基于大概念教学统整下的项目式教学策略研究——以化学学科为例

李 鹤 王秀艳

(吉林师范大学,吉林 四平 136000)

一、问题的提出

《义务教育化学课程标准(2022年版)》(以下简称“2022版课标”)提出化学课程应立足学生的生活经验,反映人类探索物质世界的化学基本观念和规律,提倡开展项目式教学,注重跨学科实践活动,指出“构建大概念统领的化学课程内容体系”,旨在“充分发挥大概念对实现知识的结构化和素养化的功能价值”[1]。项目式教学在实践过程中易出现“学科概念、知识、逻辑分散,项目真实的任务情境之间的导向性、连贯性、梯度性不强”等问题,本文通过对比项目式教学与大概念教学之间的区别与联系,提出项目式教学应以大概念为统领,以教育理论为支撑点、以教学设计为关键点,以真实情景为切入点,以教学实践为生长点,以信息技术为着力点的教学策略,帮助学生在诸多学科知识、核心思想之间建立关联结构,构建学科概念,并能灵活迁移应用于解决生活中真实存在的问题,同时形成正确的价值观,发展学科核心素养。

二、大概念教学与项目式教学的区别与联系

项目式教学旨在让学生在真实的问题情境中通过设计、参与一系列的项目和一连串的任务进而获取需要的知识,解决项目中的问题,实现有意义的学习[2]。大概念教学是指充分利用反映学科本质内涵的学科观念、思想和方法等,注重认识化学科学本质,建构化学观念,统摄化学知识,学习创新的本事。大概念教学和项目式教学都注重“素养”“迁移”“解决问题”等关键因素,二者在教学理念、教学目标和教育价值方面存在共通之处,但在教学方式和教学主体上也存在一定差异,如图1所示。

图1 项目式教学与大概念教学的区别

2022版课标提出的“化学观念”是课程目标层面的“大概念”。大概念教学能够在诸多知识之间建立本质的联系,引导学生由知识掌握走向深度学习。在教学理念上,大概念教学注重提炼知识的核心价值,追求认知的结构化,凝练着化学学科中的基本概念、关键要素和实践方法;在教学目标上,大概念教学依据真实问题情境对化学知识进行归纳、整合、建构,引导学生建立新旧知识的联系;在教育价值上,大概念教学注重学科知识的重组及跨学科、跨时空的教育互补和价值整合;在教学方式上,大概念教学以单元教学为抓手,帮助学生建立学科大概念、主题大概念等和事实之间的广泛联系,促进深层理解;在教学主体上,大概念教学以教师为主体,注重培养学生的专家思维,建立具有逻辑内聚力的知识层级结构。

项目式教学在教学理念上,注重发展学生化学学科核心素养,加强学生在学习过程中搜集和处理信息、提炼知识、提出解决办法的能力培养,加强知识间的本质联系,促进知识结构化、体系化;在教学目标上,项目式教学在复杂、真实的问题情境中进行项目、任务、实验等活动,设计并开展多种探究活动,不断解决问题并获取知识和技能,实现有意义的学习;在教育价值上,项目式教学以合作探究等促进学生学习方式的转变,激发深度学习,促进在解决“真问题”中培养“真能力”;在教学方式上,项目式教学以“微项目”为切入点,重视学科知识在新情境中的迁移、应用和衍生,立足于过程[3];在教学主体上,项目式教学“教”和“学”并重,以学生为主体,教师辅以引领、监督、提供帮助,促进自主学习系统的形成。

可以说,大概念的抽象、复杂及结构化会使学生在认识上存在一定困难,而项目式教学注重知识体系与真实情境的有机融合,在社会关系网络的构建上更加多样化,不断延展学习的深度和广度,这为大概念教学提供了具体的实践方式,也充分发挥了大概念教学的理论指导作用,推动基于大概念教学统整下的项目式教学融合走深走实,如图2所示。

图2 项目式教学和大概念教学的联系

三、融入大概念教学的项目式教学策略研究

项目式教学以真实问题为情境,以项目为主线,以学生为主体,以教师为主导,促进学生利用现有的知识和经验解决实际生活中出现的问题,进而提高自身综合能力。在教学内容的选择、组织和设计过程中应以大概念为核心,借助其特有的抽象性、中心性、关联性“向上”整合知识与技能,“向中”凝聚表层概念,“向下”联通核心素养,“向内”转化外部活动经验。二者均是教育信息化时代背景下落实核心素养的重要途径,二者的有机融合离不开多元化的教学策略和多样化的教学手段。

(一)践行科学教育理论,凝聚深度学习力量

科学的教育理论帮助学校更好地贯彻落实新课程标准,提升教师教育理念及专业能力,准确把握教育教学方向,有效提高课堂教学质量。奥苏贝尔有意义学习理论、布鲁纳认知结构主义理论、皮亚杰建构主义理论、学习迁移等理论在开展融入大概念教学的项目式教学的学习过程中起到支持和引领作用,如图3所示。

图3 发展融入大概念教学的项目式教学的常见教育理论

1.奥苏贝尔有意义学习理论

有意义学习就是将新知识和学生认知结构中已有的适当观念建立非人为的和实质性的联系[4]。教师在教学过程中以大概念为抓手,帮助学生找到新旧知识的区别与联系,设置“先行组织者”,围绕生活中真实存在的问题,以小组的方式进行合作探究,开展分析问题症结、设计解决方案、开展具体实施、总结反馈提升等学习任务,促进学生知识建构与能力提升。

2.布鲁纳认知结构主义理论与皮亚杰建构主义理论

布鲁纳认知结构主义理论与皮亚杰建构主义理论对于开展融入大概念教学的项目式教学的贡献上有着极高的相似度,提出教学活动的根本目的在于增加学生对学科基础知识、概念的理解与运用。

布鲁纳认知结构理论从宏观层面描述学生认知和学习过程,强调学生的内在动机,从中观层面提出螺旋式课程,从微观层面提出发现学习法,注重在不同的问题情境中由上而下或由下而上丰富完善学生头脑中的大概念,促进核心观念、知识关联、学习思路的结构化,教学过程如图4所示。

图4 运用布鲁纳认知结构理论发展融入大概念教学的项目式教学

建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习,学生在具体情境的实践和体验中发现问题和解决问题,在已有经验和知识的基础上提取、凝练、建构新的知识和理解,强调学生要像科学家一样地思考,从而促进知识结构化。

3.学习迁移理论

大概念教学和项目式教学均以培养学生的学科素养和提升学生解决真实问题的能力为核心,注重在教学过程中传授学生一种“可持续发展”的学习方法,即在不同情境下的知识迁移和创新思考。大概念通过高通路迁移进行提取,表现为“具体—抽象—具体”的循环过程[5],如图5所示,基于学习迁移理论创设教学情境,制造迁移起点,引导学生思路,构建迁移路径,强化练习反馈,完成知识迁移,促进学生在化学学习中获得“有意义、有价值、有质量”的知识。

图5 大概念的生成

(二)基于化学学科大概念,设计教学关键环节

1.分析教学内容所聚焦的大概念与内容结构

2022版课标指出“基于大概念可以帮助学生建构化学观念,形成化学学科思维方式和方法,树立正确的价值观,落实课程目标”[6]。项目及学习目标的制定,必须明确教学内容所聚焦的大概念内涵及其内容逻辑结构,既要分析课程标准及教材本质,也要遵循学生发展成长规律,还要结合学校的实际情况。例如人教版九年级化学“溶液”单元中蕴含着“尺度、比例和数量”和“结构与性质”两个大概念,通过观察氯化钠在水中溶解、碘在乙醇中溶解的现象,归纳总结出溶液的概念、特征,分析溶液的组成。基于“尺度、比例和数量”这一大概念,学生具有探索分析悬浊液、乳浊液、溶液等混合物的定义和特征的思维能力及方式方法,为人教版高中化学必修1“物质的分类及转化”中的胶体、稀溶液性质等知识学习奠定基础,也促进学生在微观层面理解影响物质溶解的主要因素上开展人教版高中化学选择性必修2中“相似相溶”原理的学习。

2.围绕大概念设计多层次项目教学目标

项目教学目标是教学活动实施的方向和预期达成的结果,是一切教学活动的出发点和最终归宿。应以学科大概念为中心目标,以威金斯的所确定的目标(G)、预期的理解(U)、我们需要思考的基本问题(Q)、学生将获得的重要知识(K)与技能(S)五项教学设计为抓手来发挥全局性、统领性的导向作用[7]。基于“物质的变化与转化”大概念,以人教版高中化学选择性必修1“化学平衡”为例,构建项目学习目标,如表1所示。

表1 化学平衡的项目教学目标

3.融入学科联系

2022版课标特别强调要加强学科间相互关联性,在项目式教学中要有意识地引导学生利用其他学科的知识、思想方法来分析和处理化学问题,通过开展跨学科实践活动,加强知识间的内在联系,促进知识结构化,发展学生搜集处理信息、团队合作、应用意识、创造性思维等素养,促进学生化被动为主动,化低阶为高阶,化碎片为整体。例如:人教版高中化学必修2实验活动中的化学能转化为电能、人教版高中化学选择性必修1化学反应与电能中的原电池与物理学科结合非常紧密,很多概念的理解是可以相互借鉴的。例如:利用物理课堂中学过的电子定向移动等知识点,开展以“能量转化”的视角抽提大概念统领“化学能与电能”的跨学科项目式教学,以探究锌铜原电池实验装置为项目主线,了解原电池的工作原理及发生条件,书写电极反应式和电池反应方程式,掌握盐桥的概念、作用及理解形成稳定、持续电流的条件4个关键项目任务。

(三)聚焦真实情景驱动,促进专家思维培养

1.巧设问题链,发展高阶思维

《普通高中课程方案(2017年版2020年修订)》提出:“重视以学科大概念为核心,使课程内容结构化,以主题为引领,使课程内容情景化,促进学科核心素养的落实”[8]。通过设计与学科有密切关联的问题链,巧用联想法启发学生原有的认知,引导学生在做任务的活动中形成对学科本质的认识,从而实现大概念的教学转化。例如,以“为什么喝酒不能吃头孢”及“解酒药是如何研制的”为载体,通过从“物质的性质与应用”的视角抽提大概念统领人教版高中化学选择性必修3“乙醛”的项目式教学,引导学生通过完成“药物研发分析”“探究中毒原因”“解酒药的制备”等3个项目任务,掌握乙醛的性质及其应用,明确有机物空间结构和性质特征的关系,进而学会依据官能团对陌生的有机物进行性质的预测与分析。

2.活用化学史,培养科学精神

一篇好的导言往往是顺利开启教学任务、引导学生打开知识大门的“敲门砖”。利用教科书内、外化学史资源,建立化学史知识教学体系,将思想教育融合在化学史学习中,使学生长知识增品质,潜移默化地受到教育。例如:在人教版高中化学必修1“铁及其化合物”一课中,以铁的冶炼化学史为主线,创设真实且富有情境的问题,吸引学生的注意力,不断提高学生学习兴趣。

3.应用思维导图,分类概括概念

思维导图是一种以图文并用的方式来表达和描述知识的方式手段,目前已被广泛地应用于化学教学中。学生将化学学科大概念作为思考中心,运用望远镜思维对化学知识进行“向外扩展”,运用放大镜思维对化学知识进行“向内深挖”,加强学生思维的引导和思维节点的构建,着重锻炼学生自身思维模式和知识建构能力。例如:人教版高中化学选择性必修1“原电池”与“电解池”课程中以“能量转化”大概念的视角进行整体规划,设计教学目标、构建情景任务、绘制概念网络、梳理知识脉络,将零散的知识点系统化、结构化,进而构建简单明了、通俗易懂的知识框架,如图6所示。

图6 原电池与电解池能量转化思维导图

(四)开发设计项目任务,构建化学知识体系

1.以“大概念”统领,组织开展板块任务式教学

以“情景—问题—活动”为主线,在真实情景中激发学生的学习兴趣,通过设计与学科大概念相关联、有一定挑战性的“学习任务”和“本原性问题”,开展成“块”状分布的教学内容或教学活动,激发学生的探究欲望,引导学生在发现问题、解决问题的过程中学习,感受知识源于生活,服务于社会。例如:人教版高中化学必修2中“氨和铵盐”一课中,利用“物质性质及物质转化”大概念引导学生从宏观、微观两个层面着手,观察氨溶于水的喷泉实验现象,总结氨与铵盐的化学性质及转化关系,引导学生基于证据进行分析推理,探究氨与氯化氢等实验反应原理,从辩证的视角认识氨和铵盐的价值与危害,设计思路如图7所示。

图7 氨和铵盐的教学设计思路

2.以“大概念”统领,组织开展实验教学活动

实验是化学课程中最为重要的教学环节之一,它是检验化学基础理论与实际应用相结合状况的必要途径。以大概念为统领,将化学实验的内容和方法与化学理论结合起来,把具体实验当作教学的载体,明确教学任务主线及项目目标的进阶标准,将化学实验关键要素细化为实践任务,让学生体验“手和脑”的学习活动,促进学生深入理解化学知识。例如:在人教版九年级化学“二氧化碳的实验室制取与性质”一课中,在初始阶段,利用“化学实验体系要素”这一大概念的统领下提出的“依据二氧化碳的性质应该如何制取二氧化碳”的驱动性问题,引导学生分析实验,构建实验装置,明确实验原理,阐述实验结果,解决实验问题。在目标进阶阶段,教师引导学生对比“氧气和氢气的制取装置的异同点”,初步认识并了解常见的制取气体的实验装置,明确实验室中制取气体的一般方法原理。在巩固发展阶段,引导学生寻找不同知识点间连接点,建立一个清晰、稳定、有序的思考结构,有助于学生将零散实验知识转化成系统化体系。

3.以“大概念”统领,组织开展复习教学活动

以学科大概念统领化学知识复习,对课程内容进行框架的解构、体系的重构和模型的架构,摆脱单一、机械的刷题,避免陷入“题海战”。例如:人教版高中化学选择性必修3“有机化学基础”中以“结构决定性质,性质决定用途”这一学科大概念为统领,衍生出3个主题大概念:首先,在有机化合物的组成与结构主题下,通过学习有机化合物的分类、结构特点和命名,建立学生对有机化合物的初步认识。其次,在有机化合物的性质与应用主题下,基于官能团、碳原子的饱和性等认识烃和卤代烃、烃的含氧衍生物,了解其代表物及相关性质,建立结构决定性质的化学观念。最后,在有机合成与有机推断主题下,利用有机物的命名、官能团的种类识别、有机反应类型的判断、反应原理等知识考查学生对常见有机物之间转化关系的掌握程度,做到从“学懂”到“弄通”的层层进阶。

(五)合理利用信息技术,推动化学多元教学

《教育信息化2.0行动计划》中提到建设现代化教学平台,创新教学方法,转变教学模式以及培养学生信息化学习管理等,促使学生综合全面发展[9]。现代信息技术的发展不仅提供了更深入理解复杂概念、复杂思维过程的可能性,有助于提高学生模型认知与建构水平,还为融入大概念教学的项目式教学的发展提供了有力的支持。例如虚拟现实(VR)技术、3D打印技术、增强现实(AR)技术以及微课,如图8所示。

图8 信息技术支持的深度学习

1.虚拟现实技术注重增强沉浸感与动态理解力

VR技术是利用计算机为用户提供一个交互式的可沉浸的身临其境的虚拟三维空间,具有沉浸性、想象性、交互性等三个最突出的特征[10],为融入大概念教学的项目式教学提供体验支持、情感支持和情景支持,将传统的二维课堂变成有趣的三维课堂,虚实结合间,领悟微观原理的要义,不再死记硬背,而是通过多元多态的实践进行自主学习与探究,进一步增强学生的动态理解力。例如:人教版高中化学选择性必修2“物质结构与性质”专题中原子、分子与晶体结构的构造原理等概念抽象、理论复杂,知识缺乏直观的展示途径,学生难以有效地开展自主学习和自主探索,在教学过程中可借助VR技术,建立微观粒子的基础思维模型,创设可视化情境,辅以可交互式分析计算,将常规教学中难以观察的原子的空间微观可视化,将抽象晦涩的化学概念原理模型化、过程化,培养学生化学学科核心素养与高阶思维,解决实际教学中难教、难学、得分率低、可利用的教学素材少的痛点。

2.3D打印技术凸显复杂概念的模型理解和表征

3D打印是通过逐层添加材料来构建3D物体的技术。它能帮助学生抓住大概念中的构成要素及逻辑关系,突破化学表征与认知障碍,将学科概念和知识立体化、具体化与可视化,将学生对微粒构成、空间结构等抽象知识的模糊思路转变为可观、可感的现实,促进虚拟的思维外化。例如,人教版高中化学选择性必修1第三章第一节“电离平衡”一课,教师一般利用勒夏特列原理来分析解释外界因素对弱电解质电离平衡的影响,而这部分知识过于抽象,使得学生难以从本质角度分析理解原因,可利用手持技术数字化实验判断反应中pH值的变化,应用3D打印技术和电子电路设计模型模拟微观过程,达到从抽象到具体的认识反应过程。

3.增强现实技术用于空间结构的表征与探究

AR技术是虚拟现实的扩展,通过3D技术在真实物体上叠加虚拟对象,从而达到一种视觉混合增强效果,具有虚实结合、无缝交互、浸润学习等特点[11]。通过AR的呈现打破物理空间的限制,为学生创设一个可进行独立探究的观察、学习环境,将大概念教学中微观的、抽象的、复杂的知识通过生动、直观、形象的方式呈现出来,有助于引发学生的创新兴趣并增进其对学习内容的理解。例如,人教版高中化学必修1第三章第一节“铁及其化合物”一课中,以铁锈的“源起”与“源灭”为例,传统化学实验虽然能让学生在可观察到的实验现象之间建立联系,但是却难以从分子层面对实验现象与概念建立联系。利用AR技术呈现在有水无氧气、有氧气无水、有水又有氧气三种情况下铁生锈的过程,帮助学生从微观视角对宏观现象建立直觉观念并发展微观层面的解释能力,以此突破宏观-微观之间的认知障碍。

4.微课促进学生思维能力发展

微课是信息技术与教育相结合的一种新型产物,常以视频叙事形式激发学生的内在学习动机,为学生自主学习、研究学习、实践学习化学学科知识创造丰富机会。教师在融入大概念教学的项目式教学中引入微课,构建富有感染力的教学情景,不仅适合于移动学习时代知识的传播,也适合学习者个性化、深度学习的需求,同时也使课程更具文化性与趣味性。例如整合人教版九年级化学“酸和碱”和“盐化肥”教学内容,聚焦“基于物质类别认识物质的性质与反应规律”学科大概念,利用微课探寻医药应用中的酸、碱、盐原理,帮助学生建立知识网络,随时随地开展复习,解决知识繁多、零散等学习难题。

四、结束语

基于大概念教学统整下的项目式教学,主要利用大概念的统领作用组织和整体规划项目学习过程,找准立足点,寻找突破点,紧抓发力点,整合学科知识、学科方法和学科思想,将孤立、抽象、碎片化的知识融入真实的问题情境下并进行重新整合,将知识与技能的学习、过程与方法的掌握、情感态度与价值观的提升纳入一个有机的、统一的过程之中,有利于从整体上追寻知识发展的内在逻辑,重构知识体系,以促使学生的学习过程由浅入深、螺旋式上升,逐步形成相互支撑、内涵丰富的认知结构,从而打通基础知识向指导实践的关键路径,培养学生在真实情境中分析问题、解决问题的能力,真正将学科知识转化为解决问题的工具。