智慧实践：中学化学教学的核心设计

（一）理论依据

以核心概念为中心的教学设计得以实现的基础和知识是相互联系的。学生在学习之前，都有一定的知识基础，教师要关注学生的已有知识并以其为起点，讲解新知识。而学生的学习过程则可看做是同化和顺应的过程。以核心概念为中心的教学设计关注的是知识的理解，认为死记硬背不利于知识的迁移运用。

1.信息加工理论

信息加工理论是在认知心理学兴起后产生的，它阐述了人类如何把信息由输入转化为输出，是研究人类记忆和学习方式的理论。信息加工理论的出现使人类从“刺激—反应—强化”的模式中走出来，转而关注人的思维、心理活动。

在教学中，引起学生注意是形成长时记忆的第一个影响因素。注意是一种有限的资源。课堂上应使学生主动放弃对其他资源的注意，将有限的注意资源放在教学上的过程。在教学中营造适当的情境引起学生注意是必要的，但是情境不能同时包含太多的信息，以免分散学生对关键知识的注意。引起学生注意后的关键就是引导学生将短时记忆成功地转变为长时记忆。影响长时记忆的因素中，首要因素就是学生已有的知识起点。当工作记忆能在头脑中找到与之匹配的原有知识，那么新知识就会顺利纳入长时记忆。这就提示在教学中，应该关注学生的已有知识，使其成为新知识的生长点。另外，有研究发现，反复的思考和复述可以将短时记忆转为长时记忆。反复思考以及复述相当于加长信息在短时记忆中的保存时间，也就相对地加大了转化为长时记忆的概率。

长时记忆有三种形式，在化学教学设计中，应该把握长时记忆的三种形式与化学的联系，以减少遗忘。例如，在化学理论学习强调语义记忆。语义记忆中的信息是以网状联系起来的，类似概念图、思维导图。采用图示，将化学概念、知识有机地联系起来，为化学学科建立知识纲要。在学习中就能将新信息纳入已有的完备的图示中，则新信息容易被保存。而对于程序记忆，可将它看作是回忆应怎样做，在实验教学中有较广泛的体现。这种信息主要是一系列的刺激反应的形式储存在记忆中。

综上，从信息加工理论中得出：学习的产生是一个以已有知识为基础的，正确信息的不断地修正、补充，从而强化正确概念和减弱错误概念的过程。学生头脑中的已有知识会促进刺激转变为长时记忆，但同样会抑制记忆的转化。在教学中应正确处理已有知识与新知识的关系，使用适当的策略以辅助学生将知识顺利地保存到长时记忆中。当学生注意到的刺激细节越多，则需要对他们进行的心理加工的可能就越多，也就越有机会记住它。所以在教学中，使用表象和语言两种方式来表征知识的记忆要比一种好。

2.有意义的学习理论

有意义的学习是奥苏伯尔基于认知心理学的背景下提出的学习理论。如今这个理论不是最前沿的，但是却在教育研究中取得了积极的地位，并且这个理论的若干方面已经成为教育实践的标准部分。而笔者认为有意义学习理论中的上位、下位学习理论中很好地体现了化学核心概念在学习知识中的地位。

（1）机械学习和有意义学习

奥苏伯尔将学习分为机械学习和有意义的学习。对于这两种学习并不应该抱有偏见，机械学习和有意义的学习都是学习中必不可少的部分。化学中常见的机械学习就是元素符号的记忆，即便可以将其赋予一定的口诀，但是将“金”记成“Au”，还是要花费一定的精力。而有意义的学习就是指将学习与已有知识建立联系，这里的联系强调的是与已有知识或已知概念之间的联系。例如，“物质的量”是一个孤立的概念，但是将其描述为和质量一样是定量研究中的重要物理量。那就将物质的量与已知的质量、定量研究、物理量建立积极的联系。

（2）类属学习、上位学习和并列学习

有意义的学习的过程可以分为三种：类属学习下位学习、上位学习和并列学习。类属学习指的是新知识附着于已有知识之下。根据知识的特点可以分为派生类属和相关类属两类。派生类属指的是新知识可以说明已有的知识，更常见的类属关系是相关类属，指的是将新概念融入已有知识的同时，对已有知识进行精加工、拓展和修改。新内容能起到拓展原概念的作用。例如，氧化还原反应在苏教版必修 1 第一专题要从化合价变化学氧化还原反应，而后从电子转移的角度学习。这个过程就是典型的相关类属。

上位学习是学生通过对例证的总结发现一般的概念或命题的过程。上位学习的关键是综合已有知识，得到核心概念的过程。并列结合学习是学生学习与已有知识处于同一层次的知识的过程，当新知识在特定意义上与已有知识不能联系，但与已有的信息背景有一般性的联系，就发生了并列学习。例如，学过温度对化学反应速率的影响后，学习体积对化学反应速率影响的过程就是并列结合学习的过程。

化学中有很多概念是彼此并列的，但是即使并列的概念也会存在包容性和被包容性。因此在学习中既要关注类属关系，也要关注并列关系。

（二）基于核心概念的化学教学设计模式

1.以核心概念为中心的知识体系分析

根据知识的呈现方式，化学学科知识大体可以分为三种：化学基本概念、化学基本理论和元素化合物知识。知识并不是凭空生成的，无论是化学元素化合物知识、基本理论还是化学基本概念，在作为新知识出现的同时，都曾经出现在学生以前的学习中。犹如拼图一样，由一块块关键元素，最后拼成这个图景。以核心概念为中心的知识体系分析，强调的是以学时所教授的知识为着眼点，根据有意义的学习理论，发掘新知识在学生以前的学习中，曾经以怎样的形式做过铺垫，在教学中，把握核心概念的发生和发展脉络。

比如，在苏教版必修 1 中，将电解质的概念体系分为两部分，在专题一中“物质的分散系”教学单元里，以溶液的概念作为铺垫，介绍了电解质和非电解质这一对概念。而在专题二“离子反应”这个教学单元才介绍强、弱电解质这对概念。而对于事实类知识，以核心概念为中心的教学强调要在讲授事实类知识的同时，寻找一个能引领其发展的核心概念，使零散的事实性知识找到理论归属，将知识以网状的结构传递给学生。

（1）以化学核心概念为中心的元素化合物知识分析

元素化合物知识，在化学中属于事实类知识，简单来说，就是有关物质的物理、化学性质的知识。化学是一门研究物质的科学，人类可以接触到的化学物质不计其数，学校教育不能穷尽所有的物质。在新课程改革之后，教科书甚至删减了部分元素化合物内容，转向少而精的特点。如何在教学中开展少而精的特点？以核心概念为中心，将元素化合物知识有意义地联系起来，在教学中强调理解，减少死记硬背是开展深入学习的基础。

表3-5　化合反应概念框架表

通过归纳发现，必修 1 中很多化学反应都可以归纳到表3-5 中。结合化合反应概念的特点，无疑减轻了学生的记忆负担。对于置换、复分解、分解反应也同样如此。

（2）以化学核心概念为中心的化学理论、概念类知识分析

化学基本理论及化学基本概念，在教材中并没有详细的区分。一般认为化学的基本理论包括：原子结构、元素周期表、化学键理论、弱电解质的电离平衡、水的电离和溶液的酸碱性、盐的水解和沉淀溶解平衡以及化学反应中的能量变换等。而化学基本概念包括物质的量、物质的量浓度、气体摩尔体积、物质的分类和分散系、离子反应、氧化还原反应等。以核心概念为中心的化学教学设计中对它们的分析，主要为两方面内容：课时知识所涉及的核心概念是什么；核心概念在学生的不同学习时期呈现方式（概念表述）是什么。以此来确定不同阶段的教学进度，使知识的发展得以整体化、学科化，并为教学目标的制订和教学策略的选择提供进一步的依据。在教学设计的开始，分析教学中可能存在的问题，能有效利用人力物力，使教学过程有的放矢。

化学核心概念能从纵向和横向上联系学科内的概念。笔者认为，化学核心概念贯穿整个化学学习，在各个年级的呈现方式不同。纵向上，以“原子核外电子运动在原子核外统计学上固定的区域做无规则运动”这个知识点为例。在不同的学年，这个知识呈现给学生的形态是不同的。以苏教版为例，必修 1 提到了轨道的概念，对核外电子的运动，描述为核外电子在原子核外运动，有固定的轨道；必修 2 将轨道的概念拓展为电子层，将电子层描述为电子在原子核外不同的运动区域；而到了《物质的结构与性质》选修模块，将电子层的概念拓展为电子云，强调电子在原子核外发生的是无规则运动。直到选修结束，才将电子运动的概念描述清楚。所以，以核心概念为中心的教学设计强调以核心概念为中心，通过分析确定不同的教学目标，使教学呈现螺旋式的上升，尊重学生的最近发展区，使学生知识学习呈现上台阶一般的提升而不是简单的重复。

在横向上，化学的核心概念可以有效地将不同的概念联系成知识网络。例如，在苏教版必修 1 中，“物质的分类”是在专题一第一课时所要学习的，如果将物质看作核心概念，可以建立如图3-23 的关系。教学中，在物质的分类思想建立的同时，“物质的量”这个普遍被认为的难点，也不攻自破。将知识间建立联系，是促进学生知识迁移的重要途径。

图3-23　化学基本概念关系图

2.学习者分析

以核心概念为中心的化学教学设计重视学生已有知识的分析。新课程改革强调，学生是是教学活动的主体，是学习的主体。以核心概念为中心的教学设计旨在为学生建构整体的学科观，在教学中，强调知识的理解，弱化概念的记忆，培养学生终身学习的意识和能力，使学生对于知识的认知随着年级的提升，呈现逐步的发展，保证学生对于关键的知识内容的理解力不断发展。因此，影响以核心概念为中心的教学设计的一个主要因素就是学生对于核心概念已经知道了什么，即学习者分析。学习者分析又称学习需要评价，在系统化的调查研究中，对学习者的学习需要分析主要是为了发现教学中存在的问题，分析确定问题的性质，并论证解决该问题的必要性，以此形成教学设计的目标。

3.教学目标阐述

在三维目标的基础上，以核心概念为中心的教学设计强调知识的理解，在教学目标表述上，笔者认为采用命题的形式，更能清楚地描述教学的目标。比如，在原子结构一节关于原子结构的学习要求可以表述为：知道原子是由原子核和核外电子构成，原子核带正电，可以再分为质子和中子。对于这段描述，有些教学设计将其表述为知道原子的构成。采用命题的模式表述的优点在于可以明确指出，学生需要知道的是原子构成的程度是什么，对于目标内容表述更为明确。教学目标的描述中，笔者认为，当用命题的模式描述教学目标时，行为动词可以省略，或者采用同样的动词，而教学目标要求的程度，可以通过命题的描述来区分。《科学素养的基准》中也强调了这项调查，它认为使用不同的行为动词并不能准确地表达教师所想要学生达到的目标，因为不同的人对于同样东西的理解程度不同，其效果远不如采用同样的行为动词或忽略行为动词，而使用明确的命题。当命题明确指出需要学生掌握的程度时，更具有明确性。

以“原子核外电子”为例，在苏教版必修 1 中，只是简单提到核外电子有固定的轨道，具体怎么排布并没有提到。因此，笔者将教学目标描述为知道电子在原子核外分层排布。而到了必修 2，由于课本重点讲述了核外电子的运动规律，因此笔者教学目标描述为：知道电子在原子核外的出现是有规律的，多电子原子中，不同能量的电子出现在不同的电子层上。

（三）基于核心概念的化学教学设计

1.元素化合物知识的教学设计

（1）元素化合物知识整体分析

此处以苏教版教材为例，在内容的安排上，苏教版元素化合物知识安插在以海水、矿物质以及生活相关的物质中，以“工业制备—性质探究—社会应用”为线索。在编写上，与生活紧密相关，更能激发学生的学习兴趣，并打破金属与非金属的界限，对于元素化合物知识的安排不再是以族为单位。从海水中获得的化学物质单元，包含有氯、溴、碘等元素，也包含碱金属中的钠、镁。新教材以海水为媒介，将元素化合物知识有意义地联系起来，体现出重视族与族之间的横向联系。另外，新教材在元素化合物知识中，融入了氧化还原反应、离子反应等化学基本概念和基本理论的相关内容。这样的安排使元素化合物知识不再是孤立的化学反应方程式的集合，而成为理论骨架下的事实性知识的填充，打破了元素化合物与化学理论知识间本不该存在的鸿沟，将它们联系起来，既重视化学理论知识的教学，也为事实性知识找到了理论基础。见表3-6。

表3-6　苏教版化学教材元素化合物知识结构

（2）以氧化还原反应概念为中心的元素化合物知识教学设计

元素化合物知识在学生头脑中总是与记忆化学反应方程式划上约等号，也正是如此，元素化合物知识多是呈现繁多、杂乱、难记的形象。元素化合物知识属于事实类知识，在化学知识中起到支撑理论知识的意义。在元素化合物知识教学中，强调以核心概念为中心的意义是为事实性知识找到理论归属，使事实性知识有意义地联系起来。下面以苏教版化学必修 1“海水中的化学物质”这一单元为例，阐述以氧化还原反应这个核心概念为中心的元素化合物知识的教学设计。

笔者集合苏教版教材的知识编写顺序，将从海水中获得的化学物质分为两个单元，如表3-7。在每个单元中，结合以核心概念为中心的教学目标，设计了相应的教学线索，以达到围绕核心概念呈现课堂的整体性、知识的递进性。

表3-7　从海水中获得的化学物质不同课时的教学线索表

续　表

2.化学基本概念的教学设计

化学基本概念包括物质的量、物质的量浓度、气体摩尔体积、物质的分类和分散系、离子反应、氧化还原反应、化学键和化学能与热能、化学能与电能等。化学键概念在中学化学中占有重要的作用，化学反应是化学知识的重要组成部分，而化学反应的实质就是新化学键的生成和旧化学键的断裂。下面以“化学键概念”为例，分析如何开展以核心概念为中心的化学概念教学设计。

化学键是学生高中阶段接触到的新概念。微粒在结合成分子时，采取了不同的结合方式（即化学键），这种不同的结合方式使得物质具有不同的结构，使物质存在了化学性质、物理性质上的差异。以苏教版化学教材为例，化学键的概念在高中化学中首次出现是在必修 2。必修 2 系统地介绍了离子键、离子晶体和共价键、原子晶体的概念群。在《物质的结构与性质》选修部分，详细地阐述了和化学键形成的原理、特征，以及各种晶体的一般特征等。

选修教材对于化学键这部分知识，在内容上增加了金属键及金属晶体的内容，完善了分子间作用力以及共价键、离子键的内容。主要表现为强调了化学键的成因，如对于离子键的描述在必修部分为：阴阳离子的相互作用；而选修部分强化相互作用的描述为：阴阳离子间的静电引力使其相互吸引，阴离子的核外电子与阳离子的核外电子之间和阳离子的原子核与阴离子的原子核之间的静电斥力达到平衡时，阴阳离子保持平衡的核间距形成离子键。对于有了必修的化学基础的学生，选修部分强调了化学的动态特征，能更有效地促进学生理解知识。除此之外，选修部分还强调了离子键的特征以及晶格能的相关知识，为化学反应及其能量变化的学习打下基础。

综上，选修部分增加了内容的难度，使得知识有了一定水平的提升。从学生的角度看，需要理解的知识的内容明显增加，在学习中如果只使用记忆策略，明显会阻滞对知识的理解。因此，笔者认为，在教学中以化学键为核心概念展开教学能有效促进学生学习。

结合教材中知识的编写顺序，笔者将苏教版必修教材的化学键概念体系的教学线索设计为下表3-8 所示，在每个单元中，结合以核心概念为中心的教学目标设计了相应的教学线索。

表3-8　必修部分化学键概念教学线索表

3.化学基本理论的教学设计

化学的基本理论包括：原子结构、元素周期律、弱电解质的电离平衡、水的电离和溶液的酸碱性、盐的水解和沉淀溶解平衡以及化学反应中的能量变换等。化学基本理论是化学知识系统的骨架，是建立化学学科知识体系所必需的理论基础。新课程标准下的化学教材在内容上做了一系列的变革，其中最显著的就是，在化学基本理论方面增加了物质结构理论的相关内容（如杂化轨道等）和热力学相关内容。理论知识的增加，改变了原本的化学教学中过分注重元素化合物的化学反应方程式的书写和化学语言记忆的教学。下面以“原子结构理论”为核心概念，分析以核心概念为中心的教学设计在化学基本理论中的教学设计。

以苏教版为例，高中原子结构内容主要分三部分呈现，即必修 1、必修 2 和《物质结构与性质》选修模块。在必修 1 主要出现在“科学家眼中的物质世界专题”第三单元：人类对于原子结构的认知。该专题涉及物质的分类、物质的量、化学实验相关内容和原子结构的知识。对于原子结构而言，内容涉及的范围广，深度不大，主要对初中知识的回顾和适当地提升。

对于“人类对原子结构的认知”这部分的知识，可以分为化学史的内容和原子结构理论知识两部分。在化学史部分，主要讲述了原子的演变过程，在初中的基础上发展和完善了对化学家的研究结果的描述。其中，与初中不同的部分主要可以概括为以下几个方面：在道尔顿的介绍之前，介绍了古希腊哲学家认为原子是不可再分的。在道尔顿的研究中，必修 1 详尽地将道尔顿的研究结论描述出来：物质是由原子组成的，在化学变化中不可以再分，它们在化学反应中保持不变。对于汤姆生的研究，初中只提出了“葡萄干面包模型”，而必修 1 还提到了他测出电子的质量不及氧原子质量的千分之一，他的贡献最伟大的点在于发现了电子，提出原子可以再分。在波尔的研究上，初中描述为电子只能在原子内一些特定的轨道上运动，但是必修 1 讲到，他提出了从量子论观点来研究原子中电子的排布，提出新的原子模型。最后，必修 1 还讲到了 20 世纪，科学家揭示了微观世界的波粒二象性的规律，认识到原子核外电子的运动不遵循经典力学，必须用量子力学的方法来描述电子的运动。对于原子的构成，新增知识主要有核素的概念和同位素的应用。其余的内容实际上都是在巩固初中知识。

在本单元中，化学史知识占据了大量的篇幅，和初中知识主要的不同也是在化学史部分。这也正指向了课程标准中的教学目标：在原子与原子核和核外电子的概念发展中的情感体验，亲历科学家发现原子结构的过程，体会科学探究的过程。总体来看，必修 1 原子结构的内容，是基于学生正处于初中到高中转换的特点设置的。在这部分基本上没有需要重点掌握的新知识，因此在教学上应该联系核心概念，帮助学生建立概念图，辅助其完成初中到高中、科学到化学的学习转换。

由于必修 1 对于物质的结构与基础所讨论的主要内容是原子结构的发现过程和原子的结构，对于原子核外电子的排布交代不多，甚至在核外电子运动状态的描述中没有指明电子没有固定的轨道。因此，必修 2 发展了必修 1 对于原子结构的描述，在第一单元原子核外电子排布与元素周期律部分，仔细地描述了原子的核外电子排布。在必修 2 第一单元原子核外电子排布与元素周期律与原子结构相关的知识主要有：电子在原子核外的分布、电子层概念、核外各电子层能容纳电子的规律。

下面以必修 1、必修 2 中的原子结构知识为例，设计如下表3-9 所示的教学线索表。

表3-9　必修部分原子结构教学线索表