高中化学概念原理教学设计思路与方法研究

高中化学概念教学设计思路与方法研究

支瑶王磊**

（北京师范大学化学学院化学教育研究所100875）

摘要：对概念本体分析和对学生认识发展障碍点探查与分析是高中化学概念教学设计的关注点。基于对概念的学科本体分析确定知识发展脉络，明确学生需要建立的核心概念，弄清概念间的逻辑关系，确定教学内容的深广度。基于对概念的构成、概念的功能与价值和学生的已有认识与科学概念间差异、思维的障碍点、空白点的分析，确定教学过程中学生的认识发展脉络，为教学问题线索的设计、教学活动的设计奠定基础。在此基础上，依据概念的知识发展脉络、学生的认识发展脉络和教材中提供的活动类型、问题线索，结合学生的已有知识和探究能力，确定概教学过程的问题线索，为学生提供完成任务或解决问题所需的支持或证据。

关键词：高中化学概念教学设计

1 问题的提出

化学概念是将化学现象、化学事实经过比较、综合、分析、归纳、类比等方法抽象出来的理性知识,它是已经剥离了现象的一种更高级的思维形态,反映着化学现象及事实的本质,是化学学科知识体系的基础。近年来，关于化学概念教学和学习的研究受到研究者和一线教师的广泛关注。

1.1国内化学概念教学研究现状

从近几年国内期刊文献可以看出，随着认知心理学的成熟、建构主义观点的完善，人们越来越倾向于以教育心理学和认知心理学的成果和方法为科学理论、认识论和方法论基础，开展化学概念教学和学习的研究。其研究角度主要有以下几个方面：

建构主义学习理论与化学概念教学建构主义学习理论认为，对学习内容较为深刻的理解和掌握是通过学生主动建构来达到的，而不是通过教师向学生传播信息获得的。学习者在一定的情景下学习，或利用自己原有认知结构的有关经验同化新知识或通过“顺应”、改造、重组原有的认知结构来同化新知识，理解、掌握学习内容，达到对新知识意义的建构。建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习。因此，教学设计强调以学生为中心，强调教学环境的设计，强调利用各种信息资源来支持学生的自主学习和协作学习，强调学习过程的最终目的是完成知识的意义建构。

基于建构主义学习理论，研究者提出了一系列教学设计模型、思路或原则。如：创设情境，引发认知冲突——提供例证，识别化学概念的基本特征——分析例证，确认正确假设——对话与商议，定义、完善化学概念——应用化学概念，促进理解——引导反思，学会思维的策略和方法。又如：设置情境，为探究提供出发点——查阅资料，分析问题，设计解决问题方案——教师随机插入，对学生給予指导——运用概念分析、解决生活中的真实问题。再如：关注认知准备状态，选择先行组织者；把握情感准备状态，进行适当强化；明确学习要求，促进充分参与；运用反馈—纠正，延续意义学习，等。同时，结合具体教学设计模型、思路或原则，提供了包括物质的量浓度、电解质、氧化剂和还原剂等具体内容的教学设计案例，为广大一线教师提供了有意义的指导。

*通讯联系人，E-mail：wangleibnu@https://www.wendangku.net/doc/07119753.html,，电话：010-********-601

概念图在化学概念教学中的应用概念图是一种能形象表达命题网络中一系列概念含义及其关系的图解，它是由节点（概念）和连接节点的线段所组成的，它的最突出的特点是表征概念结构。研究表明，概念图作为在一种教学策略非常适合于科学课程，它能促进学生进行知识同化和整合，发展学生的认知、思维及创造力，实现学习互动。一些研究者提出了提出了概念图教学的原则，如，必要性原则、多样性原则、简明性原则、发展性原则，等；也指出了概念图教学在教学内容、应用时机等方面的局限性。

关于概念转变的研究已有研究表明，学生正式学习化学前，已形成大量的个人概念，因此，发现并采用一定教学方法帮助学生转变这些个人概念，是迫切需要解决的实际问题。教育研究者已经鉴别和判断出了学生具有哪些个人概念，并对如何转变学生的个人概念进行了研究，提出了促进概念转变的教学模式和促进概念转变的教学方法和教学策略。如，直面错误概念，引发认知冲突；提供具体类比，促进建构活动；通过“对话”、加强科学方法渗透等策略促进概念转变；运用实验、录像等多种教学手段，帮助学生形成概念；促进学生及时反馈；等。

1.2 国外化学概念教学研究现状

与国内化学概念教学研究相比，国外对化学概念教学的研究比较系统而深入，体现了比较好的层次性，即，既有针对某一具体内容的某一教学策略的微观研究，也有针对某一概念主题的系统研究。已有文献表明，国外研究者从某一核心概念的认识框架、学生对该概念相关问题的相异构想及概念转变教学策略等角度对“化学反应与能量”、“化学动力学”、“化学平衡”、“电化学与氧化还原反应”等概念主题进行了较为系统而深入的研究。从国外所做的研究可以看出，在研究角度方面，他们比较注重不同阶段（如从初中到大学）概念的层级发展和学生化学概念学习的心理机制研究；在研究方法方面，他们比较注重文献研究和和定量测查研究。国外学者进行化学概念教学的研究时，更多的是通过让被试做题，访谈被试，从研究的对象中获得充分的数据，分析数据而获得结果，通过访谈了解被试的思考方式和过程，再从化学、心理学和教育学3 个维度去探讨影响学生概念学习的因素。

1.3 已有研究存在的问题及启示

目前，尽管化学概念教学研究引起的研究者和一线教师的广泛关注，提出了各种教学模式和教学实施策略，但通过课堂观察发现，概念教学实施现状仍存在诸多问题，理论研究成果并没有转化为教学实践。分析其原因，目前化学概念教学研究中主要存在以下问题：（1）缺少对化学概念本体的研究。一方面，缺少对于化学概念学科本体知识的深刻认识。即，对于某一概念原理内容的核心概念是什么？核心观念是什么？从初中到大学，相关内容的层级发展脉络是什么？等问题缺乏深入、系统地研究。另一方面，缺少对概念原理知识的功能与价值的系统分析、研究和阐述。

（2）缺少对学生概念转变过程中障碍点和发展点分析与研究。

由此，导致了提出的教学模式、教学方法上位、雷同、缺乏可操作性，提出的教学策略泛化，面对诸多的教学素材，教师不知该如何组织等现象的产生。

2 高中化学概念教学设计的方法与策略

近几年，以王磊为核心的研究团队从概念发展水平测查、认识方式、以观念建构为本的教学设计等角度对概念教学设计的方法与策略进行了深入研究。王磊、肖红的研究提出了“化学认识方式”，认为在学生的具体概念认识之上，存在着一种内在的影响学生产生具体个人概念的因素，这种因素就是学生在思考和处理化学问题时，所表现出来的倾向于使用某种思维模式或是从一定角度来认识或解决问题的信息处理对策或模式，这就称为“认识方式”。在

肖红的研究基础上，王磊、杨岩（2006）②进一步提炼得到认识方式的三种类别（“宏观—微观”、“静止的孤立观—动态的相互作用观”、“定性—定量”）和认识方式的四个构成要素（认识域、认识角度、认识方式的类别和水平）, 构建了促进学生认识方式发展的教学设计模型。王磊、张莉娜对高中生化学概念发展水平进行研究，建构了高中生化学概念发展水平的结构模型，设计了高中生化学概念发展水平的测评工具，并运用该的测评工具施测，结合测评结果对高中生化学概念发展水平及其影响因素进行了分析。在王磊、张毅强的研究中，提出了以观念建构为本教学设计模型。

在上述研究的基础上，通过理论和实证研究，进一步明确高中化学概念教学设计的关注点及思路与方法。

2.1 高中化学概念教学设计的关注点

2.1.1关注概念本体的分析与研究

概念本体的分析与研究主要包括概念的学科本体分析和概念的功能与价值的分析两个角度，通过对概念的学科本体分析确定教学中的核心概念和教学内容的深广度，通过对概念的功能与价值的分析确定概念的认识功能和指导作用，即解决在进行高中化学概念教学时“教什么？”、“教到什么程度？”和“为什么教？”等问题，是进行概念教学设计的基础。

在进行概念的学科本体分析时，要通过对某一概念主题在初中、必修、选修、大学教材中相关内容的梳理，确立该概念主题中的核心概念、核心知识的发展脉络和层级关系，进而结合学生已有知识基础、认识发展水平和进一步学习的需要，确定教学内容的深广度。例如，对“原电池”的核心知识发展脉络的梳理为：

选修水平

大学水平

图1 原电池核心知识发展脉络及层级关系图

高中化学新课程倡导由以“具体知识为本”的教学转向以“观念建构为本”的教学，因此，在概念教学中，要充分挖掘概念的教育教学功能与价值。在2008年高中化学新课程远程培训中，对一线教师进行的测查结果表明，82%的老师从理念上认同在概念教学中应充分发挥概念原理知识的认识功能和指导作用，但60%以上的老师在对教学内容进行分析时，不能准确地对其功能与价值定位。概念的多重价值与功能指的是：除了概念本身的内涵和外延之外，概念对于学生学习其他化学知识（如元素化合物的性质）、对于学生形成认识、解决化学问题的基本思路等方面的作用。例如，氧化还原反应对于学生学习元素化合物性质的功能与价值在于能够运用核心元素化合价的变化趋势预测物质是否具有氧化性或还原性；对物质进行交叉分类的意义在于为学生提供了从不同角度认识物质性质的思路；根据物质的组成及性质对物质进行树状分类时，可以梳理出各类物质的通性，为学生从物质通性的视角认识物质性质进行了知识储备和思路指引；元素周期律和元素周期表的学习为学生整合元素化合物知识、发展对元素化合物性质的认识提供了平台，而化学键概念的建立则可以帮助学生认识化学反应中物质变化、能量变化的实质，同时可以借助学生对化学反应中物质变化的实质的认识帮助学生理解可逆反应概念，等。

2.2.2关注学生认识发展的障碍点的探查与研究

科学学习的实质是建构与重建个人概念框架、理论与模型，即个人概念的转变与发展过程。已有研究已经鉴别和判断出了学生具有哪些个人概念，并对如何转变学生的个人概念进行了研究，提出了促进概念转变的教学模式和促进概念转变的教学方法和教学策略。但是，通过对众多教学设计的观察与分析发现，在进行具体内容的教学设计时，学生在概念转变、认识发展过程中的障碍点并没有引起广大教学案例设计者的充分关注。一方面是由于对于学生在某些具体概念学习过程中的认识发展的障碍点缺少探查与分析；另一方面，很多教师认为可以通过习题训练等方式有效突破学生认识发展的障碍点，但是研究表明，习题训练不能代替新授课中有针对性的突破学生认识发展障碍点的学习活动。例如，在针对学习学生元素周期律过程中认识发展障碍点的教学研究中，我们分别在对比班和实验班采用常规教学设计和针对学生认识发展障碍点的教学设计进行教学实施，并在完成教学后针对学生认识发展的障碍点进行测查，测查结果表明，实验班平均得分率为75%，而对比班平均得分率为41%，即使经过复习和大量习题训练的高三学生的平均得分率也仅为54%。

在进行高中化学概念教学设计时，可以通过对教学内容的分析、课前测查、课后作业测验的反馈分析和课堂观察捕捉学生学习的障碍点。例如，有的教师通过课前测查发现，只有20%左右的学生看到氯化钠溶液时能想到溶液中含有Na+和Cl-。因此，“微粒观”的建立即是学生学习电解质电离和离子反应的认识发展障碍点，

2.2 高中化学概念教学设计的思路与方法

在对概念本体分析和学生认识发展障碍点分析的基础上，可以按照以下思路进行高中概念的教学设计。首先，基于对概念的学科本体分析确定知识发展脉络，明确学生需要建立的核心概念，弄清概念间的逻辑关系，确定教学内容的深广度。然后，基于对概念的构成、概念的功能与价值和学生的已有认识与科学概念间差异、思维的障碍点、空白点的分析，确定教学过程中学生的认识发展脉络，为教学问题线索的设计、教学活动的设计奠定基础。之后，依据概念的知识发展脉络、学生的认识发展脉络和教材中提供的活动类型、问题线索，结合学生的已有知识和探究能力，确定概教学过程的问题线索。最后，确定是否需要为学生提供完成任务或解决问题所需的支持或证据，以及以哪种方式向学生提供。具体如下图所示：

图2 概念原理教学设计思路

3 教学设计案例

原电池是化学科学中的重要概念，关于原电池的工作原理是学生学习过程中的难点。现以“化学能转化成电能——原电池（必修）”为例，对上述概念教学设计方法与策略进行具体说明。

通过对“原电池”在《化学2（必修）》、《化学反应原理（选修）》、大学教材中相关内容的研读与分析，梳理出必修——选修——大学三个阶段原电池核心知识的发展脉络及层级关系（图1）。通过以“原电池构成条件”为教学设计核心的（常规教学设计）教学实施过程观察和课后测查对学生认识发展障碍点进行探查。研究发现，学生基于对铜锌原电池模型的分析形成对“原电池构成条件”认识过程中，产生了如下错误认识：（1）学生认为是直接接触的氧化还原反应的发生引发了电

极上的电子得失反应，这使得学生无法真正形成“原

电池中的氧化还原反应是在两极分开发生的”的认识，

所以有些学生设计出了如右图所示的原电池。（2）学

生对“活性不同的两种金属做电极”的认识是“机械”

的，缺少发展和变通。例如，认为只有金属才能做电

极。（3）学生将电极与电极材料混为一谈，这导致学生 图3 学生设计的铜锌原电池 认识燃料电池时产生了新的障碍点。因此，必修阶段，

在原电池的工作原理部分应让学生认识到“氧化反应、还原反应分开进行，从而产生电流”这一核心观点，让学生初步了解原电池的构成要素，同时建立正确的认识思路。在对“原电池”这一教学内容进行内容本体分析和学生认识发展障碍点探查的基础上，梳理出本节课的知识发展脉络和学生认识发展脉络，具体如下图所示。

图4 “化学能转化成电能—— 原电池”知识发展脉络图

图5 “化学能转化成电能——原电池”认识发展脉络图

确定了教学设计的知识发展脉络和学生认识发展认知脉络后，综合考虑学生认识发展的障碍点、可供教学使用的案例素材等因素，设计出本节课教学的问题线索。具体如下图所示。

图6 “化学能转化成电能——原电池”教学设计的问题线索图

要帮助学生建立正确的认识思路，避免错误认识的形成，原电池模型的选择很重要。因此，在为学生提供解决问题所需要的证据时，主要是对教学中使用的原电池模型的选择。选择模型所依据的基本原则是模型要有利于学生建立正确的原电池认知结构，例如，常用的Zn │H 2SO 4│Cu 原电池会使学生产生“铜能与酸反应生成氢气”、“负极材料一定要参加反应”等错误认识，不利于帮助学生建立“氧化反应、还原反应分开进行，从而产生电流”等科学认识，不是理想的原电池模型。而H 2(g)│HCl│Cl 2(g)原电池模型则解决了上述问题，因此，本节课教学中选择了H 2(g)│HCl│Cl 2(g)原电池模型。此外，还选择了Zn │CuSO 4│C 、Zn │CuSO 4│Cu 等原电池模型，发展、完善学生对概念的理解。

具体教学环节如下。

请选择，下列哪些反应能实现化学能→电能的直接转化？

．教师小结：需要在一个特殊的装置中实现化学能→电能的直接转化，这

电池为例分

电池

）原电池中氧化反应和

参考文献

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