從“知識結構化”到“認知結構化”
——高中化學結構化教學簡析

王換榮，陳進前

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

《普通高中化學課程標準》（以下稱《新課標》）提出：“化學學科理解是指教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識，它不僅僅只是對化學知識的理解，還包括對具有化學學科特質的思維方式和方法的理解。”王磊認為只有結構化和功能化的知識才會有素養價值，將知識內容主題化，形成具有可遷移性的特定圖式，有利于知識結構化和功能化，是知識轉化為素養的關鍵［1］。教師唯有深刻參悟結構化的內涵，才能幫助學生搭建結構化的知識體系，結構化水平直接決定著素養發展水平。

一、四種結構化的流變與發展

新課標中先后共出現了29 次與“結構化”相關的表述，提出了“課程內容的結構化、知識關聯的結構化、認識思路的結構化、核心觀念的結構化”這4條與“結構化”相關的概念。依據課標與近二十年相關文獻調研，提出“從知識結構化到認知結構化”的進階，這是從知識表層上升到化學學科本質及化學學科知識向素養轉化的必經階段。

1.與結構化相關概念的發展分析

所得“結構化”的文獻中，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，2016年出現突躍，達到8篇。這是因為聯合國教科文衛組織在2015年發布了“反思教育：向全球共同利益的理念”一文，文中提出“把知識界定為通過學習獲得的信息、認識、技能、價值觀和態度的綜合”，掀起了“學生如何面對教育正在發生的深刻變革”的熱議。因此，教育界提出結構化教學（Structured Teaching）和結構化學習（Structured Learning），它們能使知識更具意義。改革引發了大量研究，2020年出現與結構化相關的文獻31篇，2021年23 篇。其中，與認知結構化相關的共5篇（1篇碩士學位論文，4篇期刊論文），除2011年的1篇外，其余集中在2019到2021年。與思維結構化相關的共6 篇（期刊論文），均集中在2019 到2021年。尚未檢索到與觀念結構化相關的文獻。可見，教育界對結構化的認識水平逐年更進，從知識到認知，對主要原理和概念等陳述性知識開始向原理和概念的程序性知識轉換。若學生能形成系統的知識結構，隨著知識儲備日益增多，再學新知識時需要的努力就越小，因為新知識可以用恰當的聯結方式整合進原有的知識結構中，從而使回憶與提取都相對容易［2］。

2.四種結構化的關聯性分析

知識結構化是最直觀和易于理解的表示和實現知識推理的框架。思維結構化是以事物的結構為思考對象，縱向先總后分，找出問題的關鍵后逐層往下分析，橫向通過歸類分組的方式將信息排序的一種立體化的分析方式，體現的是從無序到有序的思考過程。學生解決問題效率低下的根本原因在于邏輯結構不清晰，沒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知，主要指哲學中的本體論、世界觀，狹義的觀念是解決問題的思想和方法論。認知是觀念的前提，對事物的認知不同，形成的觀念也會改變［3］。由于觀念不是具體的知識，是相對主觀的，一旦形成比較難改變。文中的觀念指的是化學學科的核心觀念，即思想和方法等。截至目前，觀念的結構化研究尚屬空白。認知心理學認為，知識結構化是形成認知結構化的基礎，學習是學生主動地在頭腦內部構造認知結構。學習的結果不只是針對某種特定刺激作出的某種特定反應，而是在頭腦內部重建認知圖式。圖式的形成和變化是認知發展的實質。從知識結構化到認知結構化的進階，伴隨著思維結構化和觀念結構化的發展。四種結構化的關聯見圖1。

圖1 四種結構化的關聯圖

3.對結構化學習的發展分析

從知識結構化到認知結構化的發展依靠學生結構化學習的開展。所得“結構化學習”的文獻中，學位論文占16 篇。史耀芳最早從現代教育心理學視角研究個體差異，“除了關注學習者的努力和已有知識、成就動機以及相應的個性特征外，還特別重視學習者的學習風格，如結構化與非結構化學習風格”。2000 至2016年均低于8 篇，2017年到2021年大幅增長。其中，側重結構化學習的87 篇，著重結構化教學的8篇。學生結構化學習的關聯見圖2，學生對知識的學習只有實現概念化、結構化和策略化之后才能真正促進問題的解決。

圖2 結構化學習的關聯圖

二、結構化教學設計

學生結構化學習方式的養成需要教師結構化教學的長期滲透。大量文獻顯示，結構化教學指教師在學生已有認知結構的基礎上，基于學生的心理與思維活動，通過真實、有效的情境激發，有組織、有系統地安排學習環境、學習材料、學習手段及學習程序，高質量地組織學生整合教材的知識結構，學生自主建構整體關聯，把握知識元素的內在結構邏輯，最終達成學習目標，并轉變為學生的新的認知結構的過程［4］。結構化教學強調教師基于學生原有的認知結構來確定學生的思維原點，系統地創造教學環境，并組織結構化的情境系列和教學主線。從教學效果來看，結構化的教學設計更利于優化高中化學新概念、單元新授課和單元復習課的教學。

1.概念新授課的結構化設計

新課標指出，在必修課程階段，要突出化學基本觀念（大概念）的統領作用［5］。不管教師想幫助學生獲得什么樣的概念或技能，都要依據學生的認知水平，盡量把這些概念和技能與某種大概念聯系起來［6］，并需要以適合學習者不同認知發展階段的方式來表達［7］。以大概念為統領的結構化教學，是將細化且具體的事實、概念與學科中普適性更高、兼具認識論與方法論意義的大概念建立關聯（如圖3 所示），讓學生從中領悟更有普遍意義、具有持久遷移價值的學科思想和解決問題的思路方法［8］。

圖3 大概念的分解結構示意圖［9］

教師在講授人教版（2019 版）必修一第一章物質及其變化第二節離子反應的新課時，要通盤考慮，盡量圍繞能統攝或包含大量學科知識、具有普遍性和廣泛解釋力的學科大概念“物質是由微粒構成的”來組織結構化教學［10］。第一，通過多媒體技術或模型展示微粒構成，建立化學符號與實物之間的聯系，提升學生宏微聯系的思維能力。例如：投屏Na 和Cl2、H2和Cl2反應過程的動畫模擬，在學生尚未學習離子鍵和共價鍵時，提前感知NaCl是化學式，HCl是分子式。第二，用典型的實驗幫助學生理解強、弱電解質。例如，課堂演示“試驗物質的導電性”實驗，讓學生感知溶液的導電性與離子的濃度和離子的電荷量成正比。第三，掌握反應的機理，關注反應條件的變化。例如，以Ca（OH）2澄清溶液與NaHCO3溶液過量與少量的反應為例，讓學生通過觀察實驗現象感知并能解釋反應物在不同反應條件下往往產物不同的原因，學會用變化的觀點認識離子反應。第四，創設不同的問題情境，緊扣“表示物質組成結構和物質變化過程的微粒”，能用簡明的離子方程式正確表達物質及其變化過程的實質。例如，H2SO4與Ba（OH）2、H2SO4與NaOH反應的離子方程式不同，讓學生理解離子方程式可以反映同一類反應的實質，但要注意區別，加深對基礎知識的理解，發展學生抽象思維的能力。第五，引導學生自主歸納，建構知識網，提升他們在新情境中的類比推理和應用能力。

2.單元新授課的結構化設計

新課標指出，教師在組織教學內容時應高度重視化學知識的結構化設計，尤其是單元新授課的設計要注重化學思想和方法的統攝，有目的、有計劃地進行“認識思路”和“核心觀念”的結構化設計，逐步提升學生的化學知識結構化水平，發展化學學科核心素養［11］。結構化的單元內容整合設計框架如圖4所示。

圖4 單元新授課的結構化設計

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，從認識元素及其化合物性質的視角，把兩個單元整合成四課時，課時1 主題為鐵的單質、氧化物和氫氧化物，課時2 為鐵鹽和亞鐵鹽，課時3 為鋁和常見的合金及應用，課時4 為物質的量在化學方程式計算中的應用。每一課時都要以本章的核心方法“基于物質類別和元素價態兩方面可以預測物質的性質”為授課主線。例如，講授課時1 時，設計如圖5 的鐵及其化合物轉化結構示意圖。對于Fe2O3，從物質類別來看屬于堿性氧化物，預測它具有堿性氧化物的通性；從元素價態來看，Fe2O3中Fe 是+3 價，為鐵元素的最高價，預測它具有氧化性，可與具有還原性的物質反應。基于物質類別和元素價態，還可設計物質間轉化的途徑。從單質Fe 到FeSO4，既可基于物質類別設計金屬單質與酸、與鹽的置換反應獲得；也可基于元素價態設計單質鐵與+3 價鐵反應得到+2 價鐵。

圖5 鐵及其化合物轉化結構示意圖

3.單元復習課的結構化設計

新課標指出，單元與模塊復習應依據內容要求，圍繞化學核心概念和觀念的結構化來進行，通過提問或繪制概念圖等策略，診斷學生化學核心概念和觀念的結構化水平；對于處在“知識關聯”水平的學生，應引導他們進一步概括核心概念的認識思路，形成基于“認識思路”的結構化，從而提升化學核心概念和觀念的結構化水平，發展化學學科核心素養［12］。層次性是良好認知結構的特征之一，構建圖6中內容結構化的復習課有利于優化學生的認知結構品質。

圖6 內容結構化的復習課構建模型

以人教版（2019 版）必修一第二章海水中的重要元素——鈉和氯的復習課為例，內容結構化的單元復習課重在擴展知識本身的正向遷移作用，其結構化框架見圖7。從三個層面建立關系，首先引導學生整理知識之間的關聯。例如，以不同類別物質間的轉化為線索，認識鈉及其化合物；以含不同價態同種元素的物質間的轉化為線索，認識氯及其化合物。其次是圍繞核心問題的討論。選擇Na、Na2O2、Na2CO3和NaHCO3中的一種或幾種，分類認識物質的物理性質、化學性質和用途。基于Cl2的性質，認識實驗室和工業制取Cl2的方法，掌握Cl2的用途。最后，通過氯堿工業和氯氣的尾氣吸收將鈉與氯相互關聯，由表及里建立層次性關系，并將認識引向深入，共同體驗海水是多種工業原料的來源。

圖7 海水中的重要元素——鈉和氯的結構化復習課框架

三、結構化教與學的啟示

知識結構化是思維、認知、學科核心觀念結構化的前提，學生若能將化學知識結構化，形成良好的認知結構體系，自然會拋棄化學知識繁、難、散、亂的感覺，這就要求教師在結構化視角下對“教與學”的過程開展設計和創新［13］。當然，結構化教與學著眼于學習生態系統的持續優化和核心素養的落地，需要通過情境的結構化來撬動問題、內容和思維結構化，進而不斷提升學生的學習境界，需要教師時常關注自身的專業成長，不斷更新教學情境素材。▲