楊先通 王強

摘要：?基于“發(fā)現(xiàn)—解釋—設想—實驗—改進”的DIIEE模型，構建培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的化學課堂教學模式，通過“立足情境，發(fā)現(xiàn)問題;搜集信息，解釋問題;頭腦風暴，優(yōu)化設想;建立模型，開展實驗;反思總結，改進提高”5個教學階段為培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維提供可行的路徑。以“水的凈化”課堂設計和實施為例，克服了化學實驗在課堂教學中某些形式化、機械化的問題，學生逐步實現(xiàn)了污水處理認知模型四層次的學習進階，外化的實驗設計活動強化了學生的創(chuàng)造性認知思維。

關鍵詞：?DIIEE模型;?創(chuàng)造性思維;?課堂教學設計;?化學實驗

文章編號：?10056629（2021）07005205

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

1?問題提出

2019年11月20日頒布的《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》指出，要拓展創(chuàng)新，強化學生的創(chuàng)新創(chuàng)造，著力提升學生的創(chuàng)造性思維能力[1]。實驗是化學學科的基礎，化學實驗是學生獲取化學經(jīng)驗知識和檢驗化學知識的重要媒介和手段，是提高學生科學素養(yǎng)的重要內(nèi)容和途徑[2]。研究發(fā)現(xiàn)，化學實驗具有培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的特殊功能[3]，基于設計的實驗教學更能培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力和問題解決能力[4]。

但是，當前化學實驗的課堂教學存在過于注重操作技能訓練等某些形式化、機械化的問題，忽視了創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。Roth提出，當學生以機械化、形式化的方式操作實驗時，便無法有目的地收集和記錄數(shù)據(jù)，更無法在概念之間建立有意義的相互聯(lián)系，這不利于學生高階思維能力的發(fā)展和探究能力的培養(yǎng)，更不利于學生對科學本質(zhì)和科學精神的理解[5]。機械化的化學實驗教學削弱了化學實驗在“完善學生創(chuàng)造性思維素質(zhì)”方面的功能[6]。因此，化學實驗的課堂教學應將培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維作為重要目標，并通過合理有效的課堂教學設計和教學實施達成這一目標。

2?教學設計的理論基礎

教學設計的核心是各種教學要素的設計，其核心思想——設計思維近年來受到教育者的密切關注[7，8]。設計思維是個體為了解決劣構問題而進行的一系列連續(xù)思考以及行動的過程。為發(fā)揮設計思維在基礎教育領域的價值，IDEO設計公司提出了“發(fā)現(xiàn)（Discovery）、解釋（Interpretation）、設想（Ideation）、實驗（Experimentation）、改進（Evolution）”（以下簡稱“DIIEE”）5個階段的創(chuàng)新設計思維模型[9]，如圖1所示。根據(jù)DIIEE模型，從“發(fā)現(xiàn)”到“改進”是一個不斷遞進的過程，改進后的設計也會被再次的實驗進行循環(huán)檢驗。

DIIEE模型最初提出時并未應用于化學課堂教學設計領域。之后，胡小勇和朱龍對DIIEE模型進行了總結，并介紹了DIIEE模型在課堂教學、課程設計和學校教育中的應用潛力、路徑和啟示[10]，但仍然停留在對美國、日本等國外經(jīng)驗的引介層面，缺乏本土的課堂教學設計案例開發(fā)。隨著對DIIEE模型的研究，其培養(yǎng)創(chuàng)造性思維、生成創(chuàng)新產(chǎn)品或流程的優(yōu)勢逐漸受到重視。教學設計作為發(fā)展學生思維的問題解決流程，符合DIIEE的創(chuàng)新設計思維的理念。

DIIEE模型不但能夠為教師開展培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的教學設計提供理論的指導，幫助教師合理優(yōu)化和組織化學課堂教學設計中的重要教學要素，還可以作為化學課堂教學設計的理論框架，為培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維開辟一條可行的路徑。因此，本研究以“水的凈化”這一有關化學實驗的教學內(nèi)容為例，嘗試將DIIEE模型應用于本土化的化學課堂教學課例的開發(fā)，并通過教學設計的方式體現(xiàn)其在化學實驗教學中的功能和價值，使學生真正參與到設計與發(fā)現(xiàn)的過程中，充分經(jīng)歷其中的思維活動，力圖為創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)提供有效的教學模式。

3?教學過程設計

3.1?教材分析

教學內(nèi)容選自人教版初中九年級《化學》上冊第四章第二節(jié)，課時為2課時。通過之前內(nèi)容的學習，學生已經(jīng)掌握了物質(zhì)的變化和性質(zhì)的基礎知識，熟悉了一些實驗儀器的基本操作，了解了人類擁有的水資源的相關知識，初步培養(yǎng)了愛護水資源的責任和態(tài)度?！八膬艋笔菍η耙还?jié)內(nèi)容的拓展和應用，通過學習本節(jié)內(nèi)容，學生能夠進一步運用化學實驗的基本方法，掌握水的凈化的知識，增進對化學物質(zhì)的理解，培養(yǎng)實驗設計思維和創(chuàng)造性思維。同時，本節(jié)內(nèi)容也為學生學習下一節(jié)“水的組成”奠定基礎。

3.2?學生分析

學生處于九年級上學期。一方面，他們已經(jīng)了解了地球上水資源的稀缺和污染現(xiàn)狀，對工業(yè)污水處理的基本流程有了一定的認識。另外，學生也已經(jīng)學習了過濾和蒸餾的原理和基本操作，為本課設計污水處理裝置奠定了技能基礎。另一方面，學生還存在一些迷思概念和認知障礙。例如，學生對污染物的性質(zhì)以及過濾裝置的基本原理是模糊的，關于如何選擇合適的過濾材料設計過濾裝置，進而提高污水處理效果需要提供引導。此外，學生在設計污水處理裝置過程中，克服困難的品質(zhì)和迭代創(chuàng)新的能力需要進一步培養(yǎng)。

3.3?內(nèi)容標準

《義務教育化學課程標準（2011年版）》從科學探究、身邊的化學物質(zhì)、物質(zhì)構成的奧秘和化學與社會發(fā)展四個方面對本節(jié)課提出了內(nèi)容要求。為了確定本節(jié)課的學習目標，將課程標準的內(nèi)容要求總結為如表1所示的形式。

3.4?學習目標

基于對教材內(nèi)容、學生階段特征以及課程標準四個維度中內(nèi)容標準的分析，將本節(jié)課的教學目標確定為以下三個部分：

（1）?通過搜集資料，了解典型的水污染物、水污染的原因以及對生命體和經(jīng)濟發(fā)展的影響;

（2）?學生通過DIIEE模型，提出有創(chuàng)意的想法，合作設計并制作污水處理裝置，探究不同裝置的效果，培養(yǎng)控制變量的意識和創(chuàng)新思維;

（3）?通過經(jīng)歷污水處理的過程，增強節(jié)約用水的意識和防止水污染的責任感，提高創(chuàng)造性解決社會問題的能力。

3.5?教學準備

材料：?水、泥土、墨水、石英砂、瓷沙、活性炭、布料、濾紙等

儀器：?剪掉瓶底的塑料瓶、鐵架臺、燒杯、玻璃棒、ICPMS分析儀器等

3.6?教學過程

根據(jù)DIIEE模型，將教學過程設計為五個環(huán)節(jié)，教學流程闡釋如下。

環(huán)節(jié)一：?基于情境，發(fā)現(xiàn)問題

[教師活動1]通過屏幕呈現(xiàn)《荒野求生》中貝爾在野外喝水的視頻片段。

[教師活動2]利用泥沙、樹葉等模擬《荒野求生》中的場景，邀請學生嘗試設計簡單的裝置獲得干凈的水。引導學生提出探究的問題，確定本節(jié)課的研究問題——如何使野外的水變得可以飲用。

[驅動問題]通過觀看視頻和完成活動，分析情境中的“意義”，你能提出什么問題？

[預設學生反饋]經(jīng)過體驗紀錄片中的情景并開展簡單的凈水裝置設計，學生可能會提出這些問題：?野外的水能喝嗎？喝了野外的水會怎樣？如何才能在野外喝到干凈的水？貝爾為什么要在吸管中加入木炭？

設計意圖：?發(fā)現(xiàn)，是指通過搜集資料的手段和方法深入了解凈化水資源的挑戰(zhàn)。建立第一層次的污水處理認知模型，能夠初步識別野外水中的雜質(zhì)，培養(yǎng)凈水意識。通過為學生創(chuàng)設合理的問題情境，引導學生提出自己想研究的問題，激發(fā)學生的好奇心和探究的興趣，引發(fā)設計的動機，培養(yǎng)學生發(fā)散思維和提出問題的能力，鼓勵學生大膽質(zhì)疑的精神。

環(huán)節(jié)二：?搜集信息，解釋問題

[教師活動]教師向學生提供豐富的閱讀材料、信息搜索環(huán)境或信息技術工具等，引導學生基于所要研究的問題搜集信息，解釋觀察到的現(xiàn)象，建構對研究問題的理解。

[驅動問題1]為什么要對“生水”進行處理？

[預設學生反饋1]學生可能會回答：?土壤中可能含有一些不能溶解的雜質(zhì)、能溶解的重金屬離子等，這些物質(zhì)對人體有害，所以飲用水需要凈化。

[驅動問題2]當前有哪些凈化水的方法？分析它們的原理和優(yōu)缺點。

[預設學生反饋2]學生能夠回答出以下幾種凈水的方法：?（1）沉淀法;（2）吸附法;（3）過濾法;（4）蒸餾法;（5）滅菌等。能夠根據(jù)之前學習的經(jīng)驗，分析沉淀、過濾和吸附的優(yōu)缺點。

設計意圖：?解釋，是指將所收集的信息建構為自己解決凈水挑戰(zhàn)的知識。培養(yǎng)學生根據(jù)研究問題，利用有關資料信息，分析和解決問題的能力，并且使得當前問題在頭腦中得到明確表征，清晰地界定問題;增進學生對水污染物的來源、性質(zhì)和危害的了解。

環(huán)節(jié)三：?頭腦風暴，優(yōu)化設想

[教師活動1]在對問題有明確的解釋之后，教師帶領全班學生開展基于“如何凈化泥水”的頭腦風暴，引導每位學生提出盡可能多的設計方案，教師延遲對設計方案的評價，鼓勵學生將研究問題轉化為可行的設計路線。

[驅動問題1]請每位同學盡可能多地提出凈化污水的設計方案。

[預設學生反饋1]學生可能會根據(jù)之前學習工業(yè)污水處理的經(jīng)驗，分別答出沉淀、過濾或蒸餾等幾個單獨的解決方法。

[教師活動2]在學生提出幾個凈水方法后，教師提出“如何凈化泥水”的挑戰(zhàn)性任務，引導學生運用組合法，通過小組合作，設計污水處理的整體方案。

[驅動問題2]請根據(jù)不同凈水方法的各自優(yōu)勢，將這些方法組合運用，提出泥水處理的整體流程，完成設計圖和第一代污水處理裝置。

[預設學生反饋2]學生能夠在沉淀、吸附、過濾等單個方法的基礎上，通過組間合作將想法進行整合，提出更完善的凈水方案，設計完成第一代的設計圖和污水處理裝置。

設計意圖：?設想，是指依據(jù)對凈水資料的解釋，采用頭腦風暴等方法，收集新奇的觀點和想法，為水的凈化提供創(chuàng)新性的解決方案。達到污水處理認知模型的第二個層次，即能夠過濾不溶性的雜質(zhì)。通過開展頭腦風暴，發(fā)展學生的發(fā)散思維;通過小組內(nèi)討論并優(yōu)化方案，培養(yǎng)學生的設計思維;通過小組互助，增強學生的合作能力。

環(huán)節(jié)四：?建立模型，開展實驗

[教師活動1]教師進一步提出挑戰(zhàn)“如何凈化墨水”的任務。引導學生開展小組討論，集合小組的智慧，對方案進一步優(yōu)化，形成墨水凈化裝置的設計草圖和第二代污水處理裝置。

[驅動問題1]請小組內(nèi)討論，如何完成更完整更優(yōu)化的墨水處理裝置模型。

[預設學生反饋1]小組相互討論，學生經(jīng)過“發(fā)現(xiàn)問題、解釋問題、提出設想”等環(huán)節(jié)，對實驗模型提出有創(chuàng)意的想法，并進一步完善方案，形成小組的二代設計圖和墨水凈化裝置。例如，根據(jù)思維的有序性，學生可能會按照物質(zhì)顆粒從上到下、由粗到精的過程，對不同基本材料的選擇和組合，設計不同的凈水裝置圖，如圖2所示。

[教師活動2]基于挑戰(zhàn)任務，分別請不同小組展示設計的裝置，重點闡釋將如何解決面臨的挑戰(zhàn)。同時，教師引導其他小組對匯報組提出質(zhì)疑和補充，并給予相應指導。

[驅動問題2]請?zhí)岢瞿銓R報組的意見和建議。

[預設學生反饋2]不同小組的學生基于自己的研究經(jīng)驗，提出對匯報組的意見和建議。

[教師活動3]引導學生接受他人的建議，運用控制變量，考察不同過濾裝置中過濾材料的性質(zhì)、順序和位置對過濾效果的影響，合作設計制作水污染過濾裝置，并探究過濾裝置對不同污水的凈化效果。

[驅動問題3]請按照設計模型，制作本組的污水處理裝置，并設計實驗驗證裝置的效果，完成實驗記錄單。

[預設學生反饋3]學生開展污水處理裝置的制作，并設計實驗驗證裝置的效果。重點通過控制變量的方法，比較分析不同凈水材料的效果。例如：?是哪種材料吸附了墨水中的色素？

設計意圖：?實驗，將如何執(zhí)行凈水器方案作為需要思考的主要問題。達成污水處理認知模型的第三個層次，即能夠過濾可溶性的色素分子。通過建立模型的方法，學生頭腦中的研究設想得以顯化;通過開展實驗的方式，學生草稿紙上的方案得到驗證，最終培養(yǎng)學生的設計思維。

環(huán)節(jié)五：?反思總結，改進提高

[教師活動1]引導學生匯報實驗結果，并通過開展組內(nèi)自評和組間互評的方式，進一步分析研究結果及原因。

[驅動問題1]請各小組匯報研究結果，分析實驗成功或失敗的原因是什么？

[預設學生反饋1]學生可能會基于本組的實驗結果進行介紹，但在分析問題時可能不夠深入。

[教師活動2]教師介紹并引入ICPMS元素分析儀器，協(xié)助學生對凈化后水樣中的有害元素進行更精確的檢測。根據(jù)實驗效果，引導學生進一步查閱資料，更深入地分析其原因，并提出下一步的改進方案。

[驅動問題2]結合元素分析的結果以及閱讀支持材料，談談如何對污水過濾裝置作進一步改進？

[預設學生反饋2]學生可能通過分析結果和查閱文獻對過濾的效果有更深入的理解，并提出下一步的改進設想。通過各小組對自己的凈水裝置的改進，開展組內(nèi)自評和組間互評的方式，評價凈水裝置的美觀、效果等指標，從而進一步提高凈水裝置的美觀度和實用效果。

設計意圖：?改進，即基于前四個階段獲得的反饋信息，進一步完善凈水器的設計。建立第四層次的污水處理認知模型，即能夠分析并嘗試凈化可能存在的其他可溶性的有害離子。通過組內(nèi)自評和組間互評的方式，幫助學生進行改進和分析原因，增加學生發(fā)生深度學習的可能性，培養(yǎng)學生的反思思維和設計思維。

3.7?學習評價

學習評價可以采用兩種方式：?一是采用學生間評價和表現(xiàn)性評價相結合的方式，讓全班學生對其他小組設計的凈水裝置進行評分，評分的維度包括實用性、創(chuàng)新性、美觀性;二是利用ICPMS分析儀檢測凈化之后水中的可溶性重金屬離子的含量，確定裝置的實際凈水效果，采用量化評價和結果評價相結合的方式。

4?總結與反思

研究發(fā)現(xiàn)，DIIEE模型應用于化學課堂教學具有以下優(yōu)勢：?一是從解決化學實驗情境中劣構、復雜、真實的問題出發(fā)，為解決化學實驗問題提供了一種操作流程或方法;二是關注化學模型的制作，強調(diào)將所獲得的知識、經(jīng)驗、信息通過化學模型的形式展示出來;三是設計過程反復討論，通過多次反饋、修正不斷完善化學模型，實現(xiàn)知識反復應用和強化;四是倡導小組之間的合作、公開分享設計成果以及化學實驗技術的應用;五是有利于學習者高階思維的發(fā)展，包括創(chuàng)造性思維、實驗設計思維等。

將DIIEE模型應用于化學課堂教學設計中，通過不斷改進污水處理裝置，逐步實現(xiàn)認知模型四個層次的學習進階，充分發(fā)揮DIIEE模型在培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維方面的育人功能。首先，在“發(fā)現(xiàn)”階段，能夠有效激發(fā)學生的求知好奇心和探究的興趣，強化學生通過開展實驗設計解決劣構問題的動機，為創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)提供情感醞釀。其次，在“解釋”階段，學生通過在信息豐富且開放的學習環(huán)境中搜集信息、界定問題，能夠使劣構的開放問題在頭腦中形成明確的表征。其三，在“設想”階段，學生在教師的引導下，基于挑戰(zhàn)性任務開展頭腦風暴，進而創(chuàng)造性地形成設計方案，充分激發(fā)學生的發(fā)散思維的生長。其四，在“實驗”階段，學生根據(jù)進一步的挑戰(zhàn)性任務，通過合作學習的方式，對原有的污水處理裝置進行深度的優(yōu)化設計，并通過設計實驗的方式對裝置的效果進行驗證，極大地發(fā)展了學生的設計思維。最后，在“改進”階段，學生在基于小組學習過程的表現(xiàn)性任務評價和基于儀器分析結果的量化評價的過程中，總結成敗經(jīng)驗，從而提出指向深度學習的改進設想?；谡麄€項目式學習的過程，外化的“發(fā)現(xiàn)解釋設想實驗改進”活動五環(huán)節(jié)最終轉化為學生認知中的創(chuàng)造性思維，學生投入創(chuàng)造性活動過程中情感和態(tài)度也因此得到加強。

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