基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論應(yīng)用手持技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

◇洛陽師范學(xué)院 李曉冬 胡鵬程 李藝偉 徐 巖 牛小利 劉藝博

“電解池”是高中化學(xué)教學(xué)中的重要知識之一且具有抽象、難理解的特點(diǎn)。學(xué)生對這類知識往往采用機(jī)械記憶的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，效果不佳，難以達(dá)到教學(xué)要求。而“學(xué)習(xí)進(jìn)階”強(qiáng)調(diào)學(xué)生對某一知識理解應(yīng)循序漸進(jìn)、由淺入深的方式，這對電解池這類抽象知識的教學(xué)具有指導(dǎo)意義。手持技術(shù)是新興的一種教學(xué)手段，研究表明其在化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用對學(xué)生理解抽象知識具有很大幫助。由此，設(shè)計了關(guān)于“電解池”的學(xué)習(xí)進(jìn)階模型并融入手持技術(shù)以期學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中實(shí)現(xiàn)知識、認(rèn)知、思維方面的進(jìn)階。

1 引言

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版2020修訂）（以下簡稱《新課程標(biāo)準(zhǔn)》）對高中生的化學(xué)學(xué)習(xí)提出了五大學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，并對學(xué)業(yè)質(zhì)量水平與學(xué)科核心素養(yǎng)水平進(jìn)行了由低到高、由淺入深的水平劃分，這與學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想不謀而合。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論認(rèn)為學(xué)生對某一核心概念的認(rèn)識應(yīng)是一個從不同方面，由簡單到復(fù)雜的認(rèn)識過程。在高中化學(xué)教學(xué)中融入學(xué)習(xí)進(jìn)階思想，不僅能夠使得教師充分了解與掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，從而設(shè)計出符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的課堂教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量，而且能更好得貫徹落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)的教育理念。同時，手持技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合能夠?qū)⑽粗拍钷D(zhuǎn)化為已知概念的相關(guān)聯(lián)屬性進(jìn)行檢測，為學(xué)生理解化學(xué)知識提供新的路徑（曲線）也為教師在高中化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論提供了新的設(shè)計思路。本文運(yùn)用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，應(yīng)用手持技術(shù)并融合四重表征對高中化學(xué)“電解池”的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，旨在應(yīng)用學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想開發(fā)出符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在知識、能力、思維等多方面的發(fā)展。

2 研究背景

自21世紀(jì)以來，教育界便把“學(xué)習(xí)進(jìn)階”作為科學(xué)教育改革的核心理念之一，并作為聯(lián)結(jié)教學(xué)、教材、課程的工具被廣泛應(yīng)用在科學(xué)教育界。自它提出以來，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，掀起了研究的浪潮。在研究方面，教育學(xué)者提出的“建模+實(shí)證”的研究模式被廣泛接受并成為學(xué)習(xí)進(jìn)階研究的范式。在實(shí)踐方面，我國《新課程標(biāo)準(zhǔn)》中對學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的制定及化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分也借鑒了學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想。由此看來，學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想已然成為21世紀(jì)實(shí)施科學(xué)教育的理論基礎(chǔ)之一。

高中化學(xué)知識中包含許多重要概念，其中電解池作為電化學(xué)概念下的子概念，是構(gòu)成電化學(xué)概念框架的重要部分。電解池的學(xué)習(xí)建立在氧化還原反應(yīng)、原電池等內(nèi)容之上，同時為后續(xù)學(xué)習(xí)金屬的腐蝕與防護(hù)做鋪墊。因此從教材安排上來看，整體呈現(xiàn)出進(jìn)階式學(xué)習(xí)思想，此外，在實(shí)際教學(xué)中教師往往不能認(rèn)真研讀課程標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求且忽視學(xué)生的認(rèn)知水平，從而無法取得良好的教學(xué)效果。在學(xué)習(xí)方面，學(xué)生對電解池相關(guān)知識普遍存在重記憶、輕理解的現(xiàn)象，這使得他們在知識、能力、思維等方面都無法得到質(zhì)的提升。

3 研究目的及意義

新課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生所提出的要求是教育教學(xué)所要達(dá)到的最低要求，然而在傳統(tǒng)教學(xué)方式下，學(xué)生理解與掌握知識的方法已經(jīng)產(chǎn)生了固化且對難以理解的知識容易產(chǎn)生畏難情緒，導(dǎo)致無法在知識、能力等多方面得到應(yīng)有的提升，達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文中筆者旨在把學(xué)習(xí)進(jìn)階理論和手持技術(shù)結(jié)合，融入四重表征思想，以高中化學(xué)電解池為例進(jìn)行學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠循序漸進(jìn)、由淺入深地理解有關(guān)概念，實(shí)現(xiàn)在知識、能力、素養(yǎng)等多方面的發(fā)展。

首先，以學(xué)習(xí)進(jìn)階為指導(dǎo)，手持技術(shù)為輔助的教學(xué)方式有助于高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)；在宏觀、微觀、符號這些本身具有遞進(jìn)性的表征方式基礎(chǔ)上，利用手持技術(shù)呈現(xiàn)形象化的曲線模型從而幫助學(xué)生發(fā)展多維度、多層次的思維方式，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。其次，對化學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐具有積極意義；教師在學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想指導(dǎo)下，依據(jù)知識的難易與學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平制定相適宜的教學(xué)設(shè)計，各環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)，針對不同水平設(shè)計相應(yīng)問題，提升課堂實(shí)踐效果。最后，有利于課堂教學(xué)評價的實(shí)施；依據(jù)進(jìn)階式的教學(xué)設(shè)計進(jìn)行教學(xué)，能夠?qū)W(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段的已有水平做出準(zhǔn)確判斷，從而能針對其情況制定下一步教學(xué)。

4 理論基礎(chǔ)

4.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論

學(xué)習(xí)進(jìn)階（learning progressions，簡稱LPS）也稱學(xué)習(xí)進(jìn)程，是近幾年的美國科學(xué)教育改革中的一個新興的概念[1]。針對學(xué)習(xí)進(jìn)階，國內(nèi)外學(xué)者有著不同的看法，尚未形成一個準(zhǔn)確的概念。一般認(rèn)為學(xué)習(xí)進(jìn)階是圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列。筆者通過查閱文獻(xiàn)并結(jié)合自身理解認(rèn)為“學(xué)習(xí)進(jìn)階”應(yīng)是一個逐級遞進(jìn)，呈階梯式上升的過程，因此制定如圖1所示的學(xué)習(xí)進(jìn)階模型。

圖1 學(xué)習(xí)進(jìn)階模型

4.2 最近發(fā)展區(qū)理論

最近發(fā)展區(qū)理論是由前蘇聯(lián)教育家維果茨基提出的，他認(rèn)為學(xué)生存在兩種發(fā)展水平：一種是學(xué)生獨(dú)立完成或解決問題的水平，另一種是在教師或他人幫助下所能達(dá)到的水平，兩種水平間的部分叫做最近發(fā)展區(qū)[2]。這啟示教師在進(jìn)行教學(xué)時要把握教學(xué)難度，使學(xué)生能夠“跳一跳便摘到桃子”達(dá)到下一階段的水平，然后在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行下一發(fā)展區(qū)的發(fā)展。

4.3 四重表征理論

1982年，蘇格蘭的約翰斯頓首次提出化學(xué)“三重表征”模式，即宏觀表征、微觀表征、符號表征。自此，有關(guān)學(xué)生化學(xué)概念的三重表征分析及相關(guān)教學(xué)實(shí)踐研究就備受關(guān)注。2009年，華南師范大學(xué)錢揚(yáng)義教授基于手持實(shí)驗(yàn)即時收集數(shù)據(jù)和自動生成曲線的技術(shù)背景，首次提出“曲線表征”的定量分析方法，并構(gòu)建化學(xué)“四重表征”教學(xué)模式，包括宏觀表征、微觀表征、符號表征、曲線表征，并對各重表征形式進(jìn)行了定義，如表1所示[3-4]。

表1 “四重表征”定義

4.4 教育目標(biāo)分類理論

教育目標(biāo)分類理論最早是由布魯姆于1956年提出的，他將教育目標(biāo)分為三個領(lǐng)域：知識領(lǐng)域、情感領(lǐng)域、動作技能領(lǐng)域。三個領(lǐng)域包含了整個教學(xué)環(huán)節(jié)，保障了教學(xué)的順利進(jìn)行。但隨著該理論的應(yīng)用，其忽略學(xué)生運(yùn)用知識的能力的弊端顯現(xiàn)了出來。于是，安德生等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂，將知識劃分為兩個維度（知識維度、認(rèn)知過程維度）并融合在二維框架結(jié)構(gòu)中，知識維度包括：事實(shí)性知識、概念性知識、程序性知識、反省認(rèn)知知識；認(rèn)知維度包括：記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造[5]。

5 研究過程

本文以人教版高中化學(xué)選擇性必修1第四章化學(xué)反應(yīng)與電能第二節(jié)電解池第1課時為例進(jìn)行學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計。根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論，學(xué)習(xí)進(jìn)階模型主要由進(jìn)階維度、進(jìn)階起點(diǎn)、進(jìn)階終點(diǎn)、進(jìn)階水平這四部分組成。筆者將其分為三個維度的進(jìn)階，即知識進(jìn)階、認(rèn)知進(jìn)階、思維進(jìn)階，簡稱“三重進(jìn)階”。其中知識與認(rèn)知進(jìn)階的水平是根據(jù)布魯姆的教育目標(biāo)分類理論制定的，而思維進(jìn)階是依據(jù)四重表征（宏觀、微觀、符號、曲線）的內(nèi)容制定的。在學(xué)生能從宏觀、微觀、符號的角度認(rèn)識電解池后，運(yùn)用手持技術(shù)呈現(xiàn)有關(guān)曲線圖像，幫助學(xué)生深入理解電解池最終達(dá)到四重表征水平；把進(jìn)階起點(diǎn)規(guī)定為學(xué)生已有知識水平；進(jìn)階終點(diǎn)規(guī)定為課程標(biāo)準(zhǔn)對關(guān)于電解池的學(xué)習(xí)要求；依據(jù)上述思路對電解池的有關(guān)知識進(jìn)行梳理和劃分，最終構(gòu)建關(guān)于“電解池”的學(xué)習(xí)進(jìn)階模型。

5.1 “電解池”的進(jìn)階模型設(shè)計

a、進(jìn)階維度設(shè)計。

（1）知識進(jìn)階設(shè)計。布魯姆的教育目標(biāo)分類理論從知識維度上將知識類型按層次劃分為：事實(shí)性知識、概念性知識、程序性知識、反省類知識。選擇人教版2019年高中化學(xué)選擇性必修1教材中“電解池”第1課時的內(nèi)容，對知識進(jìn)行整理劃分，如表2所示。

表2 “電解池”知識維度劃分

（2）認(rèn)知進(jìn)階設(shè)計。依據(jù)布魯姆的認(rèn)知目標(biāo)分類學(xué)（2001年修訂版）中認(rèn)知過程維度的類目，結(jié)合教材內(nèi)容制定分類目標(biāo)，如表3。

表3 “電解池”的認(rèn)知維度劃分

（3）思維進(jìn)階設(shè)計。宏觀、微觀、符號是化學(xué)學(xué)科特有的表征方式，20世紀(jì)90年代華南師范大學(xué)錢揚(yáng)義教授在化學(xué)教學(xué)中引入手持技術(shù)，為化學(xué)學(xué)科帶來了新的表征方式—曲線，由此形成了四重表征理論。而這四種表征方式也存在著由淺入深的遞進(jìn)性關(guān)系：首先，學(xué)生在最初學(xué)習(xí)某一知識時通過各種感官從宏觀層次去感受建立初步認(rèn)知。其次，教師利用教材等輔助工具引導(dǎo)學(xué)生從微觀層次認(rèn)識本質(zhì)。再次，學(xué)生根據(jù)已有的化學(xué)基礎(chǔ)把知識用化學(xué)式、反應(yīng)方程式等符號表示出來，增進(jìn)理解。最后，利用手持技術(shù)呈現(xiàn)曲線幫助學(xué)生深入理解知識。通過對“電解池”第1課時教學(xué)的內(nèi)容分析，依據(jù)四重表征劃分學(xué)生在理解電解池概念時達(dá)到的思維水平，如表4所示。

表4 “電解池”的思維水平劃分

b、進(jìn)階水平設(shè)計。

通過對“電解池”內(nèi)容的學(xué)習(xí)進(jìn)階維度的劃分，發(fā)現(xiàn)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容在三種維度上都能得到不同水平層次的劃分。但同一內(nèi)容在不同維度中可能有不同的層次，所以在對進(jìn)階水平劃分時，以學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想為指導(dǎo)結(jié)合教材編排與邏輯性進(jìn)而劃分出不同的進(jìn)階水平，如表5所示。

表5 “電解池”進(jìn)階水平劃分

c、進(jìn)階起點(diǎn)與終點(diǎn)設(shè)計。

學(xué)生在學(xué)習(xí)“電解池”的相關(guān)內(nèi)容之前，已經(jīng)掌握了氧化還原反應(yīng)、電解質(zhì)的電離、原電池等重要內(nèi)容，具備能量轉(zhuǎn)化意識。這為電解池有關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，因此將進(jìn)階起點(diǎn)規(guī)定為：學(xué)生已有的知識水平。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂）對“電解池”的學(xué)業(yè)要求：“能分析、解釋電解池的工作原理，能設(shè)計簡單的電解池”。因此，根據(jù)電解池第1課時安排，將進(jìn)階終點(diǎn)規(guī)定為：“深入理解電解池，能分析、解釋電解池的工作原理，建構(gòu)電解池模型”。

5.2 “電解池”進(jìn)階模型的建立

筆者通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)教學(xué)中對學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究不在少數(shù)，其中對電解池、原電池、氧化還原反應(yīng)居多，這些研究是對核心概念的整體研究。本文中建立的學(xué)習(xí)進(jìn)階模型旨在幫助教師在一個課時的課程內(nèi)容中準(zhǔn)確判斷學(xué)生的水平，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生難以理解和解決的問題；遵循學(xué)生的認(rèn)知心理發(fā)展，從簡單到復(fù)雜、從形象到抽象，循序漸進(jìn)的幫助學(xué)生理解知識。此外，該模型的建立能夠幫助教師設(shè)計出更為合理的教學(xué)方案，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

在5.1中筆者根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論，結(jié)合教材中電解池知識設(shè)定了進(jìn)階維度、進(jìn)階水平、進(jìn)階起點(diǎn)、進(jìn)階終點(diǎn)，最終建立關(guān)于電解池的學(xué)習(xí)進(jìn)階模型，如圖2所示。

圖2 “電解池”進(jìn)階模型

5.3 創(chuàng)新點(diǎn)

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階模型的同時融入了手持技術(shù)。手持技術(shù)由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計算機(jī)及配套軟件組成，其中傳感器類型有很多：電流傳感器、氯離子傳感器、溫度傳感器等[6]。利用傳感器測定電解池工作時發(fā)生的變化并通過計算機(jī)處理以圖像顯示出來，對學(xué)生理解電解池概念、分析電解池原理具有很大幫助，同時也培養(yǎng)了學(xué)生從曲線分析化學(xué)變化的思維方式，為思考和解決問題提供了新的途徑。運(yùn)用手持技術(shù)測定電解池的有關(guān)內(nèi)容，如圖3所示。

圖3 運(yùn)用手持技術(shù)測定電解池

在定制的電解槽中注入7:2比例的飽和食鹽水和蒸餾水的混合溶液，插入石墨電極之后，分別在正負(fù)兩極插入氯離子傳感器、pH傳感器，開始采集數(shù)據(jù)器并接通直流電源，得到如圖4所示曲線。學(xué)生對曲線進(jìn)行分析，深化對電解池的認(rèn)識，培養(yǎng)四重思維。

圖4 pH與Cl- 濃度變化曲線

6 結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展，國家對教育提出了更高的要求，不再僅僅注重學(xué)生對知識的掌握多少，更加注重學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的體驗(yàn)、經(jīng)歷才是最寶貴的財富。在高中化學(xué)中應(yīng)用手持技術(shù)融合學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想進(jìn)行教學(xué)，是對信息技術(shù)化時代的順應(yīng)、對學(xué)生的發(fā)展負(fù)責(zé)。本文圍繞高中化學(xué)“電解池”第1課時內(nèi)容建立學(xué)習(xí)進(jìn)階模型并創(chuàng)造性地融入手持技術(shù)，力求使學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中，其知識、認(rèn)知、思維得到充分發(fā)展。對于如何針對該模型設(shè)計出相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計，還有待學(xué)者們不斷探究與開發(fā)。