞及珊瑚蟲形成原因”以及【身邊的化學】中“定量計算有效除去Ba²⁺所需的Na₂SO₄的量”等均暗含“找到平衡——用K定量表達——依據K-Q關系分析平衡移動——推斷平衡移動結果”的離子平衡認識思路，并從生活中真實問題入手，引導學生從定性與定量結合的視角，基于動態平衡觀認識離子反應。與新人教版不同的是，魯科版在問題的設置中注重引導學生有效表達認識思路，例如“你認為應用鹽類水解知識解決實際問題的思路是什么？”等問題的設置。同時【本章自我評價】引導學生對建構的電解質溶液認識思路及角度進行自我評價和及時監控?？傮w來看，魯科版針對“引導學生自主調用電解質溶液認識角度和思路”設置了豐富多樣的實踐活動，注重讓學生經歷元認知過程，提升遷移應用能力。

4 電解質溶液主題的教材研究結果

基于學科理解開展教材研究能夠深化自身對教科書中相關知識，思維方式及方法的理解。在此基礎上構建相應的認知模型以及學科能力進階模型。該模型有助于教師把控深廣度，靈活調整電解質溶液問題的思維容量，構建化學思維課堂，開展“素養為本”的教學。

4.1 電解質溶液認識模型的凝練

開展基于深化學科理解的教材研究，可以抽提出核心認識視角和思路為“物質在水溶液中的存在形式—微粒種類—微粒相互作用—作用結果—宏觀現象”。微粒相互作用包含有兩種認識視角，一是離子反應，其認識思路為“分析物質在水溶液中行為（電離，溶解等）——判斷微粒種類——依據微粒性質分析相互作用”。二是離子平衡，其認識思路為“找到平衡——定量表示平衡——依據給定信息或宏觀現象確定平衡主次關系——依據K-Q關系判斷平衡移動——推斷平衡移動結果”。

從科學本質角度，我們可以將該主題學科大概念凝練為“物質在水溶液中的行為表現及轉化程度”，該概念具有統攝和遷移作用，涵蓋了微粒觀，變化觀和平衡觀等化學觀念，體現了定性和定量的思維方法?；谝陨?，繪制了電解質溶液主題認識模型（見圖7）。

4.2 電解質溶液學科能力進階模型

要實現知識到素養的轉變，關鍵是是要完成知識經驗到認識方式的外部定向、獨立操作和自覺內化。而這往往需要經過學習理解、應用遷移以及遷移創新等學科能力活動。學科能力是一種穩定的心理調節機制，并且是在個體順利完成特定的認識活動和解決問題的過程中所逐漸形成，而其核心的機制是學科認識方式（包括認識角度，認識思路以及學科思想等）^[13]?；趯W科理解研究課標和教材，可以發現其中蘊藏了豐富的認知方式。學生的認識發展逐漸由單一溶液到復雜溶液，認識視角也經歷“離子反應——離子平衡——多平衡”的進階，并在此過程中微粒觀，變化觀與平衡觀等化學核心觀念逐漸實現內化?；谝陨戏治?，我們可以建構出電解質溶液主題學科能力進階模型（見圖8）。

5 研究啟示與展望

5.1?基于學科理解研讀教材，實現素養落地

當前新教材凸顯內隱于知識結構的思維方式、方法，一定程度上推動我們站在更高的認識論、方法論層面上，開展基于學科理解的教材研究。同時基于學科理解的教材研究往往需首先立于宏觀視角，從化學史及課標中挖掘學科本質及價值，再從微觀視角，從表層結構和深層結構兩個層次挖掘教材中認識過程的思維方式和方法，抽提出具有遷移性的認識視角與思路。最終，從學科理解的三個結果要素出發，可以構建電解質溶液認識模型，而該模型有利于教師開展基于學科理解的教學。例如，在必修階段“離子反應”的教學時，教師習慣將重點放在“電解質的辨析”上，而新教材凸顯從微粒和反應視角認識物質在水溶液中的行為。這需要教師著重引導學生理解“電離”與“電解質”的關系，形成微粒和反應的認識視角，再通過問題情境的設置與探究，最終有效實現知識向素養能力的進階。

5.2 基于學科能力進階模型，把控教學深度

認識模型具有一定的穩定性與較強的遷移性，為學生核心素養的發展提供了有效路徑。而機械地教授認識模型實則遏制了學生認識視角與思路的自主建構，其本質上脫離了“素養為本”的教學理念。應將認識模型貫穿于學生的整個學習過程，依托不同的問題情境，引導學生完成多種學科能力活動，在不同的學科能力活動中最終實現認識思路與角度的自主化。教師要充分利用教材內容，把握必修與選必階段教材內容的銜接與進階，同時依托不同版本教材創造性開發教學內容。教學過程中要基于認識發展程度設置不同復雜程度的問題情境，發展學生的學科能力，最終實現學生由學習理解到應用遷移再到遷移創新的學科能力進階。

參考文獻

• ?普通高中化學課程標準[M].?人民教育出版社，?中華人民共和國教育部，?2018
• ?鄭長龍，?李艷梅. 論化學科學經驗的傳遞機制——兼論化學課堂教學的最基本功能[J]. 化學教育，?2007，?（09）：?11-14+30.
• ?洪清娟.化學學科理解視域下的教材單元整體備課[J].化學教育（中英文），?2021，?42（19）：?49-55.
• ?單媛媛，?鄭長龍.?基于化學學科理解的主題素養功能研究：?內涵與路徑[J].?課程·教材·教法，?2021，?41（11）：?123-129.
• ?王偉. 高中化學教師學科理解水平評價研究[D]. 華中師范大學， 2020.
• ?劉艷. 教師學科理解的內涵、層次及其深化[J]. 當代教育科學， 2023， （01）： 73-79.
• ?吳俊杰， 姜建文. 化學哲學：化學學科理解維度解構與水平提升路徑[J]. 化學教育（中英文）， 2022， 43 （05）： 8-13.
• ?徐建中， 馬海云. 化學簡史[M]. 科學出版社， 2019.
• ?劉健， 鄭長龍， 康波， 寧曉強. 基于學科理解的“物質成分”大概念教學[J]. 化學教育（中英文）， 2022， 43 （17）： 73-79.
• 安靜，?閆春更，?姬樂，?張暉英，?周青.?新舊3版高中化學教材中“離子反應”內容比較研究[J].?化學教育（中英文），?2020，?41（23）：?1-5.
• 支瑤，?王磊，?王明召.?關注學習進階 彰顯學科核心素養——魯科版高中化學新教材《化學反應原理》編寫思路及使用建議[J].?化學教育（中英文），?2022，?43（01）：?2-10.
• 王曉軍，?劉子沐，?鄭華，?劉偉利，?陳立軍.?化學學科核心素養引領下的水溶液大單元教學設計與實踐[J].?化學教育（中英文），2021，42（17）：50-56.
• 王磊.?學科能力構成及其表現研究——基于學習理解、應用實踐與遷移創新導向的多維整合模型[J].?教育研究，?2016，?37（09）：?83-92+125.