基于设计思维的自适应赋能化学探究教学模式构建研究

杨笑 占小红

摘要： 从创新思维培养的目标出发，将设计思维引入化学探究教学，借助经典DEIPT模型重构化学探究教学活动流程。同时考虑到设计思维实施对教学空间的要求，介绍了智能时代背景下自适应技术的功能、适配性与应用现状，以该技术为支持开发了基于设计思维的自适应赋能化学探究教学模式。以选择性必修课程“原电池”内容为主题设计了“设计最佳的原电池”探究教学案例，对该模式予以说明，并对自适应技术的发展作出展望。

关键词： 化学探究教学； 设计思维； 自适应学习

文章编号： 1005-6629（2023）04-0013-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  引言

在当前国家创新驱动发展的战略背景下，创新性人才的培养越来越受到重视。创新思维的培养也成为化学教学活动的重要目标之一。创新思维是指能形成有创新性和价值性的思想观念与理论方法的一种高级的、复杂的认知能力［1］。2017年版化学课标［2］中提出：倡导开展以化学实验为主的多种探究活动，激发学生兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力。因此探究活动的本质就是在问题发现及解决过程中实现实践创新［3］，它是化学教学中指向创新思维培养的重要载体。在此背景下，化学探究活动不断探索指向该目的改进，如引导学生发挥主动性进行探究与解释，同时注重全方位的学生评价。设计思维基于其在促进创新思维培养方面的重要意义也受到关注［4］。设计思维是个体为解决劣构问题，运用创新手段进行的一系列连续思考及行动的总和［5］。将设计思维融入探究实践，基于真实主题开展以项目为载体的迭代设计，使学生有目的地运用创造力，通过多种途径寻找解决方案并构建知识［6］，是化学学科培养创新型人才的必然选择。而设计思维活动价值的发挥对教学空间提出了较高的要求，传统教学空间的适应性与灵活性低，为该目标的实现带来一定阻碍。智能教育背景下的自适应学习技术能够很好地改善这一困境，使学习者在一定程度上依据自己的兴趣、需求和水平，積极主动地选择合适的学习内容［7］，这与个体创新息息相关。因此本研究尝试以自适应技术为赋能工具，在其支持下构建基于设计思维的化学探究活动，以“设计最佳的原电池”为例说明设计要点与流程，并对当前自适应技术的应用作出展望。

2  设计思维融入化学探究教学的意义

“设计思维”（Design Thinking）是通过为学习者提供适当的思维支架与方法支持，引导其逐步掌握方案构思、原型迭代等一系列创新方法技能，最终能够创造性地解决问题或设计创新产品的方法论与创造过程［8］。

化学探究活动同样承载着培养学生创新性解决问题的能力目标。在提出问题与假设、设计实施方案［9］等一系列实践过程中，学生获取证据并做出科学解释，在体验丰富的创造情感的过程中发展对客观事实和现象进行合理解释的学科高级能力。然而从创造性思维这一目标的实现出发，化学探究教学基于设计思维进行重构存在如下的必要性：

从活动目标上，传统探究活动常关注学科知识及可见的探究结论获取（往往是已知的科学原理等），而设计思维过程则以复杂问题为导向，除学科及跨学科知识外，更关注问题解决中的思维历程，突出体现在对对象（产品、用户潜在需求）与方法（产品的价值实现过程）两个未知点的探索，这正是促使创新发生的关键所在［10］。

从活动内容上，设计思维融合了工程设计方法、科学、艺术等学科［11］，其丰富的思维模式能够为探究活动的内容设计提供有力支持，能够在学科基础上拓展探究问题范围，激发学生动机。

从活动过程上，没有明确框架指引的探究易流于形式而接近于普通的化学实验活动，学生主体的探究氛围难以形成，学生的综合素养未得到关照。设计思维支持下的活动往往给予学生明确的思维策略与工具，使活动过程成为考虑社会需求与问题解决的建构过程，包含着“发散-收敛”思维与产品测试迭代的两个主要循环过程。此外，学生在共情过程中自己构建问题、寻找焦点，而非仅仅处理预先确定好的问题，能够发挥主观能动性。

综上，设计思维融入后产生了不断迭代的动态过程，在支持学生创新思维培养的同时发展了跨学科知识，增强了问题解决能力与社会素养，有利于“科学探究与创新意识”与“科学态度与社会责任”化学学科核心素养的发展。因此可以尝试从二者的共同培养目标出发，以设计思维为依据重构化学探究教学活动，以提供更清晰的活动过程支架，以更丰富的情境将学生思维的发散聚合与实验操作纳入过程，更明确地导向培养目标并做出全面的评价。

3  基于设计思维的自适应赋能的化学探究教学模式构建

3.1  基于设计思维的化学探究教学模式构建

本研究首先以设计思维为依托重构化学探究教学模式，包括活动目的、活动过程及活动评价三部分。

活动目的上，知识维度从学科知识扩展到跨学科背景知识，能力维度上创新思维的培养则被单独提出。活动过程是培养目标实现的主要载体，本研究依据当前教育领域最为经典与广泛使用的DEIPT设计思维模型，结合必要的思维工具进行重构。DEIPT模型是围绕“共情（Empathize）、定义（Define）、构思（Ideate）、原型（Prototype）、测试（Test）”五个环节的迭代过程。其中“共情”是指学生设身处地于情境中考虑受众需求，发散性思考问题背景及关联知识；“定义”即确定初步方案；“构思”是形成最终方案的过程，其结果是“原型”的产生，随后通过“测试”不断修正原型以确定最终产品。重构的基础在于，上述迭代过程能够满足科学探究的一般过程与培养目标要求，尤其凸显了创新思维的培养。活动评价亦为活动过程的最后环节，由于其相对独立性与重要性而被单独列出。最终将活动过程划分为课前准备、课中迭代及活动评价三大部分（如图1）。

3.2  自适应赋能的化学探究教学过程

外部教学环境对上述重构过程能否实现培养效能起到重要作用［12］。具体来说，该教学环境一方面需提供资源帮助个体进行发散思维；另一方面需提供引导帮助小组进行思维的收敛统一，包括提供实验材料、可灵活移动的座位；能够推送资源、记录参与轨迹、可视化绩效分析等帮助过程推进和记录的自动化工具等。这对重构模式的外部组织实施方式提出要求：在物理环境上，需要为学生提供能够满足探究推进的实验用具、展示白板等；而个性化资源支持、过程记录等环境要求，则因当前智能学习大背景下自适应技术的存在成为可能。自适应技术是多项智能技术的整合，能够根据不同学习者的认知风格、认知能力、动态表现等提供针对性、适应性的学习服务（Adaptive Learning）［13］。具体包括［14］：（1）自动记录过程数据：平台自动推荐符合学习者认知水平的个性化资源，根据其个性特征引导深化认知，同时自动记录学习过程和结果，持续刻画学习者模型；（2）学习者水平评估：通过学习分析对比录入数据与领域模型知识颗粒，评估学习者认知、情感和动作技能等方面的初始水平、目标需求和学习绩效；（3）数据反馈与资源推荐：学习推荐系统接收评估，自动推荐适切的学习内容、资源和路径。

自适应技术目前已逐渐成为新增关键教育技术之一［15］。情感分析、大数据等技术的不断涌现推进了人工智能与教育科学的深度交叉融合，当前的自适应系统已经从最初的智能到自适应，从感知到认知，从低级认知到包括初级意识的高级认知。以计算机为媒介，以学习平台为主要形式的自适应技术已经被许多机构使用，如美国的ALEKS，国内的作业帮、小猿搜题等，均能够实现上述部分或全部功能，基本能够依据学习者需求和学习特征提供开放式、关联式、分享式的学习方式以明确学习进度、提升学习效果。

综上所述，自适应技术赋能的教学环境下进行的具体教学过程可体现为如下四环节。

（1） 激发共情，明确方案。面对亟待解决的结构不良问题，学生需置身于情境中考慮：对于用户，何种产品被需要及设计方案何为。本研究选择“同理心地图（Empathy Map）”（如图2）思维工具辅助该过程进行。环境支持上，教师需在自适应平台上发布活动主题、筛选背景要点推送，学生独立思考完成地图（可按需调整内容与数量），并在教师引导下共同交流、聚合思维明确探究方向。随后类似上述过程，教师推送明确方向后的深入内容，学生借助POV（point of view）思维工具（如图3）聚焦探究问题与解决方案。

（2） 头脑风暴，确定方案。以小组合作为主要形式，借助SCAMPER思维工具（如图4；可替换）进行组内头脑风暴，交流原始方案并确定最终方案。环境支持上，自适应平台以数据辅助教师异质分组与及时干预、辅助学生在过程中获取资源与问题解决。

（3） 测试方案，调整原型。学生通过测试收集数据，如当前方案不符合预期则返回调整，这一阶段以实验操作为主。环境上，教师采用观察、后台数据监测等方式指导学生。嵌入自适应技术的虚拟实验室可用于测试环节以构建更完善的学习者模型。

（4） 交流结果，互动评价。在环境支持下，形成性评价在传统教师观察的基础上纳入了自适应平台的自动记录；终结性评价则包括教师直接评价与小组自评互评，课后教师也可借助平台推送适应性测验（见图5）。

4  基于创新思维培养的自适应赋能探究教学模式的应用——以“设计最佳的原电池”为例

本案例选自选择性必修课程原电池相关内容，该探究建立在学生已有知识基础上，能够在教师引导下进行；具有一定难度，可以引起学生兴趣，激发创新动力。该主题的教学目标如下：

（1）了解生活中的常用电池，感受其社会需求；（2）在掌握原电池基本构造基础上进一步深刻认识原理，设计多样原电池模型并探究效果；（3）在过程中发散与聚合思维，为现实问题寻求科学的解决方案，体会化学发展的重要意义。

环节1  （准备阶段）激发共情，明确方案

［教师活动1］教师课前发布探究主题——“设计最佳的原电池”并邀请学生讨论：电池是生活中的必备物品，作为电池设计者，会考虑哪些用户？他们具有何种需求？请大家结合平台推送与查找，使用同理心地图（如图2）列举对象与需求。

［预设学生反馈］学生接收个性化内容，了解背景知识后，可能提出：电池用途广泛但功能较一致，可将普遍的“用户”作为共情对象，用户需求可能包括：体积外观、操作便捷性、电流大小、可持续性、内部物质是否对人体或环境有害等。

［教师引导］根据大家的想法，我们可以将四个象限的主题基本确定为：

<使用体验>（包括电池体积、操作便捷性等）

<电池外观>（包括简洁外形等）

<电池性能>（包括电流大小、可用持续时间等）

<环保要求>（包括电池内部物质是否对人体或环境有害）

但由于目前改进对象仍为“原电池”，即一种将化学能转化为电能的最初始装置，电池外观简单直接，因此<使用体验>和<电池外观>将作为电池内部完善后考虑的优化内容，<环保要求>则要求大家尽可能选择绿色的材料与反应。综上，本次探究的方向聚焦于<电池性能>，即怎样组建电流大且持续时间长的“最佳”原电池呢？

［教师活动2］教师在自适应平台勾选原电池相关知识点推送并发布驱动性问题：结合单液原电池的组件与其中发生的氧化还原反应，思考哪些组件可能影响化学能到电能的转化效率？需要哪些药品与仪器？怎样获知电池效能？

［提供工具］请大家结合同理心地图与平台推送资源，使用POV工具（如图3）明确探究对象、目标与初步方案。

［学生活动］学生获得资源与引导。如平台推断学生A对基础知识掌握度低，则推送更多附加资源；对于已掌握必要知识的学生B，自适应平台则在少量诊断后不再推送内容，几乎不会使其增加负担。随后学生尝试解答驱动性问题。自适应平台通过记录学生点击搜索等行为进行诊断与关联内容呈现，教师结合后台数据差异化给予支持，精准克服创新开端的障碍。

如学生A的POV工具填充为：

（1） 对象：原电池。

（2） 目标：设计出效能好的原电池（包括电流大和可用时间长）。

（3） 初步方案：

原理：必修部分的单液原电池以锌片和铜片为电极，以稀硫酸为电解液。锌电极失电子是电流产生的根源，电解液构成回路，其导电程度也很重要，所以电极和电解液的选择会影响转化效率。

药品和仪器：稀硫酸、稀盐酸、石墨电极、铜电极、锌电极、镁电极、灵敏电流表

方案：验证更活泼的电极与更强导电性的电解液能否带来更强的、更持久的电流。

学生B的POV工具填充为：

（1） 对象：同上。

（2） 目标：同上。

（3） 初步方案：

原理：根据平台提供的原电池视频，我观察到锌片会在稀硫酸中冒出气泡，说明有一部分锌片似乎直接与酸反应了，可尝试将其更换为不与锌片反应的导电溶液来构成回路，可能提高能量转化效率。此外根据资料我发现电流传感器可以作为更准确的测量仪器。

药品和仪器：稀盐酸、同浓度的氢氧化钠溶液、石墨电极、锌电极、电流传感器

方案：验证不与锌片直接反应的氢氧化钠溶液作电解液时能否带来更强、更持久的电流。

设计意图：寻找恰当问题情境激发学生兴趣，发挥设计主动性。在明确设计方向与具体方案的过程中借助思维工具训练学生的发散与收敛思维。其中教师对方向的准确把握、适时的引导转折与资源推送对于创新开端的建立非常重要，如教师活动1、2中的核心关注点不同，1更关注兴趣激发与思维发散，推送内容侧重于探究必要的背景知识；2则意在明确初步方案，推送资源比1更为深入聚焦。自适应平台起到沟通师生、推送个性化资源并持续记录及提供数据反馈的作用。

环节2  （迭代阶段）头脑风暴，确定方案

［教师引导］小组讨论确定设计方案，可借助SCAMPER思维工具（如图4）从多方面对彼此的方案提出改进与整合，对于不确定内容可进行平台查询或询问老师。

［预设学生活动］组内介绍各自方案并进行对比、记录与整合，在平台上进行查询知识内容，该行为被标记并纳入学习者模型。最终确定组内设计方案。

设计意图：异质成员间交流互补。在建立初步方案的基础上，借助思维工具展开头脑风暴，帮助学生拓展、发散和整合思维。自适应平台为学生的学习提供全程支持与记录，教师可以通过后台数据进行必要干预。

环节3  （迭代阶段）测试方案，调整原型

［教师活动］测试时请注意实验操作的规范性与数据记录，及时进行组内交流以调整方案。

［预设学生活动］某小组实验发现：电极活泼性越高，产生电流强度更高，而相同电极置于导电能力相同（离子数量相同）的电解液时电流强度并不相同，该小组持续搜索电解液相关知识点，教师在后台检测到学生困境，帮助知识梳理。

［教师引导］尝试写出使用不同电解液时的电极方程式与总反应式。观察不同电解液所涉及的氧化还原方程式有何差异。

［学生活动］学生能够推测出氧化还原总反应自发性越高，越能构成效果好的原电池。但如何克服活泼电极与电解液直接反应的问题呢？

［教师引导］我们能否尝试将铜和锌放在不同的电解液中构成回路，例如将铜片放在稀硫酸中，将锌片放到另一个烧杯的硫酸锌中（作图），再将两个烧杯以某种方式连接仍构成回路。但此时连接两烧杯的桥梁通过的是离子而非电子，所以我们可以尝试使用离子介质如湿润的棉线等使离子移动。

［学生活动］利用棉线进行实验，发现电流有增大。

［驱动性问题］但作为电池设计者，棉线似乎不太符合用户需求，请大家观看平台推送并思考：较为成熟的离子通路——“盐桥”是怎么起作用的？

［学生活动］学生接收适应性资料，部分学生同时收到平台推送的少量题目，教师在后台查看学生对盐桥的了解状况。

［教师活动］针对后台数据再次向全体或个别小组澄清存在问题的内容。同时强调，根据前面的实验，双液原电池的效果显然优于单液原电池，请小组调整方案再次进行实验。

［学生活动］小组讨论调整方案。设置双液原电池，结合电极反应式的书写尝试更换电解液。部分小组提出双液原电池的瞬时电流增大，但而后持续产生的电流仍然微弱。

［教师活动］请学生再次查看氯化钾盐桥中的离子移动视频及盐桥改进相关资料，思考：如何使得离子通路在形成的基础上持久存在？

［学生活动］学生在明确盐桥作用的基础上检索到不同材质与外形的“盐桥”，最终了解到离子交换膜的存在。

［教师活动］监测后台数据确保学生进度一致，在学生了解到离子交换膜这一概念之后，教师再简要介绍离子交换膜电池，使学生感受到化学发展的重要意义。

设计意图：在学生多次尝试改进单液原电池遭遇困境时，教师及时介入引导学生关注双液原电池这一形态差异较大的改进形式。盐桥与双液原电池的搭建是本次探究活动的重点，教师结合平台数据，逐步引导学生突破难点，在熟悉双液原电池的基础上再萌生创意想法，最后呈现离子交换膜以拓展视野，激发兴趣。

环节4  （展示阶段）交流结果，互动评价

［学生活动］小组汇报包括待解决问题、方案设计与数据收集、探究结果及反思等在内的探究过程，组间交流意见，内容聚焦于知识掌握、創造力的发挥、产品的现实价值等。

［教師活动］点评小组探究中的优点与不足，帮助反思进行，请学生完成探究报告并上传平台。课后教师在自适应平台中勾选相关重难点内容，向学生推送自适应测评。平台则依据学习者模型为掌握知识的学生提供少量巩固测试及更多的拓展资源，为知识点存在明显缺漏的学生安排更多的适应性资源与循环练习题目。

设计意图：通过组间交流，尤其是对活动中困境与改进路径的讨论，可激发创新相关的反省思维，促使思考组内方案的进一步优化。本环节应注意，课后的自适应测评应侧重覆盖探究结论及过程重难点，后续教师应及时通过后台数据监测为仍存在问题的学生提供及时的额外支持，避免遗留创新障碍。

5  展望与结语

上述案例以初始原电池装置的改进为主题，结合自适应技术赋能环境，发挥了设计思维支持下探究教学活动在培养学生创新思维方面的价值。课前帮助学生筑牢创新基础，激发多样创新思路；课中帮助学生差异化认知关键知识点，进行方案改进，帮助教师调整教学；课后以全过程记录作为评估标准，对存在知识漏洞的学生提供精准干预，助力个性化创新思维培养。

自适应平台环境对设计思维教学实施至关重要，而要将上述模式真正应用于课堂对当前自适应平台的发展提出一定要求，本研究基于此提出如下展望与建议：目前多数平台仍侧重于知识学习等低层次的认知目标而忽视了高层次认知目标，表现为平台内容组织方式少见以活动为中心、呈现方式以互动性低的文本和视频为主，题目的正确率常被作为主要评价标准，难以满足不同学习者的需求。这要求将更多有关大脑高级认知功能的研究与教育学理论融入平台设计，开发更多活动形式的学习单元、优化情感传递功能，更加全面多样地测评学习者的心理需求。其次，可整合自适应技术与其他学习系统如虚拟实验室，既能够将某些成本昂贵或危害较大但极具价值的实验纳入操作，又能构建更完善的学习者模型。最后，目前就学校教育系统如何融入自适应技术培养多样化人才的可操作性路径探索较少，我们应寻求落脚点，发挥技术赋能学校教育更多场景，实现其应有意义。

参考文献：

［1］［4］陈鹏， 黄荣怀. 设计教育的路径及策略探析： 创新人才培养的新视角［J］. 电化教育研究， 2021， 42（3）： 18～26.

［2］［9］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 2， 12， 73.

［3］黄恭福， 邹海龙. 科学实践： “科学探究与创新意识”核心素养的意蕴［J］. 化学教学， 2020， （10）： 3～7+13.

［5］杨先通， 王强. 基于DIIEE模型培养创造性思维的化学课堂教学设计——以“水的净化”为例［J］. 化学教学， 2021， （7）： 52～56.

［6］［10］林琳， 沈书生， 董玉琦. 设计思维的发展过程、作用机制与教育价值［J］. 电化教育研究， 2021， 42（12）： 13～20.

［7］［14］李凤英， 龙紫阳. 从自适应学习推荐到自适应学习牵引模型——“智能+”教育时代自适应学习研究取向［J］. 远程教育杂志， 2020， 38（6）： 22～31.

［8］闫寒冰， 郑东芳， 李笑樱. 设计思维： 创客教育不可或缺的使能方法论［J］. 电化教育研究， 2017， 38（6）： 34～40+46.

［11］郑东芳. 基于设计思维的STEM课程设计模式构建与应用研究［D］. 上海： 华东师范大学硕士学位论文， 2018： 24.

［12］林琳， 董玉琦， 沈书生. 设计思维教学法的理念框架与支撑技术［J］. 现代远程教育研究， 2022， 34（4）： 73～82.

［13］陶蕴. 基于智能平台的中学物理个性化学习研究［D］. 武汉： 华中师范大学硕士学位论文， 2021： 14～15.

［15］金慧， 王梦钰， 王陈欣. 促进教育创新的关键技术与应用实践——2015—2020《地平线报告》的分析与比较［J］. 远程教育杂志， 2020， 38（3）： 25～37.