基于學習進階理論應用手持技術在高中化學教學中的應用研究

◇洛陽師范學院 李曉冬 胡鵬程 李藝偉 徐 巖 牛小利 劉藝博

“電解池”是高中化學教學中的重要知識之一且具有抽象、難理解的特點。學生對這類知識往往采用機械記憶的方式進行學習，效果不佳，難以達到教學要求。而“學習進階”強調學生對某一知識理解應循序漸進、由淺入深的方式，這對電解池這類抽象知識的教學具有指導意義。手持技術是新興的一種教學手段，研究表明其在化學教學中運用對學生理解抽象知識具有很大幫助。由此，設計了關于“電解池”的學習進階模型并融入手持技術以期學生在學習過程中實現知識、認知、思維方面的進階。

1 引言

《普通高中化學課程標準》（2017版2020修訂）（以下簡稱《新課程標準》）對高中生的化學學習提出了五大學科核心素養的培養要求，并對學業質量水平與學科核心素養水平進行了由低到高、由淺入深的水平劃分，這與學習進階的思想不謀而合。學習進階理論認為學生對某一核心概念的認識應是一個從不同方面，由簡單到復雜的認識過程。在高中化學教學中融入學習進階思想，不僅能夠使得教師充分了解與掌握學生的學習狀況，從而設計出符合學生認知發展的課堂教學，提高教學質量，而且能更好得貫徹落實課程標準的教育理念。同時，手持技術與化學教學的深度融合能夠將未知概念轉化為已知概念的相關聯屬性進行檢測，為學生理解化學知識提供新的路徑（曲線）也為教師在高中化學教學中運用學習進階理論提供了新的設計思路。本文運用學習進階理論，應用手持技術并融合四重表征對高中化學“電解池”的有關內容進行設計，旨在應用學習進階的思想開發出符合學生認知發展的教學，實現學生在知識、能力、思維等多方面的發展。

2 研究背景

自21世紀以來，教育界便把“學習進階”作為科學教育改革的核心理念之一，并作為聯結教學、教材、課程的工具被廣泛應用在科學教育界。自它提出以來，受到國內外研究者的廣泛關注，掀起了研究的浪潮。在研究方面，教育學者提出的“建模+實證”的研究模式被廣泛接受并成為學習進階研究的范式。在實踐方面，我國《新課程標準》中對學業質量水平的制定及化學學科核心素養的水平劃分也借鑒了學習進階的思想。由此看來，學習進階的思想已然成為21世紀實施科學教育的理論基礎之一。

高中化學知識中包含許多重要概念，其中電解池作為電化學概念下的子概念，是構成電化學概念框架的重要部分。電解池的學習建立在氧化還原反應、原電池等內容之上，同時為后續學習金屬的腐蝕與防護做鋪墊。因此從教材安排上來看，整體呈現出進階式學習思想，此外，在實際教學中教師往往不能認真研讀課程標準的有關要求且忽視學生的認知水平，從而無法取得良好的教學效果。在學習方面，學生對電解池相關知識普遍存在重記憶、輕理解的現象，這使得他們在知識、能力、思維等方面都無法得到質的提升。

3 研究目的及意義

新課程標準對學生所提出的要求是教育教學所要達到的最低要求，然而在傳統教學方式下，學生理解與掌握知識的方法已經產生了固化且對難以理解的知識容易產生畏難情緒，導致無法在知識、能力等多方面得到應有的提升，達到課程標準的要求。本文中筆者旨在把學習進階理論和手持技術結合，融入四重表征思想，以高中化學電解池為例進行學習進階設計，幫助學生在學習過程中能夠循序漸進、由淺入深地理解有關概念，實現在知識、能力、素養等多方面的發展。

首先，以學習進階為指導，手持技術為輔助的教學方式有助于高中化學課程標準的落實；在宏觀、微觀、符號這些本身具有遞進性的表征方式基礎上，利用手持技術呈現形象化的曲線模型從而幫助學生發展多維度、多層次的思維方式，培養學科核心素養。其次，對化學課堂教學實踐具有積極意義；教師在學習進階的思想指導下，依據知識的難易與學生的認知發展水平制定相適宜的教學設計，各環節層層遞進，針對不同水平設計相應問題，提升課堂實踐效果。最后，有利于課堂教學評價的實施；依據進階式的教學設計進行教學，能夠對學生在不同學習階段的已有水平做出準確判斷，從而能針對其情況制定下一步教學。

4 理論基礎

4.1 學習進階理論

學習進階（learning progressions，簡稱LPS）也稱學習進程，是近幾年的美國科學教育改革中的一個新興的概念[1]。針對學習進階，國內外學者有著不同的看法，尚未形成一個準確的概念。一般認為學習進階是圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯的概念序列。筆者通過查閱文獻并結合自身理解認為“學習進階”應是一個逐級遞進，呈階梯式上升的過程，因此制定如圖1所示的學習進階模型。

圖1 學習進階模型

4.2 最近發展區理論

最近發展區理論是由前蘇聯教育家維果茨基提出的，他認為學生存在兩種發展水平：一種是學生獨立完成或解決問題的水平，另一種是在教師或他人幫助下所能達到的水平，兩種水平間的部分叫做最近發展區[2]。這啟示教師在進行教學時要把握教學難度，使學生能夠“跳一跳便摘到桃子”達到下一階段的水平，然后在此基礎之上進行下一發展區的發展。

4.3 四重表征理論

1982年，蘇格蘭的約翰斯頓首次提出化學“三重表征”模式，即宏觀表征、微觀表征、符號表征。自此，有關學生化學概念的三重表征分析及相關教學實踐研究就備受關注。2009年，華南師范大學錢揚義教授基于手持實驗即時收集數據和自動生成曲線的技術背景，首次提出“曲線表征”的定量分析方法，并構建化學“四重表征”教學模式，包括宏觀表征、微觀表征、符號表征、曲線表征，并對各重表征形式進行了定義，如表1所示[3-4]。

表1 “四重表征”定義

4.4 教育目標分類理論

教育目標分類理論最早是由布魯姆于1956年提出的，他將教育目標分為三個領域：知識領域、情感領域、動作技能領域。三個領域包含了整個教學環節，保障了教學的順利進行。但隨著該理論的應用，其忽略學生運用知識的能力的弊端顯現了出來。于是，安德生等人在此基礎上進行修訂，將知識劃分為兩個維度（知識維度、認知過程維度）并融合在二維框架結構中，知識維度包括：事實性知識、概念性知識、程序性知識、反省認知知識；認知維度包括：記憶、理解、應用、分析、評價、創造[5]。

5 研究過程

本文以人教版高中化學選擇性必修1第四章化學反應與電能第二節電解池第1課時為例進行學習進階設計。根據學習進階的理論，學習進階模型主要由進階維度、進階起點、進階終點、進階水平這四部分組成。筆者將其分為三個維度的進階，即知識進階、認知進階、思維進階，簡稱“三重進階”。其中知識與認知進階的水平是根據布魯姆的教育目標分類理論制定的，而思維進階是依據四重表征（宏觀、微觀、符號、曲線）的內容制定的。在學生能從宏觀、微觀、符號的角度認識電解池后，運用手持技術呈現有關曲線圖像，幫助學生深入理解電解池最終達到四重表征水平；把進階起點規定為學生已有知識水平；進階終點規定為課程標準對關于電解池的學習要求；依據上述思路對電解池的有關知識進行梳理和劃分，最終構建關于“電解池”的學習進階模型。

5.1 “電解池”的進階模型設計

a、進階維度設計。

（1）知識進階設計。布魯姆的教育目標分類理論從知識維度上將知識類型按層次劃分為：事實性知識、概念性知識、程序性知識、反省類知識。選擇人教版2019年高中化學選擇性必修1教材中“電解池”第1課時的內容，對知識進行整理劃分，如表2所示。

表2 “電解池”知識維度劃分

（2）認知進階設計。依據布魯姆的認知目標分類學（2001年修訂版）中認知過程維度的類目，結合教材內容制定分類目標，如表3。

表3 “電解池”的認知維度劃分

（3）思維進階設計。宏觀、微觀、符號是化學學科特有的表征方式，20世紀90年代華南師范大學錢揚義教授在化學教學中引入手持技術，為化學學科帶來了新的表征方式—曲線，由此形成了四重表征理論。而這四種表征方式也存在著由淺入深的遞進性關系：首先，學生在最初學習某一知識時通過各種感官從宏觀層次去感受建立初步認知。其次，教師利用教材等輔助工具引導學生從微觀層次認識本質。再次，學生根據已有的化學基礎把知識用化學式、反應方程式等符號表示出來，增進理解。最后，利用手持技術呈現曲線幫助學生深入理解知識。通過對“電解池”第1課時教學的內容分析，依據四重表征劃分學生在理解電解池概念時達到的思維水平，如表4所示。

表4 “電解池”的思維水平劃分

b、進階水平設計。

通過對“電解池”內容的學習進階維度的劃分，發現本節教學內容在三種維度上都能得到不同水平層次的劃分。但同一內容在不同維度中可能有不同的層次，所以在對進階水平劃分時，以學習進階的思想為指導結合教材編排與邏輯性進而劃分出不同的進階水平，如表5所示。

表5 “電解池”進階水平劃分

c、進階起點與終點設計。

學生在學習“電解池”的相關內容之前，已經掌握了氧化還原反應、電解質的電離、原電池等重要內容，具備能量轉化意識。這為電解池有關內容的學習奠定基礎，因此將進階起點規定為：學生已有的知識水平。《普通高中化學課程標準》（2017年版2020年修訂）對“電解池”的學業要求：“能分析、解釋電解池的工作原理，能設計簡單的電解池”。因此，根據電解池第1課時安排，將進階終點規定為：“深入理解電解池，能分析、解釋電解池的工作原理，建構電解池模型”。

5.2 “電解池”進階模型的建立

筆者通過查閱文獻發現，在化學教學中對學習進階的研究不在少數，其中對電解池、原電池、氧化還原反應居多，這些研究是對核心概念的整體研究。本文中建立的學習進階模型旨在幫助教師在一個課時的課程內容中準確判斷學生的水平，及時發現學生難以理解和解決的問題；遵循學生的認知心理發展，從簡單到復雜、從形象到抽象，循序漸進的幫助學生理解知識。此外，該模型的建立能夠幫助教師設計出更為合理的教學方案，從而提高教學質量。

在5.1中筆者根據學習進階的理論，結合教材中電解池知識設定了進階維度、進階水平、進階起點、進階終點，最終建立關于電解池的學習進階模型，如圖2所示。

圖2 “電解池”進階模型

5.3 創新點

本文創新點在于構建學習進階模型的同時融入了手持技術。手持技術由數據采集器、傳感器、計算機及配套軟件組成，其中傳感器類型有很多：電流傳感器、氯離子傳感器、溫度傳感器等[6]。利用傳感器測定電解池工作時發生的變化并通過計算機處理以圖像顯示出來，對學生理解電解池概念、分析電解池原理具有很大幫助，同時也培養了學生從曲線分析化學變化的思維方式，為思考和解決問題提供了新的途徑。運用手持技術測定電解池的有關內容，如圖3所示。

圖3 運用手持技術測定電解池

在定制的電解槽中注入7:2比例的飽和食鹽水和蒸餾水的混合溶液，插入石墨電極之后，分別在正負兩極插入氯離子傳感器、pH傳感器，開始采集數據器并接通直流電源，得到如圖4所示曲線。學生對曲線進行分析，深化對電解池的認識，培養四重思維。

圖4 pH與Cl- 濃度變化曲線

6 結束語

隨著時代的發展，國家對教育提出了更高的要求，不再僅僅注重學生對知識的掌握多少，更加注重學生的學習過程。學生在學習過程中的體驗、經歷才是最寶貴的財富。在高中化學中應用手持技術融合學習進階的思想進行教學，是對信息技術化時代的順應、對學生的發展負責。本文圍繞高中化學“電解池”第1課時內容建立學習進階模型并創造性地融入手持技術，力求使學生在整個學習過程中，其知識、認知、思維得到充分發展。對于如何針對該模型設計出相應的教學設計，還有待學者們不斷探究與開發。