基于变异理论的高中化学深度学习

许玉明， 郑旭辉

(1.福州华侨中学， 福建 福州 350004；2.福州第十四中学， 福建 福州 350004)

瑞典教育学家马飞龙在20世纪70年代为区别于机械式的学习、孤立的浅层学习提出了“深度学习”概念后，国内有不少文献对高中化学深度学习开展应用研究：如黄清辉等从思维导图、三重表征和观念建构等维度进行了研究[1]，认为深度教学的课堂不仅要有知识深度、思维深度和情感深度[2]，更要触及事物内部和本质的程度；黄华文从模型认知促进学生深度学习进行了探讨[3]。马飞龙在20世纪90年代提出的变异理论，认为学习就是学习者先审辨所学对象的“关键特征”，通过它使学习者突破浅层学习，促进深度学习，从而提高学习效率。笔者查阅国内文献，从变异理论视角对高中化学教学策略的研究比较缺乏，本文就教学中如何运用变异理论促进学生深度学习，发展学生核心素养，提出相应教学策略，以期为一线教师提供借鉴。

一、“变异理论”的学习观

许多教师在教学中都有这样的困惑，就是在课堂讲授的教学内容有些学生并不能很好地掌握。变异理论认为，学习是发展学生对事物看法的一种方式，教师讲授的教学内容与学生接受的内容有差异，造成这种差异的原因在于学习内容关键特征的识别，而对关键特征的识别依靠这个属性在某个维度上的变异，差异性和共同性都有利于认识事物的特征。如我们要教学习者认识一个“绿色的三角板”，对学习者说“绿色”，学习者是无法掌握“绿色”这个概念的，因为他并不能辨析颜色为“绿色”还是形状为“绿色”，应该列举不同颜色的三角板进行区别，还应该展示绿色彩笔、绿叶及绿灯等绿色物体，通过改变这些背景属性来突出“绿色”这个目标属性，进而获得对“绿色”属性的认知。该事例形象地说明“变异理论”关于学习的核心是：以事物的差异性和共同性为前提，学习者通过审辨这种变异来完成学习任务；也说明在传统迁移理论中提出的“不同情境间因共同性或相似性发生迁移”存在不足，这是变异理论对传统迁移理论的修正和补充之处[4]。

“审辨”和“变异”是变异理论中两个特别强调的重要词语。“审辨”指欲认识一个事物，须先寻找出该事物与其他对象不一样的关键特征，然后进行“变异”，即指要识别该事物的关键特征，该特征在某些维度上要发生变化。教学中尽可能创设“变异”环境，让学生进行“审辨”，最终完成学习的任务。变异理论关于变异提出分离、对比、类合和融合等四种范式[5](见图1)。通俗地说，变异理论从“学什么”(审辨)与“怎么学”(变异)的两个维度出发揭示了学习的奥秘。

图1 变异图式

从上述变异图式可知，学生学习的步骤为：首先审辨物质关键特征，明确变异的内容和不变的内容，其次要根据学习内容和情境特征选择四种范式策略进行变异，最后识别物质关键特征，达到深度学习目的。

二、“变异理论”策略在高中化学教学的实践

(一) 基于“分离”策略，促进深度学习

“分离”指保持背景属性不变，注意集中一个概念或现象的某个变异维度上，这个变异维度就是“关键属性”，才能够将其从整体中进行区分。如要识别绿色，仅仅提供绿色的粉笔是不够的，还需要提供黄色(或其他颜色)的粉笔。这种思维与控制变量思维的特征一致，是一种“从不变中发现变化的思想”，是化学教学中较为常见的一种思维方式。

例如，“化学反应速率”教学中，探究外界因素对其影响时，需要分离浓度、温度、固体表面积大小以及催化剂这四个关键属性，根据“分离”这种思维方式，“影响化学反应速率的因素”教学片段设计如下：

【学生活动】 根据下列提供的实验器材设计实验，探究影响化学反应速率的因素。

“探究影响化学反应速率的因素”仪器及试剂

表面积大致相同的铁片、镁条、盐酸(0.1 mol·L-1，1.0 mol·L-1)、块状碳酸钙、粉末状碳酸钙、4%的H2O2溶液、12%的H2O2溶液、二氧化锰粉末、0.2 mol·L-1FeCl3溶液、土豆、热水、试管、药题、镊子、烧杯等

【学生活动】 讨论交流。

设计的方案如下：(1)相同形状的Fe片和Mg片分别与同浓度HCl溶液反应；(2)块状和粉末状CaCO3分别与同浓度HCl溶液反应；(3)粉末状碳酸钙分别与不同浓度的盐酸反应；(4)二氧化锰与12%的H2O2溶液反应。

【驱动问题】 土豆是否可以做H2O2分解的催化剂?

【学生活动】 讨论交流及总结：设计实验证明土豆是否为H2O2分解的催化剂，既要证明土豆是否改变H2O2分解反应速率，也要证明土豆本身质量没有发生变化，还要证明土豆的化学性质有否发生变化。

【展示】 实验设计方案如表1：

表1 土豆是否是过氧化氢分解的催化剂实验

基于变异理论设计环节变异图示如表2所示：

表2 变异理论设计环节变异图示

探究“影响化学反应速率的因素”实验中，通过实验1对比实验，探讨内因是化学反应速率的重要因素，通过实验2、实验3对比实验，分别探讨两个方面固体表面积大小、浓度与化学反应速率的影响。在土豆是否是过氧化氢分解的催化剂实验中，教师从实验4土豆是否是过氧化氢分解的催化剂实验出发，通过实验1与实验2、实验1与实验3、实验3与实验4，以及实验2与实验5的对比实验，促进学生审辨出催化剂是影响化学反应速率原因。通过这些对比实验，促进了学生深度学习，取得了良好的效果。

(二) 基于“类合”策略，促进深度学习

变异理论认为“类合”是指如果要识别一个事物的关键属性，就需要在其他属性变化时保持这一属性不变。如仍然以认识绿色为例，要认识绿色时，可以展示绿色衣服、绿叶及绿灯等物体，通过改变这些背景属性来突出绿色这个目标属性，进而获得对绿色属性的认知。简单来说，类合是在“分离”基础上的一种逆向思维方式，让学生在变化中找到不变的思维，在变中求同，达到深度学习目的。

现以江苏省某年高考题为例。已知工业上多沙唑嗪的合成路线如下：

A B C

D E F

(1)写出D中两种含氧官能团的名称：________和________。

(2)(3)(4)(略)

(5)请根据所学知识写出设计以苯甲醛和CH3CH2OH为原料合成苯乙酸乙酯的路线。

基于变异理论设计环节变异图示如表3所示：

表3 变异理论设计环节变异图示

(三)基于“对比”策略，促进深度学习

对比指的是将一个事物或概念在某个维度上进行对比。例如，电解质概念是培养学生微粒观、分类观的核心概念之一，由于电解质概念的特点和学习者的认知角度不同的原因，常在“或”和“化合物”这个词的认识上出现偏差，根据教参、文献及以往经验发现，学生常常出现以下误区：(1)电解质的条件(必须是化合物)认识不足，把氨水、盐酸、金属Cu等当作电解质；(2)对化合物本身要电离出阴阳离子也认识不足，如常把二氧化硫、CO2、NH3当作电解质；(3)认为电解质呈固体状态时也具有导电能力，如把不溶于水的AgCl固体、BaCO3固体当作非电解质。基于变异理论设计环节变异图示如表4所示：

表4 变异理论设计环节变异图示

教学中选择对 “导电”以及“化合物”两个关键属性进行变式：审辨导电的关键特征是“自身能电离出自由移动离子”，启发学生对NaCl溶液、蔗糖水溶液以及NaCl固体的通电实验现象的思考及应用flash动画展示NaCl的电离、蔗糖不电离的过程，应用对比、分离策略；同理，“电解质须是一种化合物”中，审辨的关键属性是“化合物”，通过对比NaCl溶液、铁丝、泥水之间的比较，识别电解质的关键属性——必须是化合物。通过对“导电”以及“化合物”两个关键属性的变式，引导学生进行观察、思考、交流讨论、分离和比较，促进了深度学习的发生，培养了分析、评价、创造等高阶思维。

(四)基于“融合”策略，促进深度学习

变异理论认为融合是对事物或概念的多个关键特征同时变化，变化如何相互关联并与整体的联系，是对分离、对比和类合三种策略的综合运用。

例如，在高三“硫及其化合物的转化”教学中，教师通过课前了解，有些学生对价态理论比较模糊，有些对氧化还原反应、电化学原理存在迷思现象，有些学生对溶度积的计算掌握得不是很好。根据这些问题，决定对本节知识内容进行整合与重构(见表5)。

表5 重构“硫及其化合物的转化”教学设计

环节1价类二维关系图中的“硫”承载着“分类的方法”和“研究物质性质的思想和方法”。环节2氧化还原反应的“硫”中硫化钠溶液与氯化铁溶液互滴产生不同现象的关键属性是反应产物与溶液的酸碱性有关，变异属性是溶液的酸碱性。根据Fe3+具有的氧化性、沉淀反应、与硫离子双水解三方面性质，探讨产生不同现象的原因，得出可能发生的主要产物，进一步感悟了条件对反应的影响。环节3化学平衡中的“硫”中，关键属性是电镀废水的铜离子形成沉淀，变异属性是NaOH、Na2S、FeS，是否可以除去含铜电镀废水的铜离子，将其从整体中进行区分，通过分离引导学生利用化学平衡常数，从微观的角度深入分析化学反应发生的原理。环节4电化学中的“硫”通过重构氯碱工业、工业电解硫化物除杂等，运用所学知识解决生活中的化学问题，体会化学知识的生产生活价值，体现科学、技术社会环境发展成果。

通过这种教学设计，引导学生学会深度学习，实现应用“硫及其化合物的转化”知识解决相关问题，促进学生高阶思维的发展，提升了化学核心素养。

三、基于变异理论的化学教学建议

(一)重视教学情境素材的重构

高中化学知识体系中，许多物质的化学性质、解决问题的方法等有着内在的相似性，因此，教师在教学中要重构教学情境素材，促进知识的网络化、系统化，寻找知识的共同性和差异性，认识事物的特征，促进知识的转化。如在“元素及其化合物”单元，关于CO2和SO2性质，由于二者有着非常多的相似性使学生容易混淆，需要运用“分离”“对比”策略引导学生区分二者的差异性在于“硫的正四价是中间价，具有还原性，碳的正四价是最高价，只有氧化性”，也可以利用相似性选取每主族的代表元素之一，学习其“位、构、性”，再用“类合”策略学习同族其他元素；还有如弱电解质的电离平衡、难溶电解质的沉淀溶解平衡和化学平衡原理、有机反应原理及官能团的性质等都是让学生“在变化中找到不变”的思维较理想的素材。

(二)教师的专业素养提升

变异理论将发展事物关键属性的能力视为我们教学的基本目标，是一套可操作性的具有前景的理论。但新课标新课程实施以来，变异理论视域下进行的教学设计相关研究十分缺乏，经验不足，如可能会对知识关键特征理解有误，或者审辨出了活动内容的关键特征，但如何选择变异策略对学生进行有效引导，是我们广大教师不断研究和思考的任务，所以需要教师加强学习，提升专业素养，凸显关键作用，才能实现对教学理念更新，对化学知识的重构，对教学行为转变，遇到问题解决问题，最终实现“立德树人”的根本任务。

综上所述，“变异理论”的研究体现了化学学科实用价值，相信通过“变异理论”的研究会给学生所感知的世界带来新的蜕变。▲