建構(gòu)認(rèn)知模型促進深度學(xué)習(xí)

鄒定兵

摘要： 深度學(xué)習(xí)是一種基于理解的學(xué)習(xí)方式，要求學(xué)習(xí)者掌握非結(jié)構(gòu)化的深層知識并進行批判性的高階思維，進而實現(xiàn)問題解決能力和創(chuàng)造性思維等高階能力的發(fā)展。以“實驗化學(xué)”選修模塊“物質(zhì)的分離與提純”高三復(fù)習(xí)課為例，通過選擇合適方法分離提純單一物質(zhì)、深度理解常見方法的共性和差異并以改進、設(shè)計實驗方案分離提純復(fù)雜多組分混合體系為驅(qū)動性任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生逐步構(gòu)建、應(yīng)用混合物分離提純的認(rèn)知模型，從而實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，為化學(xué)實驗內(nèi)容的復(fù)習(xí)提供范例。

關(guān)鍵詞： 模型認(rèn)知; 深度學(xué)習(xí); 選修模塊; 物質(zhì)分離與提純

文章編號： 10056629（2019）1004106 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻標(biāo)識碼： B

1 問題提出

深度學(xué)習(xí)是相對于孤立記憶和缺乏對知識的深層加工和深度理解的淺層學(xué)習(xí)而言的，理解與批判、聯(lián)系與構(gòu)建、遷移與應(yīng)用是深度學(xué)習(xí)的重要特點[1]。從本質(zhì)上看，深度學(xué)習(xí)是一種基于理解的學(xué)習(xí)方式，要求學(xué)習(xí)者對看似單一、零散的知識點進行系統(tǒng)、深入的分析，搞清內(nèi)在邏輯關(guān)系，通過比較和分析、概括和歸納等方法構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的知識網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化和認(rèn)識過程的思路化，進而將有效的遷移應(yīng)用于真實問題的解決，實現(xiàn)問題解決能力和創(chuàng)造性思維等高階能力的發(fā)展。

模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，要求學(xué)習(xí)者通過“分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”[2]。通過對復(fù)雜化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進行分析和推理，主動建構(gòu)和完善認(rèn)知模型，并將該模型應(yīng)用于新的情境解決復(fù)雜問題，有利于訓(xùn)練學(xué)生的高階思維水平，促使學(xué)生對知識進行有序、系統(tǒng)的理解，最終達到深度學(xué)習(xí)的效果。

物質(zhì)的分離與提純是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用的重要的基礎(chǔ)性操作，在化工生產(chǎn)或科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。因此，針對混合物分離與提純的分析與考查具有重要的現(xiàn)實意義。然而，學(xué)生在分析和解決這類問題時普遍感到棘手。究其原因，主要有： （1）學(xué)生對不同類型混合物分離提純的實驗原理、操作目的和要點、實驗裝置等認(rèn)知多數(shù)是停留在記憶層面，只“知其然，而不知其所以然”，沒有形成深度學(xué)習(xí);（2）知識碎片化的學(xué)習(xí)使得學(xué)生對混合物分離提純常見方法的認(rèn)識也是單一、零散的，缺乏系統(tǒng)性，沒有形成有序、系統(tǒng)的思維模型。這種現(xiàn)狀也導(dǎo)致學(xué)生對所接觸的物質(zhì)制備過程中動態(tài)分析多組分混合體系的分離提純存在較大的困難。基于此，高三“實驗化學(xué)”選修模塊的復(fù)習(xí)亟須幫助學(xué)生建立混合物分離提純的系統(tǒng)認(rèn)知模型，在運用模型解決復(fù)雜混合體系的分離提純問題中不斷拓寬學(xué)生的思維深度和廣度，提升學(xué)生的高階思維水平，最終實現(xiàn)對知識的深層理解。

2 設(shè)計思路

基于學(xué)生的思維障礙和對多組分混合體系分離提純思維水平的發(fā)展要求，我們進行了本節(jié)課的教學(xué)定位： 通過對簡單混合組分及粗鹽的分離提純的分析，學(xué)會依據(jù)物質(zhì)的理化性質(zhì)，初步建構(gòu)分離提純混合物的認(rèn)知雛形;通過對物質(zhì)制備過程中多組分混合體系分離提純問題的解決，深入理解過濾、升華等及其“變形”操作的原理和方法，完善混合物分離提純的認(rèn)知模型，并最終形成比較穩(wěn)定的認(rèn)識思路和方式;在解決真實問題情境過程中，促進認(rèn)識深度發(fā)展，提升模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本節(jié)課設(shè)計的基本思路如圖1所示。

3 教學(xué)過程

教學(xué)環(huán)節(jié)1： 建立認(rèn)識角度——初建混合物分離提純的認(rèn)知雛形

[教師活動]介紹物質(zhì)的分離提純在生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中的重要性。

[任務(wù)情境1]請選擇合適的方法對下列混合物進行分離提純（見表1）。

[學(xué)生活動]回憶舊知，逐個分析并選擇合適的分離提純方法。

[教師活動]通過追問方式引導(dǎo)學(xué)生將思維過程進行顯性化： 對于上述不同混合體系，選擇分離提純方法的依據(jù)是什么？針對已知組分的混合體系，你將從什么角度入手分析分離提純的方法？你能用流程圖的形式將分離提純混合物的思路加以呈現(xiàn)嗎？

[學(xué)生活動]概括歸納，提煉出混合物分離提純的認(rèn)識角度： 明確混合物組分找出各組分典型的性質(zhì)差異依據(jù)性質(zhì)差異選擇合理的物理或化學(xué)方法;繪制草圖，展示設(shè)計成果。

[教師活動]點評學(xué)生的分析思路，引導(dǎo)學(xué)生將組分單一、零散的混合物分離提純方法進行有序整合，形成比較全面、有序的思維雛形（見圖2）。

設(shè)計意圖： 通過任務(wù)情境1的解決，旨在喚醒學(xué)生舊知，回顧已學(xué)過的常見分離提純混合物的方法及其適用范圍;引導(dǎo)學(xué)生將原本孤立、零散的混合物分離提純方法進行有效整合，促使學(xué)生對混合物分離提純方法形成清晰的認(rèn)識角度，進而初建混合物分離提純的認(rèn)知雛形，為學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)搭建思維雛形。

教學(xué)環(huán)節(jié)2： 形成認(rèn)識思路——完善混合物分離提純的認(rèn)知模型

[教師活動]上述升華、結(jié)晶、過濾、萃取、分液以及蒸餾等方法在分離提純物質(zhì)方面應(yīng)用十分廣泛，并且常常是多種方法的聯(lián)合使用。比如實驗室制備硫酸亞鐵銨時的分離與提純。

[任務(wù)情境2]硫酸亞鐵銨制備過程中的分離與提純（見圖3）。

[教師活動]創(chuàng)設(shè)3組問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生對不同的固液分離方法進行聯(lián)系和比較，找出共性和差異，形成系統(tǒng)認(rèn)識，促進深度理解。

問題鏈1：“步驟1”采用傾析法分離鐵屑，請簡述傾析法的適用范圍。該方法和所學(xué)的哪種分離提純方法操作原理相似？此處采用傾析法，你覺得優(yōu)勢體現(xiàn)在什么地方？

設(shè)計意圖： 通過問題鏈1的解決，逐步引導(dǎo)學(xué)生深入理解傾析法其實并非是“獨特”的分離提純混合物的方法，其操作原理和所學(xué)的常壓過濾是類似的，本質(zhì)上是一種“變形”的過濾，只不過相對普通的過濾，要求“沉淀的結(jié)晶顆粒較大，靜置后容易沉降至容器底部”。之所以采用這種方法，實際上是方便、快捷、高效分離提純混合物的必然追求的結(jié)果。這也為后續(xù)“變形”的過濾方法（如趁熱過濾、減壓過濾）提供了分析思路。

問題鏈2：“步驟2”需要趁熱過濾，原因是什么？請從操作層面和儀器的改進角度思考： 如何確保在熱過濾的過程中，溶液中的溶質(zhì)不析出？

設(shè)計意圖： 通過問題鏈2的解決，使學(xué)生深入理解“熱過濾”的原因、操作原理、操作方法和所用實驗儀器。

問題鏈3：“步驟4”采用減壓過濾的目的是什么？其操作原理怎樣？減壓過濾時，需要用到哪些儀器？有哪些需要注意的事項？為了更加便捷、高效的操作，你覺得對教材中的裝置可以如何改進？

設(shè)計意圖： 通過問題鏈3的解決，使學(xué)生進一步認(rèn)識到，減壓過濾同樣是普通的常壓過濾的一種“變形”，目的是為了加快過濾速度，得到較干燥的沉淀。對教材中減壓過濾裝置存在的局限進行改進，潛移默化地訓(xùn)練了學(xué)生的分析評價和創(chuàng)新思維等高階思維能力，同時也拓寬了學(xué)生對減壓過濾的認(rèn)知深度和廣度。

[教師活動]實物展示我校化學(xué)創(chuàng)新實驗室配備的玻璃砂芯漏斗及減壓過濾裝置。投影展示基于常壓過濾裝置為原型的各種“變形的”過濾裝置，如減壓過濾、趁熱過濾等。

[教師活動]提煉和升華： 實際生產(chǎn)和科研中，為了更加方便、快捷、高效地分離提純混合物，人們常常對常規(guī)方法及裝置進行改進和創(chuàng)新，但其基本操作原理仍然是相似的。至此，可將“混合物分離提純”認(rèn)知雛形（見圖2）中的各種分離提純方法按照“操作原理→適用范圍→儀器設(shè)備→操作要點→‘變形操作”的順序進行系統(tǒng)的模型建構(gòu)和完善。

[教師活動]提供簡單的設(shè)計型任務(wù)，促使學(xué)生深入理解“混合物分離提純”認(rèn)知模型中的“變形”操作。

[任務(wù)情境3]根據(jù)圖4所示的資料卡1所提供的信息，采用升華法純化碘時，從高效分離提純單質(zhì)碘的角度分析： 如何改進升華裝置？畫出裝置簡圖。

[學(xué)生活動]激烈討論、思辨，繪制改進的裝置簡圖。

[教師活動]引導(dǎo)學(xué)生深入分析和評判，并投影展示學(xué)生最終改進并完善后的升華裝置（見圖5）：

設(shè)計意圖： 通過對粗碘的精制，進一步應(yīng)用混合物分離提純的認(rèn)知模型。由于之前對不同形式的過濾操作有了較系統(tǒng)的了解，為有效進行知識遷移創(chuàng)造了條件，此時學(xué)生批判性的思維火花發(fā)生了激烈的碰撞，質(zhì)疑和創(chuàng)新精神得到了充分的發(fā)揮，無論從裝置的“變形”設(shè)計，還是冷卻方式的改進，都提出了許多獨到的見解，有效檢測了學(xué)生的認(rèn)識發(fā)展水平。

教學(xué)環(huán)節(jié)3： 內(nèi)化認(rèn)識方式——應(yīng)用混合物分離提純的認(rèn)知模型

[教師活動]提供復(fù)雜的設(shè)計型任務(wù)，進一步診斷和檢測學(xué)生對“混合物分離提純”認(rèn)知模型的深度學(xué)習(xí)水平。

[任務(wù)情境4]根據(jù)如圖6所示資料卡2，畫出實驗室制備苯甲酸時分離提純苯甲酸產(chǎn)品的同時回收未反應(yīng)的甲苯的流程圖。

[學(xué)生活動]對信息進行整合和加工，利用“混合物分離提純”的認(rèn)知模型，獨立繪制流程圖，并進行匯報交流。

[教師活動]投影展示學(xué)生繪制的流程圖（見圖7），引導(dǎo)學(xué)生進行分析和評價，促使學(xué)生在運用認(rèn)知模型動態(tài)分析和解決復(fù)雜混合體系的分離提純的過程中，深入并系統(tǒng)地理解混合物分離提純的認(rèn)知模型，最終內(nèi)化為一種穩(wěn)定的認(rèn)識方式。

[教師總結(jié)]在解決現(xiàn)實復(fù)雜問題情境中，不同的混合物分離提純的方法可能會存在多種多樣的“變形”，但不管如何變形，萬變不離其宗——其操作原理是相似的，分析方法是相似的，認(rèn)知模型更是相似的！

設(shè)計意圖： 通過對苯甲酸粗品分離提純和甲苯回收方案的設(shè)計，檢測學(xué)生運用認(rèn)知模型的能力和水平，訓(xùn)練了學(xué)生的實驗探究能力。同時，在認(rèn)知模型的應(yīng)用中，提升了學(xué)生模型認(rèn)知的應(yīng)用水平，促進了學(xué)生的分析、推理和簡單設(shè)計等高階思維能力的發(fā)展，實現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。

4 結(jié)束語

學(xué)生在分析和解決新情境問題時暴露出的種種不足，歸根結(jié)底是由于長期追求對知識的機械記憶、膚淺理解和簡單重復(fù)操練的淺層學(xué)習(xí)所造成的。教師的教學(xué)不能僅僅圍繞所謂的“考點”展開，停留在僅讓學(xué)生記住一些化學(xué)事實，而是要關(guān)注通過事實抽象提出的核心概念，站在更高的位置上培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);學(xué)生的學(xué)習(xí)重心也應(yīng)該從記憶事實轉(zhuǎn)移到理解可遷移的核心概念，對更為根本的知識結(jié)構(gòu)進行深層理解，培養(yǎng)和發(fā)展思維能力上[3]。深度學(xué)習(xí)恰恰就是要求對知識深入理解和主動建構(gòu)，有效地進行知識遷移和真實問題的解決，發(fā)展分析、反思、評價、設(shè)計等高階思維水平。在高三復(fù)習(xí)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)，既能有效夯實基礎(chǔ)，提升思維水平，又能促進學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，模型認(rèn)知涵蓋建立和優(yōu)化認(rèn)知模型、運用模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問題。在認(rèn)知模型的建構(gòu)、完善和應(yīng)用中發(fā)展高階思維，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

致謝： 本教學(xué)設(shè)計得到了杭州市余杭高級中學(xué)化學(xué)教研組長俞建鋒老師以及杭州市基礎(chǔ)教育研究室陳進前特級教師的指導(dǎo)和幫助，在此表示誠摯的感謝！

參考文獻：

[1]張浩， 吳秀娟. 深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵及認(rèn)知理論基礎(chǔ)探析[J]. 中國電化教育， 2012， （10）： 7～11.

[2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 4.

[3]陳進前. 核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的化學(xué)教學(xué)建議[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2017， （1～2）： 3～5.