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上海市科技教師培訓課程,發(fā)達國家科技教育中 化學教育理念及實踐,華東師大課題組 王運生 2007年9月,提 綱,一、發(fā)達國家化學教育的理念的發(fā)展與化學科技活動 二、發(fā)達國家化學科技活動的典型案例,一、發(fā)達國家化學教育的理念的發(fā)展與化學科技活動,（一）20世紀60年代以來第一、二次科學課程改革浪潮中的化學教育與化學科技活動 （二）20世紀末和21世紀初第三次科學課程改革浪潮中的化學教育與化學科技活動,（一）20世紀60年代以來第一、二次科學課程改革浪潮中的化學教育與化學科技活動 發(fā)達國家化學教育是科學教育的重要部分，100多年來和科學教育一樣經(jīng)歷了多次改革的浪潮，在學生中心、學科中心和社會中心的各個端點搖晃，直到20世紀末才開始形成了當代的統(tǒng)一性下的化學教育理念。,1802年道爾頓提出原子假說，1811年阿伏加德羅提出分子學說以來，化學一直在原子和分子學說的基礎上發(fā)展著。1869年門捷列夫所發(fā)現(xiàn)元素周期律及元素周期表，使化學從而成為一門有著嚴密體系的學科 化學的傳統(tǒng)定義中只強調合成和分析兩個方面。這個傳統(tǒng)在基礎化學教育中至今仍然有著深刻的影響 在20世紀30年代的以杜威為代表科學課程改革浪潮中，化學是普通科學的一個重要部分,20世紀60年代美國出現(xiàn)了著名的CBA、CHEMStudy等以學科為中心的化學課程 CBA化學鍵方案的主要內容 第一部分 化學變化的本質（1）化學是研究物質的科學；（2）混合物與化學變化；（3）氣體、分子和質量 第二部分 化學體系的電本性（1）電和場；（2）化學變化與能量；（3）物質的電本性 第三部分 幫助解釋體系的模型（1）物質的化學結構與離子結構；（2）分子運動論；（3）溫度變化的量；（4）電子、原子和軌道 第四部分 化學體系的鍵（1）金屬；（2）離子晶體；（3）溶液里的離子 第五部分 有序、無序和變化（1）自由能與電子轉移；（2）濃度和化學反應；（3）酸和堿；（4）世界和化學反應；（5）水,CHEMStudy化學學習計劃的主要內容 第一部分 化學基本概念（1）化學：一門實驗科學；（2）科學模型：原子論；（3）化學反應；（4）氣相：分子運動論；（5）液體和固體：物質的凝固；（6）原子結構和周期表 第二部分 化學反應的宏觀現(xiàn)象（1）化學反應中的能量效應：（2）化學反應速度；（3）化學反應中的平衡；（4）溶解平衡；（5）酸和堿；（6）氧化還原反應；（7）化學計算 第三部分 物質的微觀本質（1）為什么我們相信原子的存在：（2）電子和周期表；（3）分子；（4）固體和液體中的化學鍵 第四部分 描述化學（1）碳的化合物；（2）鹵素；（3）第三周期；（4）第二主族；（5）第四周期的過渡元素；（6）第六和第七周期元素；（7）生物化學；（8）地球、行星和恒星的化學,英國納菲爾德化學（NUFFIELD CHEMISTRY） 第一章 鐵的化合物：無機化學的入門； 第二章 酒精：有機化學的入門；閱讀1 碳循環(huán)； 第三章 原子、離子和酸； 第四章 能和反應； 第五章 鹵素和氧化還原反應；閱讀2 化學元素的由來； 第六章 共價鍵； 第七章 烴和鹵代烴 第八章 多么快？化學反應速度；閱讀3 光化學； 第九章 分子間作用力和溶解性；,第十章 熵； 第十一章 多么遠？可逆反應； 第十二章 碳的化合物及它的酸堿性； 第十三章 氧化還原作用和電化學電池； 第十四章 天然產物和合成物；閱讀4 糖尿?。?第十五章 過渡元素； 第十六章 有機合成；閱讀 5 藥物； 第十七章 氮化合物；閱讀 6 農業(yè)中的硝酸鹽 第十八章 儀器方法,美國和英國的第一代的改革科學課程的合理的部分，如強調結構和實驗探究 這一次的化學課程改革并沒有取得成功，存在許多致命的不足， 最主要的這些科學課程要求太高，只面向能力較強的學生，而沒有適應全體學生的需要，它僅強調了科學本質的一部分，而忽視了科學課程的教育本質。,第二代改革科學課程于20世紀60年代末開始迅速發(fā)展,綜合科學課程 根據(jù)一般的科學概念編寫（化學概念：物質不滅、守恒、平衡、能量、化學鍵及其結構 ） 以科學研究過程和科學研究方法為綜合的原則 以心理學研究的成果作為綜合理科的綜合原則 強調科學和文化、社會、技術、環(huán)境、日常生活之間的關系 受STS教育思想影響的化學課程 美國的ChemCom 英國的SALTERS 化學課程。（后面會作詳細介紹）,以相關性為特征的綜合科學課程和STS課程呈現(xiàn)了多樣化，這些在80年代末和90年代初的改革化學課程強調的為全體學生的科學課程（SCIENCE FOR ALL）、加強各學科之間的聯(lián)系（綜合科學課程）、加強科學社會和技術之間的聯(lián)系（STS）的理念被下一個科學課程的改革浪潮吸收，雖然突出了相關性，但缺乏內在的統(tǒng)一性（例如，綜合課程與分科課程的統(tǒng)一；STS與學科結構的統(tǒng)一； 全體學生和智優(yōu)（特長）學生的統(tǒng)一；傳授和探究的統(tǒng)一等）,（二） 20世紀末和21世紀初第三次科學課程改革浪潮中的化學教育和化學科技活動,科學課程的改革是一個繼承和發(fā)展的過程， 第三次科學課程改革使各種形式的科學課程得以在科學統(tǒng)一性基礎上匯合到一起，形成了一種新的科學課程理念， 超越了傳統(tǒng)學科之間的相關聯(lián)系。 將科學知識、科學過程和科學文化統(tǒng)一于科學探究 ，即上升到了全面體現(xiàn)科學的本質和教育的本質相統(tǒng)一的層次，。 ，,以課程標準的形式全面體現(xiàn)了科學的本質和教育的本質的統(tǒng)一,美國國家科學教育標準的科學素養(yǎng)目標要求 （1）統(tǒng)一的科學概念和過程； （2）作為探究的科學； （3）物質科學； （4）生命科學； （5）地球與空間科學； （6）科學與技術； （7）科學的個人和社會視野； （8）科學的歷史與本質。,英國國家科學教育標準的科學素養(yǎng)目標要求 科學探究：科學的想法和證據(jù)；科學探究的技能（計劃，獲得和出示證據(jù)，證據(jù)的推斷，估價）； 生命過程和生命體：細胞的活動、把人類看作生物體（營養(yǎng)，循環(huán)，神經(jīng)系統(tǒng)，激素，動態(tài)平衡，保健）、生物的多樣性、分類和遺傳（多樣性，分類，遺傳）、環(huán)境中的生命體（適應和競爭）； 物質及其性質：物質的分類（原子結構）、物質的變化（從生物能源中提取有用的物質）、不同類型的物質（元素周期表，化學反應，化學反應速度，酶作用下的化學反應）； 物理過程：（電和磁、力和運動、波（波的性質，電磁光譜，聲和超頻音響，地震波）、地球和地球以外（太陽系和宇宙）、能源和能量的傳遞、放射性。,美國科學課程標準中的化學要求,主要集中在基本概念和原理，以及與生活、社會的聯(lián)系；而沒有具體的元素化合物的知識 對5-8年級的學生：標準認為引入原子和分子的概念為時過早，要從化學特征出發(fā)，給出元素和化合物的操作性的定義。 對9-12年級的學生標準提出的基本概念和原理為：原子結構，物質的結構和性質 ，化學反應 。 在能量守恒與無序的增長、生命系統(tǒng)中的物質、能量和組織等內容中都有涉及化學方面的概念和原理。,英國科學課程標準中的化學要求,在K3階段（11歲-14歲）標準在物質及其屬性目標中要求學生應當學習：物質的分類，包括固體、液體和氣體，元素、化合物和混合物；物質的變化，包括物理變化、地質變化、化學反應；不同類型的物質：包括金屬、酸和堿。 在K4階段（15-16歲）的標準要求分成兩個層次，第二個層次是在第一層次的基礎上再增加部分內容，學生可以根據(jù)自己今后發(fā)展的方向來選擇,二、化學教育與化學科技活動的案例,（一）美國社會中的化學(Chemistry in Community ,簡稱ChemCom)課程 （二）美國環(huán)境中的化學(Chemistry in Context ,簡稱CiC)等其它課程 （三）英國SALTERS等化學課程 （四）美國依靠網(wǎng)絡的化學科技活動 （五）化學與社會、技術有關的教學內容舉例 （六）發(fā)達國家的化學科技活動的項目和實驗舉例,美國社會中的化學(Chemistry in Community ,簡稱ChemCom)課程,社會中的化學(Chemistry in Community ,簡稱ChemCom) 是ACS 開發(fā)最早的一項課程,初版于1988 年,到1998 年已有第三版問世。ChemCom是一門典型的根據(jù)科學、技術和社會緊密聯(lián)系的理念，注重科學素養(yǎng)培養(yǎng)和探究活動的化學課程 被美國科學基金會(NSF) 列為大學入學認可課程,并被國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD) 列為科學、數(shù)學和技術課程改革的案例研究課程,全書共分如下八個單元： （1）人類用水；（2）保護化學資源； （3）石油：用于合成還是燃燒；（4）了解食物 （5）世界中的核化學；（6）化學、空氣和氣候 （7）健康：你的風險和選擇； （8）化學工業(yè)：承諾與挑戰(zhàn) 單元細綱舉例： 第一單元：人類用水（水質，水的物理性質和水的組成，魚死亡的原因，水的凈化和治理，綜述：魚的死亡誰的責任） 第七單元：化學與健康（健康取決你自己的認識，身體內部的化學，酸、堿和人體化學，人體表面的化學，化學藥品對人體的作用和危害）,ChemCom 的主要特點,以社會問題而不是學科知識為線索組織課程內容 化學知識的引入本著“需要才知”(Need to know) 的原則 決策(Decision making) 活動是ChemCom 的另一個重要特點,ChemCom的科學素養(yǎng)培養(yǎng),Chiapetta 等對ChemCom 與科學素養(yǎng)的主題相符程度做過檢驗。在這個研究中科學素養(yǎng)包括4 個主題, 即: 作為知識體系的科學; 作為探究方式的科學; 作為思維方式的科學; 科學、技術和社會的相互作用。通過定量分析,他們發(fā)現(xiàn), ChemCom在平衡處理科學素養(yǎng)的4 個主題方面, 做得最好。ChemCom 內容涉及上述4 個主題的百分比分別是:26 %、43 %、1 %、30 %。,ChemCom 被認為是當代科學素養(yǎng)教育的典范,在國際科學教育界備受褒揚。但是, 在實際使用過程中也遇到不少問題, 如有人認為ChemCom 只適合低水平或能力差的學生、有些大學拒絕把ChemCom 成績作為入學條件, 還有人認為所謂的“決策”活動根本不是科學,等等。我們認為,這些問題有些是課程本身固有的,有些則根源于人們(包括科學教育工作者) 的教育觀念。,研究性活動案例,案例一：贊成還是反對？Riverwood地區(qū)的居民將通過公民投票決定是否贊成EKS公司在他們附近建立氨產品工廠。如果你是該地居民，你將如何選擇?你是怎樣決定的? 案例二：修復自由女神小姐 早在20世紀80年代，自由女神像內部嚴重的腐蝕就受到了人們的極大關注。修復專家面臨著幾個問題，這包括：是什么造成自由女神像的損壞，什么損壞能被修復，以及怎樣避免進一步的損壞.,研究型課題值得我們借鑒的特點,案例來源真實，貼近學生生活 案例的綜合性強 課題介紹的有關背景知識比較詳細 案例具有層次，普適性高 借鑒美國化學教材ChemCom中的做法，可把與社會生活密切相關、公眾普遍關心的問題作為學生活動的課題，如江、河、湖泊及地下水嚴重污染問題，“白色污染”問題，社區(qū)化工廠利弊問題，近海海域赤潮問題、以及我國許多文物如著名的秦始皇兵馬俑、敦煌莫高窟壁畫的保護 問題等,（二 ） 環(huán)境中的化學(Chemistry in Context ,簡稱CiC)等其它課程,環(huán)境中的化學(Chemistry in Context ）是ChemCom 的姐妹篇 按社會問題來組織課程內容,但它所涉及的化學概念和社會問題比ChemCom復雜 十三個單元的內容包括: 我們呼吸的空氣、保護臭氧層、全球變暖與化學、能量化學與社會、水的困惑、降低酸雨的危險、奧嫩達加湖: 案例研究、核裂變之火、交替的能源: 未來的燃料、塑料和聚合物的世界、藥物設計和分子操縱、營養(yǎng): 關于食物的思考、基因工程: 遺傳化學,ACS 在1997 年決定為大學一年級的理科專業(yè)學生設計一項名為“生物環(huán)境中的化學”(Chemistry in a Biological Context, 簡稱CBC) ACS 為6-8 年級的學生設計了一項綜合的科學和技術課程, 名為FACETS 。FACETS 的目的在于解釋“事物是如何運作的”?？茖W概念的選擇仍是基于“需要才知”的原則。和ChemCom 一樣,重要的概念以螺旋方式貫徹于各單元。例如,溶解度首先在“沉沒的寶船”中介紹,而后在“銹蝕”、“殺蟲劑”、“食品添加劑”中進一步發(fā)展 ACS 進行“科學技術和技能”(簡稱SciTeKS) 課程設計。該課程的對象是那些不準備上大學而要直接參加工作的高中生。課程的主題為,汽水制造、穢物處理、植物蔓延、油漆制造、聚合物生產等。,（三）英國SALTERS等化學課程,Salters初中化學課程十六個單元： （1）衣著（2）飲料（3）食物 （4）金屬 （5）取暖 （6）運輸化學品 （7）建筑 （8）食物制造 （9）農業(yè) （10）保潔 （11）礦物 （12）塑料 （13）燃燒和化學鍵 （14）今天和明天的能源 （15）抵抗疾病 （16）用電和發(fā)電,SALTERS 高中化學（Chemistry Storylines）（1994年第一版）十四個單元： （1） 生活中的元素 （2）燃料的發(fā)展 （3）從礦物到元素 （4）大氣 （5）化學合成的革命 （6）在藥物中含有什么 （7） 陽光的運用 （8） 蛋白質的構建 （9）鋼的故事 （10）農業(yè)問題 （11）設計顏色 （12） 海洋 （13）藥物的設計 （14）訪問化學工業(yè),Key science: Chemistry英國（1994）,為參加國家GCSE考試（General Certificate of Secondary Education)而編寫的化學教材。相當于我國初三高一年級學生學習的教材。以化學學科中的核心物質為主題 Theme A: The earth 地球 Theme B: The Matter and Particles 物質和微粒 Theme C: The Atom 原子 Theme D: Making materials 制造物質 Theme E: Air and Water 空氣和水 Theme F: Using Earths Resources 地球資源的使用 Theme G: Measurement 測量 Theme H: The chemical industry 化學工業(yè),Theme B:The Matter and Particles,主題3：物質 3.1 物質的狀態(tài) 3.2 純凈物質 3.3 密度 3.4 狀態(tài)的改變 3.5 發(fā)現(xiàn)物質的沸點與熔點 3.6 材料的性質與用途 主題4：微粒 4.1 原子理論 4.2 單質（elements）與化合物 4.3 分子運動論(The kinetic theory of matter) 4.4 氣體,Theme E: Air and Water,主題14 ：空氣 氧氣生命的救世主如何從空氣中獲得氧氣和氮氣 氧氣的用途 氮氣 氮循環(huán) CO2和水蒸汽的測定(163) 惰性氣體,主題15：氧氣 火箭發(fā)射氧氣的測定 空氣中氧氣體積百分比（實驗P166） 實驗室制取氧氣的方法（P166） 氧氣與單質的反應 氧化物 燃燒 滅火器 腐蝕,主題16：水 水循環(huán) 溶解氧 水處理 污水處理廠 水的用途 水：化合物 純水 地下巖洞 肥皂 洗滌劑 漂白劑和堿性洗劑 硬水和軟水 軟化硬水方法 硬水的好處,教材正文以描述性語言為主，語言比較生動，具有啟發(fā)性。 有幾個功能框，增強了教材的可讀性： First Thoughts Look at links Summary Information technology Its a fact Science at work Whos behind the science?,Cambridge Modular Science 英國1995年,Foundation Chemistry（基礎化學） Environmental Chemistry（環(huán)境化學） Methods of Analysis and Detection（分析測試方法） Chains and Rings（有機物） How Far? How Fast?（化學平衡與反應速率） Trends and Patterns （化學反應機理,這是英國現(xiàn)行根據(jù)國家課程標準編寫的高中課程，屬于國家統(tǒng)一考試課目。其中基礎化學是每個學生都必須學習的,其它的可以根據(jù)學生今后升學的需要選考, 學生學完一門考一門,給于學生充分的選擇的機會,（四）美國依靠網(wǎng)絡的化學科技活動,美國化學學會（American Chemical Society）分別編寫了適合高中學生和兒童的化學科技活動的內容，都掛在美國化學學會的網(wǎng)站上，這些化學科技活動生動、有趣、結合熱點問題和化學前沿問題，有具體的教材和指導，供教師、家長和學生使用。這些內容對我們科技教師都十分有參考價值，下面舉例說明,適合高中學生的化學事件（ChemMatters） 適合兒童的驚異的網(wǎng)絡（WonderNet）,（五）化學與社會、技術有關教學內容舉例,從發(fā)達國家的有關化學課程中可以概括從如下的化學與社會、技術有關教學內容，供科技教師參考。,糧食危機及化學對策 通過人口的大量增加、土地的不斷減少、害蟲之患等引出糧食危機,通過化學對策向學生介紹肥料化學、農藥化學等知識,重點介紹氨合成條件及合成歷史、固氮、光合作用、有機磷及其危害等知識 能源及化學 通過分析世界及本國能源的現(xiàn)狀等引出能源危機,通過化學對策向學生介紹化石燃料的有效與清潔利用; 核能開發(fā)及其風險利弊; 新能源(氫能等) 的開發(fā); 能源途徑的轉換(化學電源)。 。,環(huán)境及環(huán)境污染 通過分析世界及本國環(huán)境的現(xiàn)狀等引出環(huán)境危機,通過化學對策向學生介紹環(huán)境知識,重點介紹大氣污染(溫室效應、臭氧層空洞、酸雨) 及其防治、水污染及水處理(各類消毒劑) 、固體廢棄物污染 (白色污染) 及其防治 材料科學 重點介紹新型金屬材料(形狀記憶合金、貯氫合金、非晶態(tài)合金等) ; 新型無機非金屬材料(光導纖維、超導陶瓷、納米陶瓷等) ; 新型有機高分子材料(有機氟材料、有機導電材料、液晶等) ; 復合材料; 分子設計和材料未來。,生命現(xiàn)象與化學 通過對構成生命體的糖類、蛋白質、核酸等基本物質的了解. 介紹基因、遺傳信息、生物膜、氧自由基等知識; 疾病與藥物設計(藥物與化學、抗癌藥與反義藥物,逆轉錄病毒與抗艾滋病藥物等)。 食物營養(yǎng)與健康 通過介紹各類營養(yǎng)素(蛋白質、脂類、糖類、維生素及無機鹽) ,各類微量、常量元素的生理功能及與人體健康的關系,樹立合理營養(yǎng)與平衡膳食的觀念。,日常生活中的化學 介紹紡織品、廚房用品、食品中的化學制品、洗滌劑、日用品、各類滅火劑、吸煙及危害(毒品與化學) 等化學知識 化學與美容 介紹各類化妝品化學成分及使用 化學展望 介紹當前熱點領域如納米化學、綠色化學、飛秒化學、手性藥物與手性技術等。,（六）發(fā)達國家的化學科技活動的項目和實驗舉例,發(fā)達國家突出化學實驗的