从“知识结构化”到“认知结构化”——高中化学结构化教学简析

王换荣，陈进前

（1.杭州第十四中学，浙江 杭州 310015；2.杭州市基础教育研究室，浙江 杭州 310003）

《普通高中化学课程标准》（以下称《新课标》）提出：“化学学科理解是指教师对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识，它不仅仅只是对化学知识的理解，还包括对具有化学学科特质的思维方式和方法的理解。”王磊认为只有结构化和功能化的知识才会有素养价值，将知识内容主题化，形成具有可迁移性的特定图式，有利于知识结构化和功能化，是知识转化为素养的关键［1］。教师唯有深刻参悟结构化的内涵，才能帮助学生搭建结构化的知识体系，结构化水平直接决定着素养发展水平。

一、四种结构化的流变与发展

新课标中先后共出现了29 次与“结构化”相关的表述，提出了“课程内容的结构化、知识关联的结构化、认识思路的结构化、核心观念的结构化”这4条与“结构化”相关的概念。依据课标与近二十年相关文献调研，提出“从知识结构化到认知结构化”的进阶，这是从知识表层上升到化学学科本质及化学学科知识向素养转化的必经阶段。

1.与结构化相关概念的发展分析

所得“结构化”的文献中，2004年到2015年期间，除2006年和2010年各4 篇外，每年均以低于4篇的增幅增长，2016年出现突跃，达到8篇。这是因为联合国教科文卫组织在2015年发布了“反思教育：向全球共同利益的理念”一文，文中提出“把知识界定为通过学习获得的信息、认识、技能、价值观和态度的综合”，掀起了“学生如何面对教育正在发生的深刻变革”的热议。因此，教育界提出结构化教学（Structured Teaching）和结构化学习（Structured Learning），它们能使知识更具意义。改革引发了大量研究，2020年出现与结构化相关的文献31篇，2021年23 篇。其中，与认知结构化相关的共5篇（1篇硕士学位论文，4篇期刊论文），除2011年的1篇外，其余集中在2019到2021年。与思维结构化相关的共6 篇（期刊论文），均集中在2019 到2021年。尚未检索到与观念结构化相关的文献。可见，教育界对结构化的认识水平逐年更进，从知识到认知，对主要原理和概念等陈述性知识开始向原理和概念的程序性知识转换。若学生能形成系统的知识结构，随着知识储备日益增多，再学新知识时需要的努力就越小，因为新知识可以用恰当的联结方式整合进原有的知识结构中，从而使回忆与提取都相对容易［2］。

2.四种结构化的关联性分析

知识结构化是最直观和易于理解的表示和实现知识推理的框架。思维结构化是以事物的结构为思考对象，纵向先总后分，找出问题的关键后逐层往下分析，横向通过归类分组的方式将信息排序的一种立体化的分析方式，体现的是从无序到有序的思考过程。学生解决问题效率低下的根本原因在于逻辑结构不清晰，没有形成快速有效的处理信息的思维方式。广义的观念是具体的主流认知，主要指哲学中的本体论、世界观，狭义的观念是解决问题的思想和方法论。认知是观念的前提，对事物的认知不同，形成的观念也会改变［3］。由于观念不是具体的知识，是相对主观的，一旦形成比较难改变。文中的观念指的是化学学科的核心观念，即思想和方法等。截至目前，观念的结构化研究尚属空白。认知心理学认为，知识结构化是形成认知结构化的基础，学习是学生主动地在头脑内部构造认知结构。学习的结果不只是针对某种特定刺激作出的某种特定反应，而是在头脑内部重建认知图式。图式的形成和变化是认知发展的实质。从知识结构化到认知结构化的进阶，伴随着思维结构化和观念结构化的发展。四种结构化的关联见图1。

图1 四种结构化的关联图

3.对结构化学习的发展分析

从知识结构化到认知结构化的发展依靠学生结构化学习的开展。所得“结构化学习”的文献中，学位论文占16 篇。史耀芳最早从现代教育心理学视角研究个体差异，“除了关注学习者的努力和已有知识、成就动机以及相应的个性特征外，还特别重视学习者的学习风格，如结构化与非结构化学习风格”。2000 至2016年均低于8 篇，2017年到2021年大幅增长。其中，侧重结构化学习的87 篇，着重结构化教学的8篇。学生结构化学习的关联见图2，学生对知识的学习只有实现概念化、结构化和策略化之后才能真正促进问题的解决。

图2 结构化学习的关联图

二、结构化教学设计

学生结构化学习方式的养成需要教师结构化教学的长期渗透。大量文献显示，结构化教学指教师在学生已有认知结构的基础上，基于学生的心理与思维活动，通过真实、有效的情境激发，有组织、有系统地安排学习环境、学习材料、学习手段及学习程序，高质量地组织学生整合教材的知识结构，学生自主建构整体关联，把握知识元素的内在结构逻辑，最终达成学习目标，并转变为学生的新的认知结构的过程［4］。结构化教学强调教师基于学生原有的认知结构来确定学生的思维原点，系统地创造教学环境，并组织结构化的情境系列和教学主线。从教学效果来看，结构化的教学设计更利于优化高中化学新概念、单元新授课和单元复习课的教学。

1.概念新授课的结构化设计

新课标指出，在必修课程阶段，要突出化学基本观念（大概念）的统领作用［5］。不管教师想帮助学生获得什么样的概念或技能，都要依据学生的认知水平，尽量把这些概念和技能与某种大概念联系起来［6］，并需要以适合学习者不同认知发展阶段的方式来表达［7］。以大概念为统领的结构化教学，是将细化且具体的事实、概念与学科中普适性更高、兼具认识论与方法论意义的大概念建立关联（如图3 所示），让学生从中领悟更有普遍意义、具有持久迁移价值的学科思想和解决问题的思路方法［8］。

图3 大概念的分解结构示意图［9］

教师在讲授人教版（2019 版）必修一第一章物质及其变化第二节离子反应的新课时，要通盘考虑，尽量围绕能统摄或包含大量学科知识、具有普遍性和广泛解释力的学科大概念“物质是由微粒构成的”来组织结构化教学［10］。第一，通过多媒体技术或模型展示微粒构成，建立化学符号与实物之间的联系，提升学生宏微联系的思维能力。例如：投屏Na 和Cl2、H2和Cl2反应过程的动画模拟，在学生尚未学习离子键和共价键时，提前感知NaCl是化学式，HCl是分子式。第二，用典型的实验帮助学生理解强、弱电解质。例如，课堂演示“试验物质的导电性”实验，让学生感知溶液的导电性与离子的浓度和离子的电荷量成正比。第三，掌握反应的机理，关注反应条件的变化。例如，以Ca（OH）2澄清溶液与NaHCO3溶液过量与少量的反应为例，让学生通过观察实验现象感知并能解释反应物在不同反应条件下往往产物不同的原因，学会用变化的观点认识离子反应。第四，创设不同的问题情境，紧扣“表示物质组成结构和物质变化过程的微粒”，能用简明的离子方程式正确表达物质及其变化过程的实质。例如，H2SO4与Ba（OH）2、H2SO4与NaOH反应的离子方程式不同，让学生理解离子方程式可以反映同一类反应的实质，但要注意区别，加深对基础知识的理解，发展学生抽象思维的能力。第五，引导学生自主归纳，建构知识网，提升他们在新情境中的类比推理和应用能力。

2.单元新授课的结构化设计

新课标指出，教师在组织教学内容时应高度重视化学知识的结构化设计，尤其是单元新授课的设计要注重化学思想和方法的统摄，有目的、有计划地进行“认识思路”和“核心观念”的结构化设计，逐步提升学生的化学知识结构化水平，发展化学学科核心素养［11］。结构化的单元内容整合设计框架如图4所示。

图4 单元新授课的结构化设计

教师在讲授人教版（2019 版）必修一第三章铁金属材料的新课时，从认识元素及其化合物性质的视角，把两个单元整合成四课时，课时1 主题为铁的单质、氧化物和氢氧化物，课时2 为铁盐和亚铁盐，课时3 为铝和常见的合金及应用，课时4 为物质的量在化学方程式计算中的应用。每一课时都要以本章的核心方法“基于物质类别和元素价态两方面可以预测物质的性质”为授课主线。例如，讲授课时1 时，设计如图5 的铁及其化合物转化结构示意图。对于Fe2O3，从物质类别来看属于碱性氧化物，预测它具有碱性氧化物的通性；从元素价态来看，Fe2O3中Fe 是+3 价，为铁元素的最高价，预测它具有氧化性，可与具有还原性的物质反应。基于物质类别和元素价态，还可设计物质间转化的途径。从单质Fe 到FeSO4，既可基于物质类别设计金属单质与酸、与盐的置换反应获得；也可基于元素价态设计单质铁与+3 价铁反应得到+2 价铁。

图5 铁及其化合物转化结构示意图

3.单元复习课的结构化设计

新课标指出，单元与模块复习应依据内容要求，围绕化学核心概念和观念的结构化来进行，通过提问或绘制概念图等策略，诊断学生化学核心概念和观念的结构化水平；对于处在“知识关联”水平的学生，应引导他们进一步概括核心概念的认识思路，形成基于“认识思路”的结构化，从而提升化学核心概念和观念的结构化水平，发展化学学科核心素养［12］。层次性是良好认知结构的特征之一，构建图6中内容结构化的复习课有利于优化学生的认知结构品质。

图6 内容结构化的复习课构建模型

以人教版（2019 版）必修一第二章海水中的重要元素——钠和氯的复习课为例，内容结构化的单元复习课重在扩展知识本身的正向迁移作用，其结构化框架见图7。从三个层面建立关系，首先引导学生整理知识之间的关联。例如，以不同类别物质间的转化为线索，认识钠及其化合物；以含不同价态同种元素的物质间的转化为线索，认识氯及其化合物。其次是围绕核心问题的讨论。选择Na、Na2O2、Na2CO3和NaHCO3中的一种或几种，分类认识物质的物理性质、化学性质和用途。基于Cl2的性质，认识实验室和工业制取Cl2的方法，掌握Cl2的用途。最后，通过氯碱工业和氯气的尾气吸收将钠与氯相互关联，由表及里建立层次性关系，并将认识引向深入，共同体验海水是多种工业原料的来源。

图7 海水中的重要元素——钠和氯的结构化复习课框架

三、结构化教与学的启示

知识结构化是思维、认知、学科核心观念结构化的前提，学生若能将化学知识结构化，形成良好的认知结构体系，自然会抛弃化学知识繁、难、散、乱的感觉，这就要求教师在结构化视角下对“教与学”的过程开展设计和创新［13］。当然，结构化教与学着眼于学习生态系统的持续优化和核心素养的落地，需要通过情境的结构化来撬动问题、内容和思维结构化，进而不断提升学生的学习境界，需要教师时常关注自身的专业成长，不断更新教学情境素材。▲