基于變異理論的高中化學深度學習

許玉明， 鄭旭輝

(1.福州華僑中學， 福建 福州 350004；2.福州第十四中學， 福建 福州 350004)

瑞典教育學家馬飛龍在20世紀70年代為區(qū)別于機械式的學習、孤立的淺層學習提出了“深度學習”概念后，國內(nèi)有不少文獻對高中化學深度學習開展應用研究：如黃清輝等從思維導圖、三重表征和觀念建構(gòu)等維度進行了研究[1]，認為深度教學的課堂不僅要有知識深度、思維深度和情感深度[2]，更要觸及事物內(nèi)部和本質(zhì)的程度；黃華文從模型認知促進學生深度學習進行了探討[3]。馬飛龍在20世紀90年代提出的變異理論，認為學習就是學習者先審辨所學對象的“關(guān)鍵特征”，通過它使學習者突破淺層學習，促進深度學習，從而提高學習效率。筆者查閱國內(nèi)文獻，從變異理論視角對高中化學教學策略的研究比較缺乏，本文就教學中如何運用變異理論促進學生深度學習，發(fā)展學生核心素養(yǎng)，提出相應教學策略，以期為一線教師提供借鑒。

一、“變異理論”的學習觀

許多教師在教學中都有這樣的困惑，就是在課堂講授的教學內(nèi)容有些學生并不能很好地掌握。變異理論認為，學習是發(fā)展學生對事物看法的一種方式，教師講授的教學內(nèi)容與學生接受的內(nèi)容有差異，造成這種差異的原因在于學習內(nèi)容關(guān)鍵特征的識別，而對關(guān)鍵特征的識別依靠這個屬性在某個維度上的變異，差異性和共同性都有利于認識事物的特征。如我們要教學習者認識一個“綠色的三角板”，對學習者說“綠色”，學習者是無法掌握“綠色”這個概念的，因為他并不能辨析顏色為“綠色”還是形狀為“綠色”，應該列舉不同顏色的三角板進行區(qū)別，還應該展示綠色彩筆、綠葉及綠燈等綠色物體，通過改變這些背景屬性來突出“綠色”這個目標屬性，進而獲得對“綠色”屬性的認知。該事例形象地說明“變異理論”關(guān)于學習的核心是：以事物的差異性和共同性為前提，學習者通過審辨這種變異來完成學習任務；也說明在傳統(tǒng)遷移理論中提出的“不同情境間因共同性或相似性發(fā)生遷移”存在不足，這是變異理論對傳統(tǒng)遷移理論的修正和補充之處[4]。

“審辨”和“變異”是變異理論中兩個特別強調(diào)的重要詞語。“審辨”指欲認識一個事物，須先尋找出該事物與其他對象不一樣的關(guān)鍵特征，然后進行“變異”，即指要識別該事物的關(guān)鍵特征，該特征在某些維度上要發(fā)生變化。教學中盡可能創(chuàng)設(shè)“變異”環(huán)境，讓學生進行“審辨”，最終完成學習的任務。變異理論關(guān)于變異提出分離、對比、類合和融合等四種范式[5](見圖1)。通俗地說，變異理論從“學什么”(審辨)與“怎么學”(變異)的兩個維度出發(fā)揭示了學習的奧秘。

圖1 變異圖式

從上述變異圖式可知，學生學習的步驟為：首先審辨物質(zhì)關(guān)鍵特征，明確變異的內(nèi)容和不變的內(nèi)容，其次要根據(jù)學習內(nèi)容和情境特征選擇四種范式策略進行變異，最后識別物質(zhì)關(guān)鍵特征，達到深度學習目的。

二、“變異理論”策略在高中化學教學的實踐

(一) 基于“分離”策略，促進深度學習

“分離”指保持背景屬性不變，注意集中一個概念或現(xiàn)象的某個變異維度上，這個變異維度就是“關(guān)鍵屬性”，才能夠?qū)⑵鋸恼w中進行區(qū)分。如要識別綠色，僅僅提供綠色的粉筆是不夠的，還需要提供黃色(或其他顏色)的粉筆。這種思維與控制變量思維的特征一致，是一種“從不變中發(fā)現(xiàn)變化的思想”，是化學教學中較為常見的一種思維方式。

例如，“化學反應速率”教學中，探究外界因素對其影響時，需要分離濃度、溫度、固體表面積大小以及催化劑這四個關(guān)鍵屬性，根據(jù)“分離”這種思維方式，“影響化學反應速率的因素”教學片段設(shè)計如下：

【學生活動】 根據(jù)下列提供的實驗器材設(shè)計實驗，探究影響化學反應速率的因素。

“探究影響化學反應速率的因素”儀器及試劑

表面積大致相同的鐵片、鎂條、鹽酸(0.1 mol·L-1，1.0 mol·L-1)、塊狀碳酸鈣、粉末狀碳酸鈣、4%的H2O2溶液、12%的H2O2溶液、二氧化錳粉末、0.2 mol·L-1FeCl3溶液、土豆、熱水、試管、藥題、鑷子、燒杯等

【學生活動】 討論交流。

設(shè)計的方案如下：(1)相同形狀的Fe片和Mg片分別與同濃度HCl溶液反應；(2)塊狀和粉末狀CaCO3分別與同濃度HCl溶液反應；(3)粉末狀碳酸鈣分別與不同濃度的鹽酸反應；(4)二氧化錳與12%的H2O2溶液反應。

【驅(qū)動問題】 土豆是否可以做H2O2分解的催化劑?

【學生活動】 討論交流及總結(jié)：設(shè)計實驗證明土豆是否為H2O2分解的催化劑，既要證明土豆是否改變H2O2分解反應速率，也要證明土豆本身質(zhì)量沒有發(fā)生變化，還要證明土豆的化學性質(zhì)有否發(fā)生變化。

【展示】 實驗設(shè)計方案如表1：

表1 土豆是否是過氧化氫分解的催化劑實驗

基于變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)變異圖示如表2所示：

表2 變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)變異圖示

探究“影響化學反應速率的因素”實驗中，通過實驗1對比實驗，探討內(nèi)因是化學反應速率的重要因素，通過實驗2、實驗3對比實驗，分別探討兩個方面固體表面積大小、濃度與化學反應速率的影響。在土豆是否是過氧化氫分解的催化劑實驗中，教師從實驗4土豆是否是過氧化氫分解的催化劑實驗出發(fā)，通過實驗1與實驗2、實驗1與實驗3、實驗3與實驗4，以及實驗2與實驗5的對比實驗，促進學生審辨出催化劑是影響化學反應速率原因。通過這些對比實驗，促進了學生深度學習，取得了良好的效果。

(二) 基于“類合”策略，促進深度學習

變異理論認為“類合”是指如果要識別一個事物的關(guān)鍵屬性，就需要在其他屬性變化時保持這一屬性不變。如仍然以認識綠色為例，要認識綠色時，可以展示綠色衣服、綠葉及綠燈等物體，通過改變這些背景屬性來突出綠色這個目標屬性，進而獲得對綠色屬性的認知。簡單來說，類合是在“分離”基礎(chǔ)上的一種逆向思維方式，讓學生在變化中找到不變的思維，在變中求同，達到深度學習目的。

現(xiàn)以江蘇省某年高考題為例。已知工業(yè)上多沙唑嗪的合成路線如下：

A B C

D E F

(1)寫出D中兩種含氧官能團的名稱：________和________。

(2)(3)(4)(略)

(5)請根據(jù)所學知識寫出設(shè)計以苯甲醛和CH3CH2OH為原料合成苯乙酸乙酯的路線。

基于變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)變異圖示如表3所示：

表3 變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)變異圖示

(三)基于“對比”策略，促進深度學習

對比指的是將一個事物或概念在某個維度上進行對比。例如，電解質(zhì)概念是培養(yǎng)學生微粒觀、分類觀的核心概念之一，由于電解質(zhì)概念的特點和學習者的認知角度不同的原因，常在“或”和“化合物”這個詞的認識上出現(xiàn)偏差，根據(jù)教參、文獻及以往經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，學生常常出現(xiàn)以下誤區(qū)：(1)電解質(zhì)的條件(必須是化合物)認識不足，把氨水、鹽酸、金屬Cu等當作電解質(zhì)；(2)對化合物本身要電離出陰陽離子也認識不足，如常把二氧化硫、CO2、NH3當作電解質(zhì)；(3)認為電解質(zhì)呈固體狀態(tài)時也具有導電能力，如把不溶于水的AgCl固體、BaCO3固體當作非電解質(zhì)?；谧儺惱碚撛O(shè)計環(huán)節(jié)變異圖示如表4所示：

表4 變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)變異圖示

教學中選擇對 “導電”以及“化合物”兩個關(guān)鍵屬性進行變式：審辨導電的關(guān)鍵特征是“自身能電離出自由移動離子”，啟發(fā)學生對NaCl溶液、蔗糖水溶液以及NaCl固體的通電實驗現(xiàn)象的思考及應用flash動畫展示NaCl的電離、蔗糖不電離的過程，應用對比、分離策略；同理，“電解質(zhì)須是一種化合物”中，審辨的關(guān)鍵屬性是“化合物”，通過對比NaCl溶液、鐵絲、泥水之間的比較，識別電解質(zhì)的關(guān)鍵屬性——必須是化合物。通過對“導電”以及“化合物”兩個關(guān)鍵屬性的變式，引導學生進行觀察、思考、交流討論、分離和比較，促進了深度學習的發(fā)生，培養(yǎng)了分析、評價、創(chuàng)造等高階思維。

(四)基于“融合”策略，促進深度學習

變異理論認為融合是對事物或概念的多個關(guān)鍵特征同時變化，變化如何相互關(guān)聯(lián)并與整體的聯(lián)系，是對分離、對比和類合三種策略的綜合運用。

例如，在高三“硫及其化合物的轉(zhuǎn)化”教學中，教師通過課前了解，有些學生對價態(tài)理論比較模糊，有些對氧化還原反應、電化學原理存在迷思現(xiàn)象，有些學生對溶度積的計算掌握得不是很好。根據(jù)這些問題，決定對本節(jié)知識內(nèi)容進行整合與重構(gòu)(見表5)。

表5 重構(gòu)“硫及其化合物的轉(zhuǎn)化”教學設(shè)計

環(huán)節(jié)1價類二維關(guān)系圖中的“硫”承載著“分類的方法”和“研究物質(zhì)性質(zhì)的思想和方法”。環(huán)節(jié)2氧化還原反應的“硫”中硫化鈉溶液與氯化鐵溶液互滴產(chǎn)生不同現(xiàn)象的關(guān)鍵屬性是反應產(chǎn)物與溶液的酸堿性有關(guān)，變異屬性是溶液的酸堿性。根據(jù)Fe3+具有的氧化性、沉淀反應、與硫離子雙水解三方面性質(zhì)，探討產(chǎn)生不同現(xiàn)象的原因，得出可能發(fā)生的主要產(chǎn)物，進一步感悟了條件對反應的影響。環(huán)節(jié)3化學平衡中的“硫”中，關(guān)鍵屬性是電鍍廢水的銅離子形成沉淀，變異屬性是NaOH、Na2S、FeS，是否可以除去含銅電鍍廢水的銅離子，將其從整體中進行區(qū)分，通過分離引導學生利用化學平衡常數(shù)，從微觀的角度深入分析化學反應發(fā)生的原理。環(huán)節(jié)4電化學中的“硫”通過重構(gòu)氯堿工業(yè)、工業(yè)電解硫化物除雜等，運用所學知識解決生活中的化學問題，體會化學知識的生產(chǎn)生活價值，體現(xiàn)科學、技術(shù)社會環(huán)境發(fā)展成果。

通過這種教學設(shè)計，引導學生學會深度學習，實現(xiàn)應用“硫及其化合物的轉(zhuǎn)化”知識解決相關(guān)問題，促進學生高階思維的發(fā)展，提升了化學核心素養(yǎng)。

三、基于變異理論的化學教學建議

(一)重視教學情境素材的重構(gòu)

高中化學知識體系中，許多物質(zhì)的化學性質(zhì)、解決問題的方法等有著內(nèi)在的相似性，因此，教師在教學中要重構(gòu)教學情境素材，促進知識的網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化，尋找知識的共同性和差異性，認識事物的特征，促進知識的轉(zhuǎn)化。如在“元素及其化合物”單元，關(guān)于CO2和SO2性質(zhì)，由于二者有著非常多的相似性使學生容易混淆，需要運用“分離”“對比”策略引導學生區(qū)分二者的差異性在于“硫的正四價是中間價，具有還原性，碳的正四價是最高價，只有氧化性”，也可以利用相似性選取每主族的代表元素之一，學習其“位、構(gòu)、性”，再用“類合”策略學習同族其他元素；還有如弱電解質(zhì)的電離平衡、難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡和化學平衡原理、有機反應原理及官能團的性質(zhì)等都是讓學生“在變化中找到不變”的思維較理想的素材。

(二)教師的專業(yè)素養(yǎng)提升

變異理論將發(fā)展事物關(guān)鍵屬性的能力視為我們教學的基本目標，是一套可操作性的具有前景的理論。但新課標新課程實施以來，變異理論視域下進行的教學設(shè)計相關(guān)研究十分缺乏，經(jīng)驗不足，如可能會對知識關(guān)鍵特征理解有誤，或者審辨出了活動內(nèi)容的關(guān)鍵特征，但如何選擇變異策略對學生進行有效引導，是我們廣大教師不斷研究和思考的任務，所以需要教師加強學習，提升專業(yè)素養(yǎng)，凸顯關(guān)鍵作用，才能實現(xiàn)對教學理念更新，對化學知識的重構(gòu)，對教學行為轉(zhuǎn)變，遇到問題解決問題，最終實現(xiàn)“立德樹人”的根本任務。

綜上所述，“變異理論”的研究體現(xiàn)了化學學科實用價值，相信通過“變異理論”的研究會給學生所感知的世界帶來新的蛻變。▲