基于SOLO分类理论探讨化学核心概念的学习进阶与教学衔接

林建芬+陈博殷+黄碧芸+胡佳娜

摘要：概述学习进阶理论在化学核心概念教学衔接研究中的应用价值，介绍了SOLO分类理论对划分化学核心概念认知层级与进阶路径的指导意义。按照SOLO分类理论划分中和反应概念的学习阶段、进阶路径和发展目标，建构中和反应概念进阶学习的认知模型，对中和反应的初高中跨学段教学衔接提出研究与实施建议。

关键词：学习进阶理论；SOLO分类理论；中和反应；初高中教学衔接；认知模型

文章编号：1005–6629（2016）11–0024–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 基于SOLO分类理论研究化学核心概念的学习进阶与教学衔接

1.1 基于学习进阶理论探讨化学核心概念的跨学段教学衔接

近年来，在国内外科学教育领域中，学习进阶理论已成为研究学生认知发展的热点领域之一。学习进阶理论[1]描述学生在不同学段学习同一核心概念时所遵循的连贯、典型的学习路径。学科知识、技能和方法的学习是分阶段和有明确路径的，教师更应高度关注学生学习过程的方向、路径和各阶段水平要求。对学习进阶的规划是对学生在不同学段对概念的理解水平、迷思概念、进阶目标及测评要求的描述，目前相关研究集中在学习、课程和评价领域[2]，如Corcoran提出学习进阶应具有5个构成要素：进阶终点、进阶维度、多个相互关联的成就水平、各水平预期表现、特定的评测工具[3]。学习进阶理论可用于指导学科核心概念的跨学段教学衔接研究，对研制分阶段、划层级、系统性的学业质量标准体系有重要指导意义。

围绕学科核心概念的跨学段学习进阶来组织教学内容是当前科学教育的研究焦点。从2009年欧亚拉美七国学者联合编著的《科学教育的原则和大概念》出版[4]，到美国以学习进阶形式将核心概念写入国家课程文件《新一代科学教育标准》，再到近期我国教育部组织260多位专家修订普通高中课标，以学习进阶形式统整教学要求与学业标准，都体现了对学科核心概念的学习进阶及其跨学段教学衔接的关注。

化学核心概念的形成不是一蹴而就的，而是学生通过不同学段的主题学习而不断丰富与发展的，具有阶段性、层次性和渐进性等特点。国内外不同研究者对于化学核心概念学习进阶的设计有不同的理解与研究方法：（1）美国Stevens基于实证测查和标准文件描述中学生在物质结构与性质概念上的学习进阶假设，并通过实证研究进行修正完善；（2）林建芬按照初中、必修、选修和高三4个不同学段，通过分析考纲、课标、教材并结合教学实践，根据学生思维层级和认知发展，梳理了同分异构体、元素周期律、离子反应、化学用语等核心概念[5～9]的认知方式与角度、知识水平，划分相应的学习进阶路径，提出各学段的学习目标、进阶路径与教学建议；（3）周玉芝[10]提取化学电源核心概念及相应学段的目标，进而划分电化学的学习进阶；（4）庄晓文[11]选取电离、离子反应和勒夏特列原理作为电解质溶液领域的核心概念，从不同学段的概念理解水平分解、迷思概念、进阶目标进行分析，以学习进阶为统领设计教学过程；（5）谌秀云[12]、苗兰[13]、雷才[14]、童文昭[15]则以“低-中-高阶水平学习进阶模型”分别呈现化学反应、反应热、化学平衡、物质结构等化学核心概念与基本反应原理的学习进阶路径，提出跨学段教学衔接的建议。

综上，学习进阶理论揭示了学生对化学核心概念的理解、对某种技能的掌握随时间推移连贯且逐渐深入的典型发展路径，可用于指导化学核心概念的初高中跨学段教学衔接研究。

1.2 应用SOLO分类理论划分化学核心概念在跨学段衔接中的学习进阶

为了指导教师充分认识学生的学习周期和阶段要求、评价学生的学业质量水平，彼格斯[16]在皮亚杰认知发展阶段论的基础上提出SOLO分类理论（“可观察的学习成果结构”，见图1），根据学生回答某一学科具体问题时的内部结构复杂性，将学生学习结果和思维结构分类为前结构、单点结构、多点结构、关联结构和拓展抽象结构5种层次。前结构和单点结构水平属于低阶思维，多点和关联结构则为中阶水平，拓展抽象结构水平则属于高阶认知，SOLO分类理论对思维结构的5个层级划分与学习进阶理论相融合、相映衬。SOLO分类理论根据学生思维方式的性质和抽象程度，将个体认知方式依次分为感觉运动方式、形象方式、具体符号方式、形式方式、后形式方式5种方式，分别产生隐性知识、直觉知识、陈述性知识、理论知识、层次更高更抽象的理论知识这5类知识。学生认知发展方式和思维结构层次共同组成一个螺旋式上升的认知发展阶段体系：学生总体的认知发展具有阶段性，学生对核心概念的认知发展也具有阶段性。教师既要重视学生在不同学段的学习结果的数量（即掌握的知识点的多少），更要重视学生在不同阶段的学习结果的质量（即掌握知识点的相互关系）。

学习进阶理论将化学核心概念的跨学段学习进阶划分为低阶、中阶和高阶水平及相应等级的学业质量标准，其界定过程要考虑学生化学认知方式发展，即对研究对象，认识角度、方式、思路的层级提升和进阶路径（见图2）；其中认识思路指个体对物质和化学反应或相关现象或事实认识的有序性和思路性，认识深度指对于同一认识角度存在个体间水平差异或个体阶段差异。学生可通过语言、文字、图表、符号等各种形式表征化学核心概念。认知角度与思路的层级发展包括：宏观→微观、定性→定量、静止孤立→动态作用、文字描述→符号图像表征，可结合SOLO分类理论划分化学核心概念跨学段学习中认知方式的学习进阶（见图2）。

2 基于跨学段学习的进阶路径建构“中和反应”概念认知模型

中和反应是化学核心概念之一，因其重要性列入中学化学学科100个关键词[17]，对学生化学认知方式发展、化学概念的多重表征学习、化学核心素养的培育都起到重要作用。台湾学者邱美虹[18]选取了溶液酸碱性、中和反应、弱酸和弱碱的稀溶液这3个主题研究初三学生关于酸和碱的认识方式与前概念，描述学生对核心概念的理解、推理或者解释的动态过程（见表1），并对高中相应主题的教学提出建议。综上，本研究将中和反应作为化学核心概念进行初高中教学衔接研究，采用文献研究、文本分析、实践研究法等，主要任务是基于学习进阶理论划分中和反应的认知层级水平与学习进阶路径，进而建立中和反应认知模型，基于SOLO分类理论对化学核心概念初高中跨学段教学提出分阶段的教学建议与学业质量标准。

2.1 学生中和反应概念跨学段学习的进阶路径

基于学习进阶理论，结合SOLO分类理论对学生思维结构水平的分类评价，通过课标、考纲、教材和教学实践研究，划分中和反应核心概念的跨学段学习进阶路径和阶段层次水平。

（1）水平1（前结构水平）：学生在小学科学学习中初步认识酸和碱，在个人生活经历（如吃苦涩皮蛋等碱性物质时可蘸食醋）形成了中和反应的前科学概念，思维处于前结构水平。

（2）水平2（单点结构水平）：初三学生学习中和反应时，要联系酸、碱的组成及溶液酸碱性检验，并从酸碱盐的物质分类认识中和反应的特点，较少涉及微观分析，思维处于宏观层面的单点结构水平，为后续学习溶液酸碱度与pH、复分解反应、盐的性质与用途等奠定基础。

（3）水平3（多点结构水平）：必修1模块从电解质角度认识酸碱盐在水中的电离，从离子反应角度分析中和反应的微观过程与变化规律，从微观层面分析酸碱盐电解质溶液导电现象及酸碱中和反应的宏观现象。必修2模块从化学键的微观角度分析酸碱盐的组成及在溶剂水中的溶解、电离与中和反应过程，并通过完成定性实验活动认识中和反应过程伴随热量变化，中和热概念仅作简单了解。该过程中学生思维层级处于宏观和微观结合的多点结构水平。

（4）水平4（关联结构水平）：选修4模块通过定量测定中和热的实验理解中和热概念，掌握中和反应的热化学方程式；从水的电离、离子积常数Kw角度理解溶液酸碱性与pH的关系；通过酸碱滴定实验理解用已知浓度的酸/碱测定未知浓度的碱/酸的实验原理，通过测定酸碱滴定曲线分析中和反应过程的微粒变化；最后从盐类的水解反应（即中和反应的逆反应）认识中和反应的限度、盐溶液的酸碱性，基于勒夏特列原理应用中和反应原理来调节溶液pH的方法以改变沉淀溶解平衡，帮助学生认识中和反应在工业生产、环境保护上的应用价值。

（5）水平5（拓展抽象结构水平）：高考测评对学生在中和反应概念的认知层级要求处于拓展抽象结构水平。全国卷高考考纲要求[19]如下：了解电解质、强弱电解质的概念；了解电解质在水溶液中的电离、电解质溶液的导电性；了解弱电解质在水溶液中的电离平衡；了解水的电离、离子积常数；了解溶液pH的定义与测定方法，进行pH的简单计算；了解盐类水解的原理与应用、影响盐类水解程度的主要因素；了解离子反应的概念及发生条件；了解沉淀溶解平衡及沉淀转化的本质；理解化学平衡常数的含义并进行简单计算；了解化学反应的可逆性；了解定量研究方法；了解化学反应中能量转化的原因；能够将分析解决问题的过程和成果，用正确的化学术语及文字、图表、模型、图形等表达并做出解释（即多重表征能力）。

2.2 建构中和反应核心概念的认知模型

从初高中化学核心概念学习进阶的角度分析，学生在初三学习中和反应概念，到高中还会从电离、电解质、离子反应、化学键、化学能与热能、电离平衡、酸碱滴定曲线、盐类水解、调节pH与沉淀溶解平衡等跨学段学习过程，定量认识溶液的酸碱性、中和热、中和滴定原理、中和反应限度等，形成系统完整的中和反应概念体系。根据学习进阶理论将中和反应的概念认知与发展过程划分为初中阶段、必修阶段、选修4前期（即4-1）、选修4后期（即4-2）4个建构阶段，高三高阶阶段是在这4个阶段的基础上进行综合运用与思维重整，进而建构中和反应认知模型（见图3），包括认知任务、认识角度、认知层级与认知对象4个维度。

3 基于中和反应概念认知模型探讨初高中跨学段的教学衔接

3.1 初中阶段“中和反应”概念的进阶教学

初中新课标对中和反应的要求[20]如下：（1）知道酸和碱发生的中和反应；（2）理解酸碱性对生命活动和农作物的影响及中和反应在实际中的应用；（3）了解中和反应的实际意义，培养和激发学习化学的兴趣。《深圳市初中毕业生学业考试说明》考纲要求[21]如下：（1）掌握常见酸和碱的主要性质和用途；（2）理解中和反应的特点，知道物质发生化学变化伴随能量变化；（3）初步形成正确、合理使用化学品的意识；（4）知道化学在环境监测与保护中的重要作用。

在初中阶段，学生在中和反应概念上的学习路径发展经历2个转变。

（1）个别到一般：由具体物质反应到物质类别间反应规律，如教材分别介绍NaOH与HCl、Ca（OH）2与HCl、NaOH与H2SO4之间的反应总结出“酸和碱反应生成盐和水”的规律；

（2）一般到个别：从物质类别间反应规律到具体物质反应，利用酸碱中和反应原理解答课后习题中“书写含Al（OH）3药物治疗胃酸过多症的化学方程式”。

综上，初中阶段的教学内容应选取盐的定义、中和反应的概念与中和反应规律、实际应用等教学内容，并将中和反应的概念、原理、应用等学习内容设计成探究活动。基于初三学生认知发展层级水平确定如下初中阶段的学习目标：（1）认识酸和碱能发生中和反应，归纳物质类别间反应规律，分析中和反应在实际中的应用；（2）通过微型实验探究掌握中和反应实验的操作方法，强化实验安全意识；（3）通过探究活动分析酸碱中和反应的本质，加深对中和反应应用价值的认识，形成绿色环保化学、合理使用化学品的意识。

3.2 高中阶段“中和反应”概念的进阶教学

高中阶段，“中和反应”核心概念的学习涵盖了宏微结合、分类表征、变化守恒、模型认知、实验探究、绿色应用等化学核心素养[22]。在必修阶段、选修4前期与后期、高三复习备考阶段，学生对中和反应的认知层级经历了“宏观→微观、定性→定量、静止孤立→动态作用、文字描述→符号表征→图表数据分析论证”等认知层级的提升与认知角度的转型。

（1）必修1和2模块：学生学习电解质、离子反应时，从微观层面的认知角度认识酸碱盐的分类，建立起微粒种类和数量分析、微粒相互作用和动态变化的认知模式，理解酸碱中和反应的微观本质与发生条件。必修2则是从化学键类型的微观角度认识酸碱盐在水溶液中的电离，从中和反应放热的定性实验初步理解中和热。这个阶段，学生的学习路径发展经历2个转变：①从宏观反应到微观实质：由宏观物质反应到微观实质的认识方式，分析中和反应的离子变化；②从微观实质到类比迁移：由微观实质到宏观物质反应，学生根据酸碱盐离子反应的微观实质和反应规律，迁移到陌生物质间反应的方程式书写，基于微观本质认识迁移到陌生情境中陌生物质反应的推理与论证。