深度学习核心概念的教学研究

王秀阁

摘要： 通过学科核心概念深度学习的实质分析，开展概念学习的结构化和意义化建构，发展学生的高阶思维能力。

以分子的空间构型的教学为例，通过杂化轨道理论和价层电子对互斥理论的深度学习，

提出推进深度学习的教学应提供具有思维空间的学习活动，培养学生勤于思考和探究的学习习惯，设置适当的教学情境建构知识体系，提升知识迁移创新能力和问题解决能力，实现概念学习从知识化向能力化发展的质变。

关键词： 核心概念; 深度学习; 概念教学研究; 分子空间构型

文章编号： 1005-6629（2019）12-0040-06            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

学科核心概念是学科本质属性的体现，一个或多个核心概念构成了学科的核心主题，对学科知识起到统领和主导作用。例如，化学学科的本质是从微观角度认识物质结构、组成、性质及其变化的一门科学，因此物质的微观构成、宏观性质、物质的结构特点、结构对性质的影响和化学变化机理等属于化学学科的核心概念。核心概念的深度学习过程是从不同角度、不同层次对学科本质进行认识理解的过程，多角度认识学科核心概念有利于深层次理解知识的本质，建立知识间的相关联系，形成结构化的知识框架，发展批判性的知识应用能力，提升学生的学科素养。已有研究表明，学科概念的深度学习反映了学生在不同等级上的认知水平，并作为科学教育的研究范式深入课堂教学改革[1]。

1  核心概念深度学习的实质

核心概念的深度学习是对某一概念的深度加工并能随时调用的知识内化过程、多角度理解概念并能主动建构个人知识体系的结构化过程、深度掌握概念的内在含义并能够迁移应用到真实情境中解决问题的知识意义化过程，促进概念知识的迁移应用和高阶思维能力的发展。简而言之，核心概念深度学习的实质是通过概念知识的内化、结构化和意义化的学习过程，促进学生认知水平螺旋式上升和认知层级不断向纵深发展。

1.1  概念知识的内化

科学概念的形成是对学科知识、事实经验或自然实体进行抽象化的过程，并以精要的语言形式表达其内涵、特质、属性或意义。核心概念具有高度的概括性，其学习过程绝不是简单记忆概念的过程，是要通过积极的思维活动挖掘出概念的内涵和外延，将抽象化知识转化成个人已经理解并能进行化学问题解决的外显知识，再从外显知识经过质疑辨析和简单应用内化重组为个人的知识流，改变个体已有的认知状态。

1.2  概念知识结构化

概念的学习不是散点状、碎片化知识的简单堆积，而是建立概念间条理化内在联系的累积过程。不经过提取分类、归纳整理和反思总结的知识堆积是杂乱无章的，不便于被提取和应用，更无法实现迁移和创新。将分散的、相对孤立的知识纳入完整的学科逻辑体系中形成累积知识，累积知识的过程揭示了学习内容的基本线索和知识之间内在联系的结构化过程，而知识结构化过程属于深度学习过程[2]。核心概念的学习离不开自觉的知识管理，学生通过建立多元联结的知识体系，形成既有广度又有深度的结构化知识，才能在真实问题解决中适时提供索引、撷取、分析和变形等帮助，进而提升学生的认知水平和认知能力，体现知识的迁移价值。知识结构化过程是深度学习的一种学习方式，可采用设计思维导图、概念图、讨论反思等形式将概念知识结构化。将抽象的概念知识进行结构化的建构过程，是对概念进行深度理解并在认知结构范围内进行内部整合的过程，这样获得的知识才能有效地用于真实情境中解决问题。

1.3  概念知识意义化

知识习得的主要目标是知识的创生与意义的实现，概念知识只有经过识记并加以理解，整合汇入到学生已有的认知框架中，再将新整合的知识在实际应用中进行论证巩固，更深层次地融会贯通和延伸推进，才能对学生能力发展产生影响，提高知识学习的意义化。知识意义化不仅仅是对知识的识记、理解、论证、认同、优化和拓展延伸，更重要的是，思维活动的触发和意识层面的流动推动大脑产生知识意义化的改变情绪，形成批判理解的结构化認知框架，自主完成由识记理解到优化延伸的深度学习过程。现实遇到的问题是复杂且不确定的，同时也是丰富多样化的，单单通过流程化知识很难解决现实问题，所以提供问题情境进行深度学习所发生的拓展迁移和创新能够灵活应用于不同情境中，使所获得的知识能够解决真实问题，有利于学生综合能力的提升[3]。

2  核心概念深度学习的发展过程

深度学习是对学习状态的质性描述，是一种以高阶思维为主的知识迁移过程和解决真实问题的学习活动。学习者运用合适的路径开展学习活动将有利于深度学习能力的提升。学习的过程是学生认知发展的过程，认知发展的过程存在一种潜在的发展序列——从简单关联到复杂关联、低阶思维到高阶思维的学习进程。该序列向认知纵深层级发展，从而形成前后一致、逐渐深入、整体连贯的学习体系。核心概念的深度学习过程一般经历为： 将所学概念纳入已有认知结构中，形成结构化知识;学习者通过对建构结果进行审视、分析和调控，促进知识的生长与变化，使得结构化知识逐渐转化成抽象化的策略性知识而得以长期保持及迁移应用;能够在新情境中把握关键要素，创新性地解决问题。

布鲁姆将认知领域学习目标分为“记忆、理解、应用、分析、评价及创造”六个层次，停留在“记忆、理解”两个层次属于浅层学习，主要是知识的简单描述、记忆或复制。深度学习理论认为，学习既是个体感知、记忆、思维等认知过程，也是根植于社会文化、历史背景、现实生活的社会建构过程。深度学习不只是涉及记忆，更注重知识的应用和问题的解决，其认知水平对应“应用、分析、评价、创造”四个较高级的认知层次[4]。概念知识内化、结构化和意义化的深度学习是经历由感知记忆到应用创造的认知发展过程，使得知识得以生长，科学方法得以训练;在认知技能上经历低阶认知、高阶认知和拓展认知的思维路径（如图1所示），有助于学生关键能力的形成，提升其科学素养。

图1  概念深度学习的过程

3  核心概念深度学习的教学策略

深度学习活动的开展是核心素养培育与提升的基本途径，也是教学改革深入发展的关键。核心概念的深度学习需要立足于概念学习的认知发展过程对教学进行调整，帮助学生对概念进行深度加工，提升其学习效率;提供深度学习的学习环境，使学生把握概念本质，形成结构化的知识体系;提供概念学习的情境，实现知识与能力的相互转化，提升学生的思维能力和知识价值的判断能力。

3.1  完善深度学习的知识体系，促进学生认知结构化的发展

遵循概念类知识学习的认知过程有利于提高学生认知能力，概念学习的程度反映了学生在不同复杂程度上的认知水平。概念的记忆、理解是概念學习的基本要求，没有深入到概念本质的学习无法在解决问题中迁移应用。概念的深度学习需要对概念进行分析，提炼概念的要点及其内在关系，经历类比、推理、反思等思维活动与其他相关概念之间形成一个从基本概念到核心概念再到学科大概念的相对完整的体系结构[5]，建构新的知识体系。学生从抽象概念的形成到概念结构化的过程，将核心概念整合到学科观念的过程中，运用了分析、比较、论证、选择等高阶思维活动，为迁移、应用、创新等更高阶思维能力培养建立了桥梁，运用所学概念解释真实情境中的现象，辨别事情的真伪，实现概念学习的意义。

遵循学习发展过程的概念教学，首先要对概念进行梳理，厘清概念间的相互关系，分清概念教学的先后顺序。然后从学科大概念的视角研究概念教学，设计概念学习的进阶目标，使学生学完每一个概念之后都能够将其融入到概念体系中，形成较为完整的主题概念结构。本文以化学选修模块《物质结构与性质》中“分子的空间构型”为例阐述概念结构化的过程。

“分子的空间构型”主题中涉及众多概念，要分析概念间的相互关系梳理出核心概念，围绕核心概念进行教学可大大减少学生对科学事实性知识的记忆量，为学生知识结构化的深度学习奠定基础[6]。该主题的教学，以整体观从学科主题的角度分析教学内容，然后将教学内容划归为某一核心概念或某些核心概念，厘清概念间的相互关系，构建概念网络图。“分子的空间构型”是对“价层电子对互斥理论”“杂化轨道”和“σ键、孤电子对和中心原子”等概念的综合运用，蕴含了模型建构的学科思想和结构与性质相互反映的基本观念，统摄了重要概念理论的理解和解释过程，属于微观辨析的一个大概念。“分子的空间构型”学习过程涉及两个核心概念“价层电子对互斥理论”和“杂化轨道理论”，两个核心概念辐射出一系列基本概念，“分子的空间构型”主题相关概念间的相互关系如图2所示。

图2  “分子的空间构型”基本概念关系图

3.2  提供深度学习的活动载体，引导学生学习方式的转变

概念的深度理解适应了知识经济时代知识建构和创生的新要求，有利于实现知识意义化的应用创新。在课堂教学中，学习内容要以具体的、具有可操作性的学习活动形式呈现，通过系列学习任务的攻破激发学生的学习兴趣，诱发和驱动学生深入思考[7]。

3.2.1  开展主题性学习活动

“分子的空间构型”主题从“键长、键角、化学键类型、孤电子对”等基本概念到“价层电子对数目计算和杂化轨道”核心概念的学习，再到“理论模型和分子构型”等学科思想的形成，学生的学习深度由共价键微观形成过程到宏观共价键类型，再到根据分子的结构特点解释和预测分子的性质这样的大概念进阶过程，实现了化学概念的意义化学习，体现了素养为本的持续性发展过程。“分子的空间构型”是模型认知化学素养和抽象思维、类推迁移等科学方法形成的重要素材，以模型认知为媒介将抽象内容变成具体化的知识，以主题性学习为策略建立知识间的联系形成知识框架，最终打破知识间的界限，达到能够运用两大核心概念“杂化轨道理论及价层电子对互斥理论”综合分析分子的结构，深入理解两种理论的联系及其使用局限性的教学目的。下面以该主题中的“价层电子对互斥理论”核心概念为例，按照学生的认知发展进阶顺序建构深度学习路径，如图3所示。

图3  核心概念“价层电子对互斥理论”学习路径

结合“价层电子对互斥理论”的学习路径，树立整体观的设计思想，从核心概念入手分析学生已有经验与核心概念之间的联系，设置有梯度的学习活动，训练知识的提取、推理、迁移和批判等思维过程。“价层电子对互斥理论”的学习建立在共价键的分类、键参数、电子式书写等概念的基础之上，设置的学习活动从宏观模型和电子式书写入手到CO2等常见分子空间构型的微观分析，再到价层电子对互斥理论的模型表征，拓展学生对分子空间构型的认知视角，提高知识间的关联度，加快知识的吸收内化速度。概念的深度学习与核心素养的培养是紧密相连的，开展的学习活动需要渗透学科素养的培养目标，设置相同配位原子和不同中心原子组合的分子空间构型分析的学习活动，有助于学生探究意识和证据推理素养的培养;设置先理解价层电子对互斥理论再结合数学计算探究分子空间构型的学习活动，不仅为学生提供了解决分子空间构型问题的思维方向，而且提高了学生模型建构能力和知识迁移创新能力。价层电子对互斥理论的教学中，通过主题性学习活动的教学（如下学习活动1～5所示），学生从已有经验入手，经历概念的建构、理解和应用的进阶过程，实现了从符号概念的学习到科学思维方式的形成，有利于化学学科核心素养的发展。

[学习活动1]展示CO2、 H2O、 NH3和CH2O的比例模型和球棍模型，因为学生已经简单地学过共价键的分类、特点以及一些简单分子的键角，让学生自己观察并说出它们的空间构型。在此基础上思考分子的电子式，以表格形式进行练习。高中生具有一定的抽象思维能力，以球棍模型和比例模型开展活动易于学生建立分子结构的空间模型，电子式的书写练习为孤电子对的学习和理解埋下伏笔。

[学习活动2]自主思考CO2和H2O同为三原子分子，为什么空间构型一个为直线形一个为V形？NH3和CH2O同为四原子分子，为何一个为三角锥形一个为平面三角形？在认知冲突中认识价层电子对，分清孤电子对和成键电子对等相关概念，引出价层电子对互斥理论。

[学习活动3]用价键理论分析BCl3、 NCl3、 BrCl3的分子结构，思考它们配位原子都是氯原子，配位数都为3，为什么它们的分子空间构型不同？

[学习活动4]给出ABn型系列物质的化学式，用价键理论探寻价层电子对数目与空间立体结构之间的关系，归纳总结价层电子对互斥理论在分子空间构型判断方面的应用范围和相关概念的体系图。

[学习活动5]由熟悉分子电子式确定价层电子对过渡到陌生分子或离子价层电子对的计算方法，并用价层电子对互斥理论判断其空间构型，形成知识迁移和创新应用能力。

3.2.2  开展问题驱动性学习活动

问题驱动性学习是以问题为主线引领学生开展学习活动，学生围绕驱动性问题将知识进行多维整合，逐步深入到概念本质的学习过程。“杂化轨道理论”安排在价层电子对互斥理论之后学习，对于“为什么要学习杂化轨道理论以及杂化轨道理论与价层电子对互斥理论的区别和联系是什么”等问题的认识是学生学习的难点和障碍点，因此，杂化轨道理论的学习除了掌握杂化轨道理论的要点之外，还要深入理解杂化轨道理论建立的必要性和两种理论在分子空间构型判断方面的关系。杂化轨道理论的深度学习应从驱动性问题入手： 用价键互斥理论判断CH4分子的空间构型是什么？C原子最外层只有2个单电子，为什么能形成4个完全相同的σ键？通过问题的解决初步认识杂化轨道理论，并感知杂化轨道理论产生的背景。然后，提出“用价层电子对互斥理论分析BeCl2、 BF3、 CCl4、 NH3、 H2O分子的空间构型是什么、如何解释这些分子的空间构型”等问题引导学生进一步理解杂化轨道理论的实质，掌握杂化轨道的分类并体会杂化轨道理论用于合理解释某些分子空间构型方面的优势。价键互斥理论考虑了原子成键后电子对之间的排斥作用，通过價层电子对数目能够成功预测分子的构型，杂化轨道理论能够对分子中具体的成键原理进行微观解释，进而得到键角的数值和分子的构型，两种理论结合起来应用于分子空间构型的预测和解释是对“分子的空间构型”主题学习的深化。为了达到上述学习目的，通过问题“SO2和H2O的分子构型都是V形，它们的键角一样吗、给出没有孤对电子和有孤对电子的一些物质的化学式，分别用杂化轨道理论和价键理论判断其分子空间构型是什么、思考探究两种理论之间的相互关系和应用的局限性有哪些”，引导学生以探究和科学抽象等方式体会两种理论之间的区别和联系。教师围绕核心概念设计问题，引导学生学思结合，培养他们分析推理和解决问题的能力，学会把探究结果进行科学抽象，最终获得问题解决的一般思路和方法，实现知识的连续建构与学习的有效迁移。

3.3  创设深度学习的意义化情境，推动学生创新能力的提升

学习的意义是学习者不断内化知识，增长具体情境下问题解决的能力，实现知识学习的意义化。创设与概念学习有关的STSE、化学史等学习情境，将科学概念融入到一定的情境中进行学习，为问题解决提供学科认知视角和学科思维模型，激发创新意识和创新潜能。“分子的结构”学习中，很多学生容易混淆在解释分子空间构型中杂化轨道理论和价电子对互斥理论的作用，为了使学生清晰认识学习两种理论的意义，教师可以1931年鲍林提出杂化轨道理论的化学史为情境素材进行教学，引导学生从杂化轨道理论的形成背景中理解杂化轨道理论主要依据中心原子的杂化情况和共价键的成键情况来解释多原子分子的空间构型，但在配体较多、空间结构复杂的情况下对空间结构的解释能力较弱的事实。然后，创设问题情境让学生思考： SO2-4中S原子的杂化方式是什么？该离子的空间构型又是什么？显然，杂化轨道理论对于结构未知的分子来说显得无能为力，引出价层电子对互斥理论在预测分子或离子空间构型方面的优势。创设化学史教学情境，引导学生沿着科学发展的脚步体会化学家面对问题时所表现出来的质疑精神和科学品质，学习科学家的思维方式和拓展创新的思考角度，形成有效的知识迁移能力。

在高度信息化的时代背景下，深度学习已经引起学习研究群体的普遍关注和学习者个体的高度重视[8]。如何抓住“更核心”的内容，以“更少”的概念，进行“更深”层次的教学，促进学科核心素养的发展，是我们需要思考和改变的[9]。这是本文的出发点和落脚点，核心概念的深度学习通过概念理解、概念内化和概念结构化机制的运作，真正发挥学生主体性作用，实现概念知识用于解决实际问题的意义化功能，培育学生的学科素养。

参考文献：

[1]弭乐， 郭玉英. 概念学习进阶与科学论证整合的教学设计研究[J]. 课程·教材·教法， 2018， 38（5）： 90～98.

[2]王晨光. 美国最新修订FOSS2017科学课程的特色及启示[J]. 现代中小学教育， 2018， 34（6）： 81～85.

[3]刘哲雨， 郝晓鑫， 王红等. 学习科学视角下深度学习的多模态研究[J]. 现代教育技术， 2018， 28（3）： 12～18.

[4]安富海. 促进深度学习的课堂教学策略研究[J]. 课程·教材·教法， 2014， 34（11）： 57～62.