從“知識(shí)結(jié)構(gòu)化”到“認(rèn)知結(jié)構(gòu)化”
——高中化學(xué)結(jié)構(gòu)化教學(xué)簡(jiǎn)析

王換榮，陳進(jìn)前

（1.杭州第十四中學(xué)，浙江 杭州 310015；2.杭州市基礎(chǔ)教育研究室，浙江 杭州 310003）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下稱《新課標(biāo)》）提出：“化學(xué)學(xué)科理解是指教師對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)及其思維方式和方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)，它不僅僅只是對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，還包括對(duì)具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解?！蓖趵谡J(rèn)為只有結(jié)構(gòu)化和功能化的知識(shí)才會(huì)有素養(yǎng)價(jià)值，將知識(shí)內(nèi)容主題化，形成具有可遷移性的特定圖式，有利于知識(shí)結(jié)構(gòu)化和功能化，是知識(shí)轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的關(guān)鍵［1］。教師唯有深刻參悟結(jié)構(gòu)化的內(nèi)涵，才能幫助學(xué)生搭建結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系，結(jié)構(gòu)化水平直接決定著素養(yǎng)發(fā)展水平。

一、四種結(jié)構(gòu)化的流變與發(fā)展

新課標(biāo)中先后共出現(xiàn)了29 次與“結(jié)構(gòu)化”相關(guān)的表述，提出了“課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化、知識(shí)關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化、認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化、核心觀念的結(jié)構(gòu)化”這4條與“結(jié)構(gòu)化”相關(guān)的概念。依據(jù)課標(biāo)與近二十年相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，提出“從知識(shí)結(jié)構(gòu)化到認(rèn)知結(jié)構(gòu)化”的進(jìn)階，這是從知識(shí)表層上升到化學(xué)學(xué)科本質(zhì)及化學(xué)學(xué)科知識(shí)向素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的必經(jīng)階段。

1.與結(jié)構(gòu)化相關(guān)概念的發(fā)展分析

所得“結(jié)構(gòu)化”的文獻(xiàn)中，2004年到2015年期間，除2006年和2010年各4 篇外，每年均以低于4篇的增幅增長(zhǎng)，2016年出現(xiàn)突躍，達(dá)到8篇。這是因?yàn)槁?lián)合國(guó)教科文衛(wèi)組織在2015年發(fā)布了“反思教育：向全球共同利益的理念”一文，文中提出“把知識(shí)界定為通過(guò)學(xué)習(xí)獲得的信息、認(rèn)識(shí)、技能、價(jià)值觀和態(tài)度的綜合”，掀起了“學(xué)生如何面對(duì)教育正在發(fā)生的深刻變革”的熱議。因此，教育界提出結(jié)構(gòu)化教學(xué)（Structured Teaching）和結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)（Structured Learning），它們能使知識(shí)更具意義。改革引發(fā)了大量研究，2020年出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)化相關(guān)的文獻(xiàn)31篇，2021年23 篇。其中，與認(rèn)知結(jié)構(gòu)化相關(guān)的共5篇（1篇碩士學(xué)位論文，4篇期刊論文），除2011年的1篇外，其余集中在2019到2021年。與思維結(jié)構(gòu)化相關(guān)的共6 篇（期刊論文），均集中在2019 到2021年。尚未檢索到與觀念結(jié)構(gòu)化相關(guān)的文獻(xiàn)?？梢?jiàn)，教育界對(duì)結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)水平逐年更進(jìn)，從知識(shí)到認(rèn)知，對(duì)主要原理和概念等陳述性知識(shí)開(kāi)始向原理和概念的程序性知識(shí)轉(zhuǎn)換。若學(xué)生能形成系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，隨著知識(shí)儲(chǔ)備日益增多，再學(xué)新知識(shí)時(shí)需要的努力就越小，因?yàn)樾轮R(shí)可以用恰當(dāng)?shù)穆?lián)結(jié)方式整合進(jìn)原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中，從而使回憶與提取都相對(duì)容易［2］。

2.四種結(jié)構(gòu)化的關(guān)聯(lián)性分析

知識(shí)結(jié)構(gòu)化是最直觀和易于理解的表示和實(shí)現(xiàn)知識(shí)推理的框架。思維結(jié)構(gòu)化是以事物的結(jié)構(gòu)為思考對(duì)象，縱向先總后分，找出問(wèn)題的關(guān)鍵后逐層往下分析，橫向通過(guò)歸類分組的方式將信息排序的一種立體化的分析方式，體現(xiàn)的是從無(wú)序到有序的思考過(guò)程。學(xué)生解決問(wèn)題效率低下的根本原因在于邏輯結(jié)構(gòu)不清晰，沒(méi)有形成快速有效的處理信息的思維方式。廣義的觀念是具體的主流認(rèn)知，主要指哲學(xué)中的本體論、世界觀，狹義的觀念是解決問(wèn)題的思想和方法論。認(rèn)知是觀念的前提，對(duì)事物的認(rèn)知不同，形成的觀念也會(huì)改變［3］。由于觀念不是具體的知識(shí)，是相對(duì)主觀的，一旦形成比較難改變。文中的觀念指的是化學(xué)學(xué)科的核心觀念，即思想和方法等。截至目前，觀念的結(jié)構(gòu)化研究尚屬空白。認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，知識(shí)結(jié)構(gòu)化是形成認(rèn)知結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)是學(xué)生主動(dòng)地在頭腦內(nèi)部構(gòu)造認(rèn)知結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)的結(jié)果不只是針對(duì)某種特定刺激作出的某種特定反應(yīng)，而是在頭腦內(nèi)部重建認(rèn)知圖式。圖式的形成和變化是認(rèn)知發(fā)展的實(shí)質(zhì)。從知識(shí)結(jié)構(gòu)化到認(rèn)知結(jié)構(gòu)化的進(jìn)階，伴隨著思維結(jié)構(gòu)化和觀念結(jié)構(gòu)化的發(fā)展。四種結(jié)構(gòu)化的關(guān)聯(lián)見(jiàn)圖1。

圖1 四種結(jié)構(gòu)化的關(guān)聯(lián)圖

3.對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)的發(fā)展分析

從知識(shí)結(jié)構(gòu)化到認(rèn)知結(jié)構(gòu)化的發(fā)展依靠學(xué)生結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)的開(kāi)展。所得“結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)”的文獻(xiàn)中，學(xué)位論文占16 篇。史耀芳最早從現(xiàn)代教育心理學(xué)視角研究個(gè)體差異，“除了關(guān)注學(xué)習(xí)者的努力和已有知識(shí)、成就動(dòng)機(jī)以及相應(yīng)的個(gè)性特征外，還特別重視學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格，如結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)風(fēng)格”。2000 至2016年均低于8 篇，2017年到2021年大幅增長(zhǎng)。其中，側(cè)重結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)的87 篇，著重結(jié)構(gòu)化教學(xué)的8篇。學(xué)生結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)見(jiàn)圖2，學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)只有實(shí)現(xiàn)概念化、結(jié)構(gòu)化和策略化之后才能真正促進(jìn)問(wèn)題的解決。

圖2 結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)圖

二、結(jié)構(gòu)化教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)生結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)方式的養(yǎng)成需要教師結(jié)構(gòu)化教學(xué)的長(zhǎng)期滲透。大量文獻(xiàn)顯示，結(jié)構(gòu)化教學(xué)指教師在學(xué)生已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于學(xué)生的心理與思維活動(dòng)，通過(guò)真實(shí)、有效的情境激發(fā)，有組織、有系統(tǒng)地安排學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)材料、學(xué)習(xí)手段及學(xué)習(xí)程序，高質(zhì)量地組織學(xué)生整合教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)，學(xué)生自主建構(gòu)整體關(guān)聯(lián)，把握知識(shí)元素的內(nèi)在結(jié)構(gòu)邏輯，最終達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，并轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過(guò)程［4］。結(jié)構(gòu)化教學(xué)強(qiáng)調(diào)教師基于學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)來(lái)確定學(xué)生的思維原點(diǎn)，系統(tǒng)地創(chuàng)造教學(xué)環(huán)境，并組織結(jié)構(gòu)化的情境系列和教學(xué)主線。從教學(xué)效果來(lái)看，結(jié)構(gòu)化的教學(xué)設(shè)計(jì)更利于優(yōu)化高中化學(xué)新概念、單元新授課和單元復(fù)習(xí)課的教學(xué)。

1.概念新授課的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

新課標(biāo)指出，在必修課程階段，要突出化學(xué)基本觀念（大概念）的統(tǒng)領(lǐng)作用［5］。不管教師想幫助學(xué)生獲得什么樣的概念或技能，都要依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，盡量把這些概念和技能與某種大概念聯(lián)系起來(lái)［6］，并需要以適合學(xué)習(xí)者不同認(rèn)知發(fā)展階段的方式來(lái)表達(dá)［7］。以大概念為統(tǒng)領(lǐng)的結(jié)構(gòu)化教學(xué)，是將細(xì)化且具體的事實(shí)、概念與學(xué)科中普適性更高、兼具認(rèn)識(shí)論與方法論意義的大概念建立關(guān)聯(lián)（如圖3 所示），讓學(xué)生從中領(lǐng)悟更有普遍意義、具有持久遷移價(jià)值的學(xué)科思想和解決問(wèn)題的思路方法［8］。

圖3 大概念的分解結(jié)構(gòu)示意圖［9］

教師在講授人教版（2019 版）必修一第一章物質(zhì)及其變化第二節(jié)離子反應(yīng)的新課時(shí)，要通盤(pán)考慮，盡量圍繞能統(tǒng)攝或包含大量學(xué)科知識(shí)、具有普遍性和廣泛解釋力的學(xué)科大概念“物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的”來(lái)組織結(jié)構(gòu)化教學(xué)［10］。第一，通過(guò)多媒體技術(shù)或模型展示微粒構(gòu)成，建立化學(xué)符號(hào)與實(shí)物之間的聯(lián)系，提升學(xué)生宏微聯(lián)系的思維能力。例如：投屏Na 和Cl2、H2和Cl2反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)畫(huà)模擬，在學(xué)生尚未學(xué)習(xí)離子鍵和共價(jià)鍵時(shí)，提前感知NaCl是化學(xué)式，HCl是分子式。第二，用典型的實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解強(qiáng)、弱電解質(zhì)。例如，課堂演示“試驗(yàn)物質(zhì)的導(dǎo)電性”實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感知溶液的導(dǎo)電性與離子的濃度和離子的電荷量成正比。第三，掌握反應(yīng)的機(jī)理，關(guān)注反應(yīng)條件的變化。例如，以Ca（OH）2澄清溶液與NaHCO3溶液過(guò)量與少量的反應(yīng)為例，讓學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感知并能解釋反應(yīng)物在不同反應(yīng)條件下往往產(chǎn)物不同的原因，學(xué)會(huì)用變化的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)離子反應(yīng)。第四，創(chuàng)設(shè)不同的問(wèn)題情境，緊扣“表示物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)和物質(zhì)變化過(guò)程的微粒”，能用簡(jiǎn)明的離子方程式正確表達(dá)物質(zhì)及其變化過(guò)程的實(shí)質(zhì)。例如，H2SO4與Ba（OH）2、H2SO4與NaOH反應(yīng)的離子方程式不同，讓學(xué)生理解離子方程式可以反映同一類反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，但要注意區(qū)別，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，發(fā)展學(xué)生抽象思維的能力。第五，引導(dǎo)學(xué)生自主歸納，建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)，提升他們?cè)谛虑榫持械念惐韧评砗蛻?yīng)用能力。

2.單元新授課的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

新課標(biāo)指出，教師在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)高度重視化學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，尤其是單元新授課的設(shè)計(jì)要注重化學(xué)思想和方法的統(tǒng)攝，有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行“認(rèn)識(shí)思路”和“核心觀念”的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，逐步提升學(xué)生的化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化水平，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［11］。結(jié)構(gòu)化的單元內(nèi)容整合設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 單元新授課的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

教師在講授人教版（2019 版）必修一第三章鐵金屬材料的新課時(shí)，從認(rèn)識(shí)元素及其化合物性質(zhì)的視角，把兩個(gè)單元整合成四課時(shí)，課時(shí)1 主題為鐵的單質(zhì)、氧化物和氫氧化物，課時(shí)2 為鐵鹽和亞鐵鹽，課時(shí)3 為鋁和常見(jiàn)的合金及應(yīng)用，課時(shí)4 為物質(zhì)的量在化學(xué)方程式計(jì)算中的應(yīng)用。每一課時(shí)都要以本章的核心方法“基于物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)兩方面可以預(yù)測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)”為授課主線。例如，講授課時(shí)1 時(shí)，設(shè)計(jì)如圖5 的鐵及其化合物轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)于Fe2O3，從物質(zhì)類別來(lái)看屬于堿性氧化物，預(yù)測(cè)它具有堿性氧化物的通性；從元素價(jià)態(tài)來(lái)看，F(xiàn)e2O3中Fe 是+3 價(jià)，為鐵元素的最高價(jià)，預(yù)測(cè)它具有氧化性，可與具有還原性的物質(zhì)反應(yīng)?；谖镔|(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)，還可設(shè)計(jì)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的途徑。從單質(zhì)Fe 到FeSO4，既可基于物質(zhì)類別設(shè)計(jì)金屬單質(zhì)與酸、與鹽的置換反應(yīng)獲得；也可基于元素價(jià)態(tài)設(shè)計(jì)單質(zhì)鐵與+3 價(jià)鐵反應(yīng)得到+2 價(jià)鐵。

圖5 鐵及其化合物轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖

3.單元復(fù)習(xí)課的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

新課標(biāo)指出，單元與模塊復(fù)習(xí)應(yīng)依據(jù)內(nèi)容要求，圍繞化學(xué)核心概念和觀念的結(jié)構(gòu)化來(lái)進(jìn)行，通過(guò)提問(wèn)或繪制概念圖等策略，診斷學(xué)生化學(xué)核心概念和觀念的結(jié)構(gòu)化水平；對(duì)于處在“知識(shí)關(guān)聯(lián)”水平的學(xué)生，應(yīng)引導(dǎo)他們進(jìn)一步概括核心概念的認(rèn)識(shí)思路，形成基于“認(rèn)識(shí)思路”的結(jié)構(gòu)化，從而提升化學(xué)核心概念和觀念的結(jié)構(gòu)化水平，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［12］。層次性是良好認(rèn)知結(jié)構(gòu)的特征之一，構(gòu)建圖6中內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的復(fù)習(xí)課有利于優(yōu)化學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)品質(zhì)。

圖6 內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的復(fù)習(xí)課構(gòu)建模型

以人教版（2019 版）必修一第二章海水中的重要元素——鈉和氯的復(fù)習(xí)課為例，內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的單元復(fù)習(xí)課重在擴(kuò)展知識(shí)本身的正向遷移作用，其結(jié)構(gòu)化框架見(jiàn)圖7。從三個(gè)層面建立關(guān)系，首先引導(dǎo)學(xué)生整理知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)。例如，以不同類別物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化為線索，認(rèn)識(shí)鈉及其化合物；以含不同價(jià)態(tài)同種元素的物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化為線索，認(rèn)識(shí)氯及其化合物。其次是圍繞核心問(wèn)題的討論。選擇Na、Na2O2、Na2CO3和NaHCO3中的一種或幾種，分類認(rèn)識(shí)物質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和用途?；贑l2的性質(zhì)，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)制取Cl2的方法，掌握Cl2的用途。最后，通過(guò)氯堿工業(yè)和氯氣的尾氣吸收將鈉與氯相互關(guān)聯(lián)，由表及里建立層次性關(guān)系，并將認(rèn)識(shí)引向深入，共同體驗(yàn)海水是多種工業(yè)原料的來(lái)源。

圖7 海水中的重要元素——鈉和氯的結(jié)構(gòu)化復(fù)習(xí)課框架

三、結(jié)構(gòu)化教與學(xué)的啟示

知識(shí)結(jié)構(gòu)化是思維、認(rèn)知、學(xué)科核心觀念結(jié)構(gòu)化的前提，學(xué)生若能將化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化，形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)體系，自然會(huì)拋棄化學(xué)知識(shí)繁、難、散、亂的感覺(jué)，這就要求教師在結(jié)構(gòu)化視角下對(duì)“教與學(xué)”的過(guò)程開(kāi)展設(shè)計(jì)和創(chuàng)新［13］。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)化教與學(xué)著眼于學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化和核心素養(yǎng)的落地，需要通過(guò)情境的結(jié)構(gòu)化來(lái)撬動(dòng)問(wèn)題、內(nèi)容和思維結(jié)構(gòu)化，進(jìn)而不斷提升學(xué)生的學(xué)習(xí)境界，需要教師時(shí)常關(guān)注自身的專業(yè)成長(zhǎng)，不斷更新教學(xué)情境素材?！?/p>