SOLO分类理论指导下的概念进阶教学设计

陈浩 严文法

摘要： 概念教学应遵循学生概念发展的进阶性。作为评估学生认知水平的理论，SOLO分类理论可以指导和评价学生化学概念学习的层级式发展过程。以新人教版选择性必修1教材“原电池原理”的教学为例，结合新课标（2017年版）和新人教版教材对该内容的要求，利用SOLO分类理论确定概念进阶。并以概念进阶为标准制定教学和评价目标，设计促使学生概念水平进阶式发展的教学过程，以使学生形成“原电池原理”的思维模型，发展学生的化学学科核心素养。

关键词： SOLO分类理论; 原电池原理; 概念进阶; 化学学科核心素养； 化学教学设计

文章编号： 1005-6629（2023）04-0038-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题提出

概念是大脑对同一类事物本质属性的抽象概括，是抽象思维的形式。化学核心概念统摄了多个概念，因而化学核心概念教学需要分解知识框架，提炼思维模型［1］。模型建构是指从复杂的概念系统中“析出”要素并“刻画”其间关系的一种认知建构过程［2］，所以，学生对概念的认识一般是从理解单一要素到理解多个要素，再到建立多个要素间的关系最终形成思维模型。

SOLO分类理论将认知水平分为前结构水平、单点结构水平、多点结构水平、关联结构水平、抽象拓展水平五个层次［3］。核心概念的学习经历从现象到本质、由低阶到高阶、由简单到复杂的过程，SOLO分类层次与概念发展水平相对应，即不同的SOLO层次对应于不同程度的概念学习水平［4］。所以，SOLO分类理论可用于指导构建概念进阶，发展和评价学生的概念水平，从而使学生亲身经历模型建构的历程，发展学生的化学学科核心素养。

“原电池”是高中化学核心概念，既包括原电池原理、电解质电离、离子反应、氧化还原反应等基本概念，也体现微粒观、变化观、元素观、平衡观、能量观等化学观念，是学生深入学习溶液的导电性、电解质电离、氧化还原反应等知识的重要载体。从单液原电池到双液原电池，再到隔膜电池的教学过程，旨在帮助学生建立解决“原电池”问题的思维模型，提高学生对电化学本质的认识。目前有较多关于“原电池”模型认知或模型建构的研究，但基于SOLO分类理论确定概念进阶，指导并评价其模型建构过程的研究甚少。本研究旨在利用SOLO分类理论构建“原电池”概念进阶，引导学生建构“原电池”思维模型，进而使学生深度理解原电池的工作原理。

2  “原电池原理”概念进阶教学设计思路

本文首先依据《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“2017年版课标”）分析新人教版选择性必修1教材对“原电池原理”的跨模块编排，列出不同学段学生“原电池原理”学习的主要内容。然后基于SOLO分类理论确定“原电池”概念学习进阶，并通过分析学情确定学生实际所处的概念进阶水平。最后依据教学内容、概念学习进阶和学情制定出“原电池原理”的教学目标和评价目标。在教学和评价目标的指引下，进一步明确教学任务，组织概念进阶活动，从而提升学生“原电池”概念水平以及发展学生的化学学科核心素养（见图1）。

3  教学分析

3.1  基于课标的“原电池原理”内容分析

依据2017年版课标对不同模块“原电池原理”的要求（见表1），新人教版教材对相关内容采用进阶化编排，其中必修课程学生主要辨识单液原电池的构成并分析其工作原理；而选择性必修课程学生主要以双液原电池为载体深入认识原电池的构成要素（电极反应、电极材料、离子导体、电子导体）及其关系，建构“原电池”思维模型，学会深层次分析、解释原电池工作原理，能自主设计原电池。

3.2  基于SOLO分类理论的“原电池”概念学习进阶分析

概念教学的主要任务是将学生的相异构想转变为科学概念［6，7］，所以，相异构想是概念进阶的起点。在分析“原电池”内容进阶的基础上，结合SOLO分类理论将“原电池”概念进阶划分为五个层级（见表2）。

3.3  学情分析

学生在必修阶段已經学习了铜-锌单液原电池［即Zn|CuSO4（aq）|Cu电池］，对“原电池”的组成、形成条件等有一定的了解。然而，受铜-锌单液原电池模型的“泛化”影响，学生对原电池各构成要素的理解单一且存在相异构想；尚未建立原电池原理的认知模型，对原电池本质性的认识不够，不能很好地利用原电池模型解决实际问题。此时学生的概念水平尚处于前结构水平。

3.4  教学与评价目标

3.4.1  教学目标

（1） 在充分理解原电池基本要素的基础上，转变关于原电池构成要素和工作原理的相异构想（概念水平由前结构水平发展为单点结构水平）。

（2） 能说出铜-锌单液原电池在电流效率方面的缺陷，提出改进思路，设计改进方案，论证改进效果；能说出双液原电池的构成，会解释盐桥及隔膜的作用（概念水平由单点结构水平发展为多点结构水平）。

（3） 在科学探究的过程中建构原电池模型，能利用“原电池”模型分析并解决一系列复杂情境下的“原电池”问题，发展化学学科核心素养（概念水平由多点结构水平发展为关联结构水平或抽象拓展水平）。

3.4.2  评价目标

（1） 利用“原电池”概念进阶评价学生的概念发展水平。

（2） 基于科学探究实验，诊断并发展学生的实验探究水平。

（3） 在建构原电池思维模型的过程中，诊断并发展学生“模型认知”的水平。

3.5  基于SOLO分类理论的“原电池原理”进阶活动设计与评价

为了实现教学和评价目标，根据“原电池”概念学习进阶设计了“原电池原理”进阶活动（见表3）。

4  教学过程

4.1  诊断学生“原电池”的相异构想

［演示实验］将铜片和锌片分别插入稀硫酸溶液中，发现锌片上产生气泡，而铜片上没有；而如果将铜片和锌片用一条导线连接，结果发现在铜片表面也有大量气泡。

［认知冲突］在导线连接后，实验装置内发生了怎样的变化呢？

［分组讨论］学生对原电池的形成条件和反应本质展开讨论。

［提出问题］（1）电池的电极材料与电极反应物是同一物质吗？（2）原电池的两极材料必须为活泼性不同的金属吗？（3）电解质溶液必须是水溶液吗？必须参与反应吗？

［相异构想］学生不清楚电极材料与电极反应物各自的功能，将二者混为一谈；错误地认为原电池的两极材料必须为活泼性不同的金属；错误地认为电解质状态必须是水溶液，电解质只有在水溶液中才能电离出阴、阳离子且阴、阳离子一定参与电极反应。

设计意图：利用学生熟悉的演示实验创设情境，提出能够激发学生认知冲突的问题链，诊断学生的相异构想。

4.2  转变学生“原电池”的相异构想，形成科学概念

［创设情境］动画展示Zn|H2SO4（aq）|Cu电池和氢氧燃料电池

单液原电池的微观过程。

［分组讨论］分析Zn|H2SO4（aq）|Cu电池和氢氧燃料电池的构成要素（电极材料、电极反应、离子导体、电子导体）。

［讨论结果］（1）Zn|H2SO4（aq）|Cu电池的负极材料与负极反应物为同一物质，而氢氧燃料电池的负极材料与负极反应物为不同物质；（2）Zn|H2SO4（aq）|Cu电池的两极材料为活泼性不同的金属，而氢氧燃料电池的两极材料为相同金属；（3）Zn|H2SO4（aq）|Cu电池的电解质溶液为电解质水溶液且参与反应，而氢氧燃料电池的电解质既可以是电解质水溶液，也可以是熔融状态的电解质且不一定参与反应。

［科学概念］（1）电极材料的作用是电子導体，不一定是活泼性不同的金属，既可以是相同金属（例如金属Pt），也可以是金属和导电非金属（如石墨），而电极反应物是实际参与反应的物质；（2）电解质为原电池提供离子导体，既可以是电解质水溶液，也可以是熔融状态的电解质，且不一定参与电极反应。

设计意图：通过对两种单液原电池的分析和比较，转变学生的相异构想，形成对原电池各要素正确的理解，使学生的概念水平由前结构水平发展为单点结构水平。

4.3  深入理解双液原电池或隔膜电池工作原理

［提出问题］如何提高铜-锌单液原电池的电流效率？请说明原因。

［实验探究］（1） 预测铜-锌单液原电池［Zn|CuSO4（aq）|Cu电池］现象：电流表指针发生偏转，锌电极溶解，仅铜电极表面有红色固体析出。

（2） 观察实验现象：电流表指针发生偏转，电流在一段时间后发生衰减，且锌电极与铜电极表面都有红色的物质铜单质生成。

（3） 产生认知冲突：锌表面附着有红色固体，电流衰减的原因是什么？

（4） 微观探析：Zn与Cu2+直接接触发生反应，转移的电子未经过导线，导致电流衰减，为提高原电池效率，应避免锌片与硫酸铜溶液直接接触。

［装置改进］（1）为了避免锌片直接与硫酸铜溶液直接接触，将置有锌片的硫酸锌溶液与置有铜片的硫酸铜溶液，用导线将其中锌片与铜片连接起来，并在其中间串联电流表和开关，闭合开关后，观察实验现象；（2）在两个半电池中加入“盐桥”把二者连接起来，闭合开关后，观察实验现象。

［提出问题］通过观察实验现象，请分析“盐桥”的作用是什么？

［分组讨论］盐桥的主要作用是沟通内电路，形成闭合回路。此外，盐桥中阴阳离子的定向移动使两个半电池的电荷平衡，形成稳定电流。

［知识拓展］如果将两个半电池用有孔隔板（或隔膜）隔开可以代替盐桥，其中有些隔膜只允许某种特定的离子通过，这就是离子交换膜，这种装置相较有“盐桥”的双液原电池更轻便。

设计意图：通过“如何提高原电池电流效率”的实验探究活动，在提升学生探究能力的同时引导学生从宏观和微观两个层面分析和解释原电池的工作原理，体会宏观、微观、符号三重表征相结合的思维方式。促使学生的概念水平由单点结构水平发展为多点结构水平。

4.4  建立原电池要素间关系，建构原电池思维模型

［任务布置］绘制单液原电池、双液原电池以及隔膜电池工作原理示意图，要求：（1）注明原电池的组成；（2）标明氧化反应和还原反应发生的区域；（3）标明电子的运动方向和阴离子、阳离子的迁移方向。

［问题解决］学生单独绘制原电池模型，并经过交流反思进一步修正个人原电池模型，教师深入各小组查看学生原电池模型的绘制情况，发现有些学生对盐桥中离子的迁移方向标注错误，以及在描述“盐桥”或“隔膜”的作用时存在思维障碍；还有些学生不能从氧化反应和还原反应分区进行、电子得失、电子和离子的迁移等方面系统分析原电池的工作原理。教师针对发现的问题及时做出评价和解释，在教师的引导下，各小组内成员之间相互合作绘制出小组原电池模型（如图2）。

［提炼总结］教师选择具有代表性的原电池模型向全班展示。借鉴史凡等的研究成果［8］，教师引导学生从装置和原理两个角度深入认识原电池，并经过交流合作，师生共同提炼出原电池的抽象认识模型（如图3）。

设计意图：提高学生“原电池”知识的关联水平，引导学生建构原电池认识模型，诊断并发展学生“模型认知”的化学学科核心素养。促使学生的概念水平由多点结构水平发展为关联结构水平。

4.5  应用原电池模型解决复杂问题，提升学生的知识迁移能力

［任务布置］（1）依据Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag的反应原理，分别设计一个单液原电池和双液原电池，要求画出原电池装置图，分析原电池工作原理，书写电极反应式。（2）依据Mg|NaOH（aq）|Al电池与Mg|H2SO4（aq）|Al电池的原理，①判断电池的正负极，②书写电极反应式。（3）判断Al|浓HNO3|Cu电池的正负极，解释原因并设计实验进行验证。

［学生回答］对于任务（1），大部分学生较为熟练地画出了不同类型的原电池装置示意图，会系统分析和解释原电池的工作原理，并能正确书写电极反应式。对于任务（2），大部分学生能综合考虑电极材料、电解质溶液等因素准确判断电池的正负极，会正确书写电极反应式。在任务（3）中，学生判断“Cu为电池的负极，Al为电池的正极”，原因假设为：“冷的浓HNO3使较活泼的Al发生了钝化，从而使较不活泼的Cu作了电池负极”。为了验证这一假设，学生经小组讨论提出了实验方案：“向浓硝酸溶液中缓慢注入蒸馏水，逐渐将浓硝酸变为稀硝酸，观察电流表指针是否反转，如果反转，则说明假设正确”。随后学生按照实验方案进行了小组实验，观察到电流表指针发生了反转，从而验证了假设。

［形成结论］原电池的正负极不仅与金属的活泼性有关，而且还与金属的特性（如钝化）、溶液类别等因素有关。

设计意图：教师设置阶梯性任务，学生运用原电池模型分析和解决实际问题，提升学生运用模型分析和解决实际问题的能力，促使学生的概念水平由关联结构水平发展为抽象拓展水平。

5  讨论

SOLO分類理论从学习结果的结构复杂性角度对学习者的学习进行分层评价。一方面，教材中教学内容按照“螺旋式上升”编排，教师对不同学段同一教学内容的深度、广度、难度的把握尤为重要，教学中有必要明确概念学习进阶，SOLO分类理论可以指导建构概念学习进阶。另一方面，SOLO分类理论可以指导教师设计进阶式教学和评价活动，诊断并发展学生的概念水平，从而实施“教、学、评一体化”的教学。必修和选择性必修阶段均有“原电池原理”的教学，依据2017年版课标对新人教版教材进行分析，发现必修阶段要求学生以铜-锌单液原电池为载体初步了解原电池的构成要素和工作原理，但在实际教学中，由于铜-锌单液原电池模型的“泛化”，导致学生存在大量的相异构想，此时学生的概念水平尚处于前结构水平。所以，选择性必修阶段主要的教学任务就是使学生的概念水平取得阶梯性的提升和发展。例如通过设置对比模型让学生转变相异构想，使学生的概念水平由前结构水平发展到单点结构水平；利用科学探究活动使学生从宏观和微观两个方面分析原电池的工作原理，理解电极材料、电极反应、电解质溶液、电子或离子的迁移等知识，使学生的概念水平由单点结构水平发展到多点结构水平；利用模型建构使学生形成对原电池各要素之间关系的正确理解，使学生的学习水平由多点结构水平发展为关联结构水平；引导学生利用模型解释电化学现象、解决陌生情境下的问题，增强学生的知识迁移应用能力，使学生的学习水平由关联结构水平提升为抽象拓展水平。

参考文献：

［1］童文昭， 邹国华， 王后雄. 化学核心概念教学的思路与实践［J］. 教学与管理， 2019， （13）： 69～71.

［2］单旭峰. 对“模型认知”学科核心素养的认识与思考［J］. 化学教学， 2019， （3）： 8～12.

［3］王桂桃， 严文法. 基于SOLO分类理论的化学核心概念学习进阶研究——以“化学平衡”为例［J］. 化学教与学， 2017， （5）： 2～5.

［4］鲁静， 李慧敏， 周璇娜， 唐海燕. 基于SOLO分类理论的单元教、学、评一体化学习进阶设计——以“金属及其化合物”为例［J］. 化学教育（中英文）， 2020， 41（13）： 42～47.

［5］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018.

［6］严文法， 陈浩. 概念图技术在中学生化学相异构想诊断中的应用研究——以学生对“电解质”概念的理解为例［J］. 化学教学， 2014， （12）： 24～27.

［7］陈浩， 严文法， 靳泽艺. 概念图技术在中学生化学相异构想转变中的应用研究——以学生对“电解质”概念的理解为例［J］. 化学教与学， 2019， （10）： 15～20.

［8］史凡， 王磊. 促进学生学科能力发展的高一原电池教学关键策略［J］. 化学教育（中英文）， 2018， 39（1）： 19～26.