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上海市科技教师培训课程,发达国家科技教育中 化学教育理念及实践,华东师大课题组 王运生 2007年9月,提 纲,一、发达国家化学教育的理念的发展与化学科技活动 二、发达国家化学科技活动的典型案例,一、发达国家化学教育的理念的发展与化学科技活动,（一）20世纪60年代以来第一、二次科学课程改革浪潮中的化学教育与化学科技活动 （二）20世纪末和21世纪初第三次科学课程改革浪潮中的化学教育与化学科技活动,（一）20世纪60年代以来第一、二次科学课程改革浪潮中的化学教育与化学科技活动 发达国家化学教育是科学教育的重要部分，100多年来和科学教育一样经历了多次改革的浪潮，在学生中心、学科中心和社会中心的各个端点摇晃，直到20世纪末才开始形成了当代的统一性下的化学教育理念。,1802年道尔顿提出原子假说，1811年阿伏加德罗提出分子学说以来，化学一直在原子和分子学说的基础上发展着。1869年门捷列夫所发现元素周期律及元素周期表，使化学从而成为一门有着严密体系的学科 化学的传统定义中只强调合成和分析两个方面。这个传统在基础化学教育中至今仍然有着深刻的影响 在20世纪30年代的以杜威为代表科学课程改革浪潮中，化学是普通科学的一个重要部分,20世纪60年代美国出现了著名的CBA、CHEMStudy等以学科为中心的化学课程 CBA化学键方案的主要内容 第一部分 化学变化的本质（1）化学是研究物质的科学；（2）混合物与化学变化；（3）气体、分子和质量 第二部分 化学体系的电本性（1）电和场；（2）化学变化与能量；（3）物质的电本性 第三部分 帮助解释体系的模型（1）物质的化学结构与离子结构；（2）分子运动论；（3）温度变化的量；（4）电子、原子和轨道 第四部分 化学体系的键（1）金属；（2）离子晶体；（3）溶液里的离子 第五部分 有序、无序和变化（1）自由能与电子转移；（2）浓度和化学反应；（3）酸和碱；（4）世界和化学反应；（5）水,CHEMStudy化学学习计划的主要内容 第一部分 化学基本概念（1）化学：一门实验科学；（2）科学模型：原子论；（3）化学反应；（4）气相：分子运动论；（5）液体和固体：物质的凝固；（6）原子结构和周期表 第二部分 化学反应的宏观现象（1）化学反应中的能量效应：（2）化学反应速度；（3）化学反应中的平衡；（4）溶解平衡；（5）酸和碱；（6）氧化还原反应；（7）化学计算 第三部分 物质的微观本质（1）为什么我们相信原子的存在：（2）电子和周期表；（3）分子；（4）固体和液体中的化学键 第四部分 描述化学（1）碳的化合物；（2）卤素；（3）第三周期；（4）第二主族；（5）第四周期的过渡元素；（6）第六和第七周期元素；（7）生物化学；（8）地球、行星和恒星的化学,英国纳菲尔德化学（NUFFIELD CHEMISTRY） 第一章 铁的化合物：无机化学的入门； 第二章 酒精：有机化学的入门；阅读1 碳循环； 第三章 原子、离子和酸； 第四章 能和反应； 第五章 卤素和氧化还原反应；阅读2 化学元素的由来； 第六章 共价键； 第七章 烃和卤代烃 第八章 多么快？化学反应速度；阅读3 光化学； 第九章 分子间作用力和溶解性；,第十章 熵； 第十一章 多么远？可逆反应； 第十二章 碳的化合物及它的酸碱性； 第十三章 氧化还原作用和电化学电池； 第十四章 天然产物和合成物；阅读4 糖尿病； 第十五章 过渡元素； 第十六章 有机合成；阅读 5 药物； 第十七章 氮化合物；阅读 6 农业中的硝酸盐 第十八章 仪器方法,美国和英国的第一代的改革科学课程的合理的部分，如强调结构和实验探究 这一次的化学课程改革并没有取得成功，存在许多致命的不足， 最主要的这些科学课程要求太高，只面向能力较强的学生，而没有适应全体学生的需要，它仅强调了科学本质的一部分，而忽视了科学课程的教育本质。,第二代改革科学课程于20世纪60年代末开始迅速发展,综合科学课程 根据一般的科学概念编写（化学概念：物质不灭、守恒、平衡、能量、化学键及其结构 ） 以科学研究过程和科学研究方法为综合的原则 以心理学研究的成果作为综合理科的综合原则 强调科学和文化、社会、技术、环境、日常生活之间的关系 受STS教育思想影响的化学课程 美国的ChemCom 英国的SALTERS 化学课程。（后面会作详细介绍）,以相关性为特征的综合科学课程和STS课程呈现了多样化，这些在80年代末和90年代初的改革化学课程强调的为全体学生的科学课程（SCIENCE FOR ALL）、加强各学科之间的联系（综合科学课程）、加强科学社会和技术之间的联系（STS）的理念被下一个科学课程的改革浪潮吸收，虽然突出了相关性，但缺乏内在的统一性（例如，综合课程与分科课程的统一；STS与学科结构的统一； 全体学生和智优（特长）学生的统一；传授和探究的统一等）,（二） 20世纪末和21世纪初第三次科学课程改革浪潮中的化学教育和化学科技活动,科学课程的改革是一个继承和发展的过程， 第三次科学课程改革使各种形式的科学课程得以在科学统一性基础上汇合到一起，形成了一种新的科学课程理念， 超越了传统学科之间的相关联系。 将科学知识、科学过程和科学文化统一于科学探究 ，即上升到了全面体现科学的本质和教育的本质相统一的层次，。 ，,以课程标准的形式全面体现了科学的本质和教育的本质的统一,美国国家科学教育标准的科学素养目标要求 （1）统一的科学概念和过程； （2）作为探究的科学； （3）物质科学； （4）生命科学； （5）地球与空间科学； （6）科学与技术； （7）科学的个人和社会视野； （8）科学的历史与本质。,英国国家科学教育标准的科学素养目标要求 科学探究：科学的想法和证据；科学探究的技能（计划，获得和出示证据，证据的推断，估价）； 生命过程和生命体：细胞的活动、把人类看作生物体（营养，循环，神经系统，激素，动态平衡，保健）、生物的多样性、分类和遗传（多样性，分类，遗传）、环境中的生命体（适应和竞争）； 物质及其性质：物质的分类（原子结构）、物质的变化（从生物能源中提取有用的物质）、不同类型的物质（元素周期表，化学反应，化学反应速度，酶作用下的化学反应）； 物理过程：（电和磁、力和运动、波（波的性质，电磁光谱，声和超频音响，地震波）、地球和地球以外（太阳系和宇宙）、能源和能量的传递、放射性。,美国科学课程标准中的化学要求,主要集中在基本概念和原理，以及与生活、社会的联系；而没有具体的元素化合物的知识 对5-8年级的学生：标准认为引入原子和分子的概念为时过早，要从化学特征出发，给出元素和化合物的操作性的定义。 对9-12年级的学生标准提出的基本概念和原理为：原子结构，物质的结构和性质 ，化学反应 。 在能量守恒与无序的增长、生命系统中的物质、能量和组织等内容中都有涉及化学方面的概念和原理。,英国科学课程标准中的化学要求,在K3阶段（11岁-14岁）标准在物质及其属性目标中要求学生应当学习：物质的分类，包括固体、液体和气体，元素、化合物和混合物；物质的变化，包括物理变化、地质变化、化学反应；不同类型的物质：包括金属、酸和碱。 在K4阶段（15-16岁）的标准要求分成两个层次，第二个层次是在第一层次的基础上再增加部分内容，学生可以根据自己今后发展的方向来选择,二、化学教育与化学科技活动的案例,（一）美国社会中的化学(Chemistry in Community ,简称ChemCom)课程 （二）美国环境中的化学(Chemistry in Context ,简称CiC)等其它课程 （三）英国SALTERS等化学课程 （四）美国依靠网络的化学科技活动 （五）化学与社会、技术有关的教学内容举例 （六）发达国家的化学科技活动的项目和实验举例,美国社会中的化学(Chemistry in Community ,简称ChemCom)课程,社会中的化学(Chemistry in Community ,简称ChemCom) 是ACS 开发最早的一项课程,初版于1988 年,到1998 年已有第三版问世。ChemCom是一门典型的根据科学、技术和社会紧密联系的理念，注重科学素养培养和探究活动的化学课程 被美国科学基金会(NSF) 列为大学入学认可课程,并被国际经济合作与发展组织(OECD) 列为科学、数学和技术课程改革的案例研究课程,全书共分如下八个单元： （1）人类用水；（2）保护化学资源； （3）石油：用于合成还是燃烧；（4）了解食物 （5）世界中的核化学；（6）化学、空气和气候 （7）健康：你的风险和选择； （8）化学工业：承诺与挑战 单元细纲举例： 第一单元：人类用水（水质，水的物理性质和水的组成，鱼死亡的原因，水的净化和治理，综述：鱼的死亡谁的责任） 第七单元：化学与健康（健康取决你自己的认识，身体内部的化学，酸、碱和人体化学，人体表面的化学，化学药品对人体的作用和危害）,ChemCom 的主要特点,以社会问题而不是学科知识为线索组织课程内容 化学知识的引入本着“需要才知”(Need to know) 的原则 决策(Decision making) 活动是ChemCom 的另一个重要特点,ChemCom的科学素养培养,Chiapetta 等对ChemCom 与科学素养的主题相符程度做过检验。在这个研究中科学素养包括4 个主题, 即: 作为知识体系的科学; 作为探究方式的科学; 作为思维方式的科学; 科学、技术和社会的相互作用。通过定量分析,他们发现, ChemCom在平衡处理科学素养的4 个主题方面, 做得最好。ChemCom 内容涉及上述4 个主题的百分比分别是:26 %、43 %、1 %、30 %。,ChemCom 被认为是当代科学素养教育的典范,在国际科学教育界备受褒扬。但是, 在实际使用过程中也遇到不少问题, 如有人认为ChemCom 只适合低水平或能力差的学生、有些大学拒绝把ChemCom 成绩作为入学条件, 还有人认为所谓的“决策”活动根本不是科学,等等。我们认为,这些问题有些是课程本身固有的,有些则根源于人们(包括科学教育工作者) 的教育观念。,研究性活动案例,案例一：赞成还是反对？Riverwood地区的居民将通过公民投票决定是否赞成EKS公司在他们附近建立氨产品工厂。如果你是该地居民，你将如何选择?你是怎样决定的? 案例二：修复自由女神小姐 早在20世纪80年代，自由女神像内部严重的腐蚀就受到了人们的极大关注。修复专家面临着几个问题，这包括：是什么造成自由女神像的损坏，什么损坏能被修复，以及怎样避免进一步的损坏.,研究型课题值得我们借鉴的特点,案例来源真实，贴近学生生活 案例的综合性强 课题介绍的有关背景知识比较详细 案例具有层次，普适性高 借鉴美国化学教材ChemCom中的做法，可把与社会生活密切相关、公众普遍关心的问题作为学生活动的课题，如江、河、湖泊及地下水严重污染问题，“白色污染”问题，社区化工厂利弊问题，近海海域赤潮问题、以及我国许多文物如著名的秦始皇兵马俑、敦煌莫高窟壁画的保护 问题等,（二 ） 环境中的化学(Chemistry in Context ,简称CiC)等其它课程,环境中的化学(Chemistry in Context ）是ChemCom 的姐妹篇 按社会问题来组织课程内容,但它所涉及的化学概念和社会问题比ChemCom复杂 十三个单元的内容包括: 我们呼吸的空气、保护臭氧层、全球变暖与化学、能量化学与社会、水的困惑、降低酸雨的危险、奥嫩达加湖: 案例研究、核裂变之火、交替的能源: 未来的燃料、塑料和聚合物的世界、药物设计和分子操纵、营养: 关于食物的思考、基因工程: 遗传化学,ACS 在1997 年决定为大学一年级的理科专业学生设计一项名为“生物环境中的化学”(Chemistry in a Biological Context, 简称CBC) ACS 为6-8 年级的学生设计了一项综合的科学和技术课程, 名为FACETS 。FACETS 的目的在于解释“事物是如何运作的”。科学概念的选择仍是基于“需要才知”的原则。和ChemCom 一样,重要的概念以螺旋方式贯彻于各单元。例如,溶解度首先在“沉没的宝船”中介绍,而后在“锈蚀”、“杀虫剂”、“食品添加剂”中进一步发展 ACS 进行“科学技术和技能”(简称SciTeKS) 课程设计。该课程的对象是那些不准备上大学而要直接参加工作的高中生。课程的主题为,汽水制造、秽物处理、植物蔓延、油漆制造、聚合物生产等。,（三）英国SALTERS等化学课程,Salters初中化学课程十六个单元： （1）衣着（2）饮料（3）食物 （4）金属 （5）取暖 （6）运输化学品 （7）建筑 （8）食物制造 （9）农业 （10）保洁 （11）矿物 （12）塑料 （13）燃烧和化学键 （14）今天和明天的能源 （15）抵抗疾病 （16）用电和发电,SALTERS 高中化学（Chemistry Storylines）（1994年第一版）十四个单元： （1） 生活中的元素 （2）燃料的发展 （3）从矿物到元素 （4）大气 （5）化学合成的革命 （6）在药物中含有什么 （7） 阳光的运用 （8） 蛋白质的构建 （9）钢的故事 （10）农业问题 （11）设计颜色 （12） 海洋 （13）药物的设计 （14）访问化学工业,Key science: Chemistry英国（1994）,为参加国家GCSE考试（General Certificate of Secondary Education)而编写的化学教材。相当于我国初三高一年级学生学习的教材。以化学学科中的核心物质为主题 Theme A: The earth 地球 Theme B: The Matter and Particles 物质和微粒 Theme C: The Atom 原子 Theme D: Making materials 制造物质 Theme E: Air and Water 空气和水 Theme F: Using Earths Resources 地球资源的使用 Theme G: Measurement 测量 Theme H: The chemical industry 化学工业,Theme B:The Matter and Particles,主题3：物质 3.1 物质的状态 3.2 纯净物质 3.3 密度 3.4 状态的改变 3.5 发现物质的沸点与熔点 3.6 材料的性质与用途 主题4：微粒 4.1 原子理论 4.2 单质（elements）与化合物 4.3 分子运动论(The kinetic theory of matter) 4.4 气体,Theme E: Air and Water,主题14 ：空气 氧气生命的救世主如何从空气中获得氧气和氮气 氧气的用途 氮气 氮循环 CO2和水蒸汽的测定(163) 惰性气体,主题15：氧气 火箭发射氧气的测定 空气中氧气体积百分比（实验P166） 实验室制取氧气的方法（P166） 氧气与单质的反应 氧化物 燃烧 灭火器 腐蚀,主题16：水 水循环 溶解氧 水处理 污水处理厂 水的用途 水：化合物 纯水 地下岩洞 肥皂 洗涤剂 漂白剂和碱性洗剂 硬水和软水 软化硬水方法 硬水的好处,教材正文以描述性语言为主，语言比较生动，具有启发性。 有几个功能框，增强了教材的可读性： First Thoughts Look at links Summary Information technology Its a fact Science at work Whos behind the science?,Cambridge Modular Science 英国1995年,Foundation Chemistry（基础化学） Environmental Chemistry（环境化学） Methods of Analysis and Detection（分析测试方法） Chains and Rings（有机物） How Far? How Fast?（化学平衡与反应速率） Trends and Patterns （化学反应机理,这是英国现行根据国家课程标准编写的高中课程，属于国家统一考试课目。其中基础化学是每个学生都必须学习的,其它的可以根据学生今后升学的需要选考, 学生学完一门考一门,给于学生充分的选择的机会,（四）美国依靠网络的化学科技活动,美国化学学会（American Chemical Society）分别编写了适合高中学生和儿童的化学科技活动的内容，都挂在美国化学学会的网站上，这些化学科技活动生动、有趣、结合热点问题和化学前沿问题，有具体的教材和指导，供教师、家长和学生使用。这些内容对我们科技教师都十分有参考价值，下面举例说明,适合高中学生的化学事件（ChemMatters） 适合儿童的惊异的网络（WonderNet）,（五）化学与社会、技术有关教学内容举例,从发达国家的有关化学课程中可以概括从如下的化学与社会、技术有关教学内容，供科技教师参考。,粮食危机及化学对策 通过人口的大量增加、土地的不断减少、害虫之患等引出粮食危机,通过化学对策向学生介绍肥料化学、农药化学等知识,重点介绍氨合成条件及合成历史、固氮、光合作用、有机磷及其危害等知识 能源及化学 通过分析世界及本国能源的现状等引出能源危机,通过化学对策向学生介绍化石燃料的有效与清洁利用; 核能开发及其风险利弊; 新能源(氢能等) 的开发; 能源途径的转换(化学电源)。 。,环境及环境污染 通过分析世界及本国环境的现状等引出环境危机,通过化学对策向学生介绍环境知识,重点介绍大气污染(温室效应、臭氧层空洞、酸雨) 及其防治、水污染及水处理(各类消毒剂) 、固体废弃物污染 (白色污染) 及其防治 材料科学 重点介绍新型金属材料(形状记忆合金、贮氢合金、非晶态合金等) ; 新型无机非金属材料(光导纤维、超导陶瓷、纳米陶瓷等) ; 新型有机高分子材料(有机氟材料、有机导电材料、液晶等) ; 复合材料; 分子设计和材料未来。,生命现象与化学 通过对构成生命体的糖类、蛋白质、核酸等基本物质的了解. 介绍基因、遗传信息、生物膜、氧自由基等知识; 疾病与药物设计(药物与化学、抗癌药与反义药物,逆转录病毒与抗艾滋病药物等)。 食物营养与健康 通过介绍各类营养素(蛋白质、脂类、糖类、维生素及无机盐) ,各类微量、常量元素的生理功能及与人体健康的关系,树立合理营养与平衡膳食的观念。,日常生活中的化学 介绍纺织品、厨房用品、食品中的化学制品、洗涤剂、日用品、各类灭火剂、吸烟及危害(毒品与化学) 等化学知识 化学与美容 介绍各类化妆品化学成分及使用 化学展望 介绍当前热点领域如纳米化学、绿色化学、飞秒化学、手性药物与手性技术等。,（六）发达国家的化学科技活动的项目和实验举例,发达国家突出化学实验的