基于学习进阶理论应用手持技术在高中化学教学中的应用研究

◇洛阳师范学院 李晓冬 胡鹏程 李艺伟 徐 岩 牛小利 刘艺博

“电解池”是高中化学教学中的重要知识之一且具有抽象、难理解的特点。学生对这类知识往往采用机械记忆的方式进行学习，效果不佳，难以达到教学要求。而“学习进阶”强调学生对某一知识理解应循序渐进、由浅入深的方式，这对电解池这类抽象知识的教学具有指导意义。手持技术是新兴的一种教学手段，研究表明其在化学教学中运用对学生理解抽象知识具有很大帮助。由此，设计了关于“电解池”的学习进阶模型并融入手持技术以期学生在学习过程中实现知识、认知、思维方面的进阶。

《普通高中化学课程标准》（2017版2020修订）（以下简称《新课程标准》）对高中生的化学学习提出了五大学科核心素养的培养要求，并对学业质量水平与学科核心素养水平进行了由低到高、由浅入深的水平划分，这与学习进阶的思想不谋而合。学习进阶理论认为学生对某一核心概念的认识应是一个从不同方面，由简单到复杂的认识过程。在高中化学教学中融入学习进阶思想，不仅能够使得教师充分了解与掌握学生的学习状况，从而设计出符合学生认知发展的课堂教学，提高教学质量，而且能更好得贯彻落实课程标准的教育理念。同时，手持技术与化学教学的深度融合能够将未知概念转化为已知概念的相关联属性进行检测，为学生理解化学知识提供新的路径（曲线）也为教师在高中化学教学中运用学习进阶理论提供了新的设计思路。本文运用学习进阶理论，应用手持技术并融合四重表征对高中化学“电解池”的有关内容进行设计，旨在应用学习进阶的思想开发出符合学生认知发展的教学，实现学生在知识、能力、思维等多方面的发展。

自21世纪以来，教育界便把“学习进阶”作为科学教育改革的核心理念之一，并作为联结教学、教材、课程的工具被广泛应用在科学教育界。自它提出以来，受到国内外研究者的广泛关注，掀起了研究的浪潮。在研究方面，教育学者提出的“建模+实证”的研究模式被广泛接受并成为学习进阶研究的范式。在实践方面，我国《新课程标准》中对学业质量水平的制定及化学学科核心素养的水平划分也借鉴了学习进阶的思想。由此看来，学习进阶的思想已然成为21世纪实施科学教育的理论基础之一。

高中化学知识中包含许多重要概念，其中电解池作为电化学概念下的子概念，是构成电化学概念框架的重要部分。电解池的学习建立在氧化还原反应、原电池等内容之上，同时为后续学习金属的腐蚀与防护做铺垫。因此从教材安排上来看，整体呈现出进阶式学习思想，此外，在实际教学中教师往往不能认真研读课程标准的有关要求且忽视学生的认知水平，从而无法取得良好的教学效果。在学习方面，学生对电解池相关知识普遍存在重记忆、轻理解的现象，这使得他们在知识、能力、思维等方面都无法得到质的提升。

新课程标准对学生所提出的要求是教育教学所要达到的最低要求，然而在传统教学方式下，学生理解与掌握知识的方法已经产生了固化且对难以理解的知识容易产生畏难情绪，导致无法在知识、能力等多方面得到应有的提升，达到课程标准的要求。本文中笔者旨在把学习进阶理论和手持技术结合，融入四重表征思想，以高中化学电解池为例进行学习进阶设计，帮助学生在学习过程中能够循序渐进、由浅入深地理解有关概念，实现在知识、能力、素养等多方面的发展。

首先，以学习进阶为指导，手持技术为辅助的教学方式有助于高中化学课程标准的落实；
在宏观、微观、符号这些本身具有递进性的表征方式基础上，利用手持技术呈现形象化的曲线模型从而帮助学生发展多维度、多层次的思维方式，培养学科核心素养。其次，对化学课堂教学实践具有积极意义；
教师在学习进阶的思想指导下，依据知识的难易与学生的认知发展水平制定相适宜的教学设计，各环节层层递进，针对不同水平设计相应问题，提升课堂实践效果。最后，有利于课堂教学评价的实施；
依据进阶式的教学设计进行教学，能够对学生在不同学习阶段的已有水平做出准确判断，从而能针对其情况制定下一步教学。

4.1 学习进阶理论

学习进阶（learning progressions，简称LPS）也称学习进程，是近几年的美国科学教育改革中的一个新兴的概念[1]。针对学习进阶，国内外学者有着不同的看法，尚未形成一个准确的概念。一般认为学习进阶是围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列。笔者通过查阅文献并结合自身理解认为“学习进阶”应是一个逐级递进，呈阶梯式上升的过程，因此制定如图1所示的学习进阶模型。

图1 学习进阶模型

4.2 最近发展区理论

最近发展区理论是由前苏联教育家维果茨基提出的，他认为学生存在两种发展水平：一种是学生独立完成或解决问题的水平，另一种是在教师或他人帮助下所能达到的水平，两种水平间的部分叫做最近发展区[2]。这启示教师在进行教学时要把握教学难度，使学生能够“跳一跳便摘到桃子”达到下一阶段的水平，然后在此基础之上进行下一发展区的发展。

4.3 四重表征理论

1982年，苏格兰的约翰斯顿首次提出化学“三重表征”模式，即宏观表征、微观表征、符号表征。自此，有关学生化学概念的三重表征分析及相关教学实践研究就备受关注。2009年，华南师范大学钱扬义教授基于手持实验即时收集数据和自动生成曲线的技术背景，首次提出“曲线表征”的定量分析方法，并构建化学“四重表征”教学模式，包括宏观表征、微观表征、符号表征、曲线表征，并对各重表征形式进行了定义，如表1所示[3-4]。

表1 “四重表征”定义

4.4 教育目标分类理论

教育目标分类理论最早是由布鲁姆于1956年提出的，他将教育目标分为三个领域：知识领域、情感领域、动作技能领域。三个领域包含了整个教学环节，保障了教学的顺利进行。但随着该理论的应用，其忽略学生运用知识的能力的弊端显现了出来。于是，安德生等人在此基础上进行修订，将知识划分为两个维度（知识维度、认知过程维度）并融合在二维框架结构中，知识维度包括：事实性知识、概念性知识、程序性知识、反省认知知识；
认知维度包括：记忆、理解、应用、分析、评价、创造[5]。

本文以人教版高中化学选择性必修1第四章化学反应与电能第二节电解池第1课时为例进行学习进阶设计。根据学习进阶的理论，学习进阶模型主要由进阶维度、进阶起点、进阶终点、进阶水平这四部分组成。笔者将其分为三个维度的进阶，即知识进阶、认知进阶、思维进阶，简称“三重进阶”。其中知识与认知进阶的水平是根据布鲁姆的教育目标分类理论制定的，而思维进阶是依据四重表征（宏观、微观、符号、曲线）的内容制定的。在学生能从宏观、微观、符号的角度认识电解池后，运用手持技术呈现有关曲线图像，帮助学生深入理解电解池最终达到四重表征水平；
把进阶起点规定为学生已有知识水平；
进阶终点规定为课程标准对关于电解池的学习要求；
依据上述思路对电解池的有关知识进行梳理和划分，最终构建关于“电解池”的学习进阶模型。

5.1 “电解池”的进阶模型设计

a、进阶维度设计。

（1）知识进阶设计。布鲁姆的教育目标分类理论从知识维度上将知识类型按层次划分为：事实性知识、概念性知识、程序性知识、反省类知识。选择人教版2019年高中化学选择性必修1教材中“电解池”第1课时的内容，对知识进行整理划分，如表2所示。

表2 “电解池”知识维度划分

（2）认知进阶设计。依据布鲁姆的认知目标分类学（2001年修订版）中认知过程维度的类目，结合教材内容制定分类目标，如表3。

表3 “电解池”的认知维度划分

（3）思维进阶设计。宏观、微观、符号是化学学科特有的表征方式，20世纪90年代华南师范大学钱扬义教授在化学教学中引入手持技术，为化学学科带来了新的表征方式—曲线，由此形成了四重表征理论。而这四种表征方式也存在着由浅入深的递进性关系：首先，学生在最初学习某一知识时通过各种感官从宏观层次去感受建立初步认知。其次，教师利用教材等辅助工具引导学生从微观层次认识本质。再次，学生根据已有的化学基础把知识用化学式、反应方程式等符号表示出来，增进理解。最后，利用手持技术呈现曲线帮助学生深入理解知识。通过对“电解池”第1课时教学的内容分析，依据四重表征划分学生在理解电解池概念时达到的思维水平，如表4所示。

表4 “电解池”的思维水平划分

b、进阶水平设计。

通过对“电解池”内容的学习进阶维度的划分，发现本节教学内容在三种维度上都能得到不同水平层次的划分。但同一内容在不同维度中可能有不同的层次，所以在对进阶水平划分时，以学习进阶的思想为指导结合教材编排与逻辑性进而划分出不同的进阶水平，如表5所示。

表5 “电解池”进阶水平划分

c、进阶起点与终点设计。

学生在学习“电解池”的相关内容之前，已经掌握了氧化还原反应、电解质的电离、原电池等重要内容，具备能量转化意识。这为电解池有关内容的学习奠定基础，因此将进阶起点规定为：学生已有的知识水平。《普通高中化学课程标准》（2017年版2020年修订）对“电解池”的学业要求：“能分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的电解池”。因此，根据电解池第1课时安排，将进阶终点规定为：“深入理解电解池，能分析、解释电解池的工作原理，建构电解池模型”。

5.2 “电解池”进阶模型的建立

笔者通过查阅文献发现，在化学教学中对学习进阶的研究不在少数，其中对电解池、原电池、氧化还原反应居多，这些研究是对核心概念的整体研究。本文中建立的学习进阶模型旨在帮助教师在一个课时的课程内容中准确判断学生的水平，及时发现学生难以理解和解决的问题；
遵循学生的认知心理发展，从简单到复杂、从形象到抽象，循序渐进的帮助学生理解知识。此外，该模型的建立能够帮助教师设计出更为合理的教学方案，从而提高教学质量。

在5.1中笔者根据学习进阶的理论，结合教材中电解池知识设定了进阶维度、进阶水平、进阶起点、进阶终点，最终建立关于电解池的学习进阶模型，如图2所示。

图2 “电解池”进阶模型

5.3 创新点

本文创新点在于构建学习进阶模型的同时融入了手持技术。手持技术由数据采集器、传感器、计算机及配套软件组成，其中传感器类型有很多：电流传感器、氯离子传感器、温度传感器等[6]。利用传感器测定电解池工作时发生的变化并通过计算机处理以图像显示出来，对学生理解电解池概念、分析电解池原理具有很大帮助，同时也培养了学生从曲线分析化学变化的思维方式，为思考和解决问题提供了新的途径。运用手持技术测定电解池的有关内容，如图3所示。

图3 运用手持技术测定电解池

在定制的电解槽中注入7:2比例的饱和食盐水和蒸馏水的混合溶液，插入石墨电极之后，分别在正负两极插入氯离子传感器、pH传感器，开始采集数据器并接通直流电源，得到如图4所示曲线。学生对曲线进行分析，深化对电解池的认识，培养四重思维。

图4 pH与Cl- 浓度变化曲线

随着时代的发展，国家对教育提出了更高的要求，不再仅仅注重学生对知识的掌握多少，更加注重学生的学习过程。学生在学习过程中的体验、经历才是最宝贵的财富。在高中化学中应用手持技术融合学习进阶的思想进行教学，是对信息技术化时代的顺应、对学生的发展负责。本文围绕高中化学“电解池”第1课时内容建立学习进阶模型并创造性地融入手持技术，力求使学生在整个学习过程中，其知识、认知、思维得到充分发展。对于如何针对该模型设计出相应的教学设计，还有待学者们不断探究与开发。