基于學(xué)習(xí)進階的化學(xué)核心概念教學(xué)設(shè)計與實踐

李淑花 趙玉雙 盧帥 周玉芝

摘要：結(jié)合核心概念抽象性、階段性和系統(tǒng)性的特征，將學(xué)習(xí)進階理論應(yīng)用到核心概念的教學(xué)中，有助于學(xué)生對核心概念的深入理解，提升邏輯思維能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。以“氧化還原反應(yīng)”單元教學(xué)為例，在對“氧化還原反應(yīng)”核心概念進行進階分析的基礎(chǔ)上，遵循學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律，構(gòu)建“氧化還原反應(yīng)”的重要概念關(guān)系圖和學(xué)習(xí)進階框架，并應(yīng)用于教學(xué)實踐。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進階；核心概念；氧化還原反應(yīng)；單元教學(xué)

文章編號：1008-0546（2023）09-0039-08

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.008

核心概念是處于學(xué)科核心位置，能體現(xiàn)學(xué)科結(jié)構(gòu)體系框架，能廣泛地對學(xué)科問題進行解釋和解決，提煉度好、概括性高的基本概念、原理和定律?！把趸€原反應(yīng)”涉及守恒觀、變化觀、微粒觀和能量觀等重要的化學(xué)觀念，圍繞“氧化還原反應(yīng)”開展教學(xué)可以促進學(xué)生思維認知由宏觀、定性與孤立水平進階到微觀、定量與系統(tǒng)水平，對于學(xué)生了解微觀和宏觀世界、認識物質(zhì)轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用等方面具有重要意義。因此，“氧化還原反應(yīng)”是關(guān)系學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的核心概念。

由于氧化還原反應(yīng)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容是從初中到高中不斷豐富與深化的，“為此，教師應(yīng)仔細研讀化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量標準，明確化學(xué)教學(xué)內(nèi)容在各學(xué)段的不同水平要求，整體規(guī)劃不同學(xué)段化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的深廣度”。[1]針對不同學(xué)段的氧化還原反應(yīng)內(nèi)容，教師應(yīng)遵循學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律，設(shè)計由簡單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)序列，即氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)進階。

近年來，雖已有研究提到基于學(xué)習(xí)進階理論開展“氧化還原反應(yīng)”核心概念教學(xué)的必要性，并從不同維度建構(gòu)“氧化還原反應(yīng)”學(xué)習(xí)進階層級，[2-7]但由于缺少單元教學(xué)的整體規(guī)劃，沒有將核心知識與科學(xué)探究能力發(fā)展有機結(jié)合起來，重知識和細節(jié)、輕方法和思維的被動學(xué)習(xí)容易使學(xué)生走人單純記憶的誤區(qū)，不利于深度學(xué)習(xí)。在新高考背景下，基于“雙減”政策和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的雙重需求，如何將學(xué)習(xí)進階理論更好地應(yīng)用到“氧化還原反應(yīng)”核心概念的教學(xué)設(shè)計與實踐中，幫助學(xué)生有效銜接初高中“氧化還原反應(yīng)”知識，形成系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)學(xué)生對于“氧化還原反應(yīng)”核心概念的深度理解，促進學(xué)生認知水平的發(fā)展，成為本研究的重點。

一、基于學(xué)習(xí)進階的化學(xué)核心概念教學(xué)設(shè)計思路

基于學(xué)習(xí)進階的化學(xué)核心概念教學(xué)設(shè)計的一般思路為（見圖1）：第一步是基于課標、教材和學(xué)業(yè)質(zhì)量標準對核心概念進行進階分析；第二步是梳理相關(guān)概念及各概念間的內(nèi)在關(guān)系，提煉出重要概念，劃分認知目標層級，并最終構(gòu)建出重要概念關(guān)系圖；第三步是確定進階變量，同時以學(xué)生思維發(fā)展情況、課程標準等方面作為參考，劃分不同階段的進階水平，進而構(gòu)建出核心概念的學(xué)習(xí)進階路徑；第四步，基于學(xué)習(xí)進階的單元教學(xué)案例實施。

二、“氧化還原反應(yīng)”核心概念學(xué)習(xí)進階框架的建構(gòu)

結(jié)合“氧化還原反應(yīng)”核心概念的相關(guān)文獻研究，通過整理分析初高中化學(xué)課程標準對氧化還原反應(yīng)內(nèi)容要求、初高中人教版化學(xué)教材的知識呈現(xiàn)和編排以及新高考對學(xué)生關(guān)鍵能力的要求，對“氧化還原反應(yīng)”相關(guān)概念進行梳理整合，結(jié)合布魯姆的認知目標分類理論和馬西婭．C．林教授的知識整合教學(xué)理論，分別對初中階段、高中必修階段、高中選修階段劃分層級，構(gòu)建出了“氧化還原反應(yīng)”重要概念關(guān)系圖（見圖2），表征多個重要概念之間相互聯(lián)系的多維建構(gòu)，描繪學(xué)生在學(xué)習(xí)“氧化還原反應(yīng)”核心概念的層級表現(xiàn)，根據(jù)概念間的聯(lián)系和學(xué)生的思維發(fā)展，建構(gòu)“氧化還原反應(yīng)”核心概念的學(xué)習(xí)進階框架。這種概念模型的建構(gòu)能夠幫助學(xué)生挖掘各概念的內(nèi)涵和外延，加深對氧化還原反應(yīng)的理解并學(xué)會遷移應(yīng)用。

基于“氧化還原反應(yīng)”重要概念關(guān)系圖，確定進階變量為：“氧化還原反應(yīng)”的概念認知層級，進階目標分為概念理解水平和行為表現(xiàn)期望。同時，確定學(xué)生在不同階段的進階水平，依據(jù)學(xué)生的實際情況、學(xué)習(xí)目標和內(nèi)容，劃分為四個水平并加以呈現(xiàn)，進而構(gòu)建出“氧化還原反應(yīng)”核心概念的學(xué)習(xí)進階路徑。如表1所示。初中階段強調(diào)學(xué)生的宏觀思維，學(xué)生對“氧化反應(yīng)”和“還原反應(yīng)”的判斷是基于物質(zhì)基礎(chǔ)的，此時學(xué)生的認知水平處于認識了解層級（水平一）。高中必修階段開始從微觀視角了解“氧化還原反應(yīng)”，從關(guān)注得失氧過渡到關(guān)注電子得失，同時開始理解化學(xué)能與其他形式能量轉(zhuǎn)化的緊密聯(lián)系，此時學(xué)生的認知水平提升到了理解掌握層級（水平二）。高中選修階段是“氧化還原反應(yīng)”核心概念的延伸，學(xué)生在掌握原電池和電解池的工作原理基礎(chǔ)上，開始認識到化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應(yīng)用，學(xué)生的認知水平處于應(yīng)用實踐層級（水平三）。此外，還要求學(xué)生能根據(jù)新情境設(shè)計和優(yōu)化化學(xué)電源，以及利用電化學(xué)保護法實現(xiàn)金屬防腐，學(xué)生的認知水平也提升到了遷移創(chuàng)新層級（水平四）。

三、基于進階框架“水平二”的氧化還原反應(yīng)單元教學(xué)進階設(shè)計

“氧化還原反應(yīng)”這一核心概念是連接義務(wù)教育階段化學(xué)與高中化學(xué)的紐帶和橋梁，對于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、引導(dǎo)學(xué)生有效進行高中階段的化學(xué)學(xué)習(xí)具有承前啟后的作用。高一是學(xué)生“氧化還原反應(yīng)”概念形成的分化期，學(xué)習(xí)該概念時，學(xué)生原有的認知基礎(chǔ)已達到學(xué)習(xí)進階水平一，即認識了解層級。同一學(xué)生的前概念影響著后續(xù)的概念學(xué)習(xí)，概念掌握水平和元認知能力也影響著學(xué)生解決氧化還原反應(yīng)問題的能力。本研究以學(xué)習(xí)進階理論為基礎(chǔ)，對魯科版高中化學(xué)必修一第二章第三節(jié)“氧化還原反應(yīng)”進行單元教學(xué)進階設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生運用分析比較、基于證據(jù)推理的思維方法開展學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在建構(gòu)概念的同時，形成學(xué)科基本觀念和學(xué)科思維方式。

1．單元進階設(shè)計

基于學(xué)習(xí)進階的“氧化還原反應(yīng)”單元教學(xué)的授課對象為我校2021級高一年級選考化學(xué)的學(xué)生，這一階段的學(xué)生能從得氧、失氧的宏觀視角區(qū)分氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)，但并沒有意識到得氧、失氧是同時發(fā)生、對立統(tǒng)一的，沒有認識到從得失氧的角度分析氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)的局限性，更沒有認識到氧化還原反應(yīng)的宏觀特征和微觀本質(zhì)。此外，學(xué)生雖然可以判斷簡單物質(zhì)中各元素的化合價以及化學(xué)反應(yīng)過程中元素化合價的變化，但并沒有了解化合價變化的實質(zhì)以及化合價的變化與電子轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系。依據(jù)魯科版必修一“氧化還原反應(yīng)”的內(nèi)容，基于學(xué)習(xí)進階理論進行“氧化還原反應(yīng)”單元教學(xué)設(shè)計，旨在將學(xué)生的認知水平由“認識了解”層級（水平一）進階到“理解掌握”層級（水平二）。學(xué)生需要認識和掌握氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念及概念間的關(guān)系，深入理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)特征，形成認識化學(xué)反應(yīng)的微觀視角，并能利用氧化還原反應(yīng)原理分析解決實際問題。

基于學(xué)習(xí)進階的“氧化還原反應(yīng)”教學(xué)單元劃分為有內(nèi)在邏輯關(guān)系的4個課時，并結(jié)合北京師范大學(xué)的王磊[8]研究團隊提出的化學(xué)學(xué)科能力表現(xiàn)對該教學(xué)單元進行學(xué)科能力目標的設(shè)定（見圖3）。第一節(jié)“認識氧化還原反應(yīng)”圍繞“氧化還原反應(yīng)”這一重要概念，構(gòu)建了“氧化反應(yīng)”“還原反應(yīng)”“化合價”“電子轉(zhuǎn)移”“電子守恒”等概念之間的關(guān)系，在本節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要認識和掌握氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念，深入理解其本質(zhì)特征，形成認識化學(xué)反應(yīng)的微觀視角。第二節(jié)“氧化劑和還原劑”是在第一節(jié)概念關(guān)系圖的基礎(chǔ)上拓展了“氧化劑”“還原劑”“氧化性”“還原性”“氧化產(chǎn)物”“還原產(chǎn)物”的概念，進一步完善了相關(guān)概念之間的關(guān)系。這種循序漸進、由淺人深的概念構(gòu)建方式，既符合學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律又有助于學(xué)生的理解。第三節(jié)“氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用——科學(xué)使用含氯消毒劑”是對前兩節(jié)氧化還原反應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用與提升。該節(jié)分為2個課時，課時1是從物質(zhì)類別、元素價態(tài)的角度，依據(jù)復(fù)分解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測84消毒液有效成分次氯酸鈉的化學(xué)性質(zhì)和變化，設(shè)計實驗進行初步驗證，并從定性的角度分析解釋科學(xué)使用84消毒液的方法和原因。課時2是借助pH、氧氣、溫度、氧化還原電位傳感器，運用數(shù)字化實驗手段分別探究了pH、濃度、溫度對84消毒液有效成分次氯酸鈉氧化性的影響，并從定量的角度分析解釋了使用84消毒液的最佳pH、濃度、溫度，進一步對氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)進行概念構(gòu)建。整個單元的4個課時旨在通過設(shè)計進階任務(wù)實現(xiàn)學(xué)生對“氧化還原反應(yīng)”核心概念的認知進階、能力進階和素養(yǎng)進階。

2．課時活動和評價設(shè)計

單元教學(xué)的課時活動設(shè)計要結(jié)合具體的化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的特點和學(xué)生的實際，開展分類與概括、證據(jù)與推理、模型與解釋、符號與表征等具有學(xué)科特質(zhì)的學(xué)習(xí)活動。[9]基于學(xué)習(xí)進階的“氧化還原反應(yīng)”單元教學(xué)中需要根據(jù)進階目標設(shè)置相應(yīng)、合理的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)活動，幫助學(xué)生建立新舊概念間的關(guān)聯(lián)，促進深度理解并學(xué)會遷移應(yīng)用。進階目標指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)活動是否達到目標要求，需要教師有意識地將評價任務(wù)融人到教學(xué)過程中，充分發(fā)揮化學(xué)日常學(xué)習(xí)評價的診斷與發(fā)展功能，促使“目標一教學(xué)一評價”三者的有機融合。[10]具體的“教一學(xué)—評”一體化設(shè)計詳見表2。

3．單元教學(xué)實踐效果反饋

為了清晰了解學(xué)生在初中階段對“氧化還原反應(yīng)”相關(guān)概念的掌握程度，描繪學(xué)生已有的認知水平，確定進階起點，在開展教學(xué)前，我們從“化學(xué)反應(yīng)”“化合價”“核外電子”三個概念出發(fā)，對我校高一年級兩個同等水平教學(xué)班的學(xué)生進行了前期測評。結(jié)果顯示：兩個班級的學(xué)生對以上三個概念的認知水平相當（見圖5），都達到了“認識了解層級”，但對宏觀層面的“化合價”與微觀層面的“核外電子”之間的關(guān)聯(lián)理解存在一定疑慮，需要教師在接下來的教學(xué)中逐步引領(lǐng)學(xué)生學(xué)會從宏觀視角走向微觀視角，探索氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，建立氧化還原反應(yīng)的認識模型。

在前測分析的基礎(chǔ)上，由同一教師在對照班和實驗班分別進行不同邏輯的“氧化還原反應(yīng)”的教學(xué)，其中對照班的教學(xué)按照傳統(tǒng)的教學(xué)邏輯進行，實驗班的教學(xué)則按照上述基于學(xué)習(xí)進階理論的單元教學(xué)設(shè)計邏輯來進行。經(jīng)過4個課時的同課異構(gòu)教學(xué)實踐后，對兩組學(xué)生進行后期測驗，進一步對比觀察兩組學(xué)生是否達到“氧化還原反應(yīng)”核心概念的學(xué)習(xí)進階水平二。本次后測試題主要涉及氧化還原反應(yīng)、氧化（還原）劑、氧化（還原）性、電子守恒、氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用等方面（見圖5）。后測結(jié)果表明：“氧化還原反應(yīng)”這一概念的得分率在對照班和實驗班中都是最高的，說明學(xué)生能清晰地認識到有化合價變化的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，明確不同類型反應(yīng)的特征，此時學(xué)生的學(xué)科能力由“辨識記憶”進階到了“說明論證”水平。關(guān)于“氧化（還原）劑”“氧化（還原）性”“電子守恒”的考查，實驗班的得分率均明顯高于對照班。實驗班的學(xué)生能結(jié)合“氧化還原反應(yīng)”重要概念圖，在陌生反應(yīng)中辨別氧化劑、還原劑、被氧化、被還原等概念，掌握了電子轉(zhuǎn)移與物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)間的關(guān)聯(lián)，并能分析、預(yù)測、比較物質(zhì)的氧化性或還原性，學(xué)生的學(xué)科能力進一步進階到了“推論預(yù)測”水平。反觀對照班，大多數(shù)學(xué)生以氧化還原反應(yīng)的口訣進行解題，未能真正理解各概念間的關(guān)聯(lián)。關(guān)于“氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用”的考查，實驗班的得分率比對照班高了26.1%。面對以真實問題解決為目的的探究任務(wù)，實驗班的大部分學(xué)生能夠根據(jù)“實驗探究的一般思路”，提煉對應(yīng)的學(xué)科問題并轉(zhuǎn)化為可操作的實驗問題，自覺調(diào)用“氧化還原反應(yīng)”核心概念體系，利用氧化還原反應(yīng)原理解決實際問題，學(xué)生的學(xué)科能力也進一步進階到了“簡單設(shè)計”水平。基于學(xué)習(xí)進階理論的“氧化還原反應(yīng)”單元教學(xué)有助于學(xué)生深入理解核心概念，促進學(xué)生的認知水平與能力水平的有序提升。

4．基于學(xué)習(xí)進階理論，開展核心概念教學(xué)反思

聚焦核心概念的進階，開展單元整體教學(xué)。對于核心概念的學(xué)習(xí)，教材編寫一般遵循螺旋式上升的原則，由于時間跨度大，容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)的“斷層”。教師要從學(xué)習(xí)進階的視角整體理解學(xué)生不同階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容，明確每個階段完成的學(xué)習(xí)任務(wù)所達成相關(guān)核心概念的階段水平。隨著學(xué)習(xí)進程的遞進，學(xué)習(xí)內(nèi)容不斷擴展，相關(guān)核心概念的水平不斷提升，從而使學(xué)生的核心素養(yǎng)逐步形成?；趯W(xué)習(xí)進階的“氧化還原反應(yīng)”單元整體教學(xué)設(shè)計要求教師從整體上把握教材和課標，找出階段間核心概念的內(nèi)在聯(lián)系，分析學(xué)生的能力和認知水平，構(gòu)建出“氧化還原反應(yīng)”核心概念的學(xué)習(xí)進階框架，細致描繪學(xué)生的思維發(fā)展路徑，最終確定“氧化還原反應(yīng)”的進階起點、終點和最近銜接點，設(shè)置適切的進階任務(wù)，由淺人深、層層推進。

重視核心概念的理解，淡化機械訓(xùn)練。化學(xué)核心概念是學(xué)生分析問題和解決問題的基礎(chǔ)。[11]針對化學(xué)核心概念的教學(xué)，教師不僅要有豐富的學(xué)科知識，還應(yīng)具備對概念的加工能力。[12]本單元中，必要的氧化還原反應(yīng)方程式的書寫訓(xùn)練是不可避免的，但是要淡化機械訓(xùn)練，加強對概念本身的深度理解，關(guān)注概念的建構(gòu)過程。在厘清上位概念（如：氧化還原反應(yīng)）的進階關(guān)系的基礎(chǔ)上，梳理下位概念（如：氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物等）之間的關(guān)聯(lián)，最終搭建框架，繪制重要概念關(guān)系圖。這一過程能夠使原本模糊的概念可視化，加深學(xué)生的理解和認知。[13]

重視實驗探究，強調(diào)“活動與體驗”?；瘜W(xué)概念是經(jīng)歷科學(xué)家長期研究而形成的，學(xué)生則是直接從人類認識結(jié)果進行學(xué)習(xí)。這能保證學(xué)習(xí)的高起點，但容易將知識傳輸當成目的，使教師強行灌輸、學(xué)生死記硬背方式成為主要的學(xué)習(xí)方式。[14]“深度學(xué)習(xí)”提出“活動與體驗”的運行機制，實驗為教學(xué)開辟了活動與體驗的最好渠道。在本單元的教學(xué)中，將概念理解與實驗探究聯(lián)系起來，合理設(shè)計了“利用Fe-Cu原電池裝置驗證氧化還原反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移”“實驗探究84消毒液有效成分的化學(xué)性質(zhì)”“運用數(shù)字化實驗探究pH、濃度、溫度對84消毒液有效成分氧化性的影響”等探究活動。學(xué)生在活動中體驗了氧化還原反應(yīng)的微觀本質(zhì)以及利用氧化還原反應(yīng)原理分析解決實際問題的功能價值，幫助學(xué)生形成良好的知識結(jié)構(gòu)、深度理解科學(xué)概念、提高解決問題的能力，促進學(xué)生高階思維的發(fā)展。

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