基于學科理解的高中化學教師“原電池”教學表現研究

王偉

關鍵詞：學科理解;原電池;教學表現;素養為本

學科理解是化學教師對化學知識和化學思維方式的一種本原性、結構化的認識，增進教師學科理解是2017年新版課標提出的重要教學與評價建議，教師學科理解能力是化學教師核心素養的四大能力之一，教師學科理解既有宏觀層面對學科本身的整體理解，也有較為微觀的對具體學科知識和思維方式的理解。

作為化學教師，其與公眾、科學家、學生的學科理解不同，其理解要體現學科特質，體現在課堂教學中，基礎是理解學科知識，挖掘學科知識背后的價值、方法、學科特質等，這樣才有可能形成高質量的學科知識結構，進而改進自身課堂教學。目前有關學科理解的整體研究質量較高、但數量較少，微觀層面的研究（如教學設計、化學概念教學研究等）數量較少，尚缺乏化學教師的教學表現研究。“原電池”是高中化學教學的重難點內容，也是研究熱點，研究以此為例，分析教師基于學科理解的課堂教學表現，分析并提出相應建議，進而為“素養為本”的化學教學提供參考。

1研究過程設計

1.1研究工具

基于學科理解的高中化學教師教學表現，首先需要構建相關標準，對其某一主題教學進行課堂觀察，分析其水平和具體表現形式。因此，研究通過對8位專家進行開放式訪談，并結合CVI效度檢驗法，對另外10位專家進行內容效度咨詢，最終得到5個維度、15個一級指標、25個二級指標的學科理解標準，將其作為本研究的工具，如圖1所示。（由于篇幅限制，三級指標將在具體內容中呈現，此處未列出）。

其次通過分析課程標準、教科書、大學《物理化學》、相關高考題等有關原電池的內容，得出“原電池”學科理解25個指標上的具體表述，如表1所示。

如表1所示，在指標的構建中，以課程標準和使用的教材相關要求為構建起點，以大學《物理化學》和化學研究前沿內容作為生長點，以能否體現和如何體現作為體現形式來構建指標。例如，在“正面價值”指標中，將課程標準中涉及的電池種類、應用作為構建起點（合格水平），將其在各材料中體現電池種類和應用的數量和體現形式作為構建的依據（最高水平），以此形成涵蓋這25個指標的高中化學教師學科理解表現水平工具。

1.2研究對象

根據相關宏觀調查結論，中級職稱、青年、女性教師的化學學科理解水平較低，因此研究選擇某中部A省H市的5所高中10位高二化學教師的“原電池”新授課作為研究對象，其中青年教師9位，女性教師8位，9位教師為中級職稱，這樣選取的教師群體比較有代表性，研究這個群體的教師，其結論具有一定的推廣性。

1.3研究流程

對10位教師的研究基本流程如圖2所示，首先對其教案進行文本考察，考察其教案是否有教學反思、能表現出哪些學科理解（如有沒有化學史等）。

其次，主要是對10位教師人教版選修4第四章“原電池”的新授課（共29課時）進行錄像觀摩，觀摩時重點對各個指標相應的教師言語進行內容分析、挖掘，梳理其能體現出的學科理解，表2呈現的是對N1教師課堂觀摩的部分文本記錄表。

最后對其課堂教學表現和部分指標通過訪談形式進行確認（是否與錄像觀摩的結果一致）。訪談過程中進行錄音，以便對原始數據進行反復研究。

研究將教師學科理解的三級指標分為5、4、3、2、1五個水平，分別表示“非常符合”“較多符合”“比較符合”“較少符合”“不符合”。例如在“正面價值”指標中，教師如能忠實地體現人教版教材中有關電池的種類（一次、二次以及典型代表）和相關應用（儲電供電、防腐蝕），則為3水平，只體現教材中的部分電池及其應用則為1-2水平，能在教材的基礎上適當增加其他電池的種類和應用則為4-5水平。在數據處理過程中，由包括研究者在內的兩名成員獨立對材料進行編碼，統計每個指標的頻數和水平，經過多輪交流，使其在95%的指標水平上保持一致，對判定不同水平的指標，通過辯論達成一致，以保證研究信度。

2研究結論

通過對10位教師“原電池”教案、課堂教學觀摩，以及相應訪談進行編碼，得出他們的各指標水平，統計各維度指標的層次水平頻數比例，如圖3所示。

如圖3所示，研究將1-2水平定為低水平，3水平定為中水平，4-5定義為高水平，因此總體上這10位教師基于學科理解的“原電池”教學表現水平還不夠高，結合水平及具體指標呈現，最終得出以下結論。

2.1教師教學能關注知識的社會價值，對育人價值和學科價值的表現不足

在社會價值方面，教師能重點體現其“正面價值”指標，具體是關注在生活中的常見應用，但也都局限在教材和考點范圍內，缺少對工業生產、研究等方面應用的關注;與之相比，“負面影響”體現不夠，往往只對電池污染、回收利用等寥寥數語帶過，缺乏數據證據呈現。

在育人價值的“科學精神”指標上，一般只實事求是地體現了單液原電池的缺點，對適合表現的批判質疑（如電極和鹽橋等材料的選擇）、不懈探索（電池的發展）等其他科學精神缺乏體現;在“科學決策”指標上，能或多或少體現對單液原電池缺點、鹽橋作用、電極材料和電解液選擇等問題的決策，但決策品質不高，基本以自話自說為主，沒有足夠的證據和時間來讓學生通過證據推理進行決策，一半教師缺乏對單液原電池缺點、設計原電池、鹽橋作用等關鍵問題的決策。

在學科價值的“學科地位”指標上，多數教師能通過電池特點、用途被動地體現學科地位，只有Q3教師能通過語言（不管是火箭上，汽車上……燃料有其不可替代的優勢……）和圖片（酵母燃料電池、活體燃料電池、微生物電池等）來明顯地體現學科地位;在“職業規劃”上，只有一半教師提到了原電池與2019年化學諾貝爾獎，且多數只是言語提及，未將這一事實進行升華，缺少其與職業規劃的關聯意識，也沒有使用其他方面的素材（如電池的發展前沿與問題呈現）。

2.2教師教學能體現基本的知識結構，但結構的橫向縱向關聯還有待加強

在化學知識結構的“類目結構”和“實質結構”上，多數教師能分門別類地從原電池的構成條件等角度介紹不同種類電池的特點，能從原電池定義、構成條件、工作原理等角度建立起這幾類知識之間的實質聯系，但只有Q3、L1能從變化與平衡角度初步提及其與離子反應等外部知識的聯系。多數教師在“編排順序”“知識地位”等方面體現較好，能基本遵循教材中的編排順序進行教學，教學中也通過語言、圖片等較多地體現“原電池”的應用，展現了良好的“知識地位”。

另外，教師教學在原電池知識“與初中聯系”“與大學聯系”“課程交叉”“學科間”等方面的表現均存在遺漏。具體而言，教師遺漏與初中學段的聯系（如電解水、金屬活動性順序、物質的溶解度等），課堂教學中已有的為零星體現（以前我們講硫酸鹽難溶……現在加上一個，硫酸鉛也是難溶）;師生對雙液原電池和鹽橋的理解，往往需要借助大學《物理化學》中的相關知識，而已有的聯系（如電勢差、遷移速率）往往體現不深不透，是用一個概念來解釋另一概念，未達到本原性理解的程度;在與其他學科的聯系上，通常是被動地表現與物理學科的零星聯系（如電流、電勢），缺少與生物、材料學等其他學科的主動聯系;在課程交叉上，缺少對“原電池”中真實問題的挖掘，缺少跨學科角度提出與解決問題的內容表現。

2.3教師的學科知識體現以教材為主，缺乏對學科歷史和學科前沿的表現

在化學知識獲取方面，教師能體現基于教材編排順序的“認識思路”，對關鍵知識的講解基本準確（但也有9位教師在語言上或多或少表達不夠準確），體現較好的“可信度”。能在電極判斷、電極是否與電解液反應等方面體現較好的“暫定性與穩定性”，但是在其他指標上均有遺漏。如缺少相關的“化學史和化學家”;在“來源途徑”上，其知識表現缺少化學前沿、擴展知識。另外，雖然“原電池”內容可以體現能量觀（化學能與電能轉化）、變化觀（正負極化學變化與規律）、分類觀（電池分類等），但教師沒有明顯表現出這些化學觀念的引領作用;對原電池素材（如從單液到雙液原電池）使用的“批判性認識”也不足，對提升學科價值與威望不夠自信（多為模糊的言語表達，如簡單帶過鋰電池和諾貝爾化學獎）。教師的學科理解，需要教師在教學后進行自我反思，而在“自我反思”指標上，表現為缺少書面反思、缺少針對學科理解的反思標準和相應改進行為。

2.4教師教學能體現一定的學科方法，但在廣度和深度上均存在缺失

在化學學科方法方面，教師在三個指標上均有所遺漏，如圖4所示。

結合圖4發現，教師在方法“廣度”指標上雖然得分較高，能體現講授、練習、歸納、分類、討論、比較法等一般學科方法（每位教師的體現均不夠全面），但對一些重要的學科方法上還是有所遺漏，如缺少高階思維、科學探究（僅3位體現）、實驗（6位均為“視頻”實驗）等方法;在方法“深度”上，能通過體現重要的學科方法（僅1位體現）、組合使用多種方法等手段展示方法深度的教師還較少;在方法“關聯度”上，缺乏思維與實踐方法的關聯，未能建立起科學家研究方法與教師一般教學方法的聯系（如歷史上科學家們是怎么研究原電池的）。

2.5教師教學缺乏明顯學科特質體現，缺失學科本原性視角的問題引領

在化學知識本質上，教師缺乏從微觀、本原角度來解釋原電池中關鍵問題的教學表現，在“宏觀與微觀”指標上，10位教師均能從宏觀層面進行原電池相應知識的教學，但缺少微觀層面對原電池模型的建構（只有1位體現），對“為什么氧化和還原反應能夠分別在兩極發生;為什么原電池能加快化學反應速率;為什么在鋅銅稀硫酸單液原電池中，其外電路電流不穩定，鋅棒表面也有氣泡;鹽橋到底起什么作用;判斷原電池正負極及其反應的根本方法是什么”等關鍵問題的教學中，有的教師對部分問題沒有涉及，有的是通過打比方等方式搪塞過去。在教學表達上，同時也缺乏通過實驗、數字化儀器等手段來表現化學反應及現象的微觀機理。

在“變化與平衡”指標上，所有教師均能從總反應、電極反應式、粒子移動方向等角度去分門別類地講解各類電池中的化學變化，這與考試對“原電池”內容的要求是一致的，但同時還缺少對原電池中化學和物理變化的動態表述，缺失從平衡角度理解“原電池”內容，例如只有2-3位教師的教學表達涉及“為什么鹽橋具有平衡電荷作用、鹽橋為什么常選擇用飽和KCI溶液、原電池為什么能加快氧化還原反應的速率、鹽橋與膜的認識轉化”問題。

3研究建議

基于以上對高中化學教師原電池學科理解的教學表現結果分析，研究提出如下的改進建議。

3.1通過專題培訓增進化學教師學科理解

以上調查結果表明，教師對學科知識的理解的多少、理解的水平，對學科價值了解的廣度與深度，對學科知識獲取過程的自我監測，對學科方法的廣度、深度、關聯度的理解，對學科知識本質這種學科特質的把握等，都或多或少存在問題，因此應通過專題培訓提升教師對學科理解的認識。首先，通過培訓讓教師感知學科理解相關指標，使其有意識地在這些方面增進理解。若缺乏感知，要么其教學中沒有體現這個指標，要么是無意識地體現，前者會造成其學科理解的缺失，后者會造成其教學表現水平的不可控。其次在培訓的內容上，可特別注重對學科理解薄弱指標的培養，例如體現在化學知識獲取、化學學科方法等維度，體現在化學史，化學前沿等多個指標上。這樣通過培訓，有針對性地增強自身在相應方面的儲備。最后，由于化學教師的學科理解指標包含范圍較為全面，因此適宜以單元、主題為基元進行整體學科理解解讀和設計，根據化學內容特點，單獨的一節課重點體現的是一些適切的指標，而無需體現所有的指標。

3.2通過立標桿促進化學教師的日常反思

以上通過兩輪專家咨詢確立了一種化學教師學科理解標準，通過標準對“原電池”具體教學進行了診斷，介紹了過程中的相關注意事項，這樣一來，就為教師針對自身的學科理解反思提供了可參考、可借鑒的標桿。例如，通過以上對10位教師的“原電池”教學表現研究發現，教師可能需要對所教知識、所用素材能體現出的科學精神、科學決策進行理解，需要縱向貫通其與初中、大學化學相關知識的聯系，需要橫向打通其與其他學科的關聯，需要前后了解其相關的化學史和化學前沿知識，需要深度上從“宏觀與微觀”、“變化與平衡”角度挖掘所教知識的本原性問題等。

教師在日常反思的基礎上，可能需要通過以下途徑來增進自身的學科理解，例如師徒幫帶、同伴互助、查閱互聯網資源、相關教材和著作等形式。而對于青年教師而言，可以通過觀摩師傅、有經驗教師課堂形式快速增加自身的學科理解儲備;通過查閱較新的期刊論文、新聞等（如我國鈉離子電池已經實現了量產）形式了解具體知識相關應用的發展前沿;通過查閱專著、期刊論文、權威媒體等形式了解具體知識相關化學史（如鋰離子電池的“前世今生”）;通過查閱相關論文了解具體知識緊密相關的化學觀念（如原電池與變化觀、平衡觀等）等。

3.3將學科理解作為教研活動的重要主題

以上研究顯示，教師基于學科理解的教學水平和問題既有共性也有特性。共性與特性共存，對有針對性地提升其教學水平提出挑戰。作為教育部門和學校、教研組等組織，在專題培訓化學學科理解的基礎上，可通過以項目、主題為載體形式培養、建立教師學科理解的研究和教學案例，提高教學指導與教學研究的延續性。可以根據具體實際，靈活地采用各種教研方式。如邀請相關專家開展線下集中學習，教研組長或學科帶頭人開展線下領學;邀請相關專家錄制相關學科理解視頻（包括相應的拓展資源），開展基于學科理解的教學設計范例等，這樣方便全體教師通過集中和分散學習，有利于減少培訓學習中的信息損耗。在此基礎上，教師可以通過線下集體備課等形式交流、分享經驗，進一步鞏固線上學習的結果。

本研究從總體上提供了一種基于學科理解研究化學教學表現的案例。增進化學教師學科理解，不僅需要教師的自身轉變，也需要教師在職前和職后培養過程中的相關方的參與。高校應開通學科理解相關課程，跨越化學專業課程和化學教育類課程之間的鴻溝;教育管理部門和教研組等與高中化學教師密切相關的外界環境支持者，也應千方百計地通過線上與線下教研相結合、集中教學與分散學習相結合、規范解讀與個性化解讀相結合的形式開展基于學科理解的教研活動。