基于DIIEE模型培养创造性思维的化学课堂教学设计

杨先通 王强

摘要： 基于“发现—解释—设想—实验—改进”的DIIEE模型，构建培养学生创造性思维的化学课堂教学模式，通过“立足情境，发现问题;搜集信息，解释问题;头脑风暴，优化设想;建立模型，开展实验;反思总结，改进提高”5个教学阶段为培养学生的创造性思维提供可行的路径。以“水的净化”课堂设计和实施为例，克服了化学实验在课堂教学中某些形式化、机械化的问题，学生逐步实现了污水处理认知模型四层次的学习进阶，外化的实验设计活动强化了学生的创造性认知思维。

关键词： DIIEE模型; 创造性思维; 课堂教学设计; 化学实验

文章编号： 10056629（2021）07005205

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

2019年11月20日颁布的《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》指出，要拓展创新，强化学生的创新创造，着力提升学生的创造性思维能力[1]。实验是化学学科的基础，化学实验是学生获取化学经验知识和检验化学知识的重要媒介和手段，是提高学生科学素养的重要内容和途径[2]。研究发现，化学实验具有培养学生创造性思维的特殊功能[3]，基于设计的实验教学更能培养学生的创造力和问题解决能力[4]。

但是，当前化学实验的课堂教学存在过于注重操作技能训练等某些形式化、机械化的问题，忽视了创造性思维的培养。Roth提出，当学生以机械化、形式化的方式操作实验时，便无法有目的地收集和记录数据，更无法在概念之间建立有意义的相互联系，这不利于学生高阶思维能力的发展和探究能力的培养，更不利于学生对科学本质和科学精神的理解[5]。机械化的化学实验教学削弱了化学实验在“完善学生创造性思维素质”方面的功能[6]。因此，化学实验的课堂教学应将培养学生的创造性思维作为重要目标，并通过合理有效的课堂教学设计和教学实施达成这一目标。

2 教学设计的理论基础

教学设计的核心是各种教学要素的设计，其核心思想——设计思维近年来受到教育者的密切关注[7，8]。设计思维是个体为了解决劣构问题而进行的一系列连续思考以及行动的过程。为发挥设计思维在基础教育领域的价值，IDEO设计公司提出了“发现（Discovery）、解释（Interpretation）、设想（Ideation）、实验（Experimentation）、改进（Evolution）”（以下简称“DIIEE”）5个阶段的创新设计思维模型[9]，如图1所示。根据DIIEE模型，从“发现”到“改进”是一个不断递进的过程，改进后的设计也会被再次的实验进行循环检验。

DIIEE模型最初提出时并未应用于化学课堂教学设计领域。之后，胡小勇和朱龙对DIIEE模型进行了总结，并介绍了DIIEE模型在课堂教学、课程设计和学校教育中的应用潜力、路径和启示[10]，但仍然停留在对美国、日本等国外经验的引介层面，缺乏本土的课堂教学设计案例开发。随着对DIIEE模型的研究，其培养创造性思维、生成创新产品或流程的优势逐渐受到重视。教学设计作为发展学生思维的问题解决流程，符合DIIEE的创新设计思维的理念。

DIIEE模型不但能够为教师开展培养学生创造性思维的教学设计提供理论的指导，帮助教师合理优化和组织化学课堂教学设计中的重要教学要素，还可以作为化学课堂教学设计的理论框架，为培养学生创造性思维开辟一条可行的路径。因此，本研究以“水的净化”这一有关化学实验的教学内容为例，尝试将DIIEE模型应用于本土化的化学课堂教学课例的开发，并通过教学设计的方式体现其在化学实验教学中的功能和价值，使学生真正参与到设计与发现的过程中，充分经历其中的思维活动，力图为创造性思维的培养提供有效的教学模式。

3 教学过程设计

3.1 教材分析

教学内容选自人教版初中九年级《化学》上册第四章第二节，课时为2课时。通过之前内容的学习，学生已经掌握了物质的变化和性质的基础知识，熟悉了一些实验仪器的基本操作，了解了人类拥有的水资源的相关知识，初步培养了爱护水资源的责任和态度。“水的净化”是对前一节内容的拓展和应用，通过学习本节内容，学生能够进一步运用化学实验的基本方法，掌握水的净化的知识，增进对化学物质的理解，培养实验设计思维和创造性思维。同时，本节内容也为学生学习下一节“水的组成”奠定基础。

3.2 学生分析

学生处于九年级上学期。一方面，他们已经了解了地球上水资源的稀缺和污染现状，对工业污水处理的基本流程有了一定的认识。另外，学生也已经学习了过滤和蒸馏的原理和基本操作，为本课设计污水处理装置奠定了技能基础。另一方面，学生还存在一些迷思概念和认知障碍。例如，学生对污染物的性质以及过滤装置的基本原理是模糊的，关于如何选择合适的过滤材料设计过滤装置，进而提高污水处理效果需要提供引导。此外，学生在设计污水处理装置過程中，克服困难的品质和迭代创新的能力需要进一步培养。

3.3 内容标准

《义务教育化学课程标准（2011年版）》从科学探究、身边的化学物质、物质构成的奥秘和化学与社会发展四个方面对本节课提出了内容要求。为了确定本节课的学习目标，将课程标准的内容要求总结为如表1所示的形式。

3.4 学习目标

基于对教材内容、学生阶段特征以及课程标准四个维度中内容标准的分析，将本节课的教学目标确定为以下三个部分：

（1） 通过搜集资料，了解典型的水污染物、水污染的原因以及对生命体和经济发展的影响;

（2） 学生通过DIIEE模型，提出有创意的想法，合作设计并制作污水处理装置，探究不同装置的效果，培养控制变量的意识和创新思维;

（3） 通过经历污水处理的过程，增强节约用水的意识和防止水污染的责任感，提高创造性解决社会问题的能力。

3.5 教学准备

材料： 水、泥土、墨水、石英砂、瓷沙、活性炭、布料、滤纸等

仪器： 剪掉瓶底的塑料瓶、铁架台、烧杯、玻璃棒、ICPMS分析仪器等

3.6 教学过程

根据DIIEE模型，将教学过程设计为五个环节，教学流程阐释如下。

环节一： 基于情境，发现问题

[教师活动1]通过屏幕呈现《荒野求生》中贝尔在野外喝水的视频片段。

[教师活动2]利用泥沙、树叶等模拟《荒野求生》中的场景，邀请学生尝试设计简单的装置获得干净的水。引导学生提出探究的问题，确定本节课的研究问题——如何使野外的水变得可以饮用。

[驱动问题]通过观看视频和完成活动，分析情境中的“意义”，你能提出什么问题？

[预设学生反馈]经过体验纪录片中的情景并开展简单的净水装置设计，学生可能会提出这些问题： 野外的水能喝吗？喝了野外的水会怎样？如何才能在野外喝到干净的水？贝尔为什么要在吸管中加入木炭？

设计意图： 发现，是指通过搜集资料的手段和方法深入了解净化水资源的挑战。建立第一层次的污水处理认知模型，能够初步识别野外水中的杂质，培养净水意识。通过为学生创设合理的问题情境，引导学生提出自己想研究的问题，激发学生的好奇心和探究的兴趣，引发设计的动机，培养学生发散思维和提出问题的能力，鼓励学生大胆质疑的精神。

环节二： 搜集信息，解释问题

[教师活动]教师向学生提供丰富的阅读材料、信息搜索环境或信息技术工具等，引导学生基于所要研究的问题搜集信息，解释观察到的现象，建构对研究问题的理解。

[驱动问题1]为什么要对“生水”进行处理？

[预设学生反馈1]学生可能会回答： 土壤中可能含有一些不能溶解的杂质、能溶解的重金属离子等，这些物质对人体有害，所以饮用水需要净化。

[驱动问题2]当前有哪些净化水的方法？分析它们的原理和优缺点。

[预设学生反馈2]学生能够回答出以下几种净水的方法： （1）沉淀法;（2）吸附法;（3）过滤法;（4）蒸馏法;（5）灭菌等。能够根据之前学习的经验，分析沉淀、过滤和吸附的优缺点。

设计意图： 解释，是指将所收集的信息建构为自己解决净水挑战的知识。培养学生根据研究问题，利用有关资料信息，分析和解决问题的能力，并且使得当前问题在头脑中得到明确表征，清晰地界定问题;增进学生对水污染物的来源、性质和危害的了解。

环节三： 头脑风暴，优化设想

[教师活动1]在对问题有明确的解释之后，教师带领全班学生开展基于“如何净化泥水”的头脑风暴，引导每位学生提出尽可能多的设计方案，教师延迟对设计方案的评价，鼓励学生将研究问题转化为可行的设计路线。

[驱动问题1]请每位同学尽可能多地提出净化污水的设计方案。

[预设学生反馈1]学生可能会根据之前学习工业污水处理的经验，分别答出沉淀、过滤或蒸馏等几个单独的解决方法。

[教师活动2]在学生提出几个净水方法后，教师提出“如何净化泥水”的挑战性任务，引导学生运用组合法，通过小组合作，设计污水处理的整体方案。

[驱动问题2]请根据不同净水方法的各自优势，将这些方法组合运用，提出泥水处理的整体流程，完成设计图和第一代污水处理装置。

[预设学生反馈2]学生能够在沉淀、吸附、过滤等单个方法的基础上，通过组间合作将想法进行整合，提出更完善的净水方案，设计完成第一代的设计图和污水处理装置。

设计意图： 设想，是指依据对净水资料的解释，采用头脑风暴等方法，收集新奇的观点和想法，为水的净化提供创新性的解决方案。达到污水处理认知模型的第二个层次，即能够过滤不溶性的杂质。通过开展头脑风暴，发展学生的发散思维;通过小组内讨论并优化方案，培养学生的设计思维;通过小组互助，增强学生的合作能力。

环节四： 建立模型，开展实验

[教师活动1]教师进一步提出挑战“如何净化墨水”的任务。引导学生开展小组讨论，集合小组的智慧，对方案进一步优化，形成墨水净化装置的设计草图和第二代污水处理装置。

[驱动问题1]请小组内讨论，如何完成更完整更优化的墨水处理装置模型。

[预设学生反馈1]小组相互讨论，学生经过“发现问题、解释问题、提出设想”等环节，对实验模型提出有创意的想法，并进一步完善方案，形成小组的二代设计图和墨水净化装置。例如，根据思维的有序性，学生可能会按照物质颗粒從上到下、由粗到精的过程，对不同基本材料的选择和组合，设计不同的净水装置图，如图2所示。

[教师活动2]基于挑战任务，分别请不同小组展示设计的装置，重点阐释将如何解决面临的挑战。同时，教师引导其他小组对汇报组提出质疑和补充，并给予相应指导。

[驱动问题2]请提出你对汇报组的意见和建议。

[预设学生反馈2]不同小组的学生基于自己的研究经验，提出对汇报组的意见和建议。

[教师活动3]引导学生接受他人的建议，运用控制变量，考察不同过滤装置中过滤材料的性质、顺序和位置对过滤效果的影响，合作设计制作水污染过滤装置，并探究过滤装置对不同污水的净化效果。

[驱动问题3]请按照设计模型，制作本组的污水处理装置，并设计实验验证装置的效果，完成实验记录单。

[预设学生反馈3]学生开展污水处理装置的制作，并设计实验验证装置的效果。重点通过控制变量的方法，比较分析不同净水材料的效果。例如： 是哪种材料吸附了墨水中的色素？

设计意图： 实验，将如何执行净水器方案作为需要思考的主要问题。达成污水处理认知模型的第三个层次，即能够过滤可溶性的色素分子。通过建立模型的方法，学生头脑中的研究设想得以显化;通过开展实验的方式，学生草稿纸上的方案得到验证，最终培养学生的设计思维。

环节五： 反思总结，改进提高

[教师活动1]引导学生汇报实验结果，并通过开展组内自评和组间互评的方式，进一步分析研究结果及原因。

[驱动问题1]请各小组汇报研究结果，分析实验成功或失败的原因是什么？

[预设学生反馈1]学生可能会基于本组的实验结果进行介绍，但在分析问题时可能不够深入。

[教师活动2]教师介绍并引入ICPMS元素分析仪器，协助学生对净化后水样中的有害元素进行更精确的检测。根据实验效果，引导学生进一步查阅资料，更深入地分析其原因，并提出下一步的改进方案。

[驱动问题2]结合元素分析的结果以及阅读支持材料，谈谈如何对污水过滤装置作进一步改进？

[预设学生反馈2]学生可能通过分析结果和查阅文献对过滤的效果有更深入的理解，并提出下一步的改进设想。通过各小组对自己的净水装置的改进，开展组内自评和组间互评的方式，评价净水装置的美观、效果等指标，从而进一步提高净水装置的美观度和实用效果。

设计意图： 改进，即基于前四个阶段获得的反馈信息，进一步完善净水器的設计。建立第四层次的污水处理认知模型，即能够分析并尝试净化可能存在的其他可溶性的有害离子。通过组内自评和组间互评的方式，帮助学生进行改进和分析原因，增加学生发生深度学习的可能性，培养学生的反思思维和设计思维。

3.7 学习评价

学习评价可以采用两种方式： 一是采用学生间评价和表现性评价相结合的方式，让全班学生对其他小组设计的净水装置进行评分，评分的维度包括实用性、创新性、美观性;二是利用ICPMS分析仪检测净化之后水中的可溶性重金属离子的含量，确定装置的实际净水效果，采用量化评价和结果评价相结合的方式。

4 总结与反思

研究发现，DIIEE模型应用于化学课堂教学具有以下优势： 一是从解决化学实验情境中劣构、复杂、真实的问题出发，为解决化学实验问题提供了一种操作流程或方法;二是关注化学模型的制作，强调将所获得的知识、经验、信息通过化学模型的形式展示出来;三是设计过程反复讨论，通过多次反馈、修正不断完善化学模型，实现知识反复应用和强化;四是倡导小组之间的合作、公开分享设计成果以及化学实验技术的应用;五是有利于学习者高阶思维的发展，包括创造性思维、实验设计思维等。

将DIIEE模型应用于化学课堂教学设计中，通过不断改进污水处理装置，逐步实现认知模型四个层次的学习进阶，充分发挥DIIEE模型在培养学生创造性思维方面的育人功能。首先，在“发现”阶段，能够有效激发学生的求知好奇心和探究的兴趣，强化学生通过开展实验设计解决劣构问题的动机，为创造性思维的培养提供情感酝酿。其次，在“解释”阶段，学生通过在信息丰富且开放的学习环境中搜集信息、界定问题，能够使劣构的开放问题在头脑中形成明确的表征。其三，在“设想”阶段，学生在教师的引导下，基于挑战性任务开展头脑风暴，进而创造性地形成设计方案，充分激发学生的发散思维的生长。其四，在“实验”阶段，学生根据进一步的挑战性任务，通过合作学习的方式，对原有的污水处理装置进行深度的优化设计，并通过设计实验的方式对装置的效果进行验证，极大地发展了学生的设计思维。最后，在“改进”阶段，学生在基于小组学习过程的表现性任务评价和基于仪器分析结果的量化评价的过程中，总结成败经验，从而提出指向深度学习的改进设想。基于整个项目式学习的过程，外化的“发现解释设想实验改进”活动五环节最终转化为学生认知中的创造性思维，学生投入创造性活动过程中情感和态度也因此得到加强。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部. 教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见[EB/OL]. （20191120）[20191122]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html？from=timeline&isappinstalled=0.

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