陳浩 嚴(yán)文法

摘要： 概念教學(xué)應(yīng)遵循學(xué)生概念發(fā)展的進階性。作為評估學(xué)生認(rèn)知水平的理論，SOLO分類理論可以指導(dǎo)和評價學(xué)生化學(xué)概念學(xué)習(xí)的層級式發(fā)展過程。以新人教版選擇性必修1教材“原電池原理”的教學(xué)為例，結(jié)合新課標(biāo)（2017年版）和新人教版教材對該內(nèi)容的要求，利用SOLO分類理論確定概念進階。并以概念進階為標(biāo)準(zhǔn)制定教學(xué)和評價目標(biāo)，設(shè)計促使學(xué)生概念水平進階式發(fā)展的教學(xué)過程，以使學(xué)生形成“原電池原理”的思維模型，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： SOLO分類理論; 原電池原理; 概念進階; 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)； 化學(xué)教學(xué)設(shè)計

文章編號： 1005-6629（2023）04-0038-06

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1? 問題提出

概念是大腦對同一類事物本質(zhì)屬性的抽象概括，是抽象思維的形式?；瘜W(xué)核心概念統(tǒng)攝了多個概念，因而化學(xué)核心概念教學(xué)需要分解知識框架，提煉思維模型［1］。模型建構(gòu)是指從復(fù)雜的概念系統(tǒng)中“析出”要素并“刻畫”其間關(guān)系的一種認(rèn)知建構(gòu)過程［2］，所以，學(xué)生對概念的認(rèn)識一般是從理解單一要素到理解多個要素，再到建立多個要素間的關(guān)系最終形成思維模型。

SOLO分類理論將認(rèn)知水平分為前結(jié)構(gòu)水平、單點結(jié)構(gòu)水平、多點結(jié)構(gòu)水平、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平、抽象拓展水平五個層次［3］。核心概念的學(xué)習(xí)經(jīng)歷從現(xiàn)象到本質(zhì)、由低階到高階、由簡單到復(fù)雜的過程，SOLO分類層次與概念發(fā)展水平相對應(yīng)，即不同的SOLO層次對應(yīng)于不同程度的概念學(xué)習(xí)水平［4］。所以，SOLO分類理論可用于指導(dǎo)構(gòu)建概念進階，發(fā)展和評價學(xué)生的概念水平，從而使學(xué)生親身經(jīng)歷模型建構(gòu)的歷程，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

“原電池”是高中化學(xué)核心概念，既包括原電池原理、電解質(zhì)電離、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等基本概念，也體現(xiàn)微粒觀、變化觀、元素觀、平衡觀、能量觀等化學(xué)觀念，是學(xué)生深入學(xué)習(xí)溶液的導(dǎo)電性、電解質(zhì)電離、氧化還原反應(yīng)等知識的重要載體。從單液原電池到雙液原電池，再到隔膜電池的教學(xué)過程，旨在幫助學(xué)生建立解決“原電池”問題的思維模型，提高學(xué)生對電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。目前有較多關(guān)于“原電池”模型認(rèn)知或模型建構(gòu)的研究，但基于SOLO分類理論確定概念進階，指導(dǎo)并評價其模型建構(gòu)過程的研究甚少。本研究旨在利用SOLO分類理論構(gòu)建“原電池”概念進階，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“原電池”思維模型，進而使學(xué)生深度理解原電池的工作原理。

2? “原電池原理”概念進階教學(xué)設(shè)計思路

本文首先依據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“2017年版課標(biāo)”）分析新人教版選擇性必修1教材對“原電池原理”的跨模塊編排，列出不同學(xué)段學(xué)生“原電池原理”學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。然后基于SOLO分類理論確定“原電池”概念學(xué)習(xí)進階，并通過分析學(xué)情確定學(xué)生實際所處的概念進階水平。最后依據(jù)教學(xué)內(nèi)容、概念學(xué)習(xí)進階和學(xué)情制定出“原電池原理”的教學(xué)目標(biāo)和評價目標(biāo)。在教學(xué)和評價目標(biāo)的指引下，進一步明確教學(xué)任務(wù)，組織概念進階活動，從而提升學(xué)生“原電池”概念水平以及發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)（見圖1）。

3? 教學(xué)分析

3.1? 基于課標(biāo)的“原電池原理”內(nèi)容分析

依據(jù)2017年版課標(biāo)對不同模塊“原電池原理”的要求（見表1），新人教版教材對相關(guān)內(nèi)容采用進階化編排，其中必修課程學(xué)生主要辨識單液原電池的構(gòu)成并分析其工作原理；而選擇性必修課程學(xué)生主要以雙液原電池為載體深入認(rèn)識原電池的構(gòu)成要素（電極反應(yīng)、電極材料、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體）及其關(guān)系，建構(gòu)“原電池”思維模型，學(xué)會深層次分析、解釋原電池工作原理，能自主設(shè)計原電池。

3.2? 基于SOLO分類理論的“原電池”概念學(xué)習(xí)進階分析

概念教學(xué)的主要任務(wù)是將學(xué)生的相異構(gòu)想轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念［6，7］，所以，相異構(gòu)想是概念進階的起點。在分析“原電池”內(nèi)容進階的基礎(chǔ)上，結(jié)合SOLO分類理論將“原電池”概念進階劃分為五個層級（見表2）。

3.3? 學(xué)情分析

學(xué)生在必修階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了銅-鋅單液原電池［即Zn|CuSO4（aq）|Cu電池］，對“原電池”的組成、形成條件等有一定的了解。然而，受銅-鋅單液原電池模型的“泛化”影響，學(xué)生對原電池各構(gòu)成要素的理解單一且存在相異構(gòu)想；尚未建立原電池原理的認(rèn)知模型，對原電池本質(zhì)性的認(rèn)識不夠，不能很好地利用原電池模型解決實際問題。此時學(xué)生的概念水平尚處于前結(jié)構(gòu)水平。

3.4? 教學(xué)與評價目標(biāo)

3.4.1? 教學(xué)目標(biāo)

（1） 在充分理解原電池基本要素的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)變關(guān)于原電池構(gòu)成要素和工作原理的相異構(gòu)想（概念水平由前結(jié)構(gòu)水平發(fā)展為單點結(jié)構(gòu)水平）。

（2） 能說出銅-鋅單液原電池在電流效率方面的缺陷，提出改進思路，設(shè)計改進方案，論證改進效果；能說出雙液原電池的構(gòu)成，會解釋鹽橋及隔膜的作用（概念水平由單點結(jié)構(gòu)水平發(fā)展為多點結(jié)構(gòu)水平）。

（3） 在科學(xué)探究的過程中建構(gòu)原電池模型，能利用“原電池”模型分析并解決一系列復(fù)雜情境下的“原電池”問題，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)（概念水平由多點結(jié)構(gòu)水平發(fā)展為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平或抽象拓展水平）。

3.4.2? 評價目標(biāo)

（1） 利用“原電池”概念進階評價學(xué)生的概念發(fā)展水平。

（2） 基于科學(xué)探究實驗，診斷并發(fā)展學(xué)生的實驗探究水平。

（3） 在建構(gòu)原電池思維模型的過程中，診斷并發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”的水平。

3.5? 基于SOLO分類理論的“原電池原理”進階活動設(shè)計與評價

為了實現(xiàn)教學(xué)和評價目標(biāo)，根據(jù)“原電池”概念學(xué)習(xí)進階設(shè)計了“原電池原理”進階活動（見表3）。

4? 教學(xué)過程

4.1? 診斷學(xué)生“原電池”的相異構(gòu)想

［演示實驗］將銅片和鋅片分別插入稀硫酸溶液中，發(fā)現(xiàn)鋅片上產(chǎn)生氣泡，而銅片上沒有；而如果將銅片和鋅片用一條導(dǎo)線連接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在銅片表面也有大量氣泡。

［認(rèn)知沖突］在導(dǎo)線連接后，實驗裝置內(nèi)發(fā)生了怎樣的變化呢？

［分組討論］學(xué)生對原電池的形成條件和反應(yīng)本質(zhì)展開討論。

［提出問題］（1）電池的電極材料與電極反應(yīng)物是同一物質(zhì)嗎？（2）原電池的兩極材料必須為活潑性不同的金屬嗎？（3）電解質(zhì)溶液必須是水溶液嗎？必須參與反應(yīng)嗎？

［相異構(gòu)想］學(xué)生不清楚電極材料與電極反應(yīng)物各自的功能，將二者混為一談；錯誤地認(rèn)為原電池的兩極材料必須為活潑性不同的金屬；錯誤地認(rèn)為電解質(zhì)狀態(tài)必須是水溶液，電解質(zhì)只有在水溶液中才能電離出陰、陽離子且陰、陽離子一定參與電極反應(yīng)。

設(shè)計意圖：利用學(xué)生熟悉的演示實驗創(chuàng)設(shè)情境，提出能夠激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的問題鏈，診斷學(xué)生的相異構(gòu)想。

4.2? 轉(zhuǎn)變學(xué)生“原電池”的相異構(gòu)想，形成科學(xué)概念

［創(chuàng)設(shè)情境］動畫展示Zn|H2SO4（aq）|Cu電池和氫氧燃料電池

單液原電池的微觀過程。

［分組討論］分析Zn|H2SO4（aq）|Cu電池和氫氧燃料電池的構(gòu)成要素（電極材料、電極反應(yīng)、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體）。

［討論結(jié)果］（1）Zn|H2SO4（aq）|Cu電池的負(fù)極材料與負(fù)極反應(yīng)物為同一物質(zhì)，而氫氧燃料電池的負(fù)極材料與負(fù)極反應(yīng)物為不同物質(zhì)；（2）Zn|H2SO4（aq）|Cu電池的兩極材料為活潑性不同的金屬，而氫氧燃料電池的兩極材料為相同金屬；（3）Zn|H2SO4（aq）|Cu電池的電解質(zhì)溶液為電解質(zhì)水溶液且參與反應(yīng)，而氫氧燃料電池的電解質(zhì)既可以是電解質(zhì)水溶液，也可以是熔融狀態(tài)的電解質(zhì)且不一定參與反應(yīng)。

［科學(xué)概念］（1）電極材料的作用是電子導(dǎo)體，不一定是活潑性不同的金屬，既可以是相同金屬（例如金屬Pt），也可以是金屬和導(dǎo)電非金屬（如石墨），而電極反應(yīng)物是實際參與反應(yīng)的物質(zhì)；（2）電解質(zhì)為原電池提供離子導(dǎo)體，既可以是電解質(zhì)水溶液，也可以是熔融狀態(tài)的電解質(zhì)，且不一定參與電極反應(yīng)。

設(shè)計意圖：通過對兩種單液原電池的分析和比較，轉(zhuǎn)變學(xué)生的相異構(gòu)想，形成對原電池各要素正確的理解，使學(xué)生的概念水平由前結(jié)構(gòu)水平發(fā)展為單點結(jié)構(gòu)水平。

4.3? 深入理解雙液原電池或隔膜電池工作原理

［提出問題］如何提高銅-鋅單液原電池的電流效率？請說明原因。

［實驗探究］（1） 預(yù)測銅-鋅單液原電池［Zn|CuSO4（aq）|Cu電池］現(xiàn)象：電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，鋅電極溶解，僅銅電極表面有紅色固體析出。

（2） 觀察實驗現(xiàn)象：電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電流在一段時間后發(fā)生衰減，且鋅電極與銅電極表面都有紅色的物質(zhì)銅單質(zhì)生成。

（3） 產(chǎn)生認(rèn)知沖突：鋅表面附著有紅色固體，電流衰減的原因是什么？

（4） 微觀探析：Zn與Cu2+直接接觸發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)移的電子未經(jīng)過導(dǎo)線，導(dǎo)致電流衰減，為提高原電池效率，應(yīng)避免鋅片與硫酸銅溶液直接接觸。

［裝置改進］（1）為了避免鋅片直接與硫酸銅溶液直接接觸，將置有鋅片的硫酸鋅溶液與置有銅片的硫酸銅溶液，用導(dǎo)線將其中鋅片與銅片連接起來，并在其中間串聯(lián)電流表和開關(guān)，閉合開關(guān)后，觀察實驗現(xiàn)象；（2）在兩個半電池中加入“鹽橋”把二者連接起來，閉合開關(guān)后，觀察實驗現(xiàn)象。

［提出問題］通過觀察實驗現(xiàn)象，請分析“鹽橋”的作用是什么？

［分組討論］鹽橋的主要作用是溝通內(nèi)電路，形成閉合回路。此外，鹽橋中陰陽離子的定向移動使兩個半電池的電荷平衡，形成穩(wěn)定電流。

［知識拓展］如果將兩個半電池用有孔隔板（或隔膜）隔開可以代替鹽橋，其中有些隔膜只允許某種特定的離子通過，這就是離子交換膜，這種裝置相較有“鹽橋”的雙液原電池更輕便。

設(shè)計意圖：通過“如何提高原電池電流效率”的實驗探究活動，在提升學(xué)生探究能力的同時引導(dǎo)學(xué)生從宏觀和微觀兩個層面分析和解釋原電池的工作原理，體會宏觀、微觀、符號三重表征相結(jié)合的思維方式。促使學(xué)生的概念水平由單點結(jié)構(gòu)水平發(fā)展為多點結(jié)構(gòu)水平。

4.4? 建立原電池要素間關(guān)系，建構(gòu)原電池思維模型

［任務(wù)布置］繪制單液原電池、雙液原電池以及隔膜電池工作原理示意圖，要求：（1）注明原電池的組成；（2）標(biāo)明氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)發(fā)生的區(qū)域；（3）標(biāo)明電子的運動方向和陰離子、陽離子的遷移方向。

［問題解決］學(xué)生單獨繪制原電池模型，并經(jīng)過交流反思進一步修正個人原電池模型，教師深入各小組查看學(xué)生原電池模型的繪制情況，發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生對鹽橋中離子的遷移方向標(biāo)注錯誤，以及在描述“鹽橋”或“隔膜”的作用時存在思維障礙；還有些學(xué)生不能從氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分區(qū)進行、電子得失、電子和離子的遷移等方面系統(tǒng)分析原電池的工作原理。教師針對發(fā)現(xiàn)的問題及時做出評價和解釋，在教師的引導(dǎo)下，各小組內(nèi)成員之間相互合作繪制出小組原電池模型（如圖2）。

［提煉總結(jié)］教師選擇具有代表性的原電池模型向全班展示。借鑒史凡等的研究成果［8］，教師引導(dǎo)學(xué)生從裝置和原理兩個角度深入認(rèn)識原電池，并經(jīng)過交流合作，師生共同提煉出原電池的抽象認(rèn)識模型（如圖3）。

設(shè)計意圖：提高學(xué)生“原電池”知識的關(guān)聯(lián)水平，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)原電池認(rèn)識模型，診斷并發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。促使學(xué)生的概念水平由多點結(jié)構(gòu)水平發(fā)展為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平。

4.5? 應(yīng)用原電池模型解決復(fù)雜問題，提升學(xué)生的知識遷移能力

［任務(wù)布置］（1）依據(jù)Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag的反應(yīng)原理，分別設(shè)計一個單液原電池和雙液原電池，要求畫出原電池裝置圖，分析原電池工作原理，書寫電極反應(yīng)式。（2）依據(jù)Mg|NaOH（aq）|Al電池與Mg|H2SO4（aq）|Al電池的原理，①判斷電池的正負(fù)極，②書寫電極反應(yīng)式。（3）判斷Al|濃HNO3|Cu電池的正負(fù)極，解釋原因并設(shè)計實驗進行驗證。

［學(xué)生回答］對于任務(wù)（1），大部分學(xué)生較為熟練地畫出了不同類型的原電池裝置示意圖，會系統(tǒng)分析和解釋原電池的工作原理，并能正確書寫電極反應(yīng)式。對于任務(wù)（2），大部分學(xué)生能綜合考慮電極材料、電解質(zhì)溶液等因素準(zhǔn)確判斷電池的正負(fù)極，會正確書寫電極反應(yīng)式。在任務(wù)（3）中，學(xué)生判斷“Cu為電池的負(fù)極，Al為電池的正極”，原因假設(shè)為：“冷的濃HNO3使較活潑的Al發(fā)生了鈍化，從而使較不活潑的Cu作了電池負(fù)極”。為了驗證這一假設(shè)，學(xué)生經(jīng)小組討論提出了實驗方案：“向濃硝酸溶液中緩慢注入蒸餾水，逐漸將濃硝酸變?yōu)橄∠跛?，觀察電流表指針是否反轉(zhuǎn)，如果反轉(zhuǎn)，則說明假設(shè)正確”。隨后學(xué)生按照實驗方案進行了小組實驗，觀察到電流表指針發(fā)生了反轉(zhuǎn)，從而驗證了假設(shè)。

［形成結(jié)論］原電池的正負(fù)極不僅與金屬的活潑性有關(guān)，而且還與金屬的特性（如鈍化）、溶液類別等因素有關(guān)。

設(shè)計意圖：教師設(shè)置階梯性任務(wù)，學(xué)生運用原電池模型分析和解決實際問題，提升學(xué)生運用模型分析和解決實際問題的能力，促使學(xué)生的概念水平由關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平發(fā)展為抽象拓展水平。

5? 討論

SOLO分類理論從學(xué)習(xí)結(jié)果的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性角度對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進行分層評價。一方面，教材中教學(xué)內(nèi)容按照“螺旋式上升”編排，教師對不同學(xué)段同一教學(xué)內(nèi)容的深度、廣度、難度的把握尤為重要，教學(xué)中有必要明確概念學(xué)習(xí)進階，SOLO分類理論可以指導(dǎo)建構(gòu)概念學(xué)習(xí)進階。另一方面，SOLO分類理論可以指導(dǎo)教師設(shè)計進階式教學(xué)和評價活動，診斷并發(fā)展學(xué)生的概念水平，從而實施“教、學(xué)、評一體化”的教學(xué)。必修和選擇性必修階段均有“原電池原理”的教學(xué)，依據(jù)2017年版課標(biāo)對新人教版教材進行分析，發(fā)現(xiàn)必修階段要求學(xué)生以銅-鋅單液原電池為載體初步了解原電池的構(gòu)成要素和工作原理，但在實際教學(xué)中，由于銅-鋅單液原電池模型的“泛化”，導(dǎo)致學(xué)生存在大量的相異構(gòu)想，此時學(xué)生的概念水平尚處于前結(jié)構(gòu)水平。所以，選擇性必修階段主要的教學(xué)任務(wù)就是使學(xué)生的概念水平取得階梯性的提升和發(fā)展。例如通過設(shè)置對比模型讓學(xué)生轉(zhuǎn)變相異構(gòu)想，使學(xué)生的概念水平由前結(jié)構(gòu)水平發(fā)展到單點結(jié)構(gòu)水平；利用科學(xué)探究活動使學(xué)生從宏觀和微觀兩個方面分析原電池的工作原理，理解電極材料、電極反應(yīng)、電解質(zhì)溶液、電子或離子的遷移等知識，使學(xué)生的概念水平由單點結(jié)構(gòu)水平發(fā)展到多點結(jié)構(gòu)水平；利用模型建構(gòu)使學(xué)生形成對原電池各要素之間關(guān)系的正確理解，使學(xué)生的學(xué)習(xí)水平由多點結(jié)構(gòu)水平發(fā)展為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平；引導(dǎo)學(xué)生利用模型解釋電化學(xué)現(xiàn)象、解決陌生情境下的問題，增強學(xué)生的知識遷移應(yīng)用能力，使學(xué)生的學(xué)習(xí)水平由關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平提升為抽象拓展水平。

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