基于SOLO分類理論的化學觀念建構教學的實踐研究——以高三化工生產流程專題復習為例

張一覽

（常熟市中學 江蘇 常熟 215500）

一、問題的提出

化學觀念是學習者在具體化學知識的基礎上進行的概括凝煉，是對于化學知識的超越和對化學學科特征的深刻理解。它影響著學習者解決實際問題的價值取向和行為方式，具有超越具體知識的持久價值和廣泛的遷移作用。［1］高中化學課程標準在課程目標部分明確提出“形成有關化學科學的基本觀念”［2］，縱觀近幾年各地的高考化學試題不難發現，對于學生化學知識和技能的考察漸漸弱化，而體現更多的是學生超越具體知識本身去解決實際問題的能力。因此，如何有效地讓學生在學習實踐中完成由知識到觀念的升華是我們不得不深入思考的問題。但是，化學觀念的轉變需要學習者在對化學知識本身、化學學科特征以及化學學習過程進行反思的基礎上完成，難以用量化的標準去衡量。而SOLO分類理論作為一種質性的評價方法則可以對于觀念建構的教學起到很好的指導意義。

二、SOLO分類理論與化學觀念建構的契合點

澳大利亞教育心理學家約翰·比格斯提出的SOLO分類理論認為，學生在認知具體知識的過程中是具有階段性的，而且這種階段性是可觀察的。他將學生的思維水平由低到高劃分為五個層次［3］：（1）前結構水平，學生被無關信息和已有經驗誤導，無法理解和解決問題；（2）單一結構水平，通過一個與問題相關的線索來建立問題和答案之間的聯系；（3）多元結構水平，利用多個相互獨立的線索和信息來連接問題與答案；（4）關聯水平，學生能夠將問題情境下各個線索之間建立本質聯系，使其成為一個有機整體；（5）拓展抽象水平，能夠超越問題本身，歸納各種信息并進行更抽象的概括，使結構更加完整。雖然SOLO分類理論屬于評價理論，但在剛引入時就沒有將它局限于學習結果的評價，而明確指出“SOLO分類評價法所包含的不同發展層次本身就符合人的認知發展規律，而在日常教學中教師的作用就是要將知識按照學生的認知規律進行組織、表達、評價，它能在上課過程中幫助教師通過學生的反饋情況判斷學生所處的思維發展階段”［4］。但是，SOLO分類理論應用于課堂教學的研究尚處于“在上課過程中教師通過SOLO分類評價學生的反饋情況，判斷學生所處的思維發展階段，進而對教與學進行具體的調整”的直接應用階段。［5］本研究嘗試按照SOLO分類理論的五個層次設計課堂教學的環節，進行化學觀念建構的教學實踐，以期拓寬該理論的應用范圍，突出其應用研究的實踐性。

觀念建構的基礎是學生原有的認知結構。在課堂學習之前，學生頭腦中已形成一定的相異構想，這些認識往往會阻礙學生對新知識的理解，造成學生學習的困難。能否根據學生的認知水平，采用適當的方法改變或完善學生固有的思維方式和科學態度是化學觀念轉變的難點所在。而SOLO分類理論與化學觀念轉變的契合點正在于：（1）SOLO分類理論的前結構水平就是觀念建構的基礎——學生原有的認知結構。在此階段，設計教學環節了解學生頭腦中的相異構想，可以為觀念建構打下良好的基礎；（2）SOLO分類理論的五個層次是思維方式層面上的，它們層層推進，符合人的認知規律。在每一推進的層次上設計相應的教學環節能幫助學生在思維層次的遞進中完成化學觀念的轉變。

三、基于SOLO分類理論的化學觀念建構的教學過程

以工業生產為背景的化工產品制備流程頻頻出現在高考化學試題中。本節課以“七水硫酸亞鐵的應用和工業制備”為例，隨著SOLO分類理論的五個思維層次的遞進，從學生熟悉的FeSO4·7H2O在生產生活中的應用開始，回憶它的化學性質和基本實驗操作，讓學生嘗試將離子反應條件、氧化還原規律、沉淀溶解平衡原理、反應速率理論等應用于工業生產流程的設計中，在優化生產工藝流程的過程中，加深對化工生產流程設計必須考慮的主要因素的理解和認識，進而將這種思維方式遷移到其他化工產品的生產工藝流程中，體會化學學科的魅力，達到知識到觀念的完美升華。具體過程如下：

環節一：前結構水平——了解相異構想

設計意圖：結合七水硫酸亞鐵工業用途的資料，讓學生用已有的知識解釋硫酸亞鐵作凈水劑和處理酸性含鉻工業廢水的原理。弄清學生的相異構想，了解學生的原有認知結構，是觀念建構的基礎。

教學過程：

學生：［資料學習］七水硫酸亞鐵俗稱綠礬，可用于制鐵鹽、氧化鐵顏料、凈水劑、消毒劑等，大量的硫酸亞鐵被用作還原劑，在工業生產中主要還原水泥中的鉻酸鹽或處理含鉻（主要以Cr2O72－形式存在）工業廢水。

教師：你能用學過的知識來解釋硫酸亞鐵作凈水劑的化學原理嗎？用離子反應方程式和適當文字回答。

學生二：硫酸亞鐵水解形成氫氧化亞鐵膠體凈水，氫氧化亞鐵氧化成氫氧化鐵

學生三：硫酸亞鐵氧化成硫酸鐵，硫酸鐵水解形成氫氧鐵膠體凈水

……

反饋小結：學生頭腦中對于亞鐵鹽容易被氧化，易水解的性質比較熟悉，但是在實際運用中容易生搬硬套，忽略外界條件如溶液酸堿性、氧化和水解的優先順序等影響。學生認知結構中出現亞鐵鹽性質的混淆，易被無關信息和已有經驗誤導，無法理解和解決問題。因此，首先須幫助學生理清知識，明確其適用范圍。在此基礎上，設計下一教學環節。

環節二：單一結構水平——新知識的納入、重組和改造

設計意圖：通過設置設問、反問、疑問等形式，針對某個知識點在單一結構水平上師生進行點對點的問答，讓學生產生“認知沖突”，幫助學生理清知識，明確知識概念間的聯系和使用條件進而激發探索興趣，解釋自己的觀點與現象之間的差異，將新知識與原有的認知結構結合，通過納入、重組和改造，構成新的認知結構。

教學過程：

教師：硫酸亞鐵溶液呈酸性還是堿性？

學生：因為亞鐵鹽在水溶液中易水解，應該呈酸性。

教師：起凈水作用的是膠體還是沉淀？

學生：是氫氧化亞鐵膠體。

教師：氫氧化亞鐵膠體在空氣中能穩定存在嗎？

學生：不能，容易被氧化。

教師：硫酸亞鐵是否也容易被氧化？

學生：容易

教師：那么硫酸亞鐵在空氣中被氧化和水解的程度哪個更大，速率更快？

學生：水解程度是微弱的，因此氧化應該發生地更快，程度更大。

教師：能否試著總結一下亞鐵鹽的性質及其應用時的注意點？

學生：亞鐵鹽極易被氧化，也容易發生水解，在應用它的性質時我們應注意到亞鐵鹽在空氣中更易發生氧化反應。

反饋小結：在環節一出現的相異構想基礎上師生進行問答式的“矛盾沖突”，讓學生在反思中認識到亞鐵鹽性質的多重性，而這些化學性質在不同的環境中體現的程度是不同。

環節三：多元結構水平——以新知識為腳手架，聯系原知識體系中的相關內容，搭建新的知識網絡體系

設計意圖：回憶結晶、過濾、洗滌等實驗基本操作的注意事項，結合環節二中總結出的硫酸亞鐵的性質，讓學生在頭腦中建構起最基本的七水硫酸亞鐵的制備流程圖。在多元結構水平層次上，幫助學生將零散的知識聯系起來，從而建構起新的認知體系。

教學過程：

［基礎回顧］（1）蒸發皿與坩堝使用的范圍有何不同？（2）蒸發中的玻璃棒有何作用？（3）冷卻結晶前的蒸發濃縮須加熱到什么程度？

［研究討論］

某研究性學習興趣小組在實驗室中用鐵制備七水硫酸亞鐵，設計了以下實驗步驟，請回答相關問題：

（1）操作 2．3．4的名稱分別是（ ），操作 2需要的儀器是（ ），操作4需要的儀器是（ ）。得到的晶體常用冰水洗滌的目的是（ ），再用乙醇洗滌的目的是（ ）。

（2）為了保證得到較純的產品，在操作中應注意（ ）。

（3）操作1微熱的原因是（ ），還可用（ ）等方法來實現此目的。

反饋小結：通過這一環節的設計，學生能夠將物質的性質與實驗操作有機結合在一起，在思維層次上達到了多元結構水平，形成了新的認知體系。

環節四：關聯水平——通過對新構建的認知體系進行反思，與解決新情境下的問題建立本質聯系

設計意圖：將環節三中七水硫酸亞鐵的背景從實驗室制法換成工業制備，讓學生嘗試通過對七水硫酸亞鐵的制備流程的理解和反思，以及工業和實驗室不同背景下原料、經濟效益等差異的比較，通過小組討論的形式完成七水硫酸亞鐵工業制備的流程方案。

教學過程：

［小組討論］：試根據以下提示補充完整由硫鐵礦燒渣制備 FeSO4·7H2O晶體的實驗步驟：［江蘇2013年高考·19（5）改編］研究性學習興趣小組欲從硫鐵礦燒渣出發 （主要成分為 Fe2O3、SiO2、Al2O3）制備綠礬，請結合左圖的綠礬溶解度曲線，補充完整由硫鐵礦燒渣制備FeSO4·7H2O晶體的實驗步驟（可選用的試劑：鐵粉、稀硫酸和NaOH溶液）：向一定量燒渣中加入（ ）充分反應，（ ）， 得到 FeSO4溶液，（ ）， 得到 FeSO4·7H2O晶體。

反饋小結：學生通過討論注意到了化工生產工藝流程與實驗室制法的差異，化工生產的原料須價廉易得，成本低；工藝流程能耗低，污染少。七水硫酸亞鐵的工業制備流程與實驗室制法的最基本反應原理有著本質聯系，工業制備只需增加原料提純的環節即可。通過這一環節的設計，讓學生學會知識的遷移，培養在不同問題情境下將各個線索之間建立本質聯系的能力。

環節五：拓展抽象水平——超越知識本身，完成知識到觀念的轉變

設計意圖：在上一環節中，學生能在關聯水平的思維層次上將七水硫酸亞鐵的實驗室制備方法遷移到工業制備的新背景下，但仍然沒有超越有關硫酸亞鐵的知識本身。在最后這一環節中，讓學生認識到七水硫酸亞鐵的制備方法并不是唯一的，而可以在其它化工產品——鈦白粉的工業制備中作為副產物獲取。學生需要解決的問題脫離了七水硫酸亞鐵的一般制法原理，在這個過程中，學生能超越知識本身，完成知識到觀念的轉變。

教學過程：

鈦白粉（主要成分是TiO2），廣泛用于油漆、塑料、造紙等行業，還可用作乙醇脫水、脫氫的催化劑。下圖是以鈦鐵礦（主要成分FeTiO3，鈦酸亞鐵）為主要原料生產鈦白粉并獲得副產品FeSO4·7H2O的工藝流程圖。試回答：

（1）反應①的化學方程式為（ ）；在TiOSO4和FeSO4溶液中加入Fe的目的是（ ）。

（2）溶液I可以通過結晶的方法得到FeSO4·7H2O的原因是（ ）。

（3）溶液Ⅱ中TiOSO4發生水解反應②的化學方程式為（ ）；可回收利用的物質是（ ）。

［學生討論］在解決化工生產流程題時常常須考慮到的化學原理有哪些？

反饋小結：通過這一環節的討論，學生得出了以下結論：（1）氧化還原規律、離子反應條件、沉淀溶解平衡原理、反應速率理論、電化學原理等是設計化工生產流程的理論依據。（2）任何一種化工產品的生產方法都可能多種多樣，但工藝的選擇都是以生產效率高、能耗少、成本低、盡量減少污染為基點的。學生能夠超越問題本身，歸納各種信息并進行更抽象的概括，使結構更加完整。至此，知識到觀念的轉變畫上了圓滿的句號。

四、教學思考與結論

本研究通過實踐證明，SOLO分類理論不僅適用于教學評價，也可指導教師根據學生的思維層次發展順序進行課堂教學設計?；赟OLO分類理論設計的課堂教學，既符合人的思維發展規律，也是與觀念建構的過程相匹配的。教師若能在不同的思維層次上精心設計教學環節，可以有效地引導學生對知識的理解逐步上升到觀念的層次。因此，基于SOLO分類理論的教學實踐是有利于學生化學觀念建構的。具體關系見圖1。

［1］ 畢華林，盧巍．化學觀念的內涵及其教學價值［J］．中學化學教學參考，2011，（6）

［2］ 宋心琦．利用化學史料提高科學素養的一點看法［J］．化學教學，2010，（11）：3－5

［3］ 陳徽，錢揚義，李孟彬等．SOLO分類評價理論在高中化學課堂交流匯報環節的應用［J］．化學教育，2008，（10）：25－27，60

［4］ 李佳，高凌飚，曹琦明．SOLO水平層次與PISA的評估等級水平比較研究［J］．課程·教材·教法，2011，（4）：91－96

［5］ 黃愛民．國內SOLO分類評價理論在中學化學應用研究的綜述［J］．化學教學，2013，（1）：6－8