中美化学教材习题系统的比较分析

——以“化学反应中的能量变化”为例

丁  浩

摘  要：以“化学反应中的能量变化”为例，按照例题、课堂练习、课外复习题和测试题的分类，比较我国现行苏教版高中化学教材和美国主流高中理科教材《Chemistry：Concepts and Applications》习题系统的特点，同时针对教材习题系统的开发和运用提出一些建议，以期给教材编者和一线教师合理编写、正确对待教材习题提供借鉴。

关键词：化学教材  中外比较  习题系统  习题功能

我国正处在基础教育改革的关键时期。与以往相比，教材在内容选择和体系结构上有了很大的改进，体现了新课程改革的理念和宗旨。在承载新课改理念的教材中，作为有机组成部分的习题大量涌现，其设计也正在向层次性、开放性、综合思维能力等多方向发展。

教材习题系统一般包括例题、练习、章节复习题和测试题，对课堂教学起着导向、评价和过渡的作用，其价值是其他参考书的习题难以比拟的。但是在教学实践中，很多教师往往不把教材习题作为重点，而且普遍缺乏对教材习题的深入挖掘。

“它山之石，可以攻玉。”了解各国教材习题编制，对于完善我国教材习题建设可以提供一些借鉴。下面以“化学反应中的能量变化”为例，比较我国现行高中化学教材（苏教版）和美国主流高中理科教材（《Chemistry：Concepts and Applications》，以下简称“《Chemistry》”）习题系统的特点，同时针对教材习题系统的开发和运用提出一些建议，以期给教材编者和一线教师合理编写、正确对待教材习题提供借鉴。

一、中美高中化学教材内容和编排特点

我国的高中化学课程标准指出，高中化学课程与教学，旨在全面提高学生的科学素养，重视科学、技术与社会的密切联系，倡导以科学探究为主的多样化的学习方式，重视引导学生进行自我反思与评价。1994年美国全国科学教育标准和评定理事会提出的《美国国家科学教育课程标准提要》认为，学习应该是一个能动的过程，学生需要自主描述事物、提出问题、给出解释、验证解释并和别人交流其观点。应该说，中美课程标准都注重学生知识的形成过程和运用，而教材都是根据课程标准编写而成的，教材中的习题系统作为教材的重要组成部分，都体现了本国课程标准的目标和要求。

“化学反应中的能量变化”在苏教版教材的必修2专题2第二单元“化学反应中的热量”、选修3专题3第三单元“共价键的键能与化学反应的反应热”部分和选修4专题1第一单元“化学反应中的热效应”中均有涉及，篇幅共21页（A4）；在《Chemistry》第1章第2节“化学反应与能量”部分和第20章“化学反应与能量变化”中均有涉及，篇幅共41页（16K）。

苏教版教材必修2的相关内容主要是从定性角度判断放热反应和吸热反应，介绍热化学方程式与化学方程式的区别，运用热化学方程式比较等物质的量的不同的燃料燃烧放出的热量，并就提高燃料的使用效率进行拓展；选修3的相关内容主要是从化学键角度分析化学键断裂和形成时能量变化与反应热的关系；选修4的相关内容主要是从定量角度计算化学反应的热效应、焓变，判断反应的自发进行方向。

《Chemistry》第1章的相关内容通过常见的化学反应和能量展开，主要涉及定性判断；第20章围绕化学反应中的能量变化、热效应的测量和光合作用过程中能量转化三个部分展开，比较注重学科之间的关联。

二、中美高中化学教材习题系统栏目（分类）比较

两种教材习题系统的总体结构大致相似：栏目分类的名称不同，但内涵接近。就“化学反应中的能量变化”而言，具体的结构与相应的题量如表1所示。从题量上看，苏教版教材中的课堂练习为11题、单元复习题为15题，比《Chemistry》中的6题、6题略多；苏教版教材中的专题复习题为5题，远少于《Chemistry》中的31题；《Chemistry》中有测试题，而苏教版教材中没有。另外，在相关习题的情境呈现、方法训练和知识运用等方面，两种教材也存在着显著差异。

表1

（一）例题的比较

例题不同于一般的习题，它包括问题和完整的解答过程，是为了给学生提供一种解题训练和思维方法的示范，能够帮助学生理解和巩固基础知识，形成基本技能，把所学的理论与实践结合起来增进理解和迁移。

苏教版教材提供了这样两道例题：

1．25时，1g甲烷气体完全燃烧生成二氧化碳气体和液态水，放出55.64kJ热量，写出该反应的热化学方程式。

2．已知在298K时，C(石墨)、CO(g)完全燃烧的热化学方程式如下：C+O₂(g)

=CO₂(g)，△H₁=-393.5kJ·mol^-1 ①；CO+O₂(g)=CO₂(g)，△H₂=-283.0kJ·mol^-1②。请运用盖斯定律计算反应C(石墨)+O₂(g)=CO(g)的焓变△H₃。

《Chemistry》提供了这样两道例题：

1．在氧气中点燃1.60g甲烷，生成二氧化碳和液态水，反应放出的热量使得量热计中1.52Kg水的温度由20.0℃升高到34.0℃。求1mol甲烷燃烧放出的热量。

2．在量热计中，1.00g坚果与氧气充分反应。反应放出的热量使量热计中1.00Kg水的温度由15.40℃升高到20.20℃。计算坚果中含有的热量，分别用kJ·mol^-1和Calories·g^-1表示。

不难发现，苏教版教材中的例题，重视热化学方程式与化学方程式的比较及规范表示；注重燃料的能量计算，引导学生比较各种燃料热效应；注重不易直接测定的反应热的求算，引导学生运用盖斯定律，理解多个反应的反应热之间的关系；缺乏和生活实际的联系，容易产生学习和生活的割裂。《Chemistry》中的例题，主题清晰，分别关注“计算燃烧反应的反应热”“计算食物中所含的能量”；注重定量的测定方法以及数据的处理和运用；注重设置学生熟知的问题背景，有利于通过能量计算带给学生直观的感受，培养学生健康的生活方式（如坚果中所含的热量较高会给学生留下深刻的印象）；重视结合生活实际，运用多种方法表示热量；缺乏科学的、严谨的测定方法指导。总之，前者更重视反应热的理论知识，严谨规范但难度较大；后者更关注反应热的生活运用，难度不大但灵活实用。

对于解题过程，苏教版教材注重表达的严密性和规范性，而缺少较为详尽的分析和检查环节（例1没有分析环节），通常需要教师在课堂教学中讲解和示范，让学生以笔记的形式记录下来。《Chemistry》则提供了比较详尽的方法引导，包括分析、方案、实施和检查四个依次排列的环节（检查环节中明确指出检查的内容包括“计算过程中的单位以及计算结果”），过程清晰明了，使学生解题有章可循、有据可依，并帮助学生温故知新，更有利于学生运用教材自主学习。在实际教学中可以发现，学生对习题往往缺乏有针对性的分析，导致解题时无从下手；也缺乏检查和反思的意识，导致失误和认识得不到有效的控制和提升。因此在教学中，教师要有意识地引导学生去关注这两个环节。

    （二）课堂练习的比较

对于课堂练习，两种教材设置的栏目不相同，苏教版教材中是“交流与讨论”和“问题解决”栏目，《Chemistry》中是“试一试”栏目。总体上看，苏教版教材和《Chemistry》中的课堂练习，都与各自的例题考查的知识点基本相同、综合难度差异较小、相关度较大。

苏教版教材中的课堂练习主要涉及三个方面的内容：一是热化学方程式书写的规范（特别是与化学方程式的区别）、化学计量系数和焓变的关系、物质聚集状态对焓变的影响；二是化学键和能量的关系、从物质结构角度看的分子形成过程中的能量变化情况；三是一些速率很慢或不能直接发生的反应的热效应、盖斯定律的运用。相应的题目以常见的燃料（如C、CO、CH₄、C₂H₂、C₂H₅OH）为例，并引导学生重视燃料量和热量的对应关系，关注互为逆反应的反应热效应之间的关系；通过氢气和氯气反应的热效应，引发学生关注化学键的断裂和形成与能量的关系。

《Chemistry》中的课堂练习重点关注两个方面的内容：一是温度的变化与反应热的关系、学生的直观感受；二是生活中常用的能量单位、能量的不同表示方法。而且，课堂练习跟随例题出现，有利于学生进一步熟悉相关的知识和运用相关的方法。例如，与“计算食物中所含的能量”例题相配套的课堂练习有这样两道：

1.一组同学想要测量某种食物所含的能量。在铝制易拉罐中燃烧此食物，反应放出的热量使得50.0g水的温度升高。若选用1.00g爆米花作为被测物，可使水的温度升高24℃。试计算爆米花反应放出的热量，使用kJ·mol^-1和Calories·g^-1表示。

2.另一位同学在一包爆米花包装袋上看到30g爆米花含有110 Calories的热量。请用单位Calories·g^-1表示，并说明它与其他表示方法有什么不同。

这两道题都以常见食物为例，探讨食物提供的热量，同时也介绍食物中热量的测定方法。

与苏教版教材侧重探究热化学反应中的能量变化相比，《Chemistry》更加凸显学生能力的培养、方法的指导和情感态度价值观的引导，使用的素材一般为生活中常见的物质（水、爆米花、食品），提供的背景一般是与生活密切相关的实例，给学生看得见、摸得着的感受，涉及的实验器材易得、操作简单、反应安全，得出的结论对学生的生活行为有积极的启发和影响。

    （三）课外复习题的比较

两种教材都针对单元（节）和专题（章）的划分设置了课外复习题；在苏教版教材中前者属于“练习与实践”，后者属于“专题作业”；在《Chemistry》中前者属于“节复习题”；后者属于“章复习题”。

与苏教版教材不同，《Chemistry》中的“节复习题”和“章复习题”是分层设置的。以第20章为例，每份“节复习题”均有5题，均分为“理解概念”（第1～3题）、“理性思维”（第4题）和“化学应用”（第5题）三个层次；“章复习题”共31题，分为“理解概念”（第1～11题）、“应用概念”（第12～19题）、“理性思维”（第20～25题）、“复习回顾”（第26～27题）、“技能训练”（第28～29题）、“解决问题”（第30-31题）六个层次。而且，《Chemistry》中的“节复习题”和“章复习题”分别与每节提出的学习目标相对应，并互为补充：以第20章为例，课外复习题与学习目标的对应关系如表2所示。

表2

《Chemistry》中，“节复习题”的分层设置体现了概念学习的不同层次。例如，第20章第3节“节复习题”提供的三个层次题目：

1.理解概念：解释肉食动物，例如鹰，也需要依靠光合作用提供能量的原因。

2.理性思维：（推断）假设地球上的植物暂时不能进行光合作用，将对大气造成什么样的影响？

3.化学应用：（逆过程）将光合作用同19章的呼吸作用进行比较，解释它们互为逆过程的原因。

第1题引导学生从食物链的角度分析能量传递过程[太阳能—植物—食草动物—食肉动物（例如鹰）—热量]，从能量的角度理解光合作用对生物的重要性,体现了学科的融合。第2题提供了反面的背景，引导学生从物质转化的角度理解二氧化碳和氧气的关系，从而光合作用对关注大气和环境的影响。第3题进一步综合，结合能量传递和物质转化比较光合作用和呼吸作用的相互关系。这三道题在知识上层层递进，而且引导学生运用所学知识关心环境、关心生活，同时建构有关能量传递和物质转化的化学观。

《Chemistry》中，“章复习题”相对于“节复习题”，除了有更多的层次的设置外，还有更细的类型引导。比如，“应用概念”层次又分为“化学与技术”“工作原理”“生活中的化学”和“地球科学链接”四类，“理性思维”层次又分为“介绍数据”“应用概念”和“推断”三类，各自对应教材的内容，以便于学生复习。而“章复习题”相对于“节复习题”，最突出的特点是重视以往知识和新习得知识的衔接和比较。例如，第20章“章复习题”第21题：

物质运动的动力学模型和熵的概念都可用来解释液体或气体为例在容器中扩散的自发过程。请用上述两个概念，解释将一滴染料滴到一烧杯水中，水变色的过程。

动力学模型认为，物质的运动是绝对的，微粒处于不停的运动中。从热力学模型看，化学反应的动力与焓变和熵变有关，焓减和熵增（混乱度增加）有利于反应的自发进行。而事实上，运动导致熵增，动力学和热力学是矛盾的统一体。因此，运用两者从不同的角度分析“染料的染色过程”，能让学生体会到知识的融合，有利于构建相对完整的知识体系，而且悄然引入了国内大学物理、化学中的概念。从这个意义上说，类似的复习题不仅是对知识的复习回顾，而且是知识螺旋式上升的体现。

苏教版教材的课外复习题的主要特色是，与其他内容一样，重点体现了新课改提倡的三维教学目标的落实，改变了以往重视知识传授的倾向。例如，选修4专题1第一单元“练习与实践”第8题目：

有一种观点认为：与燃烧化石燃料相比，以乙醇为燃料不会增加大气中的CO₂含量。你认为这种观点是否正确？请根据乙醇的来源说明理由。

本题涉及乙醇的工业制法和乙醇的燃料属性：乙醇是由石油裂解气乙烯水化制得的，从根本上说乙醇来自于化石燃料；使用乙醇作为燃料可以充分利用能源、同时减少二氧化硫等杂质的排放，但不能减少二氧化碳的排放量。题目提示学生从乙醇的来源说明，让学生明确思考问题的角度，体现了学生学科素养的培养；同时与以往的教材习题相比，问题的开放性有所提高。

不过，没有把不同知识和能力层次的题目分开设置，以利于学生自主选择和使用，是苏教版教材课外复习题编写的主要不足。

（四）测试题的比较

苏教版教材没有提供测试题，《Chemistry》每一章都设置了“标准化测试”。

以第20章为例，《Chemistry》中的“标准化测试”，从题型上看，全部为选择题；从知识点的涵盖看，大多涉及比较单一的知识点，而不涉及综合运用；从学习目标的覆盖看，主要涉及表2中的学习目标1、2、3、8；从总体上看，涉及的知识点要求不高，知识面比较广。例如，“标准化测试”第3题：

已知C₆H₁₂O₆(s)+6O₂(g)→6CO₂(g)+6H₂O(l)，反应热为-2808kJ·mol^-1，在光合作用过程中，生成360g葡萄糖将释放出多少热量？

a)2808kJ    b)-2808kJ    c)5616kJ    d)-5616kJ  

此题已知葡萄糖完全氧化放出的热量，求算光合作用过程储藏的能量，涉及的知识要求不高。但是，一方面，题目涉及互为逆反应的两个反应的反应热之间的关系，引导学生知道葡萄糖储藏的能量，与“葡萄糖是人体的直接的能量来源”结合，关注了学生的情感体验；另一方面，题目直接使用反应热，而回避了较难理解的焓变概念，关注了知识本身的价值和学生认知的难度。

此外，《Chemistry》中的“标准化测试”都配有类似于考前指导“考试小贴士”，而且每一章的“标准化测试”所配的“考试小贴士”内容不相同（共有21条）。“考试小贴士”具有通用性，从内容上看有考试常识和考试策略两类，从形式上看都列出了关键词并通过加粗醒目标示，以给学生提供一些帮助、建议、结题技巧，提醒学生测试的注意事项、结果的正确对待以及心态的调整方法等。例如，第20章“标准化测试”的“考试小贴士”：

吃一堑，长一智  在平时的练习中，做错的习题可以成为你的良师益友。这些习题给你指出了需要加强的地方，从而让你在考试过程中避免再犯同样错误。

这个“考试小贴士”介绍了特别注意自己做错的题目的技巧。

三、对高中化学教材习题系统开发和运用的建议

（一）打破学科之间的人为禁锢，形成正确的科学观

根据耗散结构理论，一个开放的系统才能有序。打破学科之间的壁垒，可以促进学生对科学本质的理解。我们在吸收国际科学课程改革新材料的同时，更要重视借鉴理科课程科学观的变化。只有教师的课程观念得到了发展，才能更好地帮助学生通过科学学习形成正确的科学观。

以“化学反应中的能量变化”为例，可以发现，苏教版教材的编写在整体上呈现出学科内部各个领域之间螺旋上升的特点，强调知识点之间的连续性、严密性、系统性，重视知识的纵向递进与深入；《Chemistry》则不局限于学科内部，而是充分考虑与相关学科、社会生活的联系，更加重视知识的横向比较和联系。后者往往更有利于相关知识的多角度呈现、充分融合以及难点的分散，也有利于引导学生发现和总结规律，加强知识的运用，顺应思维的发展，培养科学观念。

（二）尊重学生的认知规律，培养良好的思维品质

对于习题，特别是例题，我们不仅要重视学生解决问题的结果或结论，更要重视学生的分析过程，重视渗透方法教育和思维训练。我们应该密切关注学生的身心发展特点，让化学融入社会和生活，使得化学习题生动、形象、丰富，富有生气；同时，更要帮助学生正确建构知识和准确寻求方法，形成优秀的思考问题、分析问题、解决问题的思维品质。

对于教材中的例题和练习，我们提倡通过一题多解、一题多变等形式，培养学生的辨别比较和知识迁移能力。例如，苏教版教材选修4专题1第一单元中的“交流与讨论”：

请观察下列表示氢气在氧气中燃烧生成水的反应热效应的化学方程式，分析其在书写上与化学方程式有何不同。

2H₂(g)+O₂(g)＝2H₂O(l)  △H=－571.6kJ·mol^-1   （1）

2H₂(g)+O₂(g)＝2H₂O(g)  △H=－483.6kJ·mol^-1   （2）

H₂(g)+O₂(g)＝H₂O(l)  △H=－285.8kJ·mol^-1   （3）

H₂(g)+O₂(g)＝H₂O(g)  △H=－241.8kJ·mol^-1   （4）

此题主要考查了热化学方程式和化学方程式的区别。在教学中，比较1、3，2、4，可以发现化学计量系数表示物质的量，且与焓变相对应；而再比较1、2，3、4，可以发现物质的状态会影响到反应热。在此基础上，可以引导学生思考“H₂O(g)＝H₂O(l)  △H”，即1mol水蒸气凝结为液态水，释放的能量。

（三）重视习题的情境设置，挖掘习题的教育功能

习题不仅对知识建构产生重要作用，也对认知发展产生积极的影响。传统的化学习题，往往局限在学科内部，远离科学现象，充斥着各种化学用语，使学生被各种结构和方程式所包围，却忽视了其来源，从而难以感受到科学现象真实与鲜活的一面，甚至影响了创造性思维的发展。实际上，习题的教育性往往体现在通过恰当的情境“包装”，在不经意间传达某种能够拓展视野、富有启迪意义的信息。着眼于学生的终身发展，重视习题的情境设置，赋予习题更多的教育功能，对培养学生的学习兴趣、提高学生的科学素养以及帮助学生形成正确的人生观、价值观都有很重要的教育意义。

习题的情境设置应该既贴近学生的生活实际，又具有社会的时代气息；即使难免需要加工，也要具有现实原型。例如，苏教版教材必修2专题2第二单元的“练习与实践”第7题：

“用天然气、煤气代替煤炭作为民用燃料”这一改变民用燃料结构的重大举措，具有十分重大的意义。请分析其优点，并将你的观点与同学交流讨论。

此题给出了如下信息：“用天然气、煤气代替煤炭作为民用燃料”，在化学原理上是可行的，在实际操作中也是具有优点的。由此，使学生增加了对生活和社会的关注，对学生的情感与态度的发展起到了潜移默化的教育作用。

（四）重视学习方法和考试策略指导，增加“小贴士”栏目

针对习题，特别是测试题，对学生进行必要的学习方法和考试策略的指导，可以具体而有效地培养学生良好的学习习惯和考试习惯；并给学生创造温馨和谐的学习环境，让其以更积极和高效的状态投入学习；同时可以减少非智力因素对学生解题和测试结果的影响，帮助教师更准确地评价学生的学习。

因此，我们可以借鉴《Chemistry》中的“考试小贴士”，对学生给出类似的提醒，完善教材和教学的功能。这里再举出《Chemistry》第12章“化学量”和第18章“有机化学”中的两例：

注意题目中的小词 用笔将测试卷中类似“最少”“不是”和“除了”的词语划出，因为他们的出现可能改变了题目原先的意思。

佩戴好手表 如果你参加的是一场限定时间的考试，你就应当分配好你的考试时间，不能在任何一道题上停留太久。当然，这并不意味着你得反复去注视手表。在做每一种类型的题目前，建议你将手表的时间调整为12:00，因为这样做将方便你计算考试已花去的时间。例如，在做完选择题后，你返现手表指针指向12:30，就可以轻易算出已花去半小时，这比计算从10:42到11:12的时间轻松得多。

    这两个“考试小贴士”分别介绍了审题和控制时间的技巧。

参考文献：

[1]【美】菲利普等.化学概念与应用［M］.王祖浩等译.杭州：浙江教育出版社，2008

（本文被人大复印资料《中学化学教与学》2015年第10期全文转载）