用SOLO分類理論指導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以“二氧化碳制取和性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例

湖北省襄陽市第四中學(xué)義務(wù)教育部(441021) 段云麗

湖北省襄陽市教育裝備中心(441021) 邱 娟

1 SOLO分類理論背景

當(dāng)下九年級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍以灌輸教育的方式為主，這種方式忽視了對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力和科學(xué)思維的培養(yǎng)，學(xué)生普遍存在學(xué)習(xí)熱情不高、動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)等諸多亟待解決的問題。隨著我國基礎(chǔ)教育課程改革的不斷深化，許多教師嘗試將教育理論與學(xué)科教學(xué)融合，并取得了較好的效果，這為解決以上問題提供了良好的參考。因此選擇一個(gè)能順應(yīng)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行有效評(píng)價(jià)且能與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的教育理念是至關(guān)重要的。

關(guān)于兒童青少年的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，提出的較多的是皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論。皮亞杰認(rèn)為兒童青少年的認(rèn)知發(fā)展有階段性，從低到高，按年齡層次劃分，依次為感知運(yùn)動(dòng)階段、前運(yùn)算階段、具體運(yùn)算階段、形式運(yùn)算階段，不同階段之間有質(zhì)的飛躍。然而實(shí)踐證明皮亞杰的理論僅僅是一個(gè)天才的假設(shè)，真正的兒童心理要比這一理論復(fù)雜的多，盡管階段順序逐步地由簡單上升到復(fù)雜，但學(xué)生的表現(xiàn)不一定按照這一順序發(fā)展。關(guān)于學(xué)生學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)，此前已經(jīng)有許多評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的努力，其中應(yīng)用最廣和影響最大的則是布魯姆教育目標(biāo)分類法，它向試卷設(shè)計(jì)者提供了一種按質(zhì)量等級(jí)層次分類的方法，布魯姆的分類體系概括了6個(gè)層次，分別為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造，實(shí)踐證明這一分類體系雖然很有用，但也存在一些問題，主要體現(xiàn)在其基本上只適用于評(píng)價(jià)封閉式的試題或問題的回答，而不能用來評(píng)價(jià)開放式試題的解答，人們無意評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)方法或他們的情感反應(yīng)，只是在意學(xué)生吸收了多少專業(yè)知識(shí)和學(xué)習(xí)成績，基于此，本節(jié)課嘗試尋找并應(yīng)用其他能夠解決上述問題的分類體系。

SOLO(Structure of the Observed Learning Outcome)，即可觀察的學(xué)習(xí)成果結(jié)構(gòu)，是基于這樣一種理念：任何學(xué)習(xí)結(jié)果的數(shù)量和質(zhì)量都是由學(xué)習(xí)過程中的教學(xué)程序和學(xué)生的特點(diǎn)決定的。它根據(jù)學(xué)生的已有知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)的投入以及學(xué)習(xí)策略等多方面的特征，從具體到抽象，從單維到多維，從組織的無序到有序。其焦點(diǎn)集中在學(xué)生回答問題的質(zhì)而不是量上。對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)并不局限于對(duì)與錯(cuò)，而是力求從回答中分析學(xué)生的思維層次，因此，該分類理論既可以用于評(píng)價(jià)，也可以用于教學(xué)[1]。

SOLO分類理論是對(duì)皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段學(xué)說的繼承，比肩布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)，但更加關(guān)注學(xué)生外顯的學(xué)習(xí)成果，它將學(xué)生思維水平分為以下五個(gè)層次，講求點(diǎn)-線-面-體的發(fā)展過程，可根據(jù)學(xué)科內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量和思維結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，操作性強(qiáng)，有利于教師制定教學(xué)目標(biāo)、檢查教學(xué)效果。結(jié)合該分類理論[2]，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可將學(xué)生的五階結(jié)構(gòu)層次水平進(jìn)行簡單修正(見表1)。

表1 基于SOLO分類理論的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂學(xué)生思維層次

1.1 教學(xué)目標(biāo)

本課題選自人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第6單元課題二和課題三，二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法及性質(zhì)是初中現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)中8個(gè)重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。在SOLO分類理論的指導(dǎo)下，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)確定如下：

(1)知識(shí)與技能：①初步形成驗(yàn)證二氧化碳性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)技能；②初步學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證二氧化碳的性質(zhì)；③嘗試?yán)脭?shù)字化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)。

(2)過程與方法：在SOLO分類理論的指導(dǎo)下，提升學(xué)生小組協(xié)作能力，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，提升學(xué)生的認(rèn)知維度。在信息技術(shù)環(huán)境下，引領(lǐng)學(xué)生多視角全方位參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

(3)情感與態(tài)度價(jià)值觀：通過對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，讓學(xué)生感受化學(xué)來源于生活又服務(wù)于生活，增強(qiáng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神以及學(xué)好化學(xué)、服務(wù)社會(huì)的責(zé)任感和使命感，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)力。

1.2 教材與學(xué)情分析

(1)教材分析：本節(jié)課緊密聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際，并利用大量實(shí)驗(yàn)對(duì)二氧化碳的性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，最后運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活問題。其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本節(jié)課起到關(guān)鍵的作用。

(2)學(xué)情分析：結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)和前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)二氧化碳已經(jīng)有一定的了解，并且具備對(duì)課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡單的創(chuàng)新和改進(jìn)能力，不足的是學(xué)生對(duì)二氧化碳的性質(zhì)缺少系統(tǒng)的認(rèn)知，進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)的能力有所欠缺，且雖然學(xué)習(xí)“空氣中氧氣含量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生已經(jīng)接觸過數(shù)字化傳感器，但還不能較好地將其應(yīng)用于自己的實(shí)驗(yàn)方案[3]。

1.3 教學(xué)重難點(diǎn)

(1)教學(xué)重點(diǎn)：利用系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)二氧化碳的性質(zhì)。

(2)教學(xué)難點(diǎn)：培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰疤剿鲃?chuàng)新意識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

2.1 知識(shí)學(xué)習(xí)

讓學(xué)生的思維達(dá)到認(rèn)識(shí)記憶、理解掌握的層面。本節(jié)課采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，讓學(xué)生課前進(jìn)行微課學(xué)習(xí)，將課本內(nèi)容前置，節(jié)約課堂時(shí)間。課堂上有針對(duì)性地對(duì)學(xué)生存在的問題進(jìn)行解答并帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室完成課本實(shí)驗(yàn)。

2.2 創(chuàng)設(shè)問題情境

愛因斯坦曾說：提出問題往往比解決問題更重要，因?yàn)樘岢鲇袃r(jià)值的問題需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力，而想象力正是科學(xué)探究的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后利用班級(jí)QQ群中的小程序以投票的方式收集學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的困惑，并向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)的部分片段及投票結(jié)果(見圖1)，明確學(xué)生遇到的突出難題，同時(shí)創(chuàng)設(shè)問題情境：能否對(duì)課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，解決大家所遇到的困惑。

圖1 學(xué)生投票結(jié)果

2.3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

此階段的學(xué)習(xí)旨在讓學(xué)生思維進(jìn)入到模仿應(yīng)用、分析評(píng)價(jià)的層次。教師利用課余時(shí)間組織學(xué)生展開對(duì)課本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)(見圖2)。

圖2 學(xué)生改進(jìn)裝置

展示結(jié)束后，首先對(duì)學(xué)生的成果予以肯定，同時(shí)指出不足。通過小組分析、思考設(shè)計(jì)、總結(jié)匯報(bào)、評(píng)價(jià)交流，得出裝置綜合性不足這一結(jié)論。

教師提出問題：能否設(shè)計(jì)出一套既節(jié)約藥品、又能完成一系列二氧化碳性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的裝置呢？

接下來在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生嘗試組間合作，充分結(jié)合各小組裝置的優(yōu)勢(shì)，組合出一套一體化裝置，但這些裝置仍存在以下問題，如實(shí)驗(yàn)的成功率不能保證、如何解釋為什么上下層蠟燭先后熄滅就說明二氧化碳的密度比空氣的大。

2.4 實(shí)驗(yàn)再改進(jìn)

此環(huán)節(jié)使學(xué)生的思維到達(dá)拓展創(chuàng)新的高度。2018年4月13日，教育部下發(fā)了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》的通知[4]，其核心理念即為堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。教師提出能否拓寬資料的查找范圍，如利用知網(wǎng)等更加學(xué)術(shù)的平臺(tái)。學(xué)生通過搜索“實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”這樣的關(guān)鍵詞，其中“數(shù)字化”這三個(gè)字作為近幾年創(chuàng)新設(shè)計(jì)的高頻詞匯走進(jìn)了學(xué)生的視野[5]。學(xué)生提出，能否在自己的實(shí)驗(yàn)裝置中也融入數(shù)字化儀器突破之前裝置存在的不足，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)了解了傳感器的種類和作用，確定了在實(shí)驗(yàn)方案中加入二氧化碳傳感器[6]。但是又一個(gè)問題出現(xiàn)在大家面前，如何選擇合適的傳感器呢？

常規(guī)傳感器是通過數(shù)據(jù)處理器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，再由電腦將由數(shù)據(jù)生成的圖形呈現(xiàn)出來。這類傳感器綜合性較強(qiáng)，相對(duì)來說也比較專業(yè)化，但對(duì)于本實(shí)驗(yàn)來說，設(shè)備使用起來較為不便，最重要的是對(duì)于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)室而言預(yù)算較高，較難實(shí)現(xiàn)。最后結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，通過對(duì)比網(wǎng)上各類二氧化碳傳感器，我們最終確定了這樣一只小巧、實(shí)惠、直觀，能滿足本實(shí)驗(yàn)所有需求的手持傳感器(見圖3)[7]。

圖3 手持二氧化碳傳感器

工欲善其事必先利其器。有了硬件的支持，學(xué)生放開手腳，最終設(shè)計(jì)出一套滿意度較高的裝置(見圖4)。

圖4 “二氧化碳制取和性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)一體化創(chuàng)新裝置

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置

3.1 儀器和藥品

簡易啟普發(fā)生器、氧氣泵分流器各1只、注射器2只、醫(yī)用流量調(diào)節(jié)閥4只、二氧化碳傳感器2個(gè)、輸液管、黑色背景板；稀鹽酸、大理石、澄清石灰水、蒸餾水、干燥的紫色石蕊試紙、濕潤的紫色石蕊試紙、變色硅膠。

3.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)操作性

(1)利用氧氣泵分流器，將二氧化碳制取和性質(zhì)一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行串聯(lián)。所有的止水夾均用醫(yī)用流量調(diào)節(jié)閥代替。

(2)發(fā)生裝置采用的是能控制反應(yīng)發(fā)生和停止的簡易啟普發(fā)生器。

(3)利用2支注射器分別驗(yàn)證二氧化碳能溶于水及澄清石灰水與二氧化碳的反應(yīng)。

(4)自制T型管上下兩端分別放置了干燥和濕潤的紫色石蕊試紙，用來驗(yàn)證二氧化碳與水的反應(yīng)。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)可視性

(1)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中教師常用蠟燭、氣球、肥皂泡等來驗(yàn)證二氧化碳密度比空氣的大，但實(shí)驗(yàn)容易失敗或耗時(shí)長，本裝置引入可迅速檢測(cè)二氧化碳濃度的手持傳感器、分別置于上下兩個(gè)不同位置，通過對(duì)比上下傳感器二氧化碳濃度的具體數(shù)值來直接驗(yàn)證這一性質(zhì)。

(2)此外，展板式裝置也增加了實(shí)驗(yàn)的可視性和操作便捷性。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性

利用輸液管中的變色硅膠排除水蒸氣對(duì)二氧化碳與水的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的干擾。

3.3 實(shí)驗(yàn)操作步驟及現(xiàn)象

(1)檢查裝置氣密性。

(2)打開啟普發(fā)生器止水夾，接著打開最左側(cè)止水夾。

(3)將燃著的木條置于最左側(cè)輸液管管口，觀察到木條熄滅。

(4)關(guān)閉最左側(cè)止水夾，打開最右側(cè)止水夾，可以觀察到上方傳感器數(shù)據(jù)增長快，下方傳感器數(shù)據(jù)增長慢。

(5)利用裝有10 mL水的注射器抽取生成的二氧化碳至20 mL處，稍等片刻可以看到注射器活塞向下滑動(dòng)。

(6)利用裝有澄清石灰水的注射器抽取一定量生成的二氧化碳，觀察到澄清石灰水變渾濁。

(7)關(guān)閉啟普發(fā)生器止水夾，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，稍等片刻可以觀察到下側(cè)濕潤的紫色石蕊試紙變紅，其它石蕊試紙無明顯現(xiàn)象。

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出二氧化碳的一系列性質(zhì)，尤其是能通過對(duì)上下傳感器數(shù)據(jù)的分析(見圖5)，準(zhǔn)確快速得出二氧化碳密度比空氣的大，并能夠?qū)?個(gè)不同部位的石蕊試紙變色現(xiàn)象進(jìn)行解釋說明，讓學(xué)生對(duì)二氧化碳性質(zhì)的學(xué)習(xí)不再浮于表面。

圖5 傳感器數(shù)據(jù)分析

4 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與反思

4.1 裝置的創(chuàng)新亮點(diǎn)

(1)一體化：化零為整，方便省時(shí)。

(2)微型化：節(jié)約大量藥品。

(3)數(shù)字化：將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更嚴(yán)謹(jǐn)，讓學(xué)生在高效學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)學(xué)會(huì)利用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

4.2 學(xué)生課后表現(xiàn)

課后學(xué)生意猶未盡地嘗試對(duì)分子運(yùn)動(dòng)、水的凈化、燃燒條件的探究等多個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，嘗試將數(shù)字化技術(shù)融入化學(xué)實(shí)驗(yàn)突破定性實(shí)驗(yàn)無法解決的問題并均獲得良好的效果；再依據(jù)學(xué)生自我評(píng)價(jià)、當(dāng)堂檢測(cè)及課后作業(yè)完成情況，可以明確的是，本節(jié)課的目標(biāo)達(dá)成情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期，由此可見，基于SOLO分類理論設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是完全可以達(dá)成的。

在SOLO分類理論的指導(dǎo)下，通過信息化教學(xué)手段和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的運(yùn)用，整個(gè)過程學(xué)生充分參與，激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的濃厚興趣和對(duì)科研的探索欲，這正是實(shí)驗(yàn)教學(xué)所追求的真正意義。