基于DIIEE模型培養創造性思維的化學課堂教學設計

楊先通 王強

摘要：?基于“發現—解釋—設想—實驗—改進”的DIIEE模型，構建培養學生創造性思維的化學課堂教學模式，通過“立足情境，發現問題;搜集信息，解釋問題;頭腦風暴，優化設想;建立模型，開展實驗;反思總結，改進提高”5個教學階段為培養學生的創造性思維提供可行的路徑。以“水的凈化”課堂設計和實施為例，克服了化學實驗在課堂教學中某些形式化、機械化的問題，學生逐步實現了污水處理認知模型四層次的學習進階，外化的實驗設計活動強化了學生的創造性認知思維。

關鍵詞：?DIIEE模型;?創造性思維;?課堂教學設計;?化學實驗

文章編號：?10056629（2021）07005205

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

1?問題提出

2019年11月20日頒布的《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》指出，要拓展創新，強化學生的創新創造，著力提升學生的創造性思維能力[1]。實驗是化學學科的基礎，化學實驗是學生獲取化學經驗知識和檢驗化學知識的重要媒介和手段，是提高學生科學素養的重要內容和途徑[2]。研究發現，化學實驗具有培養學生創造性思維的特殊功能[3]，基于設計的實驗教學更能培養學生的創造力和問題解決能力[4]。

但是，當前化學實驗的課堂教學存在過于注重操作技能訓練等某些形式化、機械化的問題，忽視了創造性思維的培養。Roth提出，當學生以機械化、形式化的方式操作實驗時，便無法有目的地收集和記錄數據，更無法在概念之間建立有意義的相互聯系，這不利于學生高階思維能力的發展和探究能力的培養，更不利于學生對科學本質和科學精神的理解[5]。機械化的化學實驗教學削弱了化學實驗在“完善學生創造性思維素質”方面的功能[6]。因此，化學實驗的課堂教學應將培養學生的創造性思維作為重要目標，并通過合理有效的課堂教學設計和教學實施達成這一目標。

2?教學設計的理論基礎

教學設計的核心是各種教學要素的設計，其核心思想——設計思維近年來受到教育者的密切關注[7，8]。設計思維是個體為了解決劣構問題而進行的一系列連續思考以及行動的過程。為發揮設計思維在基礎教育領域的價值，IDEO設計公司提出了“發現（Discovery）、解釋（Interpretation）、設想（Ideation）、實驗（Experimentation）、改進（Evolution）”（以下簡稱“DIIEE”）5個階段的創新設計思維模型[9]，如圖1所示。根據DIIEE模型，從“發現”到“改進”是一個不斷遞進的過程，改進后的設計也會被再次的實驗進行循環檢驗。

DIIEE模型最初提出時并未應用于化學課堂教學設計領域。之后，胡小勇和朱龍對DIIEE模型進行了總結，并介紹了DIIEE模型在課堂教學、課程設計和學校教育中的應用潛力、路徑和啟示[10]，但仍然停留在對美國、日本等國外經驗的引介層面，缺乏本土的課堂教學設計案例開發。隨著對DIIEE模型的研究，其培養創造性思維、生成創新產品或流程的優勢逐漸受到重視。教學設計作為發展學生思維的問題解決流程，符合DIIEE的創新設計思維的理念。

DIIEE模型不但能夠為教師開展培養學生創造性思維的教學設計提供理論的指導，幫助教師合理優化和組織化學課堂教學設計中的重要教學要素，還可以作為化學課堂教學設計的理論框架，為培養學生創造性思維開辟一條可行的路徑。因此，本研究以“水的凈化”這一有關化學實驗的教學內容為例，嘗試將DIIEE模型應用于本土化的化學課堂教學課例的開發，并通過教學設計的方式體現其在化學實驗教學中的功能和價值，使學生真正參與到設計與發現的過程中，充分經歷其中的思維活動，力圖為創造性思維的培養提供有效的教學模式。

3?教學過程設計

3.1?教材分析

教學內容選自人教版初中九年級《化學》上冊第四章第二節，課時為2課時。通過之前內容的學習，學生已經掌握了物質的變化和性質的基礎知識，熟悉了一些實驗儀器的基本操作，了解了人類擁有的水資源的相關知識，初步培養了愛護水資源的責任和態度。“水的凈化”是對前一節內容的拓展和應用，通過學習本節內容，學生能夠進一步運用化學實驗的基本方法，掌握水的凈化的知識，增進對化學物質的理解，培養實驗設計思維和創造性思維。同時，本節內容也為學生學習下一節“水的組成”奠定基礎。

3.2?學生分析

學生處于九年級上學期。一方面，他們已經了解了地球上水資源的稀缺和污染現狀，對工業污水處理的基本流程有了一定的認識。另外，學生也已經學習了過濾和蒸餾的原理和基本操作，為本課設計污水處理裝置奠定了技能基礎。另一方面，學生還存在一些迷思概念和認知障礙。例如，學生對污染物的性質以及過濾裝置的基本原理是模糊的，關于如何選擇合適的過濾材料設計過濾裝置，進而提高污水處理效果需要提供引導。此外，學生在設計污水處理裝置過程中，克服困難的品質和迭代創新的能力需要進一步培養。

3.3?內容標準

《義務教育化學課程標準（2011年版）》從科學探究、身邊的化學物質、物質構成的奧秘和化學與社會發展四個方面對本節課提出了內容要求。為了確定本節課的學習目標，將課程標準的內容要求總結為如表1所示的形式。

3.4?學習目標

基于對教材內容、學生階段特征以及課程標準四個維度中內容標準的分析，將本節課的教學目標確定為以下三個部分：

（1）?通過搜集資料，了解典型的水污染物、水污染的原因以及對生命體和經濟發展的影響;

（2）?學生通過DIIEE模型，提出有創意的想法，合作設計并制作污水處理裝置，探究不同裝置的效果，培養控制變量的意識和創新思維;

（3）?通過經歷污水處理的過程，增強節約用水的意識和防止水污染的責任感，提高創造性解決社會問題的能力。

3.5?教學準備

材料：?水、泥土、墨水、石英砂、瓷沙、活性炭、布料、濾紙等

儀器：?剪掉瓶底的塑料瓶、鐵架臺、燒杯、玻璃棒、ICPMS分析儀器等

3.6?教學過程

根據DIIEE模型，將教學過程設計為五個環節，教學流程闡釋如下。

環節一：?基于情境，發現問題

[教師活動1]通過屏幕呈現《荒野求生》中貝爾在野外喝水的視頻片段。

[教師活動2]利用泥沙、樹葉等模擬《荒野求生》中的場景，邀請學生嘗試設計簡單的裝置獲得干凈的水。引導學生提出探究的問題，確定本節課的研究問題——如何使野外的水變得可以飲用。

[驅動問題]通過觀看視頻和完成活動，分析情境中的“意義”，你能提出什么問題？

[預設學生反饋]經過體驗紀錄片中的情景并開展簡單的凈水裝置設計，學生可能會提出這些問題：?野外的水能喝嗎？喝了野外的水會怎樣？如何才能在野外喝到干凈的水？貝爾為什么要在吸管中加入木炭？

設計意圖：?發現，是指通過搜集資料的手段和方法深入了解凈化水資源的挑戰。建立第一層次的污水處理認知模型，能夠初步識別野外水中的雜質，培養凈水意識。通過為學生創設合理的問題情境，引導學生提出自己想研究的問題，激發學生的好奇心和探究的興趣，引發設計的動機，培養學生發散思維和提出問題的能力，鼓勵學生大膽質疑的精神。

環節二：?搜集信息，解釋問題

[教師活動]教師向學生提供豐富的閱讀材料、信息搜索環境或信息技術工具等，引導學生基于所要研究的問題搜集信息，解釋觀察到的現象，建構對研究問題的理解。

[驅動問題1]為什么要對“生水”進行處理？

[預設學生反饋1]學生可能會回答：?土壤中可能含有一些不能溶解的雜質、能溶解的重金屬離子等，這些物質對人體有害，所以飲用水需要凈化。

[驅動問題2]當前有哪些凈化水的方法？分析它們的原理和優缺點。

[預設學生反饋2]學生能夠回答出以下幾種凈水的方法：?（1）沉淀法;（2）吸附法;（3）過濾法;（4）蒸餾法;（5）滅菌等。能夠根據之前學習的經驗，分析沉淀、過濾和吸附的優缺點。

設計意圖：?解釋，是指將所收集的信息建構為自己解決凈水挑戰的知識。培養學生根據研究問題，利用有關資料信息，分析和解決問題的能力，并且使得當前問題在頭腦中得到明確表征，清晰地界定問題;增進學生對水污染物的來源、性質和危害的了解。

環節三：?頭腦風暴，優化設想

[教師活動1]在對問題有明確的解釋之后，教師帶領全班學生開展基于“如何凈化泥水”的頭腦風暴，引導每位學生提出盡可能多的設計方案，教師延遲對設計方案的評價，鼓勵學生將研究問題轉化為可行的設計路線。

[驅動問題1]請每位同學盡可能多地提出凈化污水的設計方案。

[預設學生反饋1]學生可能會根據之前學習工業污水處理的經驗，分別答出沉淀、過濾或蒸餾等幾個單獨的解決方法。

[教師活動2]在學生提出幾個凈水方法后，教師提出“如何凈化泥水”的挑戰性任務，引導學生運用組合法，通過小組合作，設計污水處理的整體方案。

[驅動問題2]請根據不同凈水方法的各自優勢，將這些方法組合運用，提出泥水處理的整體流程，完成設計圖和第一代污水處理裝置。

[預設學生反饋2]學生能夠在沉淀、吸附、過濾等單個方法的基礎上，通過組間合作將想法進行整合，提出更完善的凈水方案，設計完成第一代的設計圖和污水處理裝置。

設計意圖：?設想，是指依據對凈水資料的解釋，采用頭腦風暴等方法，收集新奇的觀點和想法，為水的凈化提供創新性的解決方案。達到污水處理認知模型的第二個層次，即能夠過濾不溶性的雜質。通過開展頭腦風暴，發展學生的發散思維;通過小組內討論并優化方案，培養學生的設計思維;通過小組互助，增強學生的合作能力。

環節四：?建立模型，開展實驗

[教師活動1]教師進一步提出挑戰“如何凈化墨水”的任務。引導學生開展小組討論，集合小組的智慧，對方案進一步優化，形成墨水凈化裝置的設計草圖和第二代污水處理裝置。

[驅動問題1]請小組內討論，如何完成更完整更優化的墨水處理裝置模型。

[預設學生反饋1]小組相互討論，學生經過“發現問題、解釋問題、提出設想”等環節，對實驗模型提出有創意的想法，并進一步完善方案，形成小組的二代設計圖和墨水凈化裝置。例如，根據思維的有序性，學生可能會按照物質顆粒從上到下、由粗到精的過程，對不同基本材料的選擇和組合，設計不同的凈水裝置圖，如圖2所示。

[教師活動2]基于挑戰任務，分別請不同小組展示設計的裝置，重點闡釋將如何解決面臨的挑戰。同時，教師引導其他小組對匯報組提出質疑和補充，并給予相應指導。

[驅動問題2]請提出你對匯報組的意見和建議。

[預設學生反饋2]不同小組的學生基于自己的研究經驗，提出對匯報組的意見和建議。

[教師活動3]引導學生接受他人的建議，運用控制變量，考察不同過濾裝置中過濾材料的性質、順序和位置對過濾效果的影響，合作設計制作水污染過濾裝置，并探究過濾裝置對不同污水的凈化效果。

[驅動問題3]請按照設計模型，制作本組的污水處理裝置，并設計實驗驗證裝置的效果，完成實驗記錄單。

[預設學生反饋3]學生開展污水處理裝置的制作，并設計實驗驗證裝置的效果。重點通過控制變量的方法，比較分析不同凈水材料的效果。例如：?是哪種材料吸附了墨水中的色素？

設計意圖：?實驗，將如何執行凈水器方案作為需要思考的主要問題。達成污水處理認知模型的第三個層次，即能夠過濾可溶性的色素分子。通過建立模型的方法，學生頭腦中的研究設想得以顯化;通過開展實驗的方式，學生草稿紙上的方案得到驗證，最終培養學生的設計思維。

環節五：?反思總結，改進提高

[教師活動1]引導學生匯報實驗結果，并通過開展組內自評和組間互評的方式，進一步分析研究結果及原因。

[驅動問題1]請各小組匯報研究結果，分析實驗成功或失敗的原因是什么？

[預設學生反饋1]學生可能會基于本組的實驗結果進行介紹，但在分析問題時可能不夠深入。

[教師活動2]教師介紹并引入ICPMS元素分析儀器，協助學生對凈化后水樣中的有害元素進行更精確的檢測。根據實驗效果，引導學生進一步查閱資料，更深入地分析其原因，并提出下一步的改進方案。

[驅動問題2]結合元素分析的結果以及閱讀支持材料，談談如何對污水過濾裝置作進一步改進？

[預設學生反饋2]學生可能通過分析結果和查閱文獻對過濾的效果有更深入的理解，并提出下一步的改進設想。通過各小組對自己的凈水裝置的改進，開展組內自評和組間互評的方式，評價凈水裝置的美觀、效果等指標，從而進一步提高凈水裝置的美觀度和實用效果。

設計意圖：?改進，即基于前四個階段獲得的反饋信息，進一步完善凈水器的設計。建立第四層次的污水處理認知模型，即能夠分析并嘗試凈化可能存在的其他可溶性的有害離子。通過組內自評和組間互評的方式，幫助學生進行改進和分析原因，增加學生發生深度學習的可能性，培養學生的反思思維和設計思維。

3.7?學習評價

學習評價可以采用兩種方式：?一是采用學生間評價和表現性評價相結合的方式，讓全班學生對其他小組設計的凈水裝置進行評分，評分的維度包括實用性、創新性、美觀性;二是利用ICPMS分析儀檢測凈化之后水中的可溶性重金屬離子的含量，確定裝置的實際凈水效果，采用量化評價和結果評價相結合的方式。

4?總結與反思

研究發現，DIIEE模型應用于化學課堂教學具有以下優勢：?一是從解決化學實驗情境中劣構、復雜、真實的問題出發，為解決化學實驗問題提供了一種操作流程或方法;二是關注化學模型的制作，強調將所獲得的知識、經驗、信息通過化學模型的形式展示出來;三是設計過程反復討論，通過多次反饋、修正不斷完善化學模型，實現知識反復應用和強化;四是倡導小組之間的合作、公開分享設計成果以及化學實驗技術的應用;五是有利于學習者高階思維的發展，包括創造性思維、實驗設計思維等。

將DIIEE模型應用于化學課堂教學設計中，通過不斷改進污水處理裝置，逐步實現認知模型四個層次的學習進階，充分發揮DIIEE模型在培養學生創造性思維方面的育人功能。首先，在“發現”階段，能夠有效激發學生的求知好奇心和探究的興趣，強化學生通過開展實驗設計解決劣構問題的動機，為創造性思維的培養提供情感醞釀。其次，在“解釋”階段，學生通過在信息豐富且開放的學習環境中搜集信息、界定問題，能夠使劣構的開放問題在頭腦中形成明確的表征。其三，在“設想”階段，學生在教師的引導下，基于挑戰性任務開展頭腦風暴，進而創造性地形成設計方案，充分激發學生的發散思維的生長。其四，在“實驗”階段，學生根據進一步的挑戰性任務，通過合作學習的方式，對原有的污水處理裝置進行深度的優化設計，并通過設計實驗的方式對裝置的效果進行驗證，極大地發展了學生的設計思維。最后，在“改進”階段，學生在基于小組學習過程的表現性任務評價和基于儀器分析結果的量化評價的過程中，總結成敗經驗，從而提出指向深度學習的改進設想。基于整個項目式學習的過程，外化的“發現解釋設想實驗改進”活動五環節最終轉化為學生認知中的創造性思維，學生投入創造性活動過程中情感和態度也因此得到加強。

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