變異圖式在初中化學教學中的應用

徐作培 姚彥川

摘要：介紹變異理論的基本認識，依托變異理論提出的對照、類合、區分和融合四種變異圖式，闡釋變異圖式在初中化學教學中的具體運用，通過不同功能的變異，體驗事物的“變”與“不變”，審辨出事物的關鍵屬性，對變異理論進行反思和展望。

關鍵詞：變異理論;變異圖式;化學教學;教學設計

文章編號：1008-0546（2021）07-0021-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.006

豐富學生的學習方式、改進學生的學習方法是新課程的基本理念。學習包含著“學”和“習”，“學”一般意味著學習，即模仿的過程，古代漢字“習”的上部分是“羽”，“習”是小鳥通過飛翔離開巢穴，即實踐的過程。變異理論[1]是由瑞典教學論專家馬飛龍教授（Marton，又譯馬騰、馬頓）提出的學習理論，是對遷移理論的新探索與升華，是一種學習方式的變革。變異理論認為，學習是對事物間的差異性及共同性的整體感知，是個體與環境之間的內在關系，辨析辨別（稱“審辨”）能力是學習的基本要素，學習就是將知識的關鍵特征從其所處的環境中審辨出來。變異理論從學習內容出發，建構并解構學習內容的關鍵特征，這樣學生有更多的機會進行審辨，學生審辨出變與不變的屬性以達成對所學內容的深度理解。

變異理論指出，學習必須透過審辨，而審辨必須透過變異，如果我們不能審辨事物便不能學習，從眾多的背景中把某樣事物審辨出來變成前景，必須經歷這事物的變異[2]。關鍵特征的審辨，則依賴于變異圖式的正確運用，變異理論提出了對照、類合、區分和融合四種變異圖式，我們可以讓事物的某些特征保持不變，進而變動另外特征，以引起學生對某些特征的特別關注從而審辨到這些特征，學生對知識理解會更加深刻。在化學教學中，我們可以依托變異圖式優化教學，使課堂更加高效。

一、對照圖式在化學教學中的運用

“對照”即對比參照，透過對照凸顯出不同或變的方面，讓學生意識到什么在變，有助于審辨事物的關鍵特征。“找不同”是常見的游戲，如果兩幅看起來相似的圖片按照先后順序觀察，然后去發現不同點是很難的，若將兩幅圖片同時放在一起對照，審辨出不同地方便顯得十分容易。

CO2的化學性質之一是能與堿溶液發生反應，但CO2與NaOH溶液反應時觀察不到明顯現象，化學同仁們設計了很多證明它們能夠反應的實驗，還有老師基于量的角度進行了創新設計[3]，當然，這些實驗的設計大同小異，大多是利用密閉容器內氣壓的減小、生成的產物等進行對照實驗或趣味性實驗的設計。根據NaOH和Na2CO3兩種固體在酒精中溶解度的不同，即NaOH固體溶于酒精，而Na2CO3固體不溶于酒精，我們可以設計另外一個簡單對照實驗，將CO2分別通入NaOH溶液和NaOH的酒精溶液中，得到了不同的實驗現象，即盛有NaOH的酒精溶液的試管中出現了大量固體，見圖1和圖2，透過對照實驗，激發了學生的學習興趣，驗證了反應產物Na2CO3存在進而證明CO2可與NaOH溶液反應。

變異理論認為，對照可以是將實物展現于學生眼前，也可以是學生已有經驗和新觀念發生沖突產生對照。例如，在學習pH試紙的使用時，教師總是強調pH試紙不能預先用水濕潤，如果將pH試紙濕潤，會使待測溶液被稀釋而導致所測pH不準。pH試紙預先濕潤測定溶液的酸堿度會有何影響？學生會根據已有經驗判斷認為潤濕后測酸性溶液pH會變大、堿性溶液會變小、中性溶液不變，果真如此嗎？在室溫下（20.5℃）測得不同濃度時碳酸氫鈉溶液的pH，見表1。隨著碳酸氫鈉溶液濃度的減小，HCO3-間氫鍵的締合作用程度逐漸減弱，導致發生電離與水解的HCO3-量反而增多了[4]，溶液的堿性增強，pH增大。

通常情況下決定溶液酸堿性的因素是溶液中氫離子和氫氧根離子濃度的相對大小，影響氫離子或氫氧根離子濃度的因素有電解質自身的濃度、弱酸根和弱堿陽離子的電離程度和水解程度等[5]。強酸或強堿在稀釋時氫離子或氫氧根離子濃度會變小，使得pH會變大或變小。但對弱酸、弱堿以及一些鹽類物質來講就不能簡單得到上述結論。由此可見，如果pH試紙預先濕潤測酸性溶液pH會變大、堿性溶液pH會變小、中性溶液不變的說法是不嚴密的。通過對照，學生審辨到自己的錯誤，從而引起他們對pH及稀釋度的關注，學生的知識更加豐富。

二、類合圖式在化學教學中的運用

“類合”指的是不同的事物出現了相同或類似的某一特征，這一特征就會從其它特征中被審辨出來成為不同事物的共同特征，進而推論出結論或規律。類合有助于區分關鍵特征和非關鍵特征，事物的關鍵特征可依靠對照來審辨，因而類合應發生在對照之后。

變異理論認為，我們在進行抽象概念的教學時，可以采用類合策略將抽象概念和生活中的常見現象聯系起來，這樣便于學生接受。例如，溶解度是初中學生難以理解的概念，可以和生活中的“百米賽跑”結合起來，物質的溶解度取決于一定溫度下，該物質在100克溶劑中達到飽和狀態時所溶解的質量，百米賽跑的成績取決于一定風速下，運動員以最快速度跑完100米所需要的時間，透過類合，見表2，把抽象的、看不見摸不著的轉化為直觀的、熟悉可見的，學生易于理解和掌握。

又如，學習“燃燒的條件”時，將燃燒的三個條件和成功的三個要素聯系起來，三者均缺一不可，物質具有可燃性是物質本身固有性質（天時），可燃物周圍的環境要有氧氣存在（地利），溫度要達到可燃物的著火點（人和），見圖3，透過類合策略，學生能更加深刻理解燃燒的內涵。

變異理論認為，事物或事件之間總會有一些區別的，但也會有相通之處，通過聚焦于什么是不變，萬變不離其宗，讓學生找出不變的，類合也隨即發生。如學習“溶液”的概念時，教師在6支試管中分別加入高錳酸鉀、食鹽、冰塊、泥土、食用油、食鹽和蔗糖的混合物，加入適量水，攪拌，讓學生觀察并描述實驗現象，審辨出其共同性與差異性。學生會從加入物質的溶解能力、類別、狀態以及混合后的顏色、澄清狀況加以歸類，分辨出溶液和濁液的異同，雖然現象各異，但溶液均一和穩定的共性會凸顯出來，通過類合，學生會審辨到它們的“變”與“不變”，從而深刻理解溶液的概念及組成，還進一步明白了不同溶液可以呈現不同的顏色，且溶質可能是固體、液體或氣體，溶質也可能是一種或多種物質。

三、區分圖式在化學教學中的運用

“區分”就是學生透過關鍵特征的變異從整體中審辨出關鍵屬性的過程，具有“控制變量”和“不變中有變”“變中有不變”的思維特征，與類合相反，即審辨出事物最顯著的差別。

變異理論認為，學習的關鍵是找出某一事物和其他事物最顯著的差別。化學教學中，利用變異的區分圖式進行的教學內容較多，例如，學習化合物的知識時，要讓學生認識化合物，首先學生必須能把化合物從眾多物質中區分開來，所以我們必須讓他們區分化合物及不是化合物的物質，如混合物。如此，物質的變異維度便會展開，而化合物變成為了這維度上的一個值，即有了其獨立性而被區分，學生對化合物形成了初步的模糊認識。教師再根據組成化合物的不同元素（是否含有氧元素、氫離子和酸根離子、金屬離子和氫氧根離子、金屬離子和酸根離子等）進行判斷，學生便能區分出化合物的“元素”這個變異維度，進而區分出化合物的種類（關鍵特征）：氧化物、酸、堿、鹽。這樣學生對化合物又有了更深入的認識，因此，要從一個整體區分出其關鍵屬性，學生必須經歷維度上的值的變異。

學習“金屬的性質”時，我們可以依據學生已有的生活經驗和知識儲備，對金屬的顏色、硬度、密度、與氧氣或酸反應的狀況等進行歸納分析，找出每一種金屬與其他金屬的顯著差異，這種金屬的“與眾不同”便會審辨出來從而區分于其他金屬，我們可以通過“顏色”區分鐵和銅，通過“狀態”區分銀和水銀，通過“等質量金屬與同體積同濃度稀鹽酸反應放出熱量的多少”區分鎂、鋁、鐵、銅的金屬活動性強弱。區分可以歸納辨別出物質本身獨特的關鍵特征，學生就會靈活運用知識解決實際問題。

四、融合圖式在化學教學中的運用

“融合”就是兩個或兩個以上的關鍵特征的同步變異，審辨出這些關鍵特征之間以及與整體之間的關系。融合就是幫助學生看到整體以及個別關鍵特征在整體的位置，還有同步變動這些關鍵特征對整體的影響，這代表學生真正對學習內容融會貫通。

變異理論認為，學習者要把事物的不同屬性有機融合起來，或者說覺察到事物各方面的變化，對事物進行整體認識。中和反應是初中化學教學的重要內容，如何設計實驗證明中和反應的發生是多數學生的難點所在，例如，怎樣證明氫氧化鈉和稀硫酸發生了反應？從問題的組織形式來看，有極大的討論空間，有利于思維評價能力、綜合歸納能力的提升，此問題可以通過酸的通性、堿的通性及鹽的性質加以融合解決。反應后的體系可能是硫酸鈉和剩余硫酸的混合液，也可能是硫酸鈉和剩余氫氧化鈉的混合液，還可能是硫酸鈉溶液，我們首先從氫氧化鈉與稀硫酸的組成和性質差異入手，理解酸堿中和反應的實質，然后再設計實驗方案。依據混合后體系成分的判斷、反應過程中熱量和pH變化等多角度設計實驗方案，藥品等材料的選擇隨著實驗方案的不同亦呈現多樣化，學生會各抒己見，舉一反三。

又如，在一定體積10%的氫氧化鈉溶液中滴加10%的鹽酸（室溫下），反應中溶液的溫度發生了變化[6]見表3，分析溶液溫度發生變化的原因。

解決此類問題，教師要引導學生就研究的問題尋找屬性，不變的屬性是酸和堿的種類，變異的屬性是加入酸的體積，再引導學生分析體積的變化導致中和反應放出熱量及冷卻作用的差異，最后融合分析得出結論。即加入鹽酸體積在0～10mL時，隨著中和反應的發生，溶液溫度逐漸上升，其原因是氫氧化鈉與稀鹽酸發生反應放出熱量。當加入鹽酸體積大于10mL時，溶液溫度又開始下降，原因之一是加入冷的稀鹽酸起到冷卻作用，同時溶液也自然冷卻，學生對溫度升高便于理解，對溶液溫度下降的原因往往解釋不夠準確。

變異理論是基于學習者認知本質和規律所創設的，它對學習本質的聚焦極大程度地拓展了概念教學的理論深度和實踐廣度[7]。教師在變異圖式的策略下進行教學實踐，要求教師對教學內容的分析要更加深刻精準，促進了教學的深層設計，也必將有利于學生的深度學習。每一種變異圖式下也隱蘊著歸納、分析、判斷、提煉、評價、創新等一系列思維活動的發生，這也提升了學生的高階思維能力。變異理論高度重視實驗，堅持用實驗結果和實驗數據說話，學生的證據推理、科學探究、創新意識、科學精神等核心素養也在潛移默化中滲透與提高。變異圖式的運用可操作性強，可使課堂變宜、變易、變依、變藝，凸顯出變異理論的重要價值和實踐意義。

變異理論的四種變異圖式，“對照”有助于我們審辨事物的關鍵特征，“類合”關注事物的共同特征，“區分”注重關鍵特征從整體中的分離，“融合”讓我們體悟關鍵屬性與整體的關系。當然，變異圖式的設計和運用必須讓學習者體驗到關鍵特征的變異，因而變異不可能適用于所有的教學內容和教學過程，對于概念等陳述性知識的教學是非常有幫助的，但是對于程序性知識的教學就略顯不足，它依然要和其它的教學理論相容相輔，因此，在具體的教學實踐中，需要我們教師理性看待，批判選擇，豐富內涵[87。一個可行的變異圖式可以演繹成很多不同版本的教學，結合不同的教學策略、課室環境場域、教師的勝任力、學生的學習力等，是變化萬端的。教學是一門藝術，變異理論是優化教學的一個必要條件，教師依托變異圖式鍥而不舍、不斷探求、精心設計，一定會水到渠成。

參考文獻

[1]盧敏玲.變異理論和優化教學[M].合肥：安徽教育出版社，2011

[2]孟揚，朱月華.變異理論教學（下）[J].中國教師，2014，（11）：4

[3]陳立銘，李德前.基于量的角度設計“氫氧化鈉溶液與二氧化碳反應”的實驗[J].化學教育，2014（23）：50-51

[4]王祖浩主編.義務教育教科書教師教學指導書·化學（九年級下冊）[M].上海：上海教育出版社，2019

[5]楊秀芬.對廣范pH試紙幾個問題的思考與建議[J].化學教與學，2012（12）：25-31

[6]義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2019

[7]陳紅兵.創設有效的學習空間—變異理論視野下的課堂教學[J].教育學報，2013（5）：52-60

[8]祝錢.基于“變異理論”的初中化學解題教學實踐[J].化學教學，2020（4）：79-82

*本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃課題“深度學習視域下初中化學問題情境設計研究”（課題編號E-b/2020/25）;徐州市教育科學“十三五”規劃課題“超越式教學法在化學實驗教學中的實踐研究”（課題編號：GH13-20-Q017）的階段性成果。