逆向教學設計促成化學概念的深度學習

盧天宇　艾進達

摘要： 基于逆向教學設計“目標先行、評價優(yōu)先”的理念與“三步驟”設計程序，結合深度學習、學習進階及SOLO分類理論等，從“明確概念教學要求、解構概念學習目標、預設評價方案、制定教學計劃、實踐觀課反思”諸方面架構化學概念教學新路徑。以“中和反應”的概念教學為例，闡釋如何實施指向化學概念深度學習的逆向教學設計。

關鍵詞： 逆向教學設計; 化學概念; 深度學習; 中和反應; “教、學、評”一體化

文章編號： 1005-6629（2020）03-0034-08

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學概念是將化學現(xiàn)象、化學事實經過比較、綜合、分析、歸納、類比等方法抽象出來的理性知識，反映化學現(xiàn)象及事實的本質，是化學學科知識體系的基礎。深度學習指的是，在理解的基礎上，學習者能夠批判性地學習新的思想和事實，并將它們融入已有的認知結構中，能夠在眾多思想間建立聯(lián)系，并能夠將已有的知識遷移到新的情境中，以此作為問題決策和解決的一種學習方式[1]。深度學習注重知識理解與批判、聯(lián)系與構建、遷移與應用，教師的教學策略若能夠有效地促進學生對化學概念進行深度學習，就能夠使其深刻理解和掌握化學概念的內涵和意義[2]。教師以何種策略有效促進學生的深度學習？高中化學新課程標準倡導教師注重“教、學、評”一體化，圍繞發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)這一主旨，進行教學目標與評價目標、學習任務與評價任務、學習方式與評價方式的整體性、一致性設計[3]。近年來國內流行的逆向教學設計，其“目標先行、評價優(yōu)先”的理念與“教、學、評”一體化的理念有相似的價值取向。受此啟發(fā)，嘗試以逆向教學設計為基石，探索化學概念教學的新路徑。

1? 基于逆向教學設計的化學概念教學架構

1999年，美國課程專家威金斯和邁克泰（Grant Wiggins & Jay McTighe）基于對傳統(tǒng)教學設計的反思，提出逆向教學設計（backward design）模式，即將教學的逆向設計過程分為三步： 確定預期的學習目標;制定如何證明學生實現(xiàn)了學習目標的手段與措施;安排各種教學活動和指導學習活動，達成學習目標[4]。簡而言之，即從“確定預期結果→確定合適的評估證據→設計學習體驗和教學”[5]三個步驟完成教學設計。逆向教學設計的“目標先行”凸顯了制定準確、適度目標的重要性，三個步驟之間的銜接也對設計的效果產生重要影響。因此，基于逆向設計的化學概念教學構架增設為五步，如圖1所示。

圖1? 基于逆向設計的化學概念教學構架

2? 指向深度學習的逆向教學設計

中和反應是化學核心概念之一，因其重要性已列入中學化學學科100個關鍵詞[6]。下面以中和反應的概念教學為例，介紹指向深度學習的逆向教學設計。

2.1? 明確概念教學要求

梳理課程標準、化學教材和考試說明，明確化學概念教學的要求。中和反應屬于一級主題中主題四“物質的化學變化”的內容，義務教育新課程標準（2011年）對其要求主要有： （1）認識中和反應的特征及本質;（2）設計實驗證明： 氫氧化鈉與鹽酸能發(fā)生化學反應;（3）知道中和反應伴隨著能量的變化，初步形成發(fā)生中和反應是有條件的觀點;（4）能運用中和反應解釋日常生活中的一些化學現(xiàn)象，處理酸性和堿性廢水等實際問題[7]。在人教版教材里，中和反應概念起始于第十單元《酸和堿》的課題1“常見的酸和堿”，主要呈現(xiàn)在課題2“酸和堿的中和反應”（第1課時），延伸至第2課時及實驗活動6，完成于第十一單元課題1“生活中常見的鹽”的第2課時——復分解反應發(fā)生的條件。深圳市考試說明著重強調對中和反應概念的理解及實際應用的考查。綜上可見，中和反應的整個概念教學不是一蹴而就的，而是貫穿兩個單元，呈現(xiàn)在多個主題，滲透在多個課時中。因此，中和反應概念的學習和形成應當是循序漸進的。

2.2? 解構概念學習目標

從概念教學要求到解構概念學習目標，為確保銜接精準，對學生“中和反應”的概念理解情況進行調查，引入SOLO分類、學習進階、深度學習等理論協(xié)助解構概念學習目標。

2.2.1? 學情的調查分析

在學生自主學習“酸堿中和反應”的內容之后，對學情調查發(fā)現(xiàn)： （1）能較好地理解酸有共性： 化學性質的本質（含H+），堿有共性： 化學性質的本質（含有OH-）;（2）以為判斷酸與堿是否發(fā)生反應一定需要指示劑;（3）探究稀鹽酸與NaOH溶液是否反應的方案設計比較單一;（4）對中和反應概念的本質理解參差不齊;（5）無法從化學反應發(fā)生需要條件、反應將伴隨能量變化等多視角、完整地構建中和反應的概念模型。

2.2.2? 解構學習目標

彼格斯（Biggs）教授提出的SOLO分類理論（structure of the observed learning outcome）是一種“檢測一個人回答某個問題時所表現(xiàn)出來的思維結構”的方法，其根據回答問題時的表現(xiàn)將回答者的思維結構由低到高分為五個層次，主要包括前結構、單點結構、多點結構、關聯(lián)結構、拓展抽象結構五個層次，其基本含義如圖2[8]所示。學習進階（Learning Progressions，簡稱LPs）作為一項基于實證的學習科學研究，其目標旨在“描述學生關于某一核心知識及相關技能、能力、實踐活動在一段時間內趨于深入和復雜的學習發(fā)展歷程”[9]。

圖2? SOLO的基本含義

二者揭示了學生達成化學概念學習目標的外顯與內顯程序，所倡導的概念學習程序有共同之處： 一方面，概念學習目標是可根據認知水平結構層次進行分階分層的;另一方面，學生從低階認知深入到高階認知的思維變化過程，是對概念相關知識深度加工學習的可觀測過程，概念的思維梯度的發(fā)展應該循序漸進達成。

融合學習進階、SOLO分類與深度學習，結合“中和反應”概念的教學要求，從“學習結果（SOLO層級）→學習目標（評價觀測點）→學習進階→深度學習”這四個方面解構概念的學習目標（見圖3）。首先，把學習目標細化為評價觀測點①至⑩;然后，從學習結果視角對觀測點進行SOLO層級分類;進而，厘清學習過程的低階、由低到高及高階區(qū)域;最后，在學習水平發(fā)展層級中進一步挖掘，為深度學習的設計提供支撐。這種分層分階的解構，清晰地呈現(xiàn)出中和反應的概念思維邏輯，既有利于把握概念深度學習的重點、難點及關鍵點，又為學習目標與課堂評價方案架起銜接的橋梁。

圖3? 指向深度學習的“中和反應”概念學習目標

2.3? 預設評價方案

田莉等認為，逆向教學設計理念下，課堂評價的各要素之間應保持高度的“一致性”： 評價目標與評價內容相一致;評價內容與評價任務類型相一致;評價任務類型與評價方法相一致。評價結果的呈現(xiàn)與反饋將作為調整教學決策的依據和資源，緊扣評價目標的達成[10]。

如何使課堂評價與概念學習目標銜接精準？第一，從學生學業(yè)質量水平的要求，審視近年的中考關于中和反應的命題評價水平。第二，在評價觀測點上，從化學概念形成的方法“歸納演繹、同化、近似概念辨析”等設計評價任務，明確評價方法，預設評價結果的呈現(xiàn)形式與反饋方式。據此，制定中和反應的概念教學的評價方案（見表1），評價方案涵蓋了“評價觀測點、評價任務與方法、評價結果與反饋”。從表中可見，隨著觀測點的思維梯度的增加，所設計的評價任務愈趨綜合，突出了宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等化學核心素養(yǎng)維度，使評價有的放矢、有跡可循、有據可呈。

2.4? 制定教學計劃

結合學習目標與評價任務，圍繞教師活動、學生學習活動這兩條活動線索設計“中和反應”的概念教學流程（見圖4）。教學計劃的核心思路是： 促進學生在活動中經歷概念的初步形成、批判、聯(lián)系與區(qū)別、模型構建、遷移與應用等，進入概念的深度學習，達成概念的形成與螺旋式進階發(fā)展。

表1? “中和反應”概念的評價方案

評價觀測點評價任務主要評價方法評價結果呈現(xiàn)與反饋

① 知道酸、堿發(fā)生常見的中和反應識記性任務

表達性任務抽查、書寫化學方程式口頭、書面文字

② 知道中和反應伴隨著能量的變化綜合性任務進行實驗、展評數據實驗記錄及結論

③ 理解中和反應的特征與微觀本質，寫出反應原理識記性任務表達性任務說出本質、例題、測試題測試結果、師生互動

④ 能從反應類型等區(qū)分中和反應與其他反應識記性任務表達性任務易錯點撥、測試題師生互動、測試結果

⑤ 能運用中和反應解釋現(xiàn)象，處理實際問題，感知其學科價值、社會價值等綜合性任務討論、提問、書寫化學方程式師生互動、生生互動

⑥ 學會使用酸堿指示劑探究酸、堿之間是否發(fā)生反應綜合性任務實驗探究： 設計方案、進行實驗等實驗方案、現(xiàn)象記錄及結論

⑦ 學會評價分析各種探究酸與堿反應相關實驗方案的設計方法與優(yōu)劣綜合性任務例題、測試題;辯論質疑評價方案、師生互動、生生互動

⑧ 能通過曲線表征，分析歸納出中和反應中pH及能量的變化情況綜合性任務畫出曲線圖，展示、追問曲線圖、師生互動、生生互動

⑨ 根據反應物減少、pH變化、溶液的導電性、復分解反應發(fā)生的條件等，設計多種方案并探究酸與堿之間的反應綜合性任務寫出實驗方案、說出設計根據，質疑、修訂實驗方案、現(xiàn)象記錄及結論、師生互動、生生互動

⑩ 建立中和反應的概念模型，形成發(fā)生中和反應是有條件的觀點綜合性任務畫出概念圖、展示并說出構架思維概念模型圖、展評

圖4? “中和反應”概念教學設計流程示意圖

2.5? 實踐、觀課、反思

實施教學是檢驗逆向設計效果的最佳方式，經過授課、觀課記錄，課堂同步反思與課后反思，檢驗課堂評價要素之間的一致性與達成效果。順著教材所呈現(xiàn)的知識順序，把“中和反應”的概念教學劃分為三部分（見圖4）。

2.5.1? 概念初步形成

第一部分： 第十單元課題2第1課時，概念的初步形成。

演示實驗導入之后，進入設計方案環(huán)節(jié)（見圖5）。學生在探究稀鹽酸與NaOH溶液是否反應時，往往容易受到教材實驗“NaOH溶液+無色酚酞+稀鹽酸”的束縛，思維聚焦在一種方案之上。

圖5? 探究“酸與堿是否反應”的實驗方案設計

[評價活動1： 分組設計方案]

教師點撥學生：

除了無色酚酞，常用的指示劑還有什么？“NaOH溶液+無色酚酞+稀鹽酸”與“稀鹽酸+無色酚酞+NaOH溶液”的現(xiàn)象一樣嗎？請分組完成圖5的方案設計，比一比，誰設計的方案多（全班共11個小組，4人一組）。

[學生方案展評]

圖6? 學生設計的使用指示劑的幾種實驗方案

圖7? 學生設計的其他方案

按圖索驥，大多數小組很快就設計好使用指示劑的方案（如圖6）。有兩個小組還設計了“NaOH溶液+稀鹽酸+Zn（活潑金屬）”“NaOH溶液+稀鹽酸+石灰石”的方案（如圖7）。他們的思路是： 向NaOH溶液中滴加少量的稀鹽酸，加入活潑金屬或石灰石，若無氣泡冒出，則溶液中無鹽酸，說明酸與堿發(fā)生了反應。

[評價活動2： 探究實驗，比較方案]

請根據所設計的方案，進行實驗，記錄現(xiàn)象，比較異同，找出最佳方案。

[學生實驗記錄]

圖8? 實驗現(xiàn)象記錄（1）

圖9? 實驗現(xiàn)象記錄（2）

與圖8記錄類似的小組有6個，與圖9一致的有3個小組。學生們紛紛吐槽，“由藍變紫”或“由紫變藍”，找不到顏色漸變過程，看得很模糊。

教師追問： 為什么無色酚酞比紫色石蕊的效果更好，你的證據是？

學生1：“NaOH溶液+無色酚酞+稀鹽酸”中，現(xiàn)象是“紅色→淺紅→無色”，顏色的漸變，由紅色到淺紅說明酸與堿發(fā)生了反應，出現(xiàn)無色表明恰好完全反應。這是最佳方案。

質疑： 為什么有的小組沒看見“漸變色”？

學生2： 我推測，可能是沒有逐滴滴加，邊滴邊振蕩。

[評價活動3： 寫化學方程式，歸納概念]

學生書寫三組酸與堿反應的化學方程式，教師播放相關反應微觀模擬動畫。學生從反應物、生成物的共同特點嘗試總結“中和反應”的概念，得出本質。

[評價活動4： 應用概念，解釋情境]

學生結合生活、工農業(yè)生產等真實情境，運用概念解決“治療胃酸過多”、“硫酸廠廢水處理”等問題，感悟到生活處處有化學，體驗中和反應的實際應用價值。

[教學反思]

在活動1中，教師優(yōu)化實驗設計方案如圖5方案①作為示例，其余鏤空，既提示學生注意試劑滴加順序，又簡化方案的表述，便于方案展示交流。從學生設計的方案看，部分學生不受限于“指示劑”，能夠結合聯(lián)系已學知識“酸能與活潑金屬及與碳酸鹽反應”，找到論證依據。說明其進入了深度學習狀態(tài)： 對探究方法不僅完全理解，還能建立新舊知識之間的聯(lián)系，將已學知識遷移應用于解決新的問題?；顒?則提煉關鍵問題驅動學生分析現(xiàn)象及評價方案等，讓學生在理解的基礎上展開批判?；顒?中，學生基本都能準確寫出反應原理，經過宏觀、微觀、符號三重表征，初步形成中和反應的概念及其本質。活動4則基于實際情境，推動學生進入遷移應用中和反應的深度學習。

總之，在中和反應概念形成的初始階段，不急于將pH、曲線表征等相關知識整合前置，而是優(yōu)化實驗方案設計的組織方式，為科學探究環(huán)節(jié)提供充裕的課堂時間，確保教學內容的適度性。以實驗證據與推理、論證與批判、歸納與演繹、三重表征等學科核心方法促成概念的初步形成。

2.5.2? 概念的直觀可視化構建

第二部分： 第十單元課題2第2課時，概念的直觀可視化構建。

在學習本節(jié)內容之后，教材在“調查與研究活動”中要求學生繪制本地區(qū)雨水的pH曲線。在此處進行概念拓展，亦可將拓展安排在實驗活動6這一課時。

[評價活動5： 演示實驗，繪制曲線]

教師利用電子傳感技術，演示中和反應中溶液pH及溫度變化。學生觀察反應曲線，繪制中和反應曲線圖，標明橫縱坐標，標出反應曲線的“起點、拐點、終點”，分析三個點上溶液的成分，并展示交流。

[曲線展評交流]

圖10? 學生畫出的三個中和反應曲線圖

如圖10所示，從展評環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)： 大部分學生理解了三個曲線圖的“拐點”，即中和反應恰好完全進行;個別學生需要修正個人的曲線圖;有的學生雖正確標出“三個點的溶液成分”，但解釋不清。曲線表征這一有助于概念構建的深度學習方式仍需深化加強。

[教學反思]

結合新技術，使用曲線對中和反應概念進行第四重表征，使概念直觀、可視化。學生清晰發(fā)現(xiàn)“酸滴入堿”與“堿滴入酸”的曲線差異。教師啟發(fā)學生分析曲線中“起點、拐點、終點”的溶液成分，引導他們從溶液組成的變化視角，定性與定量結合分析中和反應。在此過程中，大部分學生建立了溶液、酸堿度與中和反應的聯(lián)系，成功地構建概念的曲線模型，拓寬概念遷移應用的范疇。

2.5.3? 概念的辨析、深化、建模

第三部分： 第十一單元課題1第2課時，概念的辨析、深化與建模。

本節(jié)主要是探究復分解反應發(fā)生的條件。經過第一、第二部分的概念學習，已習得部分酸、堿、鹽的溶解性，知道中和反應都屬于復分解反應，學生此時對中和反應的認知發(fā)生了改變。仍然籠罩著學生的疑惑是： （1）判斷酸與堿是否反應，一定要借助其他試劑或儀器嗎;（2）溶液中存在水，怎么設計實驗證明中和反應生成了水？

[評價活動6： 實驗再探，系統(tǒng)建模]

教師為學生提供研究性學習的材料，包括： 草酸固體與NaOH固體反應實驗方案，Cu（OH）2與Fe（OH）3懸濁液、Ba（OH）2溶液、稀鹽酸、稀硫酸、pH傳感器、電導率傳感器[11]等。啟發(fā)學生從pH變化、有水或鹽生成、溶液導電性變化等再設計方案探究酸與堿之間的反應。

盡管教師提供了相應的學習材料，個別小組仍較難從中獲取信息，完成導電性和有水生成這兩個實驗。大部分學生都完成了難溶性堿與酸的反應設計，方案設計、實驗現(xiàn)象都表述到位，并得出結論： 判斷難溶性的堿是否與酸發(fā)生反應，不需借助指示劑。

[教學反思]

教師應當考慮課前錄制好草酸固體與NaOH固體反應的微視頻、Ba（OH）2溶液與稀硫酸反應的電導率成像微視頻，放在師生交互平臺以備學生點擊觀看。學生從溶液pH、溶液溫度、溶液導電率等變化對中和反應進行多角度的曲線表征，從三重表征深化至四重表征。在評價任務的引導與助推下，學生經歷豐富多樣的“中和反應”概念的深度學習，全面構建中和反應的概念模型。

3? 總結與啟示

目標先行是逆向教學設計的精髓所在，銜接精準、可視化教學是逆向教學設計的應然追求。我們將逆向教學設計應用于“燃燒、中和反應、質量守恒定律、催化劑”等化學概念的教學，均取得良好效果。

3.1? 逆向教學設計有利于把握化學概念教學的循序漸進

“中和反應”的概念教學容易陷入兩種極端： 一是教師急于在第一個課時就把概念全面構建，導致探究實驗“走過場”，微觀本質分析倉促，曲線表征又未能研究透徹?？此啤懊婷婢愕健比椭鷮W生構建概念，實則“眉毛胡子一把抓”，灌輸知識的痕跡顯著。二是課堂上只圍繞一種實驗方案進行探究酸與堿是否反應，知識內容講完之后，以習題的形式持續(xù)挖掘中和反應的外延知識，以精選精練拓寬概念。逆向教學設計，從明確概念教學要求到解構概念的學習目標，有利于教師把握化學概念教學的循序漸進，避免兩種“極端”。逆向教學設計在一定程度上彌補了青年教師教學經驗的不足，讓青年教師跳出單一課時的視閾，厘清某個化學概念在課標、教材及學生認知結構中的發(fā)展軌跡，準確找到概念教學的設計策略與實施手段。

3.2? 逆向教學設計有助于深度學習的開展與評價

逆向教學設計，結合SOLO分類與學習進階理論對學習目標進行分階分層解構，針對觀測點從低階到高階發(fā)展的不同水平層次，制定相應復雜程度的評價任務。在“感知→體驗→初步形成→應用→直觀可視化構建（定性與定量表達）→辨析、深化、建?！钡母拍钚纬膳c發(fā)展的過程中，學生在問題的驅動下充分進行探究，展開交流辯論等，始終以反思的狀態(tài)進行概念的深度學習。學習目標、教師活動、學生活動、課堂評價等有機協(xié)調地推進，落實了化學核心素養(yǎng)。

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