基于“變易圖式”理論的化學啟蒙深度學習探索

●陳懋

初中化學是化學基礎教育的啟蒙階段，對剛接觸化學的初中學生而言，許多化學概念和規律知識比較抽象，“宏觀—符號—微觀”三重表征比較難適應，對學習和理解造成一定的難度。“變易理論”是瑞典教育學者馬飛龍等人在現象圖式學基礎上提出的一套學習理論，注重學生的經驗，強調學習過程中讓思維的某些方面同時保持“變”與“不變”，使其關鍵特征凸顯出來并被學習者審辨到，即學習的關鍵是找出事物最顯著的差別[1]16。變易圖式理論包含四種變易圖式：對比、類合、區分、融合。將變易圖式恰當地運用于化學啟蒙教學（如圖1），可以幫助學生解決學習中的困惑，促進學生深度學習。下面結合化學啟蒙教學實踐，從變易理論的四個圖式進行探討與總結。

圖1

一、優化變易的對照圖式，引發深度學習

對照是為了獲得對事物的經驗，使用其他事物和它形成對比。對比有助于識別事物的關鍵特征，學生能直觀地意識到事物之間的不同[1]16。利用變易對照圖式，抓住主要特征創設真實情境，能幫助學生審辨到被忽視的變與不變。在化學啟蒙教學中，教師創設真實的問題情境，引導學生進行對照，審辨到關鍵特征，既激發學生的學習興趣，也引發學生參與深度學習。

例如，在二氧化碳的性質教學中，教師講述：可樂、雪碧等飲料中都含有二氧化碳，但卻叫碳酸飲料，為什么不叫二氧化碳飲料？打開瓶蓋看到飲料冒泡，這些氣體是溶解在水中的二氧化碳因氣壓減小而生成，還是因為二氧化碳與水反應生成碳酸，而碳酸分解生成二氧化碳？ 教師往往忽視學生的這個前概念，產生認知上的困難。怎樣幫助學生轉化前概念，促進學生深度學習呢？ 教學設計如下：

教師演示：在一個充滿二氧化碳的軟塑料瓶里，迅速倒入少量水，立即將瓶蓋擰緊振蕩，觀察有什么現象？ （如圖2所示）

圖2

思考與討論：CO2溶于水的過程中，有沒有發生化學變化呢？ 如何檢驗？

設計實驗：取兩支試管，分別加入少量蒸餾水及圖2中變扁的瓶中液體。然后分別滴加少量紫色石蕊試液，觀察兩支試管中液體顏色的變化，如圖3所示。

圖3

質疑問難：二氧化碳能溶于水，通常1 體積水中能溶解1 體積的二氧化碳。那么，二氧化碳是酸性氧化物是否也能使紫色石蕊試液變成紅色？ 人感知客觀現象的能力是有限的，懂科學的人并非只用眼睛看世界。我們需要有懷疑的態度，在行進的過程中暫時停下來想一想：是這樣的嗎？ 我們有沒有搞錯？ 課堂開始躁動，學生紛紛提出自己的猜想。

假設1：二氧化碳溶于水，但不與水反應，二氧化碳引起石蕊試液變色。

假設2：二氧化碳溶于水，與水反應，生成碳酸，碳酸使石蕊試液變色。

學生自選實驗器材：水、石蕊試液浸泡過的干花、石蕊試紙、二氧化碳等。設計一個實驗證明是二氧化碳還是二氧化碳與水反應生成的碳酸使石蕊變紅，實驗方案如圖4所示。通過三個對照圖式，學生知道水與二氧化碳發生了化學反應。這樣步步為營的課堂教學自然能激發其學習興趣，提高接受新事物的速度，對概念的理解更為透徹，引發其深度學習。

圖4

本案例中，教師運用變易對照圖式凸顯關鍵特征，也讓學生設計對照圖式，使教師預設的內容轉化為學生體驗到的教學內容，幫助解決學習中的困惑，在證據推理中引發其深度學習。

二、優化變易的類合圖式，推進深度學習

類合指的是如果不同的事物或情況都出現某種類似或相同的特征(即不變的部分)，那么這一特征便會成為所觀察事物的一個具有普遍性的維度，這個具有普遍性維度的概念就會從其他無關的特征中被審辨出來，成為這幾類事物的共同特征[2]124。變易理論關注對學習內容的關鍵屬性的審辨。在化學啟蒙教學時，教師采用類合圖式教學，引導學生類合找出化學概念的關鍵特征，使概念學習由難變易，推進深度學習的發生。

例如，酸的概念教學中，許多學生認為含有氫離子的物質就是酸，有酸味的就是酸。為了讓學生便于理解，教師講述：食醋是一種酸溶液，它有酸味，具有酸性。接著展示（圖5）柑橘、獼猴桃、葡萄等，也都含有酸味，具有一定的酸性，學生開始咽口水。

“好萊塢”如今往往指的是美國先進的影視音樂工業，在品牌運營上更為成熟、高效。電影工業化的最終目的是打造全產業生態鏈，而好萊塢擁有高技術人才、調節資本與產品質量的良性循環、建立專業化影視基地和建立國際高水準的攝影棚等方面，展現了如何打造國際品牌。

圖5

教師設問：醋、胃液、檸檬、柑橘等是不同的物質，為什么都呈酸性？ 學生認為，這些物質中都有酸味，所以呈酸性。教師提示，我們認識物質的性質是從它的組成入手，科學家研究證明，這些溶液會呈酸性是由于其中含有一類特殊的物質——酸，食醋里含有醋酸，人的胃液里含有鹽酸，檸檬、柑橘等水果中含有檸檬酸。

教師設問：鹽酸、硫酸和硝酸等也都是酸，HC1,H2SO4和HNO3的電離方程式如圖6所示，這三種酸電離的產物有什么相同點?還有什么不同點？學生討論后得出，這些酸在水中電離時，生成的陽離子都是相同的一種粒子，這種粒子就是氫離子（H+），電離產生的陰離子不同。

圖6

教師設問：酸電離都能產生氫離子，能電離出H+的化合物就一定是酸嗎？NaHSO4是不是酸？ 學生認為NaHSO4不是酸。因為NaHSO4電離產生的陽離子除氫離子外，還有鈉離子。教師追問：酸電離有什么共同特征？ 如何從電離角度給酸下一個操作性定義？ 學生通過類合，歸納這些正反事例中的變與不變，從而概括出酸的定義：電離生成的陽離子全部是氫離子。

本案例中，教師結合學生已經掌握的知識，為新知識提供證據，引導學生從不同視角，通過不同方法推理，分析其中的變與不變，歸納出在變化中保持穩定的部分，把握事物的共同特征，推進深度學習。

三、優化變易的區分圖式，深化深度學習

區分與類合相反，區分是指讓學生關注變的方面，從整體中把握事物的關鍵屬性和關鍵特征，從而加深學生對事物的深刻認識[1]17。在化學啟蒙學習中，針對學生的迷思概念，教師引導學生利用變易理論的區分圖式找到相關化學概念的差別，再進行主動建構，如酸、堿和鹽的區分，單質和化合物的區分，化合反應和分解反應的區分等，可以深化學生的深度學習。

例如，在物質的構成教學中，分子和原子都是構成物質的微粒，屬于微觀層面，它們有許多相同之處，但又有本質的區別。在教學中，筆者引導學生觀察電解水的模型（如圖7），認識分子和原子，教師設問：水、氧氣、氫氣由什么構成？ 水分子由什么構成？學生討論得出，水由水分子構成，氧氣由氧分子構成，氫氣由氫分子構成。水分子由氫原子和氧原子構成。教師設問：從微觀結構看，水通直流電，水分子如何變化？ 學生看著模型認為，水通直流電，水分子分解成氫原子和氧原子，氫原子和氧原子不再分解，氫原子和氫原子結合形成氫分子，氧原子和氧原子結合形成氧分子，水分子變成了氫分子和氧分子，原子是化學變化中最小的微粒，在化學變化中，分子可以再分。

圖7

教師設問：從微觀角度分析，為什么氫氣、氧氣與水的化學性質不同？ 學生認為，電解水過程中，水分子變成了氫分子和氧分子，分子的種類發生了改變，它們不再保持水的化學性質。可見，在由分子構成的物質中，分子是保持物質化學性質的最小粒子。

教師設問：分子和原子之間有什么聯系和區別？學生認為，分子與原子的區別為：分子是保持物質化學性質的最小粒子，原子是化學變化中的最小粒子；聯系為：（1）在化學變化中，分子可以分解成原子，原子可以重新組合新的分子。（2）化學反應前后分子種類改變，原子種類不變。學生通過對原子和分子的關鍵特征進行分析，找到知識之間的差別再進行區分，學生就容易掌握，走出理解上的誤區。

四、優化變易的融合圖式，實現深度學習

融合是指“當學習者需要同時理解事物的幾個關鍵特征時，那么他們就應該同時經歷到這幾個關鍵特征的變化”。通過變易的融合圖式，學生能夠意識到“變化的這幾個方面之間的關系，以及這些方面與作為整體的學習內容之間的關系”[1]18。在化學啟蒙學習中，許多知識的應用綜合性強，教師引導學生利用融合圖式，在真實情境中辨析幾個關鍵特征之間的關系，以及關鍵特征與整體之間的關系，可以落實真正深度學習。

例如，在鹽的性質教學中，物質鑒別是綜合性較強的內容，要求學生能夠對所涉及的物質相關知識熟練掌握，只有同時體驗到物質性質的差異和物質鑒別方法上同步變易，才能獲得物質鑒別的整體認識。

教師設問： 小紅在廚房中發現兩個裝白色固體無標簽的瓶子，一瓶是食鹽，一瓶是純堿。你能幫助小紅對它進行鑒別嗎？為了解決問題，首先我們可以把任務分解為幾個簡單的小任務：（1）食鹽和純堿的性質；(2)食鹽和純堿的性質對比；(3)食鹽和純堿的鑒別。

學生先學習食鹽和純堿的性質，包含化學式以及組成，食鹽的化學式是NaCl，根據化學式學生知道食鹽中含有鈉離子和氯離子，純堿的化學式是Na2CO3，根據化學式，純堿中含有鈉離子和碳酸根離子，教師將食鹽和純堿固體配成溶液，將適量溶液倒入試管，分別滴入硝酸銀和稀硝酸，學生發現食鹽溶液能和硝酸銀反應，生成白色沉淀，白色沉淀不溶于稀硝酸；再分別取適量溶液于試管，分別滴入酚酞，學生發現純堿溶液變紅色，說明純堿溶液呈堿性，而食鹽溶液顏色不變，溶液呈中性；最后，分別取適量溶液于試管，分別滴入稀鹽酸，學生觀察到食鹽溶液無現象，而純堿溶液出現氣泡，說明食鹽與鹽酸不反應，純堿與稀鹽酸反應產生氣體。

教師引導學生對食鹽、純堿的性質和組成進行比較，食鹽和純堿中都有鈉離子，食鹽中有氯離子，純堿中有碳酸根離子；食鹽溶液呈中性，純堿溶液呈堿性；食鹽溶液能和硝酸銀反應生成不溶于稀硝酸的白色沉淀；食鹽不能與稀鹽酸反應，而純堿能與稀鹽酸反應，生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體。

最后學生分小組提出鑒別的方案：分別取少量固體于試管，滴加適量蒸餾水配成溶液，用石蕊、酚酞試劑測定其水溶液的酸堿性，滴入酚酞溶液，呈紅色的是純堿，無顏色變化的是食鹽；用PH 試紙測定其水溶液的酸堿度，PH 等于7 的是食鹽，大于7 的是純堿；滴加稀鹽酸，觀察是否有氣泡，產生氣泡的是純堿，不產生氣泡的是食鹽；滴加澄清石灰水，觀察是否有沉淀，有白色沉淀生成的是純堿，沒有現象的是食鹽；甚至還有學生提出，廚房的食品添加劑可以品嘗，有咸味的是食鹽，無咸味的是純堿；純堿溶液呈堿性，其水溶液可以作為洗滌劑，具有滑膩感。

本案例中，教師基于學生的認知，根據變易圖式理論，按照“分離—對比—融合”的變易策略，引導學生審辨出物質鑒別的關鍵屬性，讓學生體驗到化學在身邊，促進了學生深度學習的真正發生。

五、結語

我們要讓學生學到某種東西，必須審辨到即將被學習到的內容，這就意味著學生要辨識到學習內容的關鍵特征。教師在課堂上要做的，就是幫助學生審辨到被忽視的或者未被注意到的關鍵特征(即學習內容關注的重點)，把“變易”帶入到他們認為理所當然的地方[2]122。因此，在確定學習內容時，教師要審視和分析課程和教材對化學知識結構的要求，然后根據學生的認知邏輯確定課堂的重點和難點。在設計和實施課堂教學時，使用適宜的變易圖式，抓準學習內容的關鍵屬性、屬性之間的關系和屬性與整節內容之間的關系，幫助學生在理解的基礎上能夠批判性地學習新的知識和方法，實現真正的深度學習。