SOLO分類評價(jià)理論指導(dǎo)下的化學(xué)“三重表征”教學(xué)研究

張一川

[摘要]在分析SOLO分類評價(jià)理論和“三重表征”教學(xué)內(nèi)涵和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以人教版化學(xué)選修4“金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)”的教學(xué)為例，探究SOLO分類評價(jià)理論的四層次結(jié)構(gòu)發(fā)展水平及“三重表征”教學(xué)對引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“金屬的電化學(xué)腐蝕”核心概念的價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]SOLO分類評價(jià);三重表征;金屬的電化學(xué)腐蝕;金屬的電化學(xué)防護(hù)

[中圖分類號]

G633.8

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

[文章編號] 1674-6058（ 2020）23-0060-04

一、問題的提出

作為一種質(zhì)性評價(jià)方法，SOLO分類評價(jià)理論能夠評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果中所隱含的思維系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次、發(fā)展階段與趨勢，利于教師制訂教學(xué)目標(biāo)、實(shí)施教學(xué)以及檢測教學(xué)效果，同時(shí)體現(xiàn)學(xué)生解決問題過程中認(rèn)知發(fā)展的層次和規(guī)律[1]?！叭乇碚鳌笔侵笇W(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中形成的對物質(zhì)及其變化所特有的宏觀表征、微觀表征、符號三種表征形式[2]，學(xué)生不僅要認(rèn)識和理解這三種表征，更要在表征之間形成實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，只有這樣方能構(gòu)建良好的化學(xué)認(rèn)知體系，解決化學(xué)問題。

“金屬的電化學(xué)腐蝕”是高中化學(xué)核心概念之一。學(xué)生在構(gòu)建“金屬的電化學(xué)腐蝕”概念時(shí)，需要先依據(jù)電化學(xué)知識建立原電池模型，繼而分析金屬腐蝕的具體情況，最終結(jié)合實(shí)際情境提出金屬防護(hù)的方案?？梢?，學(xué)生構(gòu)建概念的過程是一個(gè)層級遞進(jìn)的過程，教師需要從多重角度和層面進(jìn)行引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)。

為此，本文結(jié)合SOLO分類評價(jià)理論和化學(xué)“三重表征”，以“金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)”的教學(xué)為例進(jìn)行理論和實(shí)踐教學(xué)研究，以期幫助學(xué)生構(gòu)建概念，并為電化學(xué)系列教學(xué)提供借鑒。

二、理論研究概述

1.SOLO分類評價(jià)理論

SOLO分類評價(jià)理論（Structure of the ObservedLearning Outcome）反映了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，提供了一個(gè)系統(tǒng)的途徑用以描述學(xué)生在復(fù)雜性增長過程中的表現(xiàn)情況，并將學(xué)習(xí)水平由低到高劃分為五個(gè)層次[3-4]：（1）前結(jié)構(gòu)：學(xué)生被先期階段的無關(guān)方面干擾，基本上無法理解和解決問題;（2）單點(diǎn)結(jié)構(gòu)：學(xué)生注意到問題的相關(guān)領(lǐng)域，但只涉及單一要點(diǎn)，找到一個(gè)解決問題的線索就形成結(jié)論;（3）多點(diǎn)結(jié)構(gòu)：學(xué)生簡單羅列解決問題的若干要點(diǎn)，但要點(diǎn)之間相互獨(dú)立，難以形成相關(guān)的知識網(wǎng)絡(luò);（4）關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)：學(xué)生能夠聯(lián)系問題的多個(gè)要點(diǎn)，使之有機(jī)結(jié)合，繼而讓整體具有了連貫的結(jié)構(gòu)和意義;（5）拓展抽象結(jié)構(gòu)：學(xué)生能夠把關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)類推并概括到更高的抽象水平，表現(xiàn)出較強(qiáng)的創(chuàng)新意識。

SOLO分類評價(jià)理論用具體的水平轉(zhuǎn)換解釋了學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的層次規(guī)律，利于教師了解學(xué)生在問題處理和知識學(xué)習(xí)上所處的結(jié)構(gòu)水平，以制訂對應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐，設(shè)定學(xué)生的質(zhì)量評價(jià)，促進(jìn)學(xué)生向著更高層次水平發(fā)展。

2.化學(xué)“三重表征”教學(xué)理論[5-6]

化學(xué)學(xué)習(xí)主要是研究宏觀性質(zhì)、微觀組成結(jié)構(gòu)以及通過化學(xué)式、化學(xué)方程式等表示物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化，即通過“宏觀一微觀一符號”三重表征來認(rèn)識和理解物質(zhì)，并在表征之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。宏觀表征是指人類感觀可以直接感知到的宏觀現(xiàn)象、物質(zhì)性質(zhì)及用途等宏觀層面的表征;微觀表征是指對物質(zhì)微觀組成結(jié)構(gòu)、微粒運(yùn)動及相互作用、反應(yīng)機(jī)理等微觀層面的表征;符號表征是指化學(xué)式、化學(xué)方程式等化學(xué)用語的符號形式的表征。三重表征的有機(jī)整合有助于學(xué)生從整體上認(rèn)識和理解物質(zhì)及其變化過程，培養(yǎng)學(xué)生的圖像和信息處理能力[7]。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求化學(xué)學(xué)習(xí)研究要注重宏觀與微觀相聯(lián)系，了解實(shí)驗(yàn)、假說、模型、比較、分類等方法的運(yùn)用;在化學(xué)反應(yīng)與電能主題上要求認(rèn)識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用，了解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)，知道金屬腐蝕的危害，了解防止金屬腐蝕的措施。金屬的腐蝕是學(xué)生在日常生活中常接觸到的現(xiàn)象，且在初三的化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了鋼鐵腐蝕的基本條件;在高一、高二的電化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)了原電池和電解池的基本原理，這為接下來學(xué)習(xí)金屬的電化學(xué)腐蝕做好了理論鋪墊。據(jù)此，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，確定如下教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過模擬鐵釘腐蝕，結(jié)合原電池模型，剖析金屬的兩種電化學(xué)腐蝕——析氫腐蝕和吸氧腐蝕，培養(yǎng)模型認(rèn)知素養(yǎng)。

（2）根據(jù)鐵釘腐蝕實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析溶液中的微粒變化，并書寫相應(yīng)的反應(yīng)方程式，繼而形成對金屬電化學(xué)腐蝕三重表征的認(rèn)識。

（3）鑒于金屬發(fā)生腐蝕的本質(zhì)原因，利用所學(xué)的電化學(xué)知識探討防止金屬腐蝕的方法，培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)。

（4）感性認(rèn)識金屬防腐可以利用腐蝕的本質(zhì)，結(jié)合電化學(xué)的方法來解決，體會科學(xué)對生產(chǎn)生活的重要指導(dǎo)價(jià)值。

2.基于SOLO分類評價(jià)理論的化學(xué)“三重表征”教學(xué)過程

在SOLO分類評價(jià)理論的指導(dǎo)下，本節(jié)課的化學(xué)“三重表征”教學(xué)流程如圖1所示。

（1）環(huán)節(jié)1：單點(diǎn)結(jié)構(gòu)——宏觀表征

教師：展示生活中常見的煤氣灶腐蝕和輪船外殼腐蝕圖片，介紹金屬腐蝕的危害和兩種腐蝕類型（化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕），并結(jié)合初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動“鐵釘腐蝕條件的探究”，引導(dǎo)學(xué)生回顧金屬電化學(xué)腐蝕的條件。

學(xué)生：閱讀課本，了解金屬腐蝕造成的損失和危害;根據(jù)“鐵釘腐蝕條件的探究”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，回憶金屬腐蝕的相關(guān)知識。

設(shè)計(jì)意圖：從生活中常見的鋼鐵腐蝕出發(fā)，激活學(xué)生對金屬腐蝕的已有知識經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生在此階段若通過觀察宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能羅列出金屬腐蝕的一般條件，說明學(xué)生的認(rèn)知達(dá)到了單點(diǎn)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知水平。

（2）環(huán)節(jié)2：多點(diǎn)結(jié)構(gòu)——“宏觀一符號”表征

教師：在混有NaCl、酚酞和K3[Fe（ CN）。]溶液的瓊脂中[8]，嵌入一枚已除去表面氧化膜的鐵釘，模擬船只在海水中的腐蝕。請同學(xué)們觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖2），并用反應(yīng)方程式解釋。

學(xué)生1：溶液中出現(xiàn)藍(lán)色，說明溶液中產(chǎn)生了Fe2+，F(xiàn)e - 2e-= Fe2+。

學(xué)生2：溶液中出現(xiàn)紅色，說明溶液呈堿性，產(chǎn)生了OH-，02+ 4e-+ 2H2O= 40H-.

學(xué)生3：產(chǎn)生OH-的原因也可能是2H20+2e-=H2↑+20H-。

教師：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明OH-的產(chǎn)生是消耗了O2還是產(chǎn)生了H2？

學(xué)生4：利用壓強(qiáng)差開展探究性實(shí)驗(yàn)，如果壓強(qiáng)減小，說明消耗O2，如果壓強(qiáng)增大，說明產(chǎn)生H2。

學(xué)生5：如圖3，紅墨水中的導(dǎo)管出現(xiàn)一段高于液面的水柱，說明OH-的產(chǎn)生消耗O2，由于溶液呈中性，因而產(chǎn)生OH-的原因是O2+ 4e-+2H20= 40H-。

設(shè)計(jì)意圖：利用瓊脂代替水溶液，可減緩離子的移動速度，讓學(xué)生更加直觀地看到離子的顏色和擴(kuò)散情況。學(xué)生在此環(huán)節(jié)需要挖掘現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)原因，調(diào)動多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的思維，進(jìn)行發(fā)散性思考，特別是OH-的出現(xiàn)需要利用電化學(xué)知識進(jìn)行多角度猜想，從而設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)結(jié)論。

（3）環(huán)節(jié)3：關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)——“宏觀一微觀一符號”表征

教師：結(jié)合鐵釘?shù)闹饕煞郑胍幌氘?dāng)鐵釘浸入NaCI瓊脂溶液后，反應(yīng)體系發(fā)生了怎樣的反應(yīng)？其反應(yīng)原理是什么？

學(xué)生1：鐵釘?shù)闹饕煞质氰F和碳，鐵釘浸入NaCI溶液中，形成Fe-C-NaCI原電池，F(xiàn)e作為負(fù)極，失電子，形成Fe2+，空氣中的氧氣在正極C上得電子，形成OH-。

教師（補(bǔ)充）：在生活中，鋼鐵的碳和鐵以及溶有氧氣的水膜形成了微小的原電池遍布在其表面，使鋼鐵發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，這樣的腐蝕現(xiàn)象叫吸氧腐蝕。金屬的這種腐蝕現(xiàn)象通常在中性、堿性或弱酸性溶液中易發(fā)生。請同學(xué)們結(jié)合電極反應(yīng)式書寫總反應(yīng)式。

學(xué)生2：書寫吸氧腐蝕的總反應(yīng)式時(shí)，發(fā)現(xiàn)生成的Fe（OH）2在空氣中不穩(wěn)定，會先轉(zhuǎn)化為Fe（OH）3，繼而轉(zhuǎn)化為鐵銹Fe203·xH20。（如圖4）

教師（追問）：鐵釘還會發(fā)生其他的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象嗎？

學(xué)生3：當(dāng)鐵釘遇到較強(qiáng)酸性的電解質(zhì)溶液時(shí)，正極發(fā)生的反應(yīng)是2H++2e-=H2↑，即析氫腐蝕。（如圖5）

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生能夠明確鐵釘?shù)闹饕煞帧⒏g現(xiàn)象以及電解質(zhì)溶液環(huán)境，構(gòu)建原電池基本模型，找到金屬相應(yīng)的電化學(xué)腐蝕類型。學(xué)生在解決金屬腐蝕問題的過程中認(rèn)知要達(dá)到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，即以原電池模型為基礎(chǔ)，將宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、微觀微粒變化以及相應(yīng)的電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式這三重表征聯(lián)系在一起。

（4）環(huán)節(jié)4：拓展抽象結(jié)構(gòu)——“宏觀一微觀一符號”表征

教師：析氫腐蝕和吸氧腐蝕均為電化學(xué)腐蝕，你能發(fā)現(xiàn)金屬發(fā)生腐蝕的本質(zhì)原因嗎？

學(xué)生1：比較活潑的金屬失去電子而被氧化。

教師：請同學(xué)們根據(jù)金屬腐蝕的本質(zhì)及電化學(xué)知識，思考：①如何延長輪船在海上的使用時(shí)間？②海水環(huán)境下的鋼鐵閘門受到海水中各種物質(zhì)的作用而腐蝕失效，如何解決這一問題？

學(xué)生2：在金屬表面涂油漆。

學(xué)生3：用電鍍的方法在輪船的表面鍍一層保護(hù)金屬。

學(xué)生4：尋找比鐵更活潑的金屬鍍在輪船表面，讓船面的金屬作為正極。

學(xué)生5：將鋼鐵閘門與電源的負(fù)極相連，形成陰極。

教師（小結(jié)）：先從原電池原理出發(fā)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)（如圖6），提出犧牲陽極的陰極保護(hù)法，并歸納陽極金屬的選擇;再從電解原理出發(fā)，提出外加電流的陰極保護(hù)法;同時(shí)對其他保護(hù)方法進(jìn)行歸納整理。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在理解金屬電化學(xué)腐蝕原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬腐蝕的本質(zhì)，根據(jù)原電池正負(fù)極以及電解池陰陽極的反應(yīng)實(shí)質(zhì)進(jìn)行金屬防護(hù)方案設(shè)計(jì);在設(shè)計(jì)過程中還要考慮到金屬的實(shí)際用途以及所處的環(huán)境，繼而優(yōu)化防銹措施。能夠多方位考慮并解決這類問題，說明學(xué)生的認(rèn)知達(dá)到了拓展抽象結(jié)構(gòu)水平。

四、教學(xué)思考

結(jié)合SOLO分類評價(jià)理論，引導(dǎo)學(xué)生從鐵釘腐蝕的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)分析金屬腐蝕的原因，最后提出防止金屬腐蝕的方案設(shè)計(jì)，促使學(xué)生的認(rèn)知從單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平到拓展抽象結(jié)構(gòu)水平發(fā)展，體現(xiàn)了學(xué)生思維逐級遞進(jìn)的過程。SOLO分類評價(jià)理論不僅能指導(dǎo)教師更有層次地進(jìn)行教學(xué)，更為評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的方式提供了依據(jù)。教師在課后可以依據(jù)SOLO分類評價(jià)理論的幾個(gè)層次，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行問題編制，以鞏固和考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

化學(xué)“三重表征”教學(xué)要求教師引導(dǎo)學(xué)生從宏觀、微觀及符號三個(gè)方面建立對化學(xué)概念的認(rèn)識。宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是學(xué)生認(rèn)知形成的基礎(chǔ)，本節(jié)課利用瓊脂代替水溶液，減緩離子的移動速度，讓學(xué)生更加直觀地看到離子的顏色和擴(kuò)散情況，有助于學(xué)生后續(xù)分析微粒成分，書寫相應(yīng)的反應(yīng)方程式。除傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)外，還可引人數(shù)字化手持技術(shù)進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)探究，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集器，將電化學(xué)腐蝕的兩種情況以曲線形式進(jìn)行呈現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生定量分析的能力。

目前，教師不僅關(guān)注電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，還探索不同教學(xué)策略和教學(xué)模式，以幫助學(xué)生建立多維度的認(rèn)知[9]。基于SOLO分類評價(jià)理論的“三重表征”教學(xué)實(shí)踐，對于整個(gè)電化學(xué)體系的教學(xué)是非常適用的。例如，通過單液原電池的反應(yīng)現(xiàn)象，分析微粒的運(yùn)動情況，書寫反應(yīng)方程式，并結(jié)合單液原電池的不足進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，最終認(rèn)識日常生活中應(yīng)用的化學(xué)電源。電化學(xué)知識貫穿整個(gè)高中階段，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，幫助學(xué)生形成不同結(jié)構(gòu)水平的知識構(gòu)建。

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（責(zé)任編輯 羅艷）