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高中化學“電化學”STEAHM 教育理念的 中外教材比較研究
發布時間：2022-08-14 09:48
1.1 研究背景
STEAHM 教育理念源于 STEAM，即科學、技術、工程、藝術、數學五個學科英文 Science 、Technology、Engineering、Arts、Mathematics 的首字母組合，是美國弗吉尼亞理工大學的學者 Yakaman 在 20 世紀 90 年代提出的一種多學科教育理念及綜合教材編寫模式，其鼓勵學生自主參與教學實踐活動并培養動手技能，在整個教學過程中基于已有的科學知識和技術方法，比如計算機技術、先進實驗手段、數學邏輯推理和智能計算，經小組合作、分享探討等方式實現課程標準或教學目標[1]。本論文為了符合新課程標準及改革提出的相關要求，在 STEAM基礎上新增人文學科（Humanities），提出了基于 STEAHM 理念的高中化學教材分析及教學方法，研究必要性如下：
（1）STEAHM 教育符合新課程改革的先進理念
面對我國應試教育制度所造成的創新型人才緊缺等問題，教育者們在 2012年北京第二屆 STEAM 國際教育會議上就對各學科 STEAM 融合教育問題進行了研究討論[2]，并且“十三五”期間教育政策文件也提出了 STEAM 新教育策略的重要性[3]，而《2016 年中國學生發展核心素養研究報告》也指出近年來國內對高質量人才的迫切需要促使基礎教育不斷完善，因此進行多學科融合的 STEAHM教學滿足國內新課程改革需求[4]。
（2）STEAHM 教育滿足學生綜合素質的培養目標
新時代各行各業都在借助人工智能技術持續創新和轉型升級，而我國《教育信息化“十三五”規劃》呼吁將先進信息技術融入到 STEAM 教學理念，培養學[1] 聯合國.反思教育：向“全球共同利益”的轉變？[EB/OL]. 教科文組織, 2015.[2] 丁杰, 蔡蘇, 江豐光等.科學、技術、工程與數學教育創新與跨學科研究—第二屆 STEM國際教育大會述評[J]. 開放教育研究, 2013, 19(2): 41-48.[3] 教育部. 教育部《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》的通知 [EB/OL], 2015-06-25.[4] 李小濤, 高海燕, 鄒佳人等.“互聯網+”背景下的 STEAM 教育到創客教育之變遷—從基于項目的學習到創新能力的培養[J]. 遠程教育雜志, 2016, 34(1): 28-36.
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生信息素養和創新能力[1]，這一倡導與學生發展綜合素質目標不約而同。如今人才決定著一個國家的經濟發展和科技實力，而國內人才結構正缺乏創新型和高水平技能層次[2]，但 STEAHM 教學模式可以融通多學科并實現全面發展，強調通過問題式和項目式學習獲得綜合實踐能力，所以 STEAHM 教育理念契合我國教育核心素養發展要求。
（3）STEAHM 理念契合高中電化學實驗教學需求
學好化學需要并重理論知識和應用實踐，但傳統課堂教學模式將二者隔離開來，不利于學生構建綜合知識體系與邏輯思維能力[3]。高中化學與其他學科交叉滲透較多，理論知識簡單但現實運用較難，需要適當改變目前分科教學形式以培養學生解決問題、合作交流和創新思維等能力，從學生和社會發展的需要出發，并讓教師引導學生主體共同創造新型課堂以使學生具有多學科核心素養和高效學習方法。在滿足基礎課程設置的前提下，積極應用新的教學模式，通過活動式探究性的教學提高學生學習動力，并使其在收獲知識技能的同時也能將化學內容、科學探究和社會實踐建立聯系，進而擁有科學的價值觀和全面發展的素養，可見 STEAHM 教育理念適宜化學學科。綜上所述，考慮我國中學化學的教學現狀，以及培養學生綜合素養已是我國基礎教育改革的焦點所在，亟需教育工作者對 STEAHM 多元化教學理論、方法和實踐展開研究并總結完善。
1.2 概念界定及研究綜述
1.2.1 STEAHM 教育理念
推進 STEAHM 教學模式有助于培養具有創新素養的復合型人才，符合當代教育的價值需求，其有利于學生對知識更好的理解，培養學生從不同、新的的角度去發散性的思考問題，提高學生的人文藝術素養和情懷，培養創新意識并形成[1] 秦瑾若, 傅鋼善. STEM 教育：基于真實問題情景的跨學科式教育[J]. 中國電化教育, 2017, 4: 67-74.[2] 教育部. 教育部關于全面深化課程改革、落實立德樹人根本任務的意見[EB/OL]. http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s7054/201404/167226.html, 2016-04-[3] 黃瑞. STEM 教育：著眼未來的人才培養[J]. 今日教育, 2017, 10: 10-13.
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更為全面的教育模式。STEAHM 教育更好的補充了應試教育，應試教育注重學生單科知識體系的形成，側重于科學理論，學生在學習過程中很好的學習了科學文化知識，但是缺乏相互之間的聯系，學科是獨立存在的。實施 STEAHM 高中化學教學模式能有效培養學生的跨學科遷移能力和創新思維，使其通過動手實踐提高理論知識應用和實驗操作技能，形成合作探究精神和化學學科素養，有利于培養現代化復合型創新人才。此外通過本研究，有助于促進教師掌握 STEAHM 多元化理念在課堂中的應用方法，培養一批具有較高教學能力及質量和創新素養的新型教師。
（1）STEAHM 教育國外研究現狀
STEAM 教育通過跨學科視角解讀特定學科知識并整合形成一種綜合性教學模式，有利于培養學生的創新素養與綜合實踐能力，同時也是教育改革的重要參照。上世紀 90 年代美國學者率先提出 STEAM 教育理念，并在奧巴馬上任總統后實現了快速發展，絕大多數公民都對其重要性持肯定的態度，并且其政府頒布了眾多激勵法案，含 2010 年《美國競爭法：STEM 支持計劃》和《準備與激勵：為美國的未來實施 K-12 年級 STEM 教育》等[1][2][3]。而 STEAM 教育更是在日本的小學階段就得到應用，使學生對新式教育模式產生興趣并提升學習效果，到高中時則進行 STEAM 精英教育以培養復合型人才[4]。同時 STEAM 教育于 2013 年在澳大利亞興起并逐漸形成了相關的落地策略[5]，包括 STEAM 課程、標準及教案設計和跨學科新型教師培養等，并簽署了《STEM 學校國家戰略 2016》[6][7]，[1] 管恩浩, 刁景華, 龔和亞. 從傳承到卓越：STEM 教育發展的多元、科層與嬗變[J]. 中國教 育信息化
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有助于全面提升科學素養和辯證思維。Jamil 等[1]采用混合方法去認識參加過 STEAM 教學專業發展會議的幼兒教師的信仰，是一種結合藝術（Arts）及問題式的新方法，這種方法可以吸引學生并帶動其深入思考，根據實驗后的調查和訪談數據顯示，教師對 STEAM 的態度不盡相同，且表示他們需要支持才能實現 STEAM 教學。Harris 等[2]提出了一個以教育為基礎的創造力指數，管理者和教師可以通過該指數衡量、評估和實施中學的創造性技能、能力、教學實踐和創造力評估，對 STEAM 教學和學生綜合能力提升等方面提供了啟示。Quigley 等[3]認為 STEAM 跨學科教學專注于解決實
際問題，正在全球各國開始得到關注并盛行，鼓勵教師去理解這種有創意的教學方法并探索新的教育模式，同時探討了 STEAM 教學案例。
（2）STEAHM 教育國內研究現狀
作為一種新型的教育理念，STEAHM 教育在國內還處于基礎研究層面，學者們的研究分為兩大類，一是對其概念進行辨析，二是借鑒國外教學模式進行課程研究等[4]。STEAM 教育由 Yakman 提出[5]，即 STEM 增加人文藝術（Arts）變遷而來，國內學者彭敏說明了 STEAM 教育的來源和內涵[6]；韓豐則總結了添加藝術（A）的意義在于讓學生學會審美、讓學生理解情感和讓學生追求個性等，并不僅僅是簡單的藝術[7]；師保國等闡述了 STEAM 教育可較好地提升學生綜合素質[8]；余勝泉指出跨學科 STEM 教育可激發學生學習興趣[9]。
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近年來，STEAM 先進教育理念得到學界廣泛關注且逐漸影響著國內的教學體制，如按照新課程改革中核心素養理念的要求探索能提升學生綜合素養的新課程體系，由此可以嘗試實施先進的 STEAM 教學模式。袁利平等闡述了 STEAM教學有利于提升學生的綜合素養，同時指出其是國際化和新信息時代進步的本質需求及必然趨勢[1]。胡衛平等指出為了構建本土化 STEAM 教育體系，應加快制定相關政策、加強跨學科課程交融和有效實施 STEAM 課堂教學[2]。魏曉東等指出通過 STEAM 跨學科教育可以提高學生感知世界的多元化思維、并形成正確的價值觀和處世態度，成為優秀人才[3]。
1.2.2 中學教材對比研究
教材是教師實現教學目標和學生學習的關鍵媒介，積極對其展開研究并基于STEAHM 理念提出切實可行的教學實踐方法是改善教育效果和促進學生全面成長的重要途徑。化學課程在國內外教育改革的大時代背景下也被持續地修正和完善，由此承載復雜教學功能的現行教材雖然進行了精心編排，但對知識陳訴簡單且內容生硬，更缺少多學科融合交叉體系和有效的實踐指導。對國內外主流化學教材展開分析并合理利用是完善課程資源的重要策略，比如澳大利亞化學教材《Chemistry 2》、美國教材《Chemistry: Concepts andApplication》、加拿大教材《Chemistry 12 和英國教材 CIEA-Level《Chemistry》都較好體現了跨學科知識布局和知識挖掘過程及方法，契合學生認知特點和學習習慣。上述教材多利用趣味活動與實驗資源激發學生的學習興趣和促進其全方位認知成長，具有很好的 STEAHM 教育理念參考價值。此外，作為高中化學重要教學內容的“電化學”具有較強的專業性，涉及原電池和電解池的科學原理、運行條件和實際應用，但目前學生因國內相關教材內容及實踐性欠缺而難以有效掌握相關知識及運用。所以，亟需深入分析國外優秀教材相關內容的具體特點并改善現有教學方法，并逐漸輻射整個高中化學課程教
[1] 袁利平, 張欣鑫. 論 STEAM 教育與核心素養的對接[J].陜西師范大學學報（哲學社會科學 版）,2017, 46(05): 164-169.[2] 胡衛平, 首新, 陳勇剛. 中小學 STEAM 教育體系的建構與實踐[J]. 華東師范大學學報（教育科學版）2017, 35(04): 31-39.[3] 魏曉東, 于冰, 于海波. 美國 STEAM 教育的框架、特點啟示[J]. 華東師范大學學報（教育科學版）, 2017, 35(04): 40-46.
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學以促進學生發展。
在高中“電化學”教材研究方面，王麗通過對中國高中化學三個版本與美國兩個版本教材的“電化學”內容的課程設置背景以及電化學內容的比較，指出“電化學”內容的編寫要與學生的實際生活關聯，建議補充教材的圖表以及改進習題編寫，該論文結構清晰，但在兩國電化學專題體系結構的分析不夠深入[1]。楊兵對比分析了中外典型的高中“電化學”教材，建議編寫教材時要重視培養學生的科學探究能力，并提供參考的電化學教學案例，該論文設計思路清晰，為我國教材在“電化學”內容的編寫提供有效的研究資源，但該論文在對比四國的課程標準分析較為粗略[2]。馬朋朋對以美國和中國等 5 個國家“氧化還原反應和電化學”編寫內容、欄目設置等比較分析，很好地分析出各國在該專題編寫思路的差異，為我國教材編寫提供啟示，但該文論在對比中美教材欄目設置的對比案例較少[3]。何彩霞分別對四國電化學內容的選取、活動設計等進行對比研究，建議要關注內容設計的全面性以及活動方案的創新，并給出自己編寫的讀本設計，該論文研究設計層次清晰，但對內容選取的研究不夠具體[4]。萬莉從不同視角分析了國內“電化學”教材內容并指出教材編寫應該并重提高學生的科學認知、心理成長和思想素質，相關內容應該源于生活并實現跨學科交融，同時配備實際教案[5]。陳鍵圍繞“解題程序”視角對高中“電化學”教材進行了列表分析，指出優化知識較教學順序的必要性[6]。綜上所述，現有學者多圍繞內容編排、知識邏輯和呈現方式等方面對高中“電化學”教材展開研究，指出應該面向學生全面發展進行教材設計并將相關內容貼近生活實際，以具體案例展示教學效果。但關于“電化學”比較研究的面還不夠全面，得到的結論也比較籠統且指導性不明確，相關研究也很少涉及學生知識獲[1] 王瑞政, 楊勇. 中美高中化學教材中鹽類水解內容的比較研究[J]. 中學化學教學參考, 2020, 69-70.[2] 楊兵, 梁盼, 曾兵芳. 中美高中化學教材中電化學內容比較分析[J]. 山東化工, 2021, 216- 218.[3] 馬朋朋, 周青. 高中化學教材中氧化還原反應與電化學內容的比較研究[J]. 北學教與學, 2015(5): 52.[4] 何彩霞. 關注學生認知發展的化學教學——以“乙醇”為例[J]. 化學教學, 2013, (12) 29-32.[5] 萬莉, 彭蜀晉, 樊敏. 高中化學 3 套必修教材中化學概念的比較[J]. 化學教育, 2009, (07[6] 陳鍵，胡志剛，蔡映霞．高中電化學教材編寫順序探析——基于“解題程序”教學順序的視角內[J]. 化學教育, 2014 (19): 19.
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取，更沒有面向 STEAHM 教育的科學理論和策略，不利于學生的全面發展。
1.2.3 現有研究的不足
首先，現有國內外研究僅側重于 STEAM 教育理念、教學模式及其課程資源等宏觀內容，很少有針對各獨立學科融入 STEAM 教育模式的理論方法研究，比如上述高中化學教學研究中幾乎沒有涉及 STEAM 理論，同時更沒有結合人文學科（Humanities）培養學生的綜合素養及創新思維研究，STEAHM 教育理念的落實不夠。其次，目前國內學者的中外教材研究多采用內容分析法進行定性描述，而缺少基于分析量表及統計理論的量化分析，因此對教材結構、知識深度和知識點整合性研究不夠深刻，缺乏對國內外教材優缺點分析及借鑒。最后，現有研究多是面向實際教材的理論分析，很少探討教學過程中的動態特性，更沒有將相關成果應用到實際教學中去并進行總結和完善，此類側重理論研究的成果難以對國內教材優化及教育改革產生直接作用。綜上，本論文基于跨學科 STEAHM 教學理念，采用量化分析策略對中外典型高中化學教材“電化學”內容的結構、深度及知識整合性展開全面而深入的對比研究，然后基于研究結論將 STEAHM 教育模式應用于教學案例設計并積極實施，最后通過知識測驗和問卷調查的方式驗證了教學成效，獲得了一線教學經驗STEAHM 跨學科教育參考。
1.3 研究問題
針對上述現狀總結和問題分析，本研究著重探討如下問題：（1）中美加三國教材在整合廣度和表征深度上的特點；（2）中美加三國教材在 S、T、E、A、H、M 上的知識點分布特點和數量；（3）基于“電化學”的相關內容，中美加三國教材在 STEAHM 的三個層次六個維度上的知識整合特點；（4）基于 STEAHM 教育理念，整合中美加三國教材在跨學科內容上的編寫特點，提出基于本研究的教材編寫和教學實施策；（5）基于本研究結果提出教學策略開展教學實踐研究，通過課后的知識測
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驗和問卷調查等檢驗教學策略的可行性和實踐性。
1.4 研究意義
考慮我國目前基礎教育模式改革的迫切性和現行化學教材及教學模式的不足之處，本論文以中美加三國高中化學教材為研究對象，比較分析其“電化學”內容中 STEAHM 教育模式與先進教育理念，提出高中化學 STEAHM 教學實踐的理論模型，并開展教學設計和實踐研究，形成一線教學參考，進而促進我國基礎教育模式的改革突破，全面培養學生的創新思維和理論實踐技能。其研究意義主要在于：（1）對比分析國內外優秀教材的編寫特色和教學模式，提出我國教材融合STEAHM 教育理念的編寫原則及策略，奠定特色教育基礎；（2）提出高中化學 STEAHM 教學實踐的理論模型，并在學實踐中檢驗和完善具體的實施方法，促進我國基礎教育模式的改革發展；（3）基于 STEAHM 教育模式促進師生、生生協作互動，在學習過程中潛移默化地培養學生的學習積極性以及分析、解決實際問題的綜合素養。
2.1 研究對象
本研究選擇國內 2019 年人教版高中化學教材《化學 1》、美國教材《ChemistryConcepts andApplications》和加拿大教材《Chemistry 12》三個樣本作為研究對象，基于 STEAHM 教育理念圍繞“電化學”內容展開對比分析。人教版是我國目前廣泛使用的教材，其包括必修和選修兩大內容，本研究針
對《必修 1》中“電化學”部分展開分析。美國 Johns Philips 等人編寫且由 Glencoe 公司發行的化學教材《Chemistry:Concepts andApplications》目前出現了三個譯文版本，本文采用的是原著的英文版進行研究，共 21 章，本文研究中“電化學”內容出現在該書第 4 章。加拿大高中化學教《Chemistry 12》由 McGraw-Hill Ryerson 等人編寫，其原版教材總計 11 章且“電化學”內容位于最后一章。
2.2 研究方法
本論文的研究方法主要包括：文獻研究、內容分析、比較研究。分析近十年 STEAHM 教育國內外研究、高中電化學教學研究、國內高中化學教材對比研究三方面的文獻展開研究綜述。內容分析，本研究基于 STEAHM 教育理念圍繞高中化學教材“電化學”內設計了分析量表，并基于此完成了研究分析。比較研究，本研究對比了國內外三個版本化學教材中有關“電化學”的內容，展開同類比較和橫向比較，及量化統計。此外，本文在分析每個版本教材內容時，使用了定量統計的分析方法。比如，對三個版本教材中的彩圖、示意圖、演示實驗、科學探究、思考和交流、科學視野等活動欄目數量的統計以及對各個活動設計的功能分析等。
2.2.1 流程圖法評判指標
流程圖法（Flow Map）是由閆春更等人提出的一種依托教材知識結構的教材
華東師范大學碩士學位論文 2 研究設計
難度評價模型，重點對知識體系的廣度和深度進行對比性測評。廣度分為基本廣度和整合廣度，前者代表教材目標知識點的數量多少，基本廣度是根據教材所選擇知識點的多少來體現，后者即有效組織并整合課程內容；而深度又分成了基本深度和表征深度，其中基本深度是通過課程本身的抽象程度來體現，表征深度可以通過提升內容表征信息處理水平來消解基本深度。此外，基本廣度和基本深度和教材知識難度成相關，整合廣度和表征深度則與教材難度成負相關，最后根據廣度和深度處理成教材的“二維度四指標”分析模型，從而得出相關分析結論。流程圖法在具體實施時包括兩步，首先是繪制流程圖來表征教材內容，然后通過整合廣度和表征深度的定量統計來進行教材的分析和評價。
2.2.2 流程圖的繪制
對教材的各個知識點進行深度解讀和分析，然后基于此梳理相關的知識點和概念，即按照知識點呈現順序從上到下地排列出來，用單向箭頭表示知識點邏輯順利，如果不同知識點或概念在邏輯上進行了回訪或重新引用等，就用回歸箭頭進行標識，如此便完成了流程圖繪制的第一步；第二步，再主觀性地對教材整合的相關知識點或概念的信息處理水平進行評判，為后續的變量統計和分析打下基礎，表 2.1 所示給出了具體的評判標準。表 2.1 表征知識信息處理水平和評判依據信息處理水平 評判依據 級別符號 賦值直接定義 科學術語的定義 A 1描述 描述一種現象或事實 B 2比較或對比 說明不同對象或事實間的直接關系 C 3情境推理與解釋 在特定情境下兩件事的因果聯系 D 4
2.2.3 變量統計和分析
流程圖法數據分析包括以下兩個方面，一是整合廣度，二是表征深度，他們的取值越大，體現相關教材內容的文本難度水平越低。其中整合廣度是通過教材有效組織實現對主要知識體系的全面理解，基于流程圖的計算方法：概念回訪次
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數/（概念回訪次數+概念總數）；表征深度是表 2.1 中信息處理水平的計算分析理解課程基本深度。表 2.1 中共四個層級，分別是直接定義、描述、比較或對比、情景推理，各自標號為 A、B、C、D，依次賦值為 1、2、3、4，其中 A、B 為低高表征水平分值表征水平，C、D 為高表征水平，計算公式： 。高表征水平分值+低表征水平分值
2.2.4 STEAHM 三個層次六個維度設計
為了基于 STEAHM 教育理念完成中美加三個版本高中化學教材“電化學”內容的對比分析，首先需要明確 STEAHM 各學科的具體內涵及其下屬亞分類的概念。在熟悉三個樣本教材并結合研究目標，基于如圖 2.1 所示的 STEAHM 金字塔結構圖，本研究擬定了 STEAHM 教育理念的三個層次六個維度，即跨學科層次（含理化與數學維度）、重實踐層次（含工程與技術維度）、育人文層次（含藝術與人文維度），基于此對“電化學”教材展開分析研究。
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