基于SOLO分類理論探討化學核心概念的學習進階與教學銜接

林建芬+陳博殷+黃碧蕓+胡佳娜

摘要：概述學習進階理論在化學核心概念教學銜接研究中的應用價值，介紹了SOLO分類理論對劃分化學核心概念認知層級與進階路徑的指導意義。按照SOLO分類理論劃分中和反應概念的學習階段、進階路徑和發展目標，建構中和反應概念進階學習的認知模型，對中和反應的初高中跨學段教學銜接提出研究與實施建議。

關鍵詞：學習進階理論；SOLO分類理論；中和反應；初高中教學銜接；認知模型

文章編號：1005–6629（2016）11–0024–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 基于SOLO分類理論研究化學核心概念的學習進階與教學銜接

1.1 基于學習進階理論探討化學核心概念的跨學段教學銜接

近年來，在國內外科學教育領域中，學習進階理論已成為研究學生認知發展的熱點領域之一。學習進階理論[1]描述學生在不同學段學習同一核心概念時所遵循的連貫、典型的學習路徑。學科知識、技能和方法的學習是分階段和有明確路徑的，教師更應高度關注學生學習過程的方向、路徑和各階段水平要求。對學習進階的規劃是對學生在不同學段對概念的理解水平、迷思概念、進階目標及測評要求的描述，目前相關研究集中在學習、課程和評價領域[2]，如Corcoran提出學習進階應具有5個構成要素：進階終點、進階維度、多個相互關聯的成就水平、各水平預期表現、特定的評測工具[3]。學習進階理論可用于指導學科核心概念的跨學段教學銜接研究，對研制分階段、劃層級、系統性的學業質量標準體系有重要指導意義。

圍繞學科核心概念的跨學段學習進階來組織教學內容是當前科學教育的研究焦點。從2009年歐亞拉美七國學者聯合編著的《科學教育的原則和大概念》出版[4]，到美國以學習進階形式將核心概念寫入國家課程文件《新一代科學教育標準》，再到近期我國教育部組織260多位專家修訂普通高中課標，以學習進階形式統整教學要求與學業標準，都體現了對學科核心概念的學習進階及其跨學段教學銜接的關注。

化學核心概念的形成不是一蹴而就的，而是學生通過不同學段的主題學習而不斷豐富與發展的，具有階段性、層次性和漸進性等特點。國內外不同研究者對于化學核心概念學習進階的設計有不同的理解與研究方法：（1）美國Stevens基于實證測查和標準文件描述中學生在物質結構與性質概念上的學習進階假設，并通過實證研究進行修正完善；（2）林建芬按照初中、必修、選修和高三4個不同學段，通過分析考綱、課標、教材并結合教學實踐，根據學生思維層級和認知發展，梳理了同分異構體、元素周期律、離子反應、化學用語等核心概念[5～9]的認知方式與角度、知識水平，劃分相應的學習進階路徑，提出各學段的學習目標、進階路徑與教學建議；（3）周玉芝[10]提取化學電源核心概念及相應學段的目標，進而劃分電化學的學習進階；（4）莊曉文[11]選取電離、離子反應和勒夏特列原理作為電解質溶液領域的核心概念，從不同學段的概念理解水平分解、迷思概念、進階目標進行分析，以學習進階為統領設計教學過程；（5）諶秀云[12]、苗蘭[13]、雷才[14]、童文昭[15]則以“低-中-高階水平學習進階模型”分別呈現化學反應、反應熱、化學平衡、物質結構等化學核心概念與基本反應原理的學習進階路徑，提出跨學段教學銜接的建議。

綜上，學習進階理論揭示了學生對化學核心概念的理解、對某種技能的掌握隨時間推移連貫且逐漸深入的典型發展路徑，可用于指導化學核心概念的初高中跨學段教學銜接研究。

1.2 應用SOLO分類理論劃分化學核心概念在跨學段銜接中的學習進階

為了指導教師充分認識學生的學習周期和階段要求、評價學生的學業質量水平，彼格斯[16]在皮亞杰認知發展階段論的基礎上提出SOLO分類理論（“可觀察的學習成果結構”，見圖1），根據學生回答某一學科具體問題時的內部結構復雜性，將學生學習結果和思維結構分類為前結構、單點結構、多點結構、關聯結構和拓展抽象結構5種層次。前結構和單點結構水平屬于低階思維，多點和關聯結構則為中階水平，拓展抽象結構水平則屬于高階認知，SOLO分類理論對思維結構的5個層級劃分與學習進階理論相融合、相映襯。SOLO分類理論根據學生思維方式的性質和抽象程度，將個體認知方式依次分為感覺運動方式、形象方式、具體符號方式、形式方式、后形式方式5種方式，分別產生隱性知識、直覺知識、陳述性知識、理論知識、層次更高更抽象的理論知識這5類知識。學生認知發展方式和思維結構層次共同組成一個螺旋式上升的認知發展階段體系：學生總體的認知發展具有階段性，學生對核心概念的認知發展也具有階段性。教師既要重視學生在不同學段的學習結果的數量（即掌握的知識點的多少），更要重視學生在不同階段的學習結果的質量（即掌握知識點的相互關系）。

學習進階理論將化學核心概念的跨學段學習進階劃分為低階、中階和高階水平及相應等級的學業質量標準，其界定過程要考慮學生化學認知方式發展，即對研究對象，認識角度、方式、思路的層級提升和進階路徑（見圖2）；其中認識思路指個體對物質和化學反應或相關現象或事實認識的有序性和思路性，認識深度指對于同一認識角度存在個體間水平差異或個體階段差異。學生可通過語言、文字、圖表、符號等各種形式表征化學核心概念。認知角度與思路的層級發展包括：宏觀→微觀、定性→定量、靜止孤立→動態作用、文字描述→符號圖像表征，可結合SOLO分類理論劃分化學核心概念跨學段學習中認知方式的學習進階（見圖2）。

2 基于跨學段學習的進階路徑建構“中和反應”概念認知模型

中和反應是化學核心概念之一，因其重要性列入中學化學學科100個關鍵詞[17]，對學生化學認知方式發展、化學概念的多重表征學習、化學核心素養的培育都起到重要作用。臺灣學者邱美虹[18]選取了溶液酸堿性、中和反應、弱酸和弱堿的稀溶液這3個主題研究初三學生關于酸和堿的認識方式與前概念，描述學生對核心概念的理解、推理或者解釋的動態過程（見表1），并對高中相應主題的教學提出建議。綜上，本研究將中和反應作為化學核心概念進行初高中教學銜接研究，采用文獻研究、文本分析、實踐研究法等，主要任務是基于學習進階理論劃分中和反應的認知層級水平與學習進階路徑，進而建立中和反應認知模型，基于SOLO分類理論對化學核心概念初高中跨學段教學提出分階段的教學建議與學業質量標準。

2.1 學生中和反應概念跨學段學習的進階路徑

基于學習進階理論，結合SOLO分類理論對學生思維結構水平的分類評價，通過課標、考綱、教材和教學實踐研究，劃分中和反應核心概念的跨學段學習進階路徑和階段層次水平。

（1）水平1（前結構水平）：學生在小學科學學習中初步認識酸和堿，在個人生活經歷（如吃苦澀皮蛋等堿性物質時可蘸食醋）形成了中和反應的前科學概念，思維處于前結構水平。

（2）水平2（單點結構水平）：初三學生學習中和反應時，要聯系酸、堿的組成及溶液酸堿性檢驗，并從酸堿鹽的物質分類認識中和反應的特點，較少涉及微觀分析，思維處于宏觀層面的單點結構水平，為后續學習溶液酸堿度與pH、復分解反應、鹽的性質與用途等奠定基礎。

（3）水平3（多點結構水平）：必修1模塊從電解質角度認識酸堿鹽在水中的電離，從離子反應角度分析中和反應的微觀過程與變化規律，從微觀層面分析酸堿鹽電解質溶液導電現象及酸堿中和反應的宏觀現象。必修2模塊從化學鍵的微觀角度分析酸堿鹽的組成及在溶劑水中的溶解、電離與中和反應過程，并通過完成定性實驗活動認識中和反應過程伴隨熱量變化，中和熱概念僅作簡單了解。該過程中學生思維層級處于宏觀和微觀結合的多點結構水平。

（4）水平4（關聯結構水平）：選修4模塊通過定量測定中和熱的實驗理解中和熱概念，掌握中和反應的熱化學方程式；從水的電離、離子積常數Kw角度理解溶液酸堿性與pH的關系；通過酸堿滴定實驗理解用已知濃度的酸/堿測定未知濃度的堿/酸的實驗原理，通過測定酸堿滴定曲線分析中和反應過程的微粒變化；最后從鹽類的水解反應（即中和反應的逆反應）認識中和反應的限度、鹽溶液的酸堿性，基于勒夏特列原理應用中和反應原理來調節溶液pH的方法以改變沉淀溶解平衡，幫助學生認識中和反應在工業生產、環境保護上的應用價值。

（5）水平5（拓展抽象結構水平）：高考測評對學生在中和反應概念的認知層級要求處于拓展抽象結構水平。全國卷高考考綱要求[19]如下：了解電解質、強弱電解質的概念；了解電解質在水溶液中的電離、電解質溶液的導電性；了解弱電解質在水溶液中的電離平衡；了解水的電離、離子積常數；了解溶液pH的定義與測定方法，進行pH的簡單計算；了解鹽類水解的原理與應用、影響鹽類水解程度的主要因素；了解離子反應的概念及發生條件；了解沉淀溶解平衡及沉淀轉化的本質；理解化學平衡常數的含義并進行簡單計算；了解化學反應的可逆性；了解定量研究方法；了解化學反應中能量轉化的原因；能夠將分析解決問題的過程和成果，用正確的化學術語及文字、圖表、模型、圖形等表達并做出解釋（即多重表征能力）。

2.2 建構中和反應核心概念的認知模型

從初高中化學核心概念學習進階的角度分析，學生在初三學習中和反應概念，到高中還會從電離、電解質、離子反應、化學鍵、化學能與熱能、電離平衡、酸堿滴定曲線、鹽類水解、調節pH與沉淀溶解平衡等跨學段學習過程，定量認識溶液的酸堿性、中和熱、中和滴定原理、中和反應限度等，形成系統完整的中和反應概念體系。根據學習進階理論將中和反應的概念認知與發展過程劃分為初中階段、必修階段、選修4前期（即4-1）、選修4后期（即4-2）4個建構階段，高三高階階段是在這4個階段的基礎上進行綜合運用與思維重整，進而建構中和反應認知模型（見圖3），包括認知任務、認識角度、認知層級與認知對象4個維度。

3 基于中和反應概念認知模型探討初高中跨學段的教學銜接

3.1 初中階段“中和反應”概念的進階教學

初中新課標對中和反應的要求[20]如下：（1）知道酸和堿發生的中和反應；（2）理解酸堿性對生命活動和農作物的影響及中和反應在實際中的應用；（3）了解中和反應的實際意義，培養和激發學習化學的興趣。《深圳市初中畢業生學業考試說明》考綱要求[21]如下：（1）掌握常見酸和堿的主要性質和用途；（2）理解中和反應的特點，知道物質發生化學變化伴隨能量變化；（3）初步形成正確、合理使用化學品的意識；（4）知道化學在環境監測與保護中的重要作用。

在初中階段，學生在中和反應概念上的學習路徑發展經歷2個轉變。

（1）個別到一般：由具體物質反應到物質類別間反應規律，如教材分別介紹NaOH與HCl、Ca（OH）2與HCl、NaOH與H2SO4之間的反應總結出“酸和堿反應生成鹽和水”的規律；

（2）一般到個別：從物質類別間反應規律到具體物質反應，利用酸堿中和反應原理解答課后習題中“書寫含Al（OH）3藥物治療胃酸過多癥的化學方程式”。

綜上，初中階段的教學內容應選取鹽的定義、中和反應的概念與中和反應規律、實際應用等教學內容，并將中和反應的概念、原理、應用等學習內容設計成探究活動。基于初三學生認知發展層級水平確定如下初中階段的學習目標：（1）認識酸和堿能發生中和反應，歸納物質類別間反應規律，分析中和反應在實際中的應用；（2）通過微型實驗探究掌握中和反應實驗的操作方法，強化實驗安全意識；（3）通過探究活動分析酸堿中和反應的本質，加深對中和反應應用價值的認識，形成綠色環保化學、合理使用化學品的意識。

3.2 高中階段“中和反應”概念的進階教學

高中階段，“中和反應”核心概念的學習涵蓋了宏微結合、分類表征、變化守恒、模型認知、實驗探究、綠色應用等化學核心素養[22]。在必修階段、選修4前期與后期、高三復習備考階段，學生對中和反應的認知層級經歷了“宏觀→微觀、定性→定量、靜止孤立→動態作用、文字描述→符號表征→圖表數據分析論證”等認知層級的提升與認知角度的轉型。

（1）必修1和2模塊：學生學習電解質、離子反應時，從微觀層面的認知角度認識酸堿鹽的分類，建立起微粒種類和數量分析、微粒相互作用和動態變化的認知模式，理解酸堿中和反應的微觀本質與發生條件。必修2則是從化學鍵類型的微觀角度認識酸堿鹽在水溶液中的電離，從中和反應放熱的定性實驗初步理解中和熱。這個階段，學生的學習路徑發展經歷2個轉變：①從宏觀反應到微觀實質：由宏觀物質反應到微觀實質的認識方式，分析中和反應的離子變化；②從微觀實質到類比遷移：由微觀實質到宏觀物質反應，學生根據酸堿鹽離子反應的微觀實質和反應規律，遷移到陌生物質間反應的方程式書寫，基于微觀本質認識遷移到陌生情境中陌生物質反應的推理與論證。