美国《国家科学教育标准中的化学内容》的解读

摘要:本文通过对《国家科学教育标准中的化学》解读分析,讨论了化学内容统一性和开放性的实质及意义,探讨了它对化学教学带来的启示。

关键词:国家科学教育标准;标准中的化学;统一性;开放性

文章编号:1005-6629(2010)08-0063-04 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

1996年,美国国家研究委员会(NRC)颁布了《国家科学教育标准》(NSES)。全国统一课程标准的制定和实施突破了美国长期以来教育系统的地方分权体制,具有里程碑意义。科学教育标准共分6个部分:科学教学标准、专业进修标准、评价标准、科学内容标准、科学教育大纲标准、科学教学标准。“标准并没有规定课程设置”[1], 认为任何单一的课程都不足以帮助学生达到所有的科学目标,只是在科学内容标准中规定不同年级的学生科学学习最终要达到的水平状况,包括科学的统一概念和过程、作为探究过程之科学、物质科学、生命科学、地球与空间科学、科学与技术、个人和社会视角中的科学、科学的历史和本质。由于是以科学的名义,许多学科教学的教师就有疑惑,如一些化学教师在阅读9-12年级的科学教育标准时, 就认为在这个标准里没有多少化学的内容[2],因此在化学教学中也不知道如何应用该标准指导化学教学。鉴于此,1997年至2002年,美国化学学会教育部门和一些州立大学化学系的教授联合为高中教师编制了一本资源手册——《国家科学教育标准中的化学》(CNSES),目的是帮助9-12年级的教师在化学教学中实现国家科学教育标准制定的学习目标。在该书中,每位教授负责一个主题,解答对高中化学教学来说标准意味着什么,指导教师在不同的课堂情况中如何运用标准完善教学。

1美国国家科学教育标准中的化学内容

美国化学会教育分会的塞欧威·维尔(Sylvia A. Ware)[3]认为, 产生疑惑的原因是许多教师把“ 化学”这个词用来识别NSES中是否有化学的标准。而实际上“NSES中被选择的基本概念和原则是覆盖那些赋予同一时期科学实践中特色的、知性的、文化的惯例。在NSES中怎样找到化学内容取决于我们对现代化学知识范围的定义”。他认为前任美国化学学会主席罗纳德·布里斯罗在1997描绘的化学是寻找NSES中化学内容的依据:“化学是一门试图去理解物质属性和物质变化规律的科学。它与自然存在的物质以及被人类创造的新物质有关。它关注树被闪电击中而燃烧这种自然变化, 关注生命中的化学变化,也关注化学家新发明或创造的反应”[4]。因此“化学不仅仅是一门物质科学,也是地球科学、新发明或创造的反应”[4]。因此“化学不仅仅是一门物质科学,也是地球科学、生命科学、环境科学、材料科学中的重要内容,就像布里斯罗在他的书中所说的,是一个中心的、有用的、创造性的科学。”北卡罗来纳大学化学与生物化学系的亨利·黑金(Hey W. Heikkinen)认为:“国家科学教育标准的内容包含了化学的主要事实,观念和技能,它们被清楚地归为八类:科学的统一概念和过程、作为探究过程之科学、物质科学、生命科学、地球与空间科学、科学与技术、个人和社会视角中的科学、科学的历史和本质。简单地说就是化学在自然科学所有分支学科中都有应用和影响”[5]。在这样的基础上,CNSES分不同主题诠释NSES中的化学内容,并通过实例指导教师在不同的课堂情况中如何运用标准完善教学。

对于科学的统一概念和过程、作为探究过程之科学、科学与技术、科学的历史和本质是任何科学教育都要达成的统一目标。CNSES对于这些目标内容的说明采取的方法是:目标内容是什么,化学教学如何达成目标。如“探究过程之科学”的说明如表1所示。

对于物质科学、生命科学、地球与空间科学、从个人和社会视角所见的科学,其中也有丰富的化学知识,CNSES比较详细地说明每部分中的化学内容,同时举出例子说明。其中对于物质科学的说明如表2所示。

可见,虽然NSES中没有直接提到化学,但化学无处不在。

2NSES中化学内容的特点

专家在对NSES中的化学内容进行解读时,一方面是向化学教师诠释NSES中的化学内容,让教师们了解NSES中不乏化学教学的内容,化学是科学的重要组成部分,化学教学在NSES的指导下可以通过一些独特的内容和方式帮助学生提高科学素养。另外一方面,他们也向中学化学教师传递NSES隐含的重要观念:科学不可以被分割,科学的概念和研究的方法是统一的,科学研究的内容是开放的。

2.1统一性

美国化学会K-12科学部门的副主任麦伽·迪桑(Michael Tinnesand)认为:“统一概念可能对于选择一个共同的思路是一个好的开始,这个思路可以使学校范围内的多学科相联系”[11]。NSES也明确指出:“概念和过程体系结构把诸多科学分支统一了起来,为学生提供了帮助其理解自然界的强有力的思想武器”[12]。NSES中统一的概念和过程包括:体系、秩序和组织;证据、模型和解释;变化、恒定性和能量;演变和平衡;形式和功能。由于各个年级对这些统一的概念和过程掌握的内容有所不同,掌握的程度有差异,CNSES建议:化学教师在学校里应与其他科学的教师一起工作,以保证这些概念的跨学科领域中的统一[13]。还可以组织交叉学科的讨论会,给学生提供机会,使他们在特殊的科学背景下讨论所学的每一个统一的概念。例如“周期”的概念,由于元素周期表和元素周期律的重要性,许多人倾向于认为周期仅存在于化学中。但许多其他的学科中也同样的存在并应用这个概念:生物要探索生命周期,生命的诞生、发育成熟、繁殖和逐渐死亡,不同生命体的生命周期细节不同;地球和空间科学中,天体的运行有周期的规律;社会学中会用和平与战争的周而复始谈论周期的概念;商学中有经济周期;技术中有引擎周期等等。由此可见,周期存在于很多学科中,是一个广泛应用的概念,CNSES建议周期应该在不同学科教学中具有一定的统一性。

NSES采用统一的概念,又建议在不同课程中了解概念的存在形式,使学生了解统一概念在不同科学中的应用,不仅可以丰富他们对概念的理解,也使科学建立在统一的概念基础上。

2.2开放性

NSES强调:有价值的学习目标应该是一个科学学习的目标群。因此他们并不注重学校如何设置课程科目、如何组织课程内容、教师如何教课程单元。也就是说他们指明的是航程的终点,至于运输内容或航行路线是由船长决定的。他们希望编制与组织达到这些目标的指导手段是尽可能不同的,从而有多种途径达到学习目标。这也是为什么NSES没有明确或设定任何特定的自然科学课程,而是把学科知识分解在不同的八大类目标内容中。这种把学科内容放在开放的背景中的处理方式,使得知识可以在不同情境下运用,赋予了知识鲜活的生命力。

编写第八章“生命与化学相互融合”的杰瑞·贝尔认为:把化学融入生命中,不是希望教有机化学或生物化学,扩大学生对传统化学的理解广度,而是有关生命过程的化学本身就是应该被学生理解的重要内容[14]。在这样的视角下,他认为二氧化碳和水就是一个非常有趣的酸-碱系统。它们可以反应形成碳酸,通常我们认为它是无机酸, 因为方解石中的主要成分碳酸钙是无机矿物, 但是碳酸盐是从何而来呢? 我们还可以认为这是一种有机酸, O= C(OH)2,在细胞中二氧化碳和水慢慢地起反应形成碳酸(实际形成的是碳酸氢根离子,它们大都是在血液中移动)。当碳酸(碳酸氢盐)到达肺时,它会转化成二氧化碳而从身体中排出。当然这个反应也不快,在血液流经肺部的几秒中不会发生。结果是如果没有加速二氧化碳水合和脱水的途径,我们会被自己的新陈代谢迅速窒息。而实际上在血液中由于有碳酸酐酶的催化,二氧化碳和水的反应和碳酸的分解都很迅速。如果到生物化学商那儿买些酶,上述反应可以用酸碱指示剂或pH计测定。

编写第九章“基础化学和地球与空间科学”的加利福尼亚州立大学科学、数学和技术教育部伯尼·布拉克霍斯特(Bonnie J.Brunkhorst)也认为:“在NSES中涉及的许多化学可以与地球和空间科学一起教,特别是作为有用的化学背景。”因为“孤立的物质主题教学不如有背景的教学”。如他建议把“风化”作为化学反应的背景进行教学,包括由水溶解二氧化碳形成的碳酸导致碳酸盐的溶解、钾长石的水解,铁的氧化、矿物的脱水。风化不仅影响岩石和矿物的分布,也影响地形和决定行星上支持生命的水体分布[15]。

化学只是科学的一个组成部分,不要把化学与其他科学割裂或加以独立,在大科学的开放的视野下进行化学教学,能有利于学生更好地理解科学,是CNSES的编写专家解读NSES的重要观念。

3CNSES的启示

从科学的视角看,现代科学已发展为大科学。在自然科学发展的初始阶段,将科学分门别类加以研究是专业化的需要,然而长期这样的倾向,造成学科间的割裂和孤立,也使学科的研究方法有僵化和形而上学的倾向。科学最终的目的是解释真实的自然和解决实际的问题,任何单一的学科都无法完美地解决现实生活的问题,也就是说科学的绝对分化已越来越不适应现代科学发展的要求,科学的发展已进入大科学时代。化学不但与数学、物理、生物学等学科的联系越来越紧密,其本身所属的各学科分支如有机化学、无机化学、生物化学、物理化学、分析化学、量子化学及结构化学等也有日益融合、相互渗透的趋势。因此,在教师教化学、学生学习化学时,以统一的科学概念和过程表达化学概念和过程,以大科学的背景展示化学和运用化学,会使得学生对科学的理解更上一个水平。

从现代教育的视角看,课堂教学不应只是书本知识的传递过程,教与学的过程应该逐渐成为师生双方共同向智慧挑战的活动:一是向人类的智慧挑战,因为那些凝结在书本上的知识,在一定的意义上说就是人类智慧的结晶,教材在一定的意义上是人类生命活动中智慧结晶的一种载体。二是向自己的智慧挑战,学习不再是单纯的被动接受,而是一种充满思想、充满情感、充满智慧的“生活”。利用化学知识的统一性和开放性进行教学,教师可以帮助和引导学生根据自己的兴趣、自己的体验、自己的理解,能动地认识和改造知识,赋予知识个性化的理解,学生的生命活力也可以在这种积极的、主动的参与过程中逐渐充分地体现出来,进而真正体现出学生在课堂教学过程中的主体性。在这样的课堂生活中,知识的学习已不再仅仅属于认知的范畴,它必将扩展到情感、人格等领域。

从文化的视角来看,统一性和开放性的化学内容把人文知识与科学知识完美地结合在一起,不仅开放了教学的时空和方式,而且也开放了学生思维的空间,能充分挖掘有利于激发学生创造思维的因素,有利于学生的个性发展和创新能力的形成。如CNSES一书第九章中列举了一个分辨地球矿石成分的例子,通过对地球科学相关知识的介绍,使学生对物质的结构和性质、能源的节约和浪费问题等一系列化学概念有了深刻的了解。地球科学的应用,使得统一的概念传授成为可能,使用地球科学能提高标准中化学的广度,使得化学处在一个更广阔的背景下。今天人类面临的许多挑战,只有通过化学和地球科学的合作才能解决。这种更加开放的化学内容,对培养学生解决各种问题的能力和发散思维有着重要的作用,也使学生对自己居住的地球、对资源及其利用、对环境的保护有全面的认识。

从教师发展的视角来看,开放性的化学内容与统一的科学概念和过程,必定促使各学科教师间的亲密合作。这样不仅有利于教师知识结构的完善,提高教师驾驭课程的能力,还能促进教师在交叉学科间进行研究的能力,并在此过程中提升自己的研究能力,最终使得教师专业的发展更为全面。统一的概念和过程、开放的化学教学内容势必要求教师掌握更全面的知识,如上面的分辨地球矿石成分的例子中,除了必备的化学知识外,教师还需要对与地球科学相关的知识有一定的了解,甚至需要和相关学科的教师进行交流学习,这样不仅对教师自身的发展有很大益处,对教师专业的发展也有很大的促进作用。

综上所述,化学内容的统一性和开放性可以使学生以一个更全面的视野看化学;也能使学生多感官、多渠道地与外界进行知识、信息的交流;能使学到的知识呈现“活”的状态,进行迁移、应用和再生。而这种学习过程可以使学生在化学学习中的科学素养得以全面提高,因此CNSES解读的NSES中先进的科学教育理念,值得借鉴。

参考文献:

[1][12][美]国家研究理事会,戢守志等译.《国家科学教育标准》[M].北京:科学技术文献出版社,p.125.

[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][13][14][15]Chemistry in the National Science Education Standards(CNSES)[M]. Washington, DC, American Chemical Society Education Division.