SOLO分類理論指導下的概念進階教學設計

陳浩 嚴文法

摘要： 概念教學應遵循學生概念發展的進階性。作為評估學生認知水平的理論，SOLO分類理論可以指導和評價學生化學概念學習的層級式發展過程。以新人教版選擇性必修1教材“原電池原理”的教學為例，結合新課標（2017年版）和新人教版教材對該內容的要求，利用SOLO分類理論確定概念進階。并以概念進階為標準制定教學和評價目標，設計促使學生概念水平進階式發展的教學過程，以使學生形成“原電池原理”的思維模型，發展學生的化學學科核心素養。

關鍵詞： SOLO分類理論; 原電池原理; 概念進階; 化學學科核心素養； 化學教學設計

文章編號： 1005-6629（2023）04-0038-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

概念是大腦對同一類事物本質屬性的抽象概括，是抽象思維的形式。化學核心概念統攝了多個概念，因而化學核心概念教學需要分解知識框架，提煉思維模型［1］。模型建構是指從復雜的概念系統中“析出”要素并“刻畫”其間關系的一種認知建構過程［2］，所以，學生對概念的認識一般是從理解單一要素到理解多個要素，再到建立多個要素間的關系最終形成思維模型。

SOLO分類理論將認知水平分為前結構水平、單點結構水平、多點結構水平、關聯結構水平、抽象拓展水平五個層次［3］。核心概念的學習經歷從現象到本質、由低階到高階、由簡單到復雜的過程，SOLO分類層次與概念發展水平相對應，即不同的SOLO層次對應于不同程度的概念學習水平［4］。所以，SOLO分類理論可用于指導構建概念進階，發展和評價學生的概念水平，從而使學生親身經歷模型建構的歷程，發展學生的化學學科核心素養。

“原電池”是高中化學核心概念，既包括原電池原理、電解質電離、離子反應、氧化還原反應等基本概念，也體現微粒觀、變化觀、元素觀、平衡觀、能量觀等化學觀念，是學生深入學習溶液的導電性、電解質電離、氧化還原反應等知識的重要載體。從單液原電池到雙液原電池，再到隔膜電池的教學過程，旨在幫助學生建立解決“原電池”問題的思維模型，提高學生對電化學本質的認識。目前有較多關于“原電池”模型認知或模型建構的研究，但基于SOLO分類理論確定概念進階，指導并評價其模型建構過程的研究甚少。本研究旨在利用SOLO分類理論構建“原電池”概念進階，引導學生建構“原電池”思維模型，進而使學生深度理解原電池的工作原理。

2? “原電池原理”概念進階教學設計思路

本文首先依據《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“2017年版課標”）分析新人教版選擇性必修1教材對“原電池原理”的跨模塊編排，列出不同學段學生“原電池原理”學習的主要內容。然后基于SOLO分類理論確定“原電池”概念學習進階，并通過分析學情確定學生實際所處的概念進階水平。最后依據教學內容、概念學習進階和學情制定出“原電池原理”的教學目標和評價目標。在教學和評價目標的指引下，進一步明確教學任務，組織概念進階活動，從而提升學生“原電池”概念水平以及發展學生的化學學科核心素養（見圖1）。

3? 教學分析

3.1? 基于課標的“原電池原理”內容分析

依據2017年版課標對不同模塊“原電池原理”的要求（見表1），新人教版教材對相關內容采用進階化編排，其中必修課程學生主要辨識單液原電池的構成并分析其工作原理；而選擇性必修課程學生主要以雙液原電池為載體深入認識原電池的構成要素（電極反應、電極材料、離子導體、電子導體）及其關系，建構“原電池”思維模型，學會深層次分析、解釋原電池工作原理，能自主設計原電池。

3.2? 基于SOLO分類理論的“原電池”概念學習進階分析

概念教學的主要任務是將學生的相異構想轉變為科學概念［6，7］，所以，相異構想是概念進階的起點。在分析“原電池”內容進階的基礎上，結合SOLO分類理論將“原電池”概念進階劃分為五個層級（見表2）。

3.3? 學情分析

學生在必修階段已經學習了銅-鋅單液原電池［即Zn|CuSO4（aq）|Cu電池］，對“原電池”的組成、形成條件等有一定的了解。然而，受銅-鋅單液原電池模型的“泛化”影響，學生對原電池各構成要素的理解單一且存在相異構想；尚未建立原電池原理的認知模型，對原電池本質性的認識不夠，不能很好地利用原電池模型解決實際問題。此時學生的概念水平尚處于前結構水平。

3.4? 教學與評價目標

3.4.1? 教學目標

（1） 在充分理解原電池基本要素的基礎上，轉變關于原電池構成要素和工作原理的相異構想（概念水平由前結構水平發展為單點結構水平）。

（2） 能說出銅-鋅單液原電池在電流效率方面的缺陷，提出改進思路，設計改進方案，論證改進效果；能說出雙液原電池的構成，會解釋鹽橋及隔膜的作用（概念水平由單點結構水平發展為多點結構水平）。

（3） 在科學探究的過程中建構原電池模型，能利用“原電池”模型分析并解決一系列復雜情境下的“原電池”問題，發展化學學科核心素養（概念水平由多點結構水平發展為關聯結構水平或抽象拓展水平）。

3.4.2? 評價目標

（1） 利用“原電池”概念進階評價學生的概念發展水平。

（2） 基于科學探究實驗，診斷并發展學生的實驗探究水平。

（3） 在建構原電池思維模型的過程中，診斷并發展學生“模型認知”的水平。

3.5? 基于SOLO分類理論的“原電池原理”進階活動設計與評價

為了實現教學和評價目標，根據“原電池”概念學習進階設計了“原電池原理”進階活動（見表3）。

4? 教學過程

4.1? 診斷學生“原電池”的相異構想

［演示實驗］將銅片和鋅片分別插入稀硫酸溶液中，發現鋅片上產生氣泡，而銅片上沒有；而如果將銅片和鋅片用一條導線連接，結果發現在銅片表面也有大量氣泡。

［認知沖突］在導線連接后，實驗裝置內發生了怎樣的變化呢？

［分組討論］學生對原電池的形成條件和反應本質展開討論。

［提出問題］（1）電池的電極材料與電極反應物是同一物質嗎？（2）原電池的兩極材料必須為活潑性不同的金屬嗎？（3）電解質溶液必須是水溶液嗎？必須參與反應嗎？

［相異構想］學生不清楚電極材料與電極反應物各自的功能，將二者混為一談；錯誤地認為原電池的兩極材料必須為活潑性不同的金屬；錯誤地認為電解質狀態必須是水溶液，電解質只有在水溶液中才能電離出陰、陽離子且陰、陽離子一定參與電極反應。

設計意圖：利用學生熟悉的演示實驗創設情境，提出能夠激發學生認知沖突的問題鏈，診斷學生的相異構想。

4.2? 轉變學生“原電池”的相異構想，形成科學概念

［創設情境］動畫展示Zn|H2SO4（aq）|Cu電池和氫氧燃料電池

單液原電池的微觀過程。

［分組討論］分析Zn|H2SO4（aq）|Cu電池和氫氧燃料電池的構成要素（電極材料、電極反應、離子導體、電子導體）。

［討論結果］（1）Zn|H2SO4（aq）|Cu電池的負極材料與負極反應物為同一物質，而氫氧燃料電池的負極材料與負極反應物為不同物質；（2）Zn|H2SO4（aq）|Cu電池的兩極材料為活潑性不同的金屬，而氫氧燃料電池的兩極材料為相同金屬；（3）Zn|H2SO4（aq）|Cu電池的電解質溶液為電解質水溶液且參與反應，而氫氧燃料電池的電解質既可以是電解質水溶液，也可以是熔融狀態的電解質且不一定參與反應。

［科學概念］（1）電極材料的作用是電子導體，不一定是活潑性不同的金屬，既可以是相同金屬（例如金屬Pt），也可以是金屬和導電非金屬（如石墨），而電極反應物是實際參與反應的物質；（2）電解質為原電池提供離子導體，既可以是電解質水溶液，也可以是熔融狀態的電解質，且不一定參與電極反應。

設計意圖：通過對兩種單液原電池的分析和比較，轉變學生的相異構想，形成對原電池各要素正確的理解，使學生的概念水平由前結構水平發展為單點結構水平。

4.3? 深入理解雙液原電池或隔膜電池工作原理

［提出問題］如何提高銅-鋅單液原電池的電流效率？請說明原因。

［實驗探究］（1） 預測銅-鋅單液原電池［Zn|CuSO4（aq）|Cu電池］現象：電流表指針發生偏轉，鋅電極溶解，僅銅電極表面有紅色固體析出。

（2） 觀察實驗現象：電流表指針發生偏轉，電流在一段時間后發生衰減，且鋅電極與銅電極表面都有紅色的物質銅單質生成。

（3） 產生認知沖突：鋅表面附著有紅色固體，電流衰減的原因是什么？

（4） 微觀探析：Zn與Cu2+直接接觸發生反應，轉移的電子未經過導線，導致電流衰減，為提高原電池效率，應避免鋅片與硫酸銅溶液直接接觸。

［裝置改進］（1）為了避免鋅片直接與硫酸銅溶液直接接觸，將置有鋅片的硫酸鋅溶液與置有銅片的硫酸銅溶液，用導線將其中鋅片與銅片連接起來，并在其中間串聯電流表和開關，閉合開關后，觀察實驗現象；（2）在兩個半電池中加入“鹽橋”把二者連接起來，閉合開關后，觀察實驗現象。

［提出問題］通過觀察實驗現象，請分析“鹽橋”的作用是什么？

［分組討論］鹽橋的主要作用是溝通內電路，形成閉合回路。此外，鹽橋中陰陽離子的定向移動使兩個半電池的電荷平衡，形成穩定電流。

［知識拓展］如果將兩個半電池用有孔隔板（或隔膜）隔開可以代替鹽橋，其中有些隔膜只允許某種特定的離子通過，這就是離子交換膜，這種裝置相較有“鹽橋”的雙液原電池更輕便。

設計意圖：通過“如何提高原電池電流效率”的實驗探究活動，在提升學生探究能力的同時引導學生從宏觀和微觀兩個層面分析和解釋原電池的工作原理，體會宏觀、微觀、符號三重表征相結合的思維方式。促使學生的概念水平由單點結構水平發展為多點結構水平。

4.4? 建立原電池要素間關系，建構原電池思維模型

［任務布置］繪制單液原電池、雙液原電池以及隔膜電池工作原理示意圖，要求：（1）注明原電池的組成；（2）標明氧化反應和還原反應發生的區域；（3）標明電子的運動方向和陰離子、陽離子的遷移方向。

［問題解決］學生單獨繪制原電池模型，并經過交流反思進一步修正個人原電池模型，教師深入各小組查看學生原電池模型的繪制情況，發現有些學生對鹽橋中離子的遷移方向標注錯誤，以及在描述“鹽橋”或“隔膜”的作用時存在思維障礙；還有些學生不能從氧化反應和還原反應分區進行、電子得失、電子和離子的遷移等方面系統分析原電池的工作原理。教師針對發現的問題及時做出評價和解釋，在教師的引導下，各小組內成員之間相互合作繪制出小組原電池模型（如圖2）。

［提煉總結］教師選擇具有代表性的原電池模型向全班展示。借鑒史凡等的研究成果［8］，教師引導學生從裝置和原理兩個角度深入認識原電池，并經過交流合作，師生共同提煉出原電池的抽象認識模型（如圖3）。

設計意圖：提高學生“原電池”知識的關聯水平，引導學生建構原電池認識模型，診斷并發展學生“模型認知”的化學學科核心素養。促使學生的概念水平由多點結構水平發展為關聯結構水平。

4.5? 應用原電池模型解決復雜問題，提升學生的知識遷移能力

［任務布置］（1）依據Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag的反應原理，分別設計一個單液原電池和雙液原電池，要求畫出原電池裝置圖，分析原電池工作原理，書寫電極反應式。（2）依據Mg|NaOH（aq）|Al電池與Mg|H2SO4（aq）|Al電池的原理，①判斷電池的正負極，②書寫電極反應式。（3）判斷Al|濃HNO3|Cu電池的正負極，解釋原因并設計實驗進行驗證。

［學生回答］對于任務（1），大部分學生較為熟練地畫出了不同類型的原電池裝置示意圖，會系統分析和解釋原電池的工作原理，并能正確書寫電極反應式。對于任務（2），大部分學生能綜合考慮電極材料、電解質溶液等因素準確判斷電池的正負極，會正確書寫電極反應式。在任務（3）中，學生判斷“Cu為電池的負極，Al為電池的正極”，原因假設為：“冷的濃HNO3使較活潑的Al發生了鈍化，從而使較不活潑的Cu作了電池負極”。為了驗證這一假設，學生經小組討論提出了實驗方案：“向濃硝酸溶液中緩慢注入蒸餾水，逐漸將濃硝酸變為稀硝酸，觀察電流表指針是否反轉，如果反轉，則說明假設正確”。隨后學生按照實驗方案進行了小組實驗，觀察到電流表指針發生了反轉，從而驗證了假設。

［形成結論］原電池的正負極不僅與金屬的活潑性有關，而且還與金屬的特性（如鈍化）、溶液類別等因素有關。

設計意圖：教師設置階梯性任務，學生運用原電池模型分析和解決實際問題，提升學生運用模型分析和解決實際問題的能力，促使學生的概念水平由關聯結構水平發展為抽象拓展水平。

5? 討論

SOLO分類理論從學習結果的結構復雜性角度對學習者的學習進行分層評價。一方面，教材中教學內容按照“螺旋式上升”編排，教師對不同學段同一教學內容的深度、廣度、難度的把握尤為重要，教學中有必要明確概念學習進階，SOLO分類理論可以指導建構概念學習進階。另一方面，SOLO分類理論可以指導教師設計進階式教學和評價活動，診斷并發展學生的概念水平，從而實施“教、學、評一體化”的教學。必修和選擇性必修階段均有“原電池原理”的教學，依據2017年版課標對新人教版教材進行分析，發現必修階段要求學生以銅-鋅單液原電池為載體初步了解原電池的構成要素和工作原理，但在實際教學中，由于銅-鋅單液原電池模型的“泛化”，導致學生存在大量的相異構想，此時學生的概念水平尚處于前結構水平。所以，選擇性必修階段主要的教學任務就是使學生的概念水平取得階梯性的提升和發展。例如通過設置對比模型讓學生轉變相異構想，使學生的概念水平由前結構水平發展到單點結構水平；利用科學探究活動使學生從宏觀和微觀兩個方面分析原電池的工作原理，理解電極材料、電極反應、電解質溶液、電子或離子的遷移等知識，使學生的概念水平由單點結構水平發展到多點結構水平；利用模型建構使學生形成對原電池各要素之間關系的正確理解，使學生的學習水平由多點結構水平發展為關聯結構水平；引導學生利用模型解釋電化學現象、解決陌生情境下的問題，增強學生的知識遷移應用能力，使學生的學習水平由關聯結構水平提升為抽象拓展水平。

參考文獻：

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［7］陳浩， 嚴文法， 靳澤藝. 概念圖技術在中學生化學相異構想轉變中的應用研究——以學生對“電解質”概念的理解為例［J］. 化學教與學， 2019， （10）： 15～20.

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