基于學習進階的化學核心概念教學設計與實踐

李淑花 趙玉雙 盧帥 周玉芝

摘要：結合核心概念抽象性、階段性和系統性的特征，將學習進階理論應用到核心概念的教學中，有助于學生對核心概念的深入理解，提升邏輯思維能力和學科核心素養。以“氧化還原反應”單元教學為例，在對“氧化還原反應”核心概念進行進階分析的基礎上，遵循學生認知發展規律，構建“氧化還原反應”的重要概念關系圖和學習進階框架，并應用于教學實踐。

關鍵詞：學習進階；核心概念；氧化還原反應；單元教學

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

核心概念是處于學科核心位置，能體現學科結構體系框架，能廣泛地對學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。“氧化還原反應”涉及守恒觀、變化觀、微粒觀和能量觀等重要的化學觀念，圍繞“氧化還原反應”開展教學可以促進學生思維認知由宏觀、定性與孤立水平進階到微觀、定量與系統水平，對于學生了解微觀和宏觀世界、認識物質轉化及其應用等方面具有重要意義。因此，“氧化還原反應”是關系學生化學學科核心素養發展水平的核心概念。

由于氧化還原反應相關教學內容是從初中到高中不斷豐富與深化的，“為此，教師應仔細研讀化學學業質量標準，明確化學教學內容在各學段的不同水平要求，整體規劃不同學段化學教學內容的深廣度”。[1]針對不同學段的氧化還原反應內容，教師應遵循學生身心發展規律，設計由簡單到復雜、相互關聯的學習序列，即氧化還原反應的學習進階。

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

一、基于學習進階的化學核心概念教學設計思路

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

二、“氧化還原反應”核心概念學習進階框架的建構

結合“氧化還原反應”核心概念的相關文獻研究，通過整理分析初高中化學課程標準對氧化還原反應內容要求、初高中人教版化學教材的知識呈現和編排以及新高考對學生關鍵能力的要求，對“氧化還原反應”相關概念進行梳理整合，結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，構建出了“氧化還原反應”重要概念關系圖（見圖2），表征多個重要概念之間相互聯系的多維建構，描繪學生在學習“氧化還原反應”核心概念的層級表現，根據概念間的聯系和學生的思維發展，建構“氧化還原反應”核心概念的學習進階框架。這種概念模型的建構能夠幫助學生挖掘各概念的內涵和外延，加深對氧化還原反應的理解并學會遷移應用。

基于“氧化還原反應”重要概念關系圖，確定進階變量為：“氧化還原反應”的概念認知層級，進階目標分為概念理解水平和行為表現期望。同時，確定學生在不同階段的進階水平，依據學生的實際情況、學習目標和內容，劃分為四個水平并加以呈現，進而構建出“氧化還原反應”核心概念的學習進階路徑。如表1所示。初中階段強調學生的宏觀思維，學生對“氧化反應”和“還原反應”的判斷是基于物質基礎的，此時學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”，從關注得失氧過渡到關注電子得失，同時開始理解化學能與其他形式能量轉化的緊密聯系，此時學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”核心概念的延伸，學生在掌握原電池和電解池的工作原理基礎上，開始認識到化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用，學生的認知水平處于應用實踐層級（水平三）。此外，還要求學生能根據新情境設計和優化化學電源，以及利用電化學保護法實現金屬防腐，學生的認知水平也提升到了遷移創新層級（水平四）。

三、基于進階框架“水平二”的氧化還原反應單元教學進階設計

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

1．單元進階設計

基于學習進階的“氧化還原反應”單元教學的授課對象為我校2021級高一年級選考化學的學生，這一階段的學生能從得氧、失氧的宏觀視角區分氧化反應、還原反應，但并沒有意識到得氧、失氧是同時發生、對立統一的，沒有認識到從得失氧的角度分析氧化反應、還原反應的局限性，更沒有認識到氧化還原反應的宏觀特征和微觀本質。此外，學生雖然可以判斷簡單物質中各元素的化合價以及化學反應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以及化合價的變化與電子轉移之間的關系。依據魯科版必修一“氧化還原反應”的內容，基于學習進階理論進行“氧化還原反應”單元教學設計，旨在將學生的認知水平由“認識了解”層級（水平一）進階到“理解掌握”層級（水平二）。學生需要認識和掌握氧化還原反應的相關概念及概念間的關系，深入理解氧化還原反應的本質特征，形成認識化學反應的微觀視角，并能利用氧化還原反應原理分析解決實際問題。

基于學習進階的“氧化還原反應”教學單元劃分為有內在邏輯關系的4個課時，并結合北京師范大學的王磊[8]研究團隊提出的化學學科能力表現對該教學單元進行學科能力目標的設定（見圖3）。第一節“認識氧化還原反應”圍繞“氧化還原反應”這一重要概念，構建了“氧化反應”“還原反應”“化合價”“電子轉移”“電子守恒”等概念之間的關系，在本節的學習中，學生需要認識和掌握氧化還原反應的相關概念，深入理解其本質特征，形成認識化學反應的微觀視角。第二節“氧化劑和還原劑”是在第一節概念關系圖的基礎上拓展了“氧化劑”“還原劑”“氧化性”“還原性”“氧化產物”“還原產物”的概念，進一步完善了相關概念之間的關系。這種循序漸進、由淺人深的概念構建方式，既符合學生的認知發展規律又有助于學生的理解。第三節“氧化還原反應的應用——科學使用含氯消毒劑”是對前兩節氧化還原反應規律的應用與提升。該節分為2個課時，課時1是從物質類別、元素價態的角度，依據復分解反應和氧化還原反應原理，預測84消毒液有效成分次氯酸鈉的化學性質和變化，設計實驗進行初步驗證，并從定性的角度分析解釋科學使用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的本質進行概念構建。整個單元的4個課時旨在通過設計進階任務實現學生對“氧化還原反應”核心概念的認知進階、能力進階和素養進階。

2．課時活動和評價設計

單元教學的課時活動設計要結合具體的化學教學內容的特點和學生的實際，開展分類與概括、證據與推理、模型與解釋、符號與表征等具有學科特質的學習活動。[9]基于學習進階的“氧化還原反應”單元教學中需要根據進階目標設置相應、合理的學習任務和學習活動，幫助學生建立新舊概念間的關聯，促進深度理解并學會遷移應用。進階目標指導下的學習任務和學習活動是否達到目標要求，需要教師有意識地將評價任務融人到教學過程中，充分發揮化學日常學習評價的診斷與發展功能，促使“目標一教學一評價”三者的有機融合。[10]具體的“教一學—評”一體化設計詳見表2。

3．單元教學實踐效果反饋

為了清晰了解學生在初中階段對“氧化還原反應”相關概念的掌握程度，描繪學生已有的認知水平，確定進階起點，在開展教學前，我們從“化學反應”“化合價”“核外電子”三個概念出發，對我校高一年級兩個同等水平教學班的學生進行了前期測評。結果顯示：兩個班級的學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”之間的關聯理解存在一定疑慮，需要教師在接下來的教學中逐步引領學生學會從宏觀視角走向微觀視角，探索氧化還原反應的本質，建立氧化還原反應的認識模型。

在前測分析的基礎上，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”的教學，其中對照班的教學按照傳統的教學邏輯進行，實驗班的教學則按照上述基于學習進階理論的單元教學設計邏輯來進行。經過4個課時的同課異構教學實踐后，對兩組學生進行后期測驗，進一步對比觀察兩組學生是否達到“氧化還原反應”核心概念的學習進階水平二。本次后測試題主要涉及氧化還原反應、氧化（還原）劑、氧化（還原）性、電子守恒、氧化還原反應的應用等方面（見圖5）。后測結果表明：“氧化還原反應”這一概念的得分率在對照班和實驗班中都是最高的，說明學生能清晰地認識到有化合價變化的反應是氧化還原反應，明確不同類型反應的特征，此時學生的學科能力由“辨識記憶”進階到了“說明論證”水平。關于“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。實驗班的學生能結合“氧化還原反應”重要概念圖，在陌生反應中辨別氧化劑、還原劑、被氧化、被還原等概念，掌握了電子轉移與物質化學性質間的關聯，并能分析、預測、比較物質的氧化性或還原性，學生的學科能力進一步進階到了“推論預測”水平。反觀對照班，大多數學生以氧化還原反應的口訣進行解題，未能真正理解各概念間的關聯。關于“氧化還原反應的應用”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，實驗班的大部分學生能夠根據“實驗探究的一般思路”，提煉對應的學科問題并轉化為可操作的實驗問題，自覺調用“氧化還原反應”核心概念體系，利用氧化還原反應原理解決實際問題，學生的學科能力也進一步進階到了“簡單設計”水平。基于學習進階理論的“氧化還原反應”單元教學有助于學生深入理解核心概念，促進學生的認知水平與能力水平的有序提升。

4．基于學習進階理論，開展核心概念教學反思

聚焦核心概念的進階，開展單元整體教學。對于核心概念的學習，教材編寫一般遵循螺旋式上升的原則，由于時間跨度大，容易造成學生學習的“斷層”。教師要從學習進階的視角整體理解學生不同階段的學習內容，明確每個階段完成的學習任務所達成相關核心概念的階段水平。隨著學習進程的遞進，學習內容不斷擴展，相關核心概念的水平不斷提升，從而使學生的核心素養逐步形成。基于學習進階的“氧化還原反應”單元整體教學設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在聯系，分析學生的能力和認知水平，構建出“氧化還原反應”核心概念的學習進階框架，細致描繪學生的思維發展路徑，最終確定“氧化還原反應”的進階起點、終點和最近銜接點，設置適切的進階任務，由淺人深、層層推進。

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

重視實驗探究，強調“活動與體驗”。化學概念是經歷科學家長期研究而形成的，學生則是直接從人類認識結果進行學習。這能保證學習的高起點，但容易將知識傳輸當成目的，使教師強行灌輸、學生死記硬背方式成為主要的學習方式。[14]“深度學習”提出“活動與體驗”的運行機制，實驗為教學開辟了活動與體驗的最好渠道。在本單元的教學中，將概念理解與實驗探究聯系起來，合理設計了“利用Fe-Cu原電池裝置驗證氧化還原反應過程中的電子轉移”“實驗探究84消毒液有效成分的化學性質”“運用數字化實驗探究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。學生在活動中體驗了氧化還原反應的微觀本質以及利用氧化還原反應原理分析解決實際問題的功能價值，幫助學生形成良好的知識結構、深度理解科學概念、提高解決問題的能力，促進學生高階思維的發展。

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