基于学习进阶的化学核心概念教学设计与实践

2023-06-12李淑花赵玉双卢帅周玉芝

化学教与学 2023年9期

李淑花赵玉双卢帅周玉芝

摘要：结合核心概念抽象性、阶段性和系统性的特征，将学习进阶理论应用到核心概念的教学中，有助于学生对核心概念的深入理解，提升逻辑思维能力和学科核心素养。以“氧化还原反应”单元教学为例，在对“氧化还原反应”核心概念进行进阶分析的基础上，遵循学生认知发展规律，构建“氧化还原反应”的重要概念关系图和学习进阶框架，并应用于教学实践。

关键词：学习进阶；核心概念；氧化还原反应；单元教学

文章编号：1008-0546（2023）09-0039-08

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.008

核心概念是处于学科核心位置，能体现学科结构体系框架，能广泛地对学科问题进行解释和解决，提炼度好、概括性高的基本概念、原理和定律。“氧化还原反应”涉及守恒观、变化观、微粒观和能量观等重要的化学观念，围绕“氧化还原反应”开展教学可以促进学生思维认知由宏观、定性与孤立水平进阶到微观、定量与系统水平，对于学生了解微观和宏观世界、认识物质转化及其应用等方面具有重要意义。因此，“氧化还原反应”是关系学生化学学科核心素养发展水平的核心概念。

由于氧化还原反应相关教学内容是从初中到高中不断丰富与深化的，“为此，教师应仔细研读化学学业质量标准，明确化学教学内容在各学段的不同水平要求，整体规划不同学段化学教学内容的深广度”。[1]针对不同学段的氧化还原反应内容，教师应遵循学生身心发展规律，设计由简单到复杂、相互关联的学习序列，即氧化还原反应的学习进阶。

近年来，虽已有研究提到基于学习进阶理论开展“氧化还原反应”核心概念教学的必要性，并从不同维度建构“氧化还原反应”学习进阶层级，[2-7]但由于缺少单元教学的整体规划，没有将核心知识与科学探究能力发展有机结合起来，重知识和细节、轻方法和思维的被动学习容易使学生走人单纯记忆的误区，不利于深度学习。在新高考背景下，基于“双减”政策和化学学科核心素养培养的双重需求，如何将学习进阶理论更好地应用到“氧化还原反应”核心概念的教学设计与实践中，帮助学生有效衔接初高中“氧化还原反应”知识，形成系统的知识结构体系，实现学生对于“氧化还原反应”核心概念的深度理解，促进学生认知水平的发展，成为本研究的重点。

一、基于学习进阶的化学核心概念教学设计思路

基于学习进阶的化学核心概念教学设计的一般思路为（见图1）：第一步是基于课标、教材和学业质量标准对核心概念进行进阶分析；第二步是梳理相关概念及各概念间的内在关系，提炼出重要概念，划分认知目标层级，并最终构建出重要概念关系图；第三步是确定进阶变量，同时以学生思维发展情况、课程标准等方面作为参考，划分不同阶段的进阶水平，进而构建出核心概念的学习进阶路径；第四步，基于学习进阶的单元教学案例实施。

二、“氧化还原反应”核心概念学习进阶框架的建构

结合“氧化还原反应”核心概念的相关文献研究，通过整理分析初高中化学课程标准对氧化还原反应内容要求、初高中人教版化学教材的知识呈现和编排以及新高考对学生关键能力的要求，对“氧化还原反应”相关概念进行梳理整合，结合布鲁姆的认知目标分类理论和马西娅．C．林教授的知识整合教学理论，分别对初中阶段、高中必修阶段、高中选修阶段划分层级，构建出了“氧化还原反应”重要概念关系图（见图2），表征多个重要概念之间相互联系的多维建构，描绘学生在学习“氧化还原反应”核心概念的层级表现，根据概念间的联系和学生的思维发展，建构“氧化还原反应”核心概念的学习进阶框架。这种概念模型的建构能够帮助学生挖掘各概念的内涵和外延，加深对氧化还原反应的理解并学会迁移应用。

基于“氧化还原反应”重要概念关系图，确定进阶变量为：“氧化还原反应”的概念认知层级，进阶目标分为概念理解水平和行为表现期望。同时，确定学生在不同阶段的进阶水平，依据学生的实际情况、学习目标和内容，划分为四个水平并加以呈现，进而构建出“氧化还原反应”核心概念的学习进阶路径。如表1所示。初中阶段强调学生的宏观思维，学生对“氧化反应”和“还原反应”的判断是基于物质基础的，此时学生的认知水平处于认识了解层级（水平一）。高中必修阶段开始从微观视角了解“氧化还原反应”，从关注得失氧过渡到关注电子得失，同时开始理解化学能与其他形式能量转化的紧密联系，此时学生的认知水平提升到了理解掌握层级（水平二）。高中选修阶段是“氧化还原反应”核心概念的延伸，学生在掌握原电池和电解池的工作原理基础上，开始认识到化学能与电能相互轉化的实际意义及其重要应用，学生的认知水平处于应用实践层级（水平三）。此外，还要求学生能根据新情境设计和优化化学电源，以及利用电化学保护法实现金属防腐，学生的认知水平也提升到了迁移创新层级（水平四）。

三、基于进阶框架“水平二”的氧化还原反应单元教学进阶设计

“氧化还原反应”这一核心概念是连接义务教育阶段化学与高中化学的纽带和桥梁，对于发展学生的科学素养、引导学生有效进行高中阶段的化学学习具有承前启后的作用。高一是学生“氧化还原反应”概念形成的分化期，学习该概念时，学生原有的认知基础已达到学习进阶水平一，即认识了解层级。同一学生的前概念影响着后续的概念学习，概念掌握水平和元认知能力也影响着学生解决氧化还原反应问题的能力。本研究以学习进阶理论为基础，对鲁科版高中化学必修一第二章第三节“氧化还原反应”进行单元教学进阶设计，引导学生运用分析比较、基于证据推理的思维方法开展学习，让学生在建构概念的同时，形成学科基本观念和学科思维方式。

1．单元进阶设计

基于学习进阶的“氧化还原反应”单元教学的授课对象为我校2021级高一年级选考化学的学生，这一阶段的学生能从得氧、失氧的宏观视角区分氧化反应、还原反应，但并没有意识到得氧、失氧是同时发生、对立统一的，没有认识到从得失氧的角度分析氧化反应、还原反应的局限性，更没有认识到氧化还原反应的宏观特征和微观本质。此外，学生虽然可以判断简单物质中各元素的化合价以及化学反应过程中元素化合价的变化，但并没有了解化合价变化的实质以及化合价的变化与电子转移之间的关系。依据鲁科版必修一“氧化还原反应”的内容，基于学习进阶理论进行“氧化还原反应”单元教学设计，旨在将学生的认知水平由“认识了解”层级（水平一）进阶到“理解掌握”层级（水平二）。学生需要认识和掌握氧化还原反应的相关概念及概念间的关系，深入理解氧化还原反应的本质特征，形成认识化学反应的微观视角，并能利用氧化还原反应原理分析解决实际问题。

基于学习进阶的“氧化还原反应”教学单元划分为有内在逻辑关系的4个课时，并结合北京师范大学的王磊[8]研究团队提出的化学学科能力表现对该教学单元进行学科能力目标的设定（见图3）。第一节“认识氧化还原反应”围绕“氧化还原反应”这一重要概念，构建了“氧化反应”“还原反应”“化合价”“电子转移”“电子守恒”等概念之间的关系，在本节的学习中，学生需要认识和掌握氧化还原反应的相关概念，深入理解其本质特征，形成认识化学反应的微观视角。第二节“氧化剂和还原剂”是在第一节概念关系图的基础上拓展了“氧化剂”“还原剂”“氧化性”“还原性”“氧化产物”“还原产物”的概念，进一步完善了相关概念之间的关系。这种循序渐进、由浅人深的概念构建方式，既符合学生的认知发展规律又有助于学生的理解。第三节“氧化还原反应的应用——科学使用含氯消毒剂”是对前两节氧化还原反应规律的应用与提升。该节分为2个课时，课时1是从物质类别、元素价态的角度，依据复分解反应和氧化还原反应原理，预测84消毒液有效成分次氯酸钠的化学性质和变化，设计实验进行初步验证，并从定性的角度分析解释科学使用84消毒液的方法和原因。课时2是借助pH、氧气、温度、氧化还原电位传感器，运用数字化实验手段分别探究了pH、浓度、温度对84消毒液有效成分次氯酸钠氧化性的影响，并从定量的角度分析解释了使用84消毒液的最佳pH、浓度、温度，进一步对氧化还原反应的本质进行概念构建。整个单元的4个课时旨在通过设计进阶任务实现学生对“氧化还原反应”核心概念的认知进阶、能力进阶和素养进阶。

2．课时活动和评价设计

单元教学的课时活动设计要结合具体的化学教学内容的特点和学生的实际，开展分类与概括、证据与推理、模型与解释、符号与表征等具有学科特质的学习活动。[9]基于学习进阶的“氧化还原反应”单元教学中需要根据进阶目标设置相应、合理的学习任务和学习活动，帮助学生建立新旧概念间的关联，促进深度理解并学会迁移应用。进阶目标指导下的学习任务和学习活动是否达到目标要求，需要教师有意识地将评价任务融人到教学过程中，充分发挥化学日常学习评价的诊断与发展功能，促使“目标一教学一评价”三者的有机融合。[10]具体的“教一学—评”一体化设计详见表2。

3．单元教学实践效果反馈

为了清晰了解学生在初中阶段对“氧化还原反应”相关概念的掌握程度，描绘学生已有的认知水平，确定进阶起点，在开展教学前，我们从“化学反应”“化合价”“核外电子”三个概念出发，对我校高一年级两个同等水平教学班的学生进行了前期测评。结果显示：两个班级的学生对以上三个概念的认知水平相当（见图5），都达到了“认识了解层级”，但对宏观层面的“化合价”与微观层面的“核外电子”之间的关联理解存在一定疑虑，需要教师在接下来的教学中逐步引领学生学会从宏观视角走向微观视角，探索氧化还原反应的本质，建立氧化还原反应的认识模型。

在前测分析的基础上，由同一教师在对照班和实验班分别进行不同逻辑的“氧化还原反应”的教学，其中对照班的教学按照传统的教学逻辑进行，实验班的教学则按照上述基于学习进阶理论的单元教学设计逻辑来进行。经过4个课时的同课异构教学实践后，对两组学生进行后期测验，进一步对比观察两组学生是否达到“氧化还原反应”核心概念的學习进阶水平二。本次后测试题主要涉及氧化还原反应、氧化（还原）剂、氧化（还原）性、电子守恒、氧化还原反应的应用等方面（见图5）。后测结果表明：“氧化还原反应”这一概念的得分率在对照班和实验班中都是最高的，说明学生能清晰地认识到有化合价变化的反应是氧化还原反应，明确不同类型反应的特征，此时学生的学科能力由“辨识记忆”进阶到了“说明论证”水平。关于“氧化（还原）剂”“氧化（还原）性”“电子守恒”的考查，实验班的得分率均明显高于对照班。实验班的学生能结合“氧化还原反应”重要概念图，在陌生反应中辨别氧化剂、还原剂、被氧化、被还原等概念，掌握了电子转移与物质化学性质间的关联，并能分析、预测、比较物质的氧化性或还原性，学生的学科能力进一步进阶到了“推论预测”水平。反观对照班，大多数学生以氧化还原反应的口诀进行解题，未能真正理解各概念间的关联。关于“氧化还原反应的应用”的考查，实验班的得分率比对照班高了26.1%。面对以真实问题解决为目的的探究任务，实验班的大部分学生能够根据“实验探究的一般思路”，提炼对应的学科问题并转化为可操作的实验问题，自觉调用“氧化还原反应”核心概念体系，利用氧化还原反应原理解决实际问题，学生的学科能力也进一步进阶到了“简单设计”水平。基于学习进阶理论的“氧化还原反应”单元教学有助于学生深入理解核心概念，促进学生的认知水平与能力水平的有序提升。

4．基于学习进阶理论，开展核心概念教学反思

聚焦核心概念的进阶，开展单元整体教学。对于核心概念的学习，教材编写一般遵循螺旋式上升的原则，由于时间跨度大，容易造成学生学习的“断层”。教师要从学习进阶的视角整体理解学生不同阶段的学习内容，明确每个阶段完成的学习任务所达成相关核心概念的阶段水平。随着学习进程的递进，学习内容不断扩展，相关核心概念的水平不断提升，从而使学生的核心素养逐步形成。基于学习进阶的“氧化还原反应”单元整体教学设计要求教师从整体上把握教材和课标，找出阶段间核心概念的内在联系，分析学生的能力和认知水平，构建出“氧化还原反应”核心概念的学习进阶框架，细致描绘学生的思维发展路径，最终确定“氧化还原反应”的进阶起点、终点和最近衔接点，设置适切的进阶任务，由浅人深、层层推进。

重视核心概念的理解，淡化机械训练。化学核心概念是学生分析问题和解决问题的基础。[11]针对化学核心概念的教学，教师不仅要有丰富的学科知识，还应具备对概念的加工能力。[12]本单元中，必要的氧化还原反应方程式的书写训练是不可避免的，但是要淡化机械训练，加强对概念本身的深度理解，关注概念的建构过程。在厘清上位概念（如：氧化还原反应）的进阶关系的基础上，梳理下位概念（如：氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物等）之间的关联，最终搭建框架，绘制重要概念关系图。这一过程能够使原本模糊的概念可视化，加深学生的理解和认知。[13]

重视实验探究，强调“活动与体验”。化学概念是经历科学家长期研究而形成的，学生则是直接从人类认识结果进行学习。这能保证学习的高起点，但容易将知识传输当成目的，使教师强行灌输、学生死记硬背方式成为主要的学习方式。[14]“深度学习”提出“活动与体验”的运行机制，实验为教学开辟了活动与体验的最好渠道。在本单元的教学中，将概念理解与实验探究联系起来，合理设计了“利用Fe-Cu原电池装置验证氧化还原反应过程中的电子转移”“实验探究84消毒液有效成分的化学性质”“运用数字化实验探究pH、浓度、温度对84消毒液有效成分氧化性的影响”等探究活动。学生在活动中体验了氧化还原反应的微观本质以及利用氧化还原反应原理分析解决实际问题的功能价值，帮助学生形成良好的知识结构、深度理解科学概念、提高解决问题的能力，促进学生高阶思维的发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部，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，2020：70.

[2] 徐畅．中学化学“氧化还原反应”核心概念及其学习进阶研究[D].武汉：华中师范大学，2017.

[3] 姜力，氧化还原反应的学习进阶研究[D].武汉：华中师范大学，2019.

[4] 曹满莉，胡志刚，严业安．中学化学“氧化还原反应”学习进阶中教学时机的把握[J]．化学教与学，2019（09）：13-18．

[5] 袁萍，李佳，罗晓燕．利用SOLO与学习进阶进行单元教学设计——以“氧化还原反应”为例[J]．化学教与学，2021（10）：26-29.

[6] 李铭芬，中学生“氧化还原反應”核心概念的学习进阶研究[D].昆明：云南师范大学，2021.

[7] 孙嘉茵，王升富，基于核心素养的“氧化还原反应”学习进阶探讨[J]．化学教与学，2022（3）17-21.

[8] 王磊，支瑶，化学学科能力及其表现研究[J]．教育学报，2016（4）：46-55.

[9] 喻俊，叶佩佩．促进学生核心素养发展的单元教学设计实践探索[J]．化学教学，2020（5）：51-55.

[10]上官庆景，阮雪丹，基于元素化合物认识模型的单元教学设计实践探索——以“铁及其化合物”单元教学为例[J]．化学教育（中英文），202 1，42（19）：69-74．

[11]吴晗清，孟博研，苏鑫．高中生对化学核心概念掌握情况的测查分析——以“电解质、离子反应、化学键”概念群为例[J].化学教育（中英文），2020，41（15）：34-38.