用SOLO分类理论指导化学实验教学——以“二氧化碳制取和性质”实验创新设计为例

湖北省襄阳市第四中学义务教育部(441021) 段云丽

湖北省襄阳市教育装备中心(441021) 邱 娟

1 SOLO分类理论背景

当下九年级化学实验教学仍以灌输教育的方式为主，这种方式忽视了对学生实验探究能力和科学思维的培养，学生普遍存在学习热情不高、动手能力和创新意识不强等诸多亟待解决的问题。随着我国基础教育课程改革的不断深化，许多教师尝试将教育理论与学科教学融合，并取得了较好的效果，这为解决以上问题提供了良好的参考。因此选择一个能顺应学生认知发展规律和对学生学习效果进行有效评价且能与化学实验教学深度融合的教育理念是至关重要的。

关于儿童青少年的认知发展规律，提出的较多的是皮亚杰认知发展理论。皮亚杰认为儿童青少年的认知发展有阶段性，从低到高，按年龄层次划分，依次为感知运动阶段、前运算阶段、具体运算阶段、形式运算阶段，不同阶段之间有质的飞跃。然而实践证明皮亚杰的理论仅仅是一个天才的假设，真正的儿童心理要比这一理论复杂的多，尽管阶段顺序逐步地由简单上升到复杂，但学生的表现不一定按照这一顺序发展。关于学生学习成果的评价，此前已经有许多评价学生学习质量的努力，其中应用最广和影响最大的则是布鲁姆教育目标分类法，它向试卷设计者提供了一种按质量等级层次分类的方法，布鲁姆的分类体系概括了6个层次，分别为记忆、理解、应用、分析、评价和创造，实践证明这一分类体系虽然很有用，但也存在一些问题，主要体现在其基本上只适用于评价封闭式的试题或问题的回答，而不能用来评价开放式试题的解答，人们无意评价学生的学习方法或他们的情感反应，只是在意学生吸收了多少专业知识和学习成绩，基于此，本节课尝试寻找并应用其他能够解决上述问题的分类体系。

SOLO(Structure of the Observed Learning Outcome)，即可观察的学习成果结构，是基于这样一种理念：任何学习结果的数量和质量都是由学习过程中的教学程序和学生的特点决定的。它根据学生的已有知识结构、学习的投入以及学习策略等多方面的特征，从具体到抽象，从单维到多维，从组织的无序到有序。其焦点集中在学生回答问题的质而不是量上。对学生的评价并不局限于对与错，而是力求从回答中分析学生的思维层次，因此，该分类理论既可以用于评价，也可以用于教学[1]。

SOLO分类理论是对皮亚杰认知发展阶段学说的继承，比肩布卢姆教育目标分类学，但更加关注学生外显的学习成果，它将学生思维水平分为以下五个层次，讲求点-线-面-体的发展过程，可根据学科内部结构特点对学生学习质量和思维结构层次进行分类评价，操作性强，有利于教师制定教学目标、检查教学效果。结合该分类理论[2]，在化学实验教学中可将学生的五阶结构层次水平进行简单修正(见表1)。

表1 基于SOLO分类理论的化学实验课堂学生思维层次

1.1 教学目标

本课题选自人教版九年级化学上册第6单元课题二和课题三，二氧化碳的实验室制法及性质是初中现行课程标准中8个重要的基础实验之一。在SOLO分类理论的指导下，根据课程标准，本节课的教学目标确定如下：

(1)知识与技能：①初步形成验证二氧化碳性质的实验技能；②初步学会设计实验方案验证二氧化碳的性质；③尝试利用数字化技术对传统实验加以改进。

(2)过程与方法：在SOLO分类理论的指导下，提升学生小组协作能力，培养学生勤于思考、发现问题并解决问题的能力，提升学生的认知维度。在信息技术环境下，引领学生多视角全方位参与实验活动。

(3)情感与态度价值观：通过对传统实验的改进，让学生感受化学来源于生活又服务于生活，增强学生勇于创新的科学精神以及学好化学、服务社会的责任感和使命感，提高学生的学习力。

1.2 教材与学情分析

(1)教材分析：本节课紧密联系学生的生活实际，并利用大量实验对二氧化碳的性质进行验证，最后运用所学知识解决生活问题。其中实验教学在本节课起到关键的作用。

(2)学情分析：结合生活经验和前面的学习，学生对二氧化碳已经有一定的了解，并且具备对课本实验进行简单的创新和改进能力，不足的是学生对二氧化碳的性质缺少系统的认知，进行综合性实验的能力有所欠缺，且虽然学习“空气中氧气含量测定”实验时学生已经接触过数字化传感器，但还不能较好地将其应用于自己的实验方案[3]。

1.3 教学重难点

(1)教学重点：利用系列实验进一步认识二氧化碳的性质。

(2)教学难点：培养学生的综合实验能力及探索创新意识。

2 实验教学过程

2.1 知识学习

让学生的思维达到认识记忆、理解掌握的层面。本节课采用翻转课堂模式，让学生课前进行微课学习，将课本内容前置，节约课堂时间。课堂上有针对性地对学生存在的问题进行解答并带领学生走进实验室完成课本实验。

2.2 创设问题情境

爱因斯坦曾说：提出问题往往比解决问题更重要，因为提出有价值的问题需要创造性的想象力，而想象力正是科学探究的关键因素。实验结束后利用班级QQ群中的小程序以投票的方式收集学生在实验中遇到的困惑，并向学生展示实验的部分片段及投票结果(见图1)，明确学生遇到的突出难题，同时创设问题情境：能否对课本实验进行改进，解决大家所遇到的困惑。

图1 学生投票结果

2.3 实验创新设计

此阶段的学习旨在让学生思维进入到模仿应用、分析评价的层次。教师利用课余时间组织学生展开对课本实验的改进设计(见图2)。

图2 学生改进装置

展示结束后，首先对学生的成果予以肯定，同时指出不足。通过小组分析、思考设计、总结汇报、评价交流，得出装置综合性不足这一结论。

教师提出问题：能否设计出一套既节约药品、又能完成一系列二氧化碳性质验证实验的装置呢？

接下来在教师的引导下，学生尝试组间合作，充分结合各小组装置的优势，组合出一套一体化装置，但这些装置仍存在以下问题，如实验的成功率不能保证、如何解释为什么上下层蜡烛先后熄灭就说明二氧化碳的密度比空气的大。

2.4 实验再改进

此环节使学生的思维到达拓展创新的高度。2018年4月13日，教育部下发了《教育信息化2.0行动计划》的通知[4]，其核心理念即为坚持信息技术与教育教学的深度融合。教师提出能否拓宽资料的查找范围，如利用知网等更加学术的平台。学生通过搜索“实验创新设计”这样的关键词，其中“数字化”这三个字作为近几年创新设计的高频词汇走进了学生的视野[5]。学生提出，能否在自己的实验装置中也融入数字化仪器突破之前装置存在的不足，学生通过网络了解了传感器的种类和作用，确定了在实验方案中加入二氧化碳传感器[6]。但是又一个问题出现在大家面前，如何选择合适的传感器呢？

常规传感器是通过数据处理器将数据传输到电脑，再由电脑将由数据生成的图形呈现出来。这类传感器综合性较强，相对来说也比较专业化，但对于本实验来说，设备使用起来较为不便，最重要的是对于初中化学实验室而言预算较高，较难实现。最后结合我校实验室的实际情况，通过对比网上各类二氧化碳传感器，我们最终确定了这样一只小巧、实惠、直观，能满足本实验所有需求的手持传感器(见图3)[7]。

图3 手持二氧化碳传感器

工欲善其事必先利其器。有了硬件的支持，学生放开手脚，最终设计出一套满意度较高的装置(见图4)。

图4 “二氧化碳制取和性质”实验一体化创新装置

3 实验创新装置

3.1 仪器和药品

简易启普发生器、氧气泵分流器各1只、注射器2只、医用流量调节阀4只、二氧化碳传感器2个、输液管、黑色背景板；稀盐酸、大理石、澄清石灰水、蒸馏水、干燥的紫色石蕊试纸、湿润的紫色石蕊试纸、变色硅胶。

3.2 实验创新要点

3.2.1 实验操作性

(1)利用氧气泵分流器，将二氧化碳制取和性质一系列实验进行串联。所有的止水夹均用医用流量调节阀代替。

(2)发生装置采用的是能控制反应发生和停止的简易启普发生器。

(3)利用2支注射器分别验证二氧化碳能溶于水及澄清石灰水与二氧化碳的反应。

(4)自制T型管上下两端分别放置了干燥和湿润的紫色石蕊试纸，用来验证二氧化碳与水的反应。

3.2.2 实验可视性

(1)传统实验中教师常用蜡烛、气球、肥皂泡等来验证二氧化碳密度比空气的大，但实验容易失败或耗时长，本装置引入可迅速检测二氧化碳浓度的手持传感器、分别置于上下两个不同位置，通过对比上下传感器二氧化碳浓度的具体数值来直接验证这一性质。

(2)此外，展板式装置也增加了实验的可视性和操作便捷性。

3.2.3 实验严谨性

利用输液管中的变色硅胶排除水蒸气对二氧化碳与水的反应实验产生的干扰。

3.3 实验操作步骤及现象

(1)检查装置气密性。

(2)打开启普发生器止水夹，接着打开最左侧止水夹。

(3)将燃着的木条置于最左侧输液管管口，观察到木条熄灭。

(4)关闭最左侧止水夹，打开最右侧止水夹，可以观察到上方传感器数据增长快，下方传感器数据增长慢。

(5)利用装有10 mL水的注射器抽取生成的二氧化碳至20 mL处，稍等片刻可以看到注射器活塞向下滑动。

(6)利用装有澄清石灰水的注射器抽取一定量生成的二氧化碳，观察到澄清石灰水变浑浊。

(7)关闭启普发生器止水夹，实验结束，稍等片刻可以观察到下侧湿润的紫色石蕊试纸变红，其它石蕊试纸无明显现象。

学生通过实验现象总结出二氧化碳的一系列性质，尤其是能通过对上下传感器数据的分析(见图5)，准确快速得出二氧化碳密度比空气的大，并能够对4个不同部位的石蕊试纸变色现象进行解释说明，让学生对二氧化碳性质的学习不再浮于表面。

图5 传感器数据分析

4 实验评价与反思

4.1 装置的创新亮点

(1)一体化：化零为整，方便省时。

(2)微型化：节约大量药品。

(3)数字化：将数字化实验引入化学实验，使实验结论更严谨，让学生在高效学习知识的同时学会利用现代实验技术手段，增强学生的实验探究能力。

4.2 学生课后表现

课后学生意犹未尽地尝试对分子运动、水的净化、燃烧条件的探究等多个实验进行改进，尝试将数字化技术融入化学实验突破定性实验无法解决的问题并均获得良好的效果；再依据学生自我评价、当堂检测及课后作业完成情况，可以明确的是，本节课的目标达成情况远远超出了预期，由此可见，基于SOLO分类理论设计的实验教学目标是完全可以达成的。

在SOLO分类理论的指导下，通过信息化教学手段和数字化实验技术的运用，整个过程学生充分参与，激发了学生对实验课的浓厚兴趣和对科研的探索欲，这正是实验教学所追求的真正意义。