逆向教学设计促成化学概念的深度学习

卢天宇　艾进达

摘要： 基于逆向教学设计“目标先行、评价优先”的理念与“三步骤”设计程序，结合深度学习、学习进阶及SOLO分类理论等，从“明确概念教学要求、解构概念学习目标、预设评价方案、制定教学计划、实践观课反思”诸方面架构化学概念教学新路径。以“中和反应”的概念教学为例，阐释如何实施指向化学概念深度学习的逆向教学设计。

关键词： 逆向教学设计; 化学概念; 深度学习; 中和反应; “教、学、评”一体化

文章编号： 1005-6629（2020）03-0034-08

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学概念是将化学现象、化学事实经过比较、综合、分析、归纳、类比等方法抽象出来的理性知识，反映化学现象及事实的本质，是化学学科知识体系的基础。深度学习指的是，在理解的基础上，学习者能够批判性地学习新的思想和事实，并将它们融入已有的认知结构中，能够在众多思想间建立联系，并能够将已有的知识迁移到新的情境中，以此作为问题决策和解决的一种学习方式[1]。深度学习注重知识理解与批判、联系与构建、迁移与应用，教师的教学策略若能够有效地促进学生对化学概念进行深度学习，就能够使其深刻理解和掌握化学概念的内涵和意义[2]。教师以何种策略有效促进学生的深度学习？高中化学新课程标准倡导教师注重“教、学、评”一体化，围绕发展学生化学学科核心素养这一主旨，进行教学目标与评价目标、学习任务与评价任务、学习方式与评价方式的整体性、一致性设计[3]。近年来国内流行的逆向教学设计，其“目标先行、评价优先”的理念与“教、学、评”一体化的理念有相似的价值取向。受此启发，尝试以逆向教学设计为基石，探索化学概念教学的新路径。

1  基于逆向教学设计的化学概念教学架构

1999年，美国课程专家威金斯和迈克泰（Grant Wiggins & Jay McTighe）基于对传统教学设计的反思，提出逆向教学设计（backward design）模式，即将教学的逆向设计过程分为三步： 确定预期的学习目标;制定如何证明学生实现了学习目标的手段与措施;安排各种教学活动和指导学习活动，达成学习目标[4]。简而言之，即从“确定预期结果→确定合适的评估证据→设计学习体验和教学”[5]三个步骤完成教学设计。逆向教学设计的“目标先行”凸显了制定准确、适度目标的重要性，三个步骤之间的衔接也对设计的效果产生重要影响。因此，基于逆向设计的化学概念教学构架增设为五步，如图1所示。

图1  基于逆向设计的化学概念教学构架

2  指向深度学习的逆向教学设计

中和反应是化学核心概念之一，因其重要性已列入中学化学学科100个关键词[6]。下面以中和反应的概念教学为例，介绍指向深度学习的逆向教学设计。

2.1  明确概念教学要求

梳理课程标准、化学教材和考试说明，明确化学概念教学的要求。中和反应属于一级主题中主题四“物质的化学变化”的内容，义务教育新课程标准（2011年）对其要求主要有： （1）认识中和反应的特征及本质;（2）设计实验证明： 氢氧化钠与盐酸能发生化学反应;（3）知道中和反应伴随着能量的变化，初步形成发生中和反应是有条件的观点;（4）能运用中和反应解释日常生活中的一些化学现象，处理酸性和碱性废水等实际问题[7]。在人教版教材里，中和反应概念起始于第十单元《酸和碱》的课题1“常见的酸和碱”，主要呈现在课题2“酸和碱的中和反应”（第1课时），延伸至第2课时及实验活动6，完成于第十一单元课题1“生活中常见的盐”的第2课时——复分解反应发生的条件。深圳市考试说明着重强调对中和反应概念的理解及实际应用的考查。综上可见，中和反应的整个概念教学不是一蹴而就的，而是贯穿两个单元，呈现在多个主题，渗透在多个课时中。因此，中和反应概念的学习和形成应当是循序渐进的。

2.2  解构概念学习目标

从概念教学要求到解构概念学习目标，为确保衔接精准，对学生“中和反应”的概念理解情况进行调查，引入SOLO分类、学习进阶、深度学习等理论协助解构概念学习目标。

2.2.1  学情的调查分析

在学生自主学习“酸碱中和反应”的内容之后，对学情调查发现： （1）能较好地理解酸有共性： 化学性质的本质（含H+），碱有共性： 化学性质的本质（含有OH-）;（2）以为判断酸与碱是否发生反应一定需要指示剂;（3）探究稀盐酸与NaOH溶液是否反应的方案设计比较单一;（4）对中和反应概念的本质理解参差不齐;（5）无法从化学反应发生需要条件、反应将伴随能量变化等多视角、完整地构建中和反应的概念模型。

2.2.2  解构学习目标

彼格斯（Biggs）教授提出的SOLO分类理论（structure of the observed learning outcome）是一种“检测一个人回答某个问题时所表现出来的思维结构”的方法，其根据回答問题时的表现将回答者的思维结构由低到高分为五个层次，主要包括前结构、单点结构、多点结构、关联结构、拓展抽象结构五个层次，其基本含义如图2[8]所示。学习进阶（Learning Progressions，简称LPs）作为一项基于实证的学习科学研究，其目标旨在“描述学生关于某一核心知识及相关技能、能力、实践活动在一段时间内趋于深入和复杂的学习发展历程”[9]。

图2  SOLO的基本含义

二者揭示了学生达成化学概念学习目标的外显与内显程序，所倡导的概念学习程序有共同之处： 一方面，概念学习目标是可根据认知水平结构层次进行分阶分层的;另一方面，学生从低阶认知深入到高阶认知的思维变化过程，是对概念相关知识深度加工学习的可观测过程，概念的思维梯度的发展应该循序渐进达成。

融合学习进阶、SOLO分类与深度学习，结合“中和反应”概念的教学要求，从“学习结果（SOLO层级）→学习目标（评价观测点）→学习进阶→深度学习”这四个方面解构概念的学习目标（见图3）。首先，把学习目标细化为评价观测点①至⑩;然后，从学习结果视角对观测点进行SOLO层级分类;进而，厘清学习过程的低阶、由低到高及高阶区域;最后，在学习水平发展层级中进一步挖掘，为深度学习的设计提供支撑。这种分层分阶的解构，清晰地呈现出中和反应的概念思维逻辑，既有利于把握概念深度学习的重点、难点及关键点，又为学习目标与课堂评价方案架起衔接的桥梁。

图3  指向深度学习的“中和反应”概念学习目标

2.3  预设评价方案

田莉等认为，逆向教学设计理念下，课堂评价的各要素之间应保持高度的“一致性”： 评价目标与评价内容相一致;评价内容与评价任务类型相一致;评价任务类型与评价方法相一致。评价结果的呈现与反馈将作为调整教学决策的依据和资源，紧扣评价目标的达成[10]。

如何使课堂评价与概念学习目标衔接精准？第一，从学生学业质量水平的要求，审视近年的中考关于中和反应的命题评价水平。第二，在评价观测点上，从化学概念形成的方法“归纳演绎、同化、近似概念辨析”等设计评价任务，明确评价方法，预设评价结果的呈现形式与反馈方式。据此，制定中和反应的概念教学的评价方案（见表1），评价方案涵盖了“评价观测点、评价任务与方法、评价结果与反馈”。从表中可见，随着观测点的思维梯度的增加，所设计的评价任务愈趋综合，突出了宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等化学核心素养维度，使评价有的放矢、有迹可循、有据可呈。

2.4  制定教学计划

结合学习目标与评价任务，围绕教师活动、学生学习活动这两条活动线索设计“中和反应”的概念教学流程（见图4）。教学计划的核心思路是： 促进学生在活动中经历概念的初步形成、批判、联系与区别、模型构建、迁移与应用等，进入概念的深度学习，达成概念的形成与螺旋式进阶发展。

表1  “中和反应”概念的评价方案

评价观测点评价任务主要评价方法评价结果呈现与反馈

① 知道酸、碱发生常见的中和反应识记性任务

表达性任务抽查、书写化学方程式口头、书面文字

② 知道中和反应伴随着能量的变化综合性任务进行实验、展评数据实验记录及结论

③ 理解中和反应的特征与微观本质，写出反应原理识记性任务表达性任务说出本质、例题、测试题测试结果、师生互动

④ 能从反应类型等区分中和反应与其他反应识记性任务表达性任务易错点拨、测试题师生互动、测试结果

⑤ 能运用中和反应解释现象，处理实际问题，感知其学科价值、社会价值等综合性任务讨论、提问、书写化学方程式师生互动、生生互动

⑥ 学会使用酸碱指示剂探究酸、碱之间是否发生反应综合性任务实验探究： 设计方案、进行实验等实验方案、现象记录及结论

⑦ 学会评价分析各种探究酸与碱反应相关实验方案的设计方法与优劣综合性任务例题、测试题;辩论质疑评价方案、师生互动、生生互动

⑧ 能通过曲线表征，分析归纳出中和反应中pH及能量的变化情况综合性任务画出曲线图，展示、追问曲线图、师生互动、生生互动

⑨ 根据反应物减少、pH变化、溶液的导电性、复分解反应发生的条件等，设计多种方案并探究酸与碱之间的反应综合性任务写出实验方案、说出设计根据，质疑、修订实验方案、现象记录及结论、师生互动、生生互动

⑩ 建立中和反应的概念模型，形成发生中和反应是有条件的观点综合性任务画出概念图、展示并说出构架思维概念模型图、展评

图4  “中和反应”概念教学设计流程示意图

2.5  实践、观课、反思

实施教学是检验逆向设计效果的最佳方式，经过授课、观课记录，课堂同步反思与课后反思，检验课堂评价要素之间的一致性与达成效果。顺着教材所呈现的知识顺序，把“中和反应”的概念教学划分为三部分（见图4）。

2.5.1  概念初步形成

第一部分： 第十单元课题2第1课时，概念的初步形成。

演示实验导入之后，进入设计方案环节（见图5）。学生在探究稀盐酸与NaOH溶液是否反应时，往往容易受到教材实验“NaOH溶液+无色酚酞+稀盐酸”的束缚，思维聚焦在一种方案之上。

图5  探究“酸与碱是否反应”的实验方案设计

[评价活动1： 分组设计方案]

教师点拨学生：

除了无色酚酞，常用的指示剂还有什么？“NaOH溶液+无色酚酞+稀盐酸”与“稀盐酸+无色酚酞+NaOH溶液”的现象一樣吗？请分组完成图5的方案设计，比一比，谁设计的方案多（全班共11个小组，4人一组）。

[学生方案展评]

图6  学生设计的使用指示剂的几种实验方案

图7  学生设计的其他方案

按图索骥，大多数小组很快就设计好使用指示剂的方案（如图6）。有两个小组还设计了“NaOH溶液+稀盐酸+Zn（活泼金属）”“NaOH溶液+稀盐酸+石灰石”的方案（如图7）。他们的思路是： 向NaOH溶液中滴加少量的稀盐酸，加入活泼金属或石灰石，若无气泡冒出，则溶液中无盐酸，说明酸与碱发生了反应。

[评价活动2： 探究实验，比较方案]

请根据所设计的方案，进行实验，记录现象，比较异同，找出最佳方案。

[学生实验记录]

图8  实验现象记录（1）

图9  实验现象记录（2）

与图8记录类似的小组有6个，与图9一致的有3个小组。学生们纷纷吐槽，“由蓝变紫”或“由紫变蓝”，找不到颜色渐变过程，看得很模糊。

教师追问： 为什么无色酚酞比紫色石蕊的效果更好，你的证据是？

学生1：“NaOH溶液+无色酚酞+稀盐酸”中，现象是“红色→浅红→无色”，颜色的渐变，由红色到浅红说明酸与碱发生了反应，出现无色表明恰好完全反应。这是最佳方案。

质疑： 为什么有的小组没看见“渐变色”？

学生2： 我推测，可能是没有逐滴滴加，边滴边振荡。

[评价活动3： 写化学方程式，归纳概念]

学生书写三组酸与碱反应的化学方程式，教师播放相关反应微观模拟动画。学生从反应物、生成物的共同特点尝试总结“中和反应”的概念，得出本质。

[评价活动4： 应用概念，解释情境]

学生结合生活、工农业生产等真实情境，运用概念解决“治疗胃酸过多”、“硫酸厂废水处理”等问题，感悟到生活处处有化学，体验中和反应的实际应用价值。

[教学反思]

在活动1中，教师优化实验设计方案如图5方案①作为示例，其余镂空，既提示学生注意试剂滴加顺序，又简化方案的表述，便于方案展示交流。从学生设计的方案看，部分学生不受限于“指示剂”，能够结合联系已学知识“酸能与活泼金属及与碳酸盐反应”，找到论证依据。说明其进入了深度学习状态： 对探究方法不仅完全理解，还能建立新旧知识之间的联系，将已学知识迁移应用于解决新的问题。活动2则提炼关键问题驱动学生分析现象及评价方案等，让学生在理解的基础上展开批判。活动3中，学生基本都能准确写出反应原理，经过宏观、微观、符号三重表征，初步形成中和反应的概念及其本质。活动4则基于实际情境，推动学生进入迁移应用中和反应的深度学习。

总之，在中和反应概念形成的初始阶段，不急于将pH、曲线表征等相关知识整合前置，而是优化实验方案设计的组织方式，为科学探究环节提供充裕的课堂时间，确保教学内容的适度性。以实验证据与推理、论证与批判、归纳与演绎、三重表征等学科核心方法促成概念的初步形成。

2.5.2  概念的直觀可视化构建

第二部分： 第十单元课题2第2课时，概念的直观可视化构建。

在学习本节内容之后，教材在“调查与研究活动”中要求学生绘制本地区雨水的pH曲线。在此处进行概念拓展，亦可将拓展安排在实验活动6这一课时。

[评价活动5： 演示实验，绘制曲线]

教师利用电子传感技术，演示中和反应中溶液pH及温度变化。学生观察反应曲线，绘制中和反应曲线图，标明横纵坐标，标出反应曲线的“起点、拐点、终点”，分析三个点上溶液的成分，并展示交流。

[曲线展评交流]

图10  学生画出的三个中和反应曲线图

如图10所示，从展评环节发现： 大部分学生理解了三个曲线图的“拐点”，即中和反应恰好完全进行;个别学生需要修正个人的曲线图;有的学生虽正确标出“三个点的溶液成分”，但解释不清。曲线表征这一有助于概念构建的深度学习方式仍需深化加强。

[教学反思]

结合新技术，使用曲线对中和反应概念进行第四重表征，使概念直观、可视化。学生清晰发现“酸滴入碱”与“碱滴入酸”的曲线差异。教师启发学生分析曲线中“起点、拐点、终点”的溶液成分，引导他们从溶液组成的变化视角，定性与定量结合分析中和反应。在此过程中，大部分学生建立了溶液、酸碱度与中和反应的联系，成功地构建概念的曲线模型，拓宽概念迁移应用的范畴。

2.5.3  概念的辨析、深化、建模

第三部分： 第十一单元课题1第2课时，概念的辨析、深化与建模。

本节主要是探究复分解反应发生的条件。经过第一、第二部分的概念学习，已习得部分酸、碱、盐的溶解性，知道中和反应都属于复分解反应，学生此时对中和反应的认知发生了改变。仍然笼罩着学生的疑惑是： （1）判断酸与碱是否反应，一定要借助其他试剂或仪器吗;（2）溶液中存在水，怎么设计实验证明中和反应生成了水？

[评价活动6： 实验再探，系统建模]

教师为学生提供研究性学习的材料，包括： 草酸固体与NaOH固体反应实验方案，Cu（OH）2与Fe（OH）3悬浊液、Ba（OH）2溶液、稀盐酸、稀硫酸、pH传感器、电导率传感器[11]等。启发学生从pH变化、有水或盐生成、溶液导电性变化等再设计方案探究酸与碱之间的反应。

尽管教师提供了相应的学习材料，个别小组仍较难从中获取信息，完成导电性和有水生成这两个实验。大部分学生都完成了难溶性碱与酸的反应设计，方案设计、实验现象都表述到位，并得出结论： 判断难溶性的碱是否与酸发生反应，不需借助指示剂。

[教学反思]

教师应当考虑课前录制好草酸固体与NaOH固体反应的微视频、Ba（OH）2溶液与稀硫酸反应的电导率成像微视频，放在师生交互平台以备学生点击观看。学生从溶液pH、溶液温度、溶液导电率等变化对中和反应进行多角度的曲线表征，从三重表征深化至四重表征。在评价任务的引导与助推下，学生经历丰富多样的“中和反应”概念的深度学习，全面构建中和反应的概念模型。

3  总结与启示

目标先行是逆向教学设计的精髓所在，衔接精准、可视化教学是逆向教学设计的应然追求。我们将逆向教学设计应用于“燃烧、中和反应、质量守恒定律、催化剂”等化学概念的教学，均取得良好效果。

3.1  逆向教学设计有利于把握化学概念教学的循序渐进

“中和反应”的概念教学容易陷入两种极端： 一是教师急于在第一个课时就把概念全面构建，导致探究实验“走过场”，微观本质分析仓促，曲线表征又未能研究透彻。看似“面面俱到”去帮助学生构建概念，实则“眉毛胡子一把抓”，灌输知识的痕迹显著。二是课堂上只围绕一种实验方案进行探究酸与碱是否反应，知识内容讲完之后，以习题的形式持续挖掘中和反应的外延知识，以精选精练拓宽概念。逆向教学设计，从明确概念教学要求到解构概念的学习目标，有利于教师把握化学概念教学的循序渐进，避免两种“极端”。逆向教学设计在一定程度上弥补了青年教师教学经验的不足，让青年教师跳出单一课时的视阈，厘清某个化学概念在课标、教材及学生认知结构中的发展轨迹，准确找到概念教学的设计策略与实施手段。

3.2  逆向教学设计有助于深度学习的开展与评价

逆向教学设计，结合SOLO分类与学习进阶理论对学习目标进行分阶分层解构，针对观测点从低阶到高阶发展的不同水平层次，制定相应复杂程度的评价任务。在“感知→体验→初步形成→应用→直观可视化构建（定性与定量表达）→辨析、深化、建模”的概念形成与发展的过程中，学生在问题的驱动下充分进行探究，展开交流辩论等，始终以反思的状态进行概念的深度学习。学习目标、教师活动、学生活动、课堂評价等有机协调地推进，落实了化学核心素养。

参考文献：

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