基于認(rèn)知同化論與手持技術(shù)的概念教學(xué)實(shí)踐

摘 要：將認(rèn)知同化論和真實(shí)情境教學(xué)相互融合，以草酸鈣型腎結(jié)石的成因、治療和預(yù)防等為情境載體，引導(dǎo)學(xué)生圍繞新、舊概念的共性與實(shí)質(zhì)性聯(lián)系，開展上位學(xué)習(xí)、下位學(xué)習(xí)和并列學(xué)習(xí)，深度理解“沉淀溶解平衡”，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)整合與迭代。依托手持技術(shù)，注重科學(xué)探究，通過(guò)“四重表征”外顯思維，將抽象的概念形象化，同時(shí)培養(yǎng)高階思維，賦能認(rèn)知結(jié)構(gòu)穩(wěn)定輸出。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知同化；手持技術(shù)；真實(shí)情境；概念教學(xué)；沉淀溶解平衡

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、教學(xué)思想

（一）認(rèn)知同化理論

認(rèn)知同化理論由美國(guó)教育學(xué)家?jiàn)W蘇貝爾提出，著重要求學(xué)習(xí)者在已有知識(shí)和新學(xué)知識(shí)之間建立起一種非任意的、實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，即有意義學(xué)習(xí)[1]。奧蘇貝爾注重學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，指出學(xué)生在新知識(shí)的學(xué)習(xí)期間，應(yīng)該突出與舊知識(shí)之間的連接與順應(yīng)，建立同舊知識(shí)相適應(yīng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。因此，認(rèn)知同化論的本質(zhì)在于抓住新知識(shí)和舊知識(shí)的本質(zhì)特征，尋找新舊知識(shí)之間相同的要素，開展有意義的教學(xué)，發(fā)揮認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有概念的決定性作用（見(jiàn)圖1）。

（二）認(rèn)知同化與真實(shí)情境相互支持

認(rèn)知同化理論與真實(shí)情境教學(xué)表現(xiàn)為相互支持的關(guān)系。真實(shí)情境在教學(xué)中的應(yīng)用，主要是用現(xiàn)存的知識(shí)與方法去解析或解決情境素材本身所直接呈現(xiàn)的化學(xué)問(wèn)題[2]。真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，必須考慮學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備與新知識(shí)的關(guān)聯(lián)性和已有研究方法與新思維習(xí)得的相關(guān)性?？梢?jiàn)，真實(shí)情境教學(xué)需基于認(rèn)知同化的思想。而真實(shí)情境教學(xué)具有增加學(xué)生學(xué)習(xí)參與度、轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式、拓寬學(xué)生學(xué)科實(shí)踐場(chǎng)域和凸顯學(xué)科實(shí)用價(jià)值等優(yōu)勢(shì)，可驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)同化知識(shí)，提高認(rèn)知同化的效能。

將真實(shí)情境教學(xué)與認(rèn)知同化思想相融合，以真實(shí)情境為載體，將新、舊知識(shí)耦合，關(guān)聯(lián)任務(wù)參與和探究實(shí)踐，可凸顯學(xué)生具身參與[3]，助長(zhǎng)認(rèn)知的正遷移。下面以人教版（2019）高中《化學(xué)（選擇性必修1）》第三章第四節(jié)“沉淀溶解平衡”的設(shè)計(jì)加以闡明。

二、教學(xué)主題內(nèi)容分析

（一）認(rèn)知同化論與化學(xué)課程

普通高中化學(xué)課程既與義務(wù)教育化學(xué)課程銜接，也與大學(xué)化學(xué)課程關(guān)聯(lián)，化學(xué)課程的銜接性指向認(rèn)知結(jié)構(gòu)同化。初中化學(xué)課程提出了“溶解是有限度的”，并從定性和定量的視角解析了飽和溶液、溶解度等概念；高中課程必修部分“化學(xué)反應(yīng)規(guī)律”建立了可逆過(guò)程在一定條件下具有限度（平衡）這個(gè)概念；在選擇性必修部分以定性與定量相結(jié)合的方式強(qiáng)化了對(duì)反應(yīng)限度（平衡）的理解，并建立了判斷可逆反應(yīng)或可逆過(guò)程進(jìn)行方向的思維模型；大學(xué)課程則進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)定量分析，如以共晶和混晶的方式共沉淀、分級(jí)沉淀等?？梢?jiàn)，沉淀溶解平衡以共性遞進(jìn)的方式跨學(xué)段呈現(xiàn)，本節(jié)課便是圍繞可逆過(guò)程在一定條件下存在極限這個(gè)“本源”展開（見(jiàn)圖2），同時(shí)注重思維模型的構(gòu)建。

（二）認(rèn)知同化論與沉淀溶解平衡

沉淀溶解平衡是一定溫度下難溶電解質(zhì)飽和溶液中離子與難溶固體之間的多相動(dòng)態(tài)平衡[4]，在化學(xué)平衡、弱電解質(zhì)電離平衡、鹽類水解平衡等之后呈現(xiàn)，是對(duì)平衡思想的鞏固與延伸，關(guān)注學(xué)生邏輯思維和推理能力的“以舊促新”，符合認(rèn)知同化的要義。教材引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)溶解度數(shù)據(jù)、化學(xué)反應(yīng)限度和平衡原理的認(rèn)知，形成“溶解是絕對(duì)，難溶是相對(duì)”的觀念，進(jìn)而討論沉淀溶解平衡的原理，最終形成分析難溶電解質(zhì)在水溶液中離子行為的定性、定量思維模型。可見(jiàn)，教材特別關(guān)注學(xué)生過(guò)往基礎(chǔ)，側(cè)重前后關(guān)聯(lián)同化，達(dá)成平衡理論相關(guān)概念系統(tǒng)化，兼顧學(xué)生邏輯思維和推理能力的進(jìn)階?；谡J(rèn)知同化論，結(jié)合新、舊概念元之間的本質(zhì)共性，構(gòu)建了本課時(shí)教學(xué)的概念同化關(guān)系（見(jiàn)表1）。

三、教學(xué)目標(biāo)及流程

（一）教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)與溶解度和化學(xué)平衡同化，認(rèn)識(shí)難溶電解質(zhì)在水溶液中存在沉淀溶解平衡，依托手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)、微觀“動(dòng)畫”模擬和定量計(jì)算等方式證明沉淀溶解平衡的存在，進(jìn)一步發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想等核心素養(yǎng)。

②通過(guò)與勒夏特列原理、平衡移動(dòng)等的同化，了解影響沉淀溶解平衡的因素，結(jié)合定量與定性實(shí)驗(yàn)，將沉淀溶解平衡移動(dòng)可視化，定性分析與溶解平衡相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，發(fā)展科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)核心素養(yǎng)。

③通過(guò)感知定性判斷的局限性與平衡常數(shù)等的同化以理解Ksp，并通過(guò)比較Ksp與離子積的大小從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)視角判斷難溶電解質(zhì)的離子行為，學(xué)會(huì)從定量角度解決與沉淀溶解平衡相關(guān)實(shí)際問(wèn)題。

（二）教學(xué)流程

本節(jié)內(nèi)容新、容量大、理論性強(qiáng)，但概念之間邏輯緊密，通過(guò)具有包攝性的貫穿式情境——探析“腎結(jié)石之王”，設(shè)置驅(qū)動(dòng)問(wèn)題、任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生在“已經(jīng)知道的”和“需要知道的”之間架設(shè)橋梁，不斷喚醒和深入分析新問(wèn)題（見(jiàn)表2）。借助手持技術(shù)，深化分析預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、證據(jù)推理、遷移應(yīng)用等科學(xué)探究方法，增進(jìn)了學(xué)生對(duì)沉淀溶解平衡影響因素的理解，拓寬了學(xué)生思考與探索空間。通過(guò)飽和溶液濃度與溶解度之間的換算和對(duì)沉淀溶解平衡的定量理解，既呼應(yīng)過(guò)往初中知識(shí)，也鞏固當(dāng)前知識(shí)，更有助于學(xué)生跨上大學(xué)的認(rèn)知“階”。

四、教學(xué)實(shí)錄

（三）科學(xué)探究，理解沉淀溶解平衡的影響因素

[情境]草酸鈣腎結(jié)石治療最簡(jiǎn)單的思路是阻止草酸鈣的形成并化解草酸鈣，日常生活中可以多吃些橙子或檸檬等，為什么呢？

[問(wèn)4]根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)，影響溶解平衡的外界因素可能有哪些呢？

[交流分享]溫度、離子濃度等。升溫大多數(shù)難溶物溶解平衡正移；加水使難溶物溶解平衡正移；增大離子濃度，溶解平衡逆移，減小離子濃度，溶解平衡正移。

[師]上述“實(shí)驗(yàn)2”中加入飽和CaCl2溶液后，Ca2+濃度增大，溶解平衡逆移，故出現(xiàn)白色沉淀。

[問(wèn)5]難溶物溶解平衡的正向程度很小，可否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度對(duì)CaC2O4溶解平衡的影響呢？

[生]加熱CaC2O4懸濁液，用溫度傳感器和電導(dǎo)率傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定數(shù)據(jù)。

[追問(wèn)]結(jié)合水的電離和離子遷移與溫度的關(guān)系，還有哪些因素可使CaC2O4懸濁液導(dǎo)電性增強(qiáng)？

[交流討論]加熱時(shí)，水的電離平衡也會(huì)正移，溶液導(dǎo)電性增強(qiáng)；此外，溫度升高，離子運(yùn)動(dòng)更快，也會(huì)使導(dǎo)電性增強(qiáng)。

[實(shí)驗(yàn)3]學(xué)生設(shè)計(jì)方案：

分別測(cè)定等體積①蒸餾水②CaC2O4沉淀上清液（飽和溶液）③CaC2O4懸濁液（過(guò)飽和溶液）的電導(dǎo)率隨溫度變化（見(jiàn)圖5）。

[活動(dòng)]推理：CaC2O4懸濁液電導(dǎo)率隨溫度變化幅度大于前兩者，故溫度可影響難溶物溶解平衡，且使CaC2O4溶解平衡正移。

[問(wèn)6]加水可使溶解平衡正移，試預(yù)測(cè)新平衡和原平衡的離子濃度大小。

[生]加水后，離子濃度減小，根據(jù)勒夏特列原理，平衡正移，減弱“離子濃度減小”，故新平衡的離子濃度比原平衡小。

[演示2]向CaC2O4懸濁液中分三次加入10 mL水，測(cè)電導(dǎo)率（見(jiàn)圖6）。

[師]加水后，濃度先減小后增大，說(shuō)明平衡右移，如果仍為飽和狀態(tài)，則離子濃度與原平衡相同。

[活動(dòng)]對(duì)CaC2O4懸濁液，分別改變實(shí)驗(yàn)條件：升高溫度、加CaCl2飽和溶液、加少量水、加CaC2O4固體、加稀HCl溶液，判斷溶解平衡移動(dòng)方向、離子濃度變化和溶解度變化。

[情境回歸]橙子和檸檬中的酸性物質(zhì)如檸檬酸可與草酸競(jìng)爭(zhēng)，使沉淀溶解平衡右移，起到溶石或阻止結(jié)石形成。

（四）定量分析，理解沉淀溶解平衡的離子行為

[師]這是一個(gè)定量問(wèn)題，需要借用平衡常數(shù)解決。

[活動(dòng)]參考化學(xué)平衡常數(shù)、電離常數(shù)、水解常數(shù)等，請(qǐng)完成表3。

[師]二者盡量少同食，食用菠菜前要用熱水先焯洗菠菜去除草酸。除此，請(qǐng)?zhí)接懺撊绾畏乐文I結(jié)石？

[生]總結(jié)方法：①適當(dāng)多喝水（防止離子濃度過(guò)高）并多食橙子、檸檬等；②控制、調(diào)節(jié)飲食（減少形成沉淀離子的攝入）；③溶石（促使平衡向溶解方向移動(dòng)）。

五、教學(xué)創(chuàng)新與反思

（一）立足現(xiàn)實(shí)情境，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)同化

教學(xué)過(guò)程中以草酸鈣結(jié)石的成因、治療和預(yù)防等為貫穿式情境載體，融合認(rèn)知同化論的思想，有利于學(xué)生將現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題轉(zhuǎn)化為化學(xué)問(wèn)題，串聯(lián)過(guò)往知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，使得整個(gè)知識(shí)體系在縱向上層次分明，在橫向上融會(huì)貫通，構(gòu)建完整的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。通過(guò)抓住“溶解平衡和化學(xué)平衡均是指向可逆過(guò)程的極限”“難溶電解質(zhì)和弱電解質(zhì)溶液中的離子濃度均小且可隨條件改變而改變”等共性本質(zhì)，學(xué)生在縱向上厘清了“溶解度-飽和溶液-化學(xué)平衡-沉淀溶解平衡”等的演進(jìn)，進(jìn)行了有效的上位和下位學(xué)習(xí)；以“勒夏特列原理”和“平衡常數(shù)”等為載體，引導(dǎo)學(xué)生在橫向上將沉淀溶解平衡與電離平衡、水解平衡等并列結(jié)合，不僅充實(shí)和鞏固原有知識(shí)，而且為新知識(shí)找到固著點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的正遷移。

（二）注重“四重”表征，推動(dòng)認(rèn)知結(jié)構(gòu)迭代

本課時(shí)側(cè)重“四重”表征外顯抽象思維，一是宏觀辨識(shí)、微觀探析和方程式結(jié)合理解溶解平衡的概念，二是用難溶物溶解的“電導(dǎo)率-時(shí)間”曲線、“速率-時(shí)間”曲線等外顯沉淀溶解平衡建立的過(guò)程，三是“電導(dǎo)率-溫度”等曲線表征外界條件對(duì)沉淀溶解平衡的影響，逐步引導(dǎo)學(xué)生以“宏觀表征→微觀表征→符號(hào)表征→曲線表征”路徑發(fā)展認(rèn)知[5]。尤其是手持技術(shù)的加持，使得抽象的知識(shí)形象化，更能幫助學(xué)生將“c-t”“v-t”“電導(dǎo)率-t”“電導(dǎo)率-T”等圖像融合理解，突破“迷思概念”[6]，形成新概念并推動(dòng)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的迭代。

（三）指向高階思維，賦能認(rèn)知結(jié)構(gòu)輸出

本節(jié)課指向高階思維培養(yǎng)：一是引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)回憶信息和共性的問(wèn)題經(jīng)歷達(dá)到學(xué)習(xí)目的[7]，學(xué)生理解溶解平衡的概念、溶解平衡的微觀過(guò)程、溶度積和溶解平衡的移動(dòng)等均是由舊知識(shí)同化而來(lái)，教學(xué)過(guò)程中學(xué)生主動(dòng)參與、積極具身體驗(yàn)，有利于學(xué)生高階思維的培養(yǎng)。二是鼓勵(lì)并啟發(fā)學(xué)生思考，沉淀溶解平衡的移動(dòng)與其他平衡有不同之處，不能完全依靠“勒夏特列原理模型”進(jìn)行分析[8]。如“探究溫度對(duì)溶解平衡的影響”中鼓勵(lì)學(xué)生“二次”思考，最終得出要將溫度、離子遷移速率對(duì)電導(dǎo)率影響作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階；在“探究稀釋過(guò)程中平衡移動(dòng)及離子濃度變化”中制造認(rèn)知沖突，并引導(dǎo)學(xué)生“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→尋找證據(jù)→理論解釋→得出結(jié)論”，實(shí)現(xiàn)深層學(xué)習(xí)。在“遷移運(yùn)用”環(huán)節(jié)，學(xué)生能順利解決“豆腐湯的做法”“預(yù)防腎結(jié)石”等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題?？梢?jiàn)，基于認(rèn)知同化的正遷移教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生的高階思維，學(xué)生不僅搭建了穩(wěn)固的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，還能穩(wěn)定輸出以解決陌生且復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題。

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（責(zé)任編輯：加順花）