建构认知模型促进深度学习

邹定兵

摘要： 深度学习是一种基于理解的学习方式，要求学习者掌握非结构化的深层知识并进行批判性的高阶思维，进而实现问题解决能力和创造性思维等高阶能力的发展。以“实验化学”选修模块“物质的分离与提纯”高三复习课为例，通过选择合适方法分离提纯单一物质、深度理解常见方法的共性和差异并以改进、设计实验方案分离提纯复杂多组分混合体系为驱动性任务，引导学生逐步构建、应用混合物分离提纯的认知模型，从而实现深度学习，为化学实验内容的复习提供范例。

关键词： 模型认知; 深度学习; 选修模块; 物质分离与提纯

文章编号： 10056629（2019）1004106      中图分类号： G633.8      文献标识码： B

1 问题提出

深度学习是相对于孤立记忆和缺乏对知识的深层加工和深度理解的浅层学习而言的，理解与批判、联系与构建、迁移与应用是深度学习的重要特点[1]。从本质上看，深度学习是一种基于理解的学习方式，要求学习者对看似单一、零散的知识点进行系统、深入的分析，搞清内在逻辑关系，通过比较和分析、概括和归纳等方法构建结构化的知识网络体系，实现知识的结构化和认识过程的思路化，进而将有效的迁移应用于真实问题的解决，实现问题解决能力和创造性思维等高阶能力的发展。

模型认知是化学学科核心素养的重要组成部分，要求学习者通过“分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”[2]。通過对复杂化学问题情境中的关键要素进行分析和推理，主动建构和完善认知模型，并将该模型应用于新的情境解决复杂问题，有利于训练学生的高阶思维水平，促使学生对知识进行有序、系统的理解，最终达到深度学习的效果。

物质的分离与提纯是研究物质组成、结构、性质及应用的重要的基础性操作，在化工生产或科学研究领域具有广泛的应用。因此，针对混合物分离与提纯的分析与考查具有重要的现实意义。然而，学生在分析和解决这类问题时普遍感到棘手。究其原因，主要有： （1）学生对不同类型混合物分离提纯的实验原理、操作目的和要点、实验装置等认知多数是停留在记忆层面，只“知其然，而不知其所以然”，没有形成深度学习;（2）知识碎片化的学习使得学生对混合物分离提纯常见方法的认识也是单一、零散的，缺乏系统性，没有形成有序、系统的思维模型。这种现状也导致学生对所接触的物质制备过程中动态分析多组分混合体系的分离提纯存在较大的困难。基于此，高三“实验化学”选修模块的复习亟须帮助学生建立混合物分离提纯的系统认知模型，在运用模型解决复杂混合体系的分离提纯问题中不断拓宽学生的思维深度和广度，提升学生的高阶思维水平，最终实现对知识的深层理解。

2 设计思路

基于学生的思维障碍和对多组分混合体系分离提纯思维水平的发展要求，我们进行了本节课的教学定位： 通过对简单混合组分及粗盐的分离提纯的分析，学会依据物质的理化性质，初步建构分离提纯混合物的认知雏形;通过对物质制备过程中多组分混合体系分离提纯问题的解决，深入理解过滤、升华等及其“变形”操作的原理和方法，完善混合物分离提纯的认知模型，并最终形成比较稳定的认识思路和方式;在解决真实问题情境过程中，促进认识深度发展，提升模型认知的化学学科核心素养。本节课设计的基本思路如图1所示。

3 教学过程

教学环节1： 建立认识角度——初建混合物分离提纯的认知雏形

[教师活动]介绍物质的分离提纯在生产生活和科学研究中的重要性。

[任务情境1]请选择合适的方法对下列混合物进行分离提纯（见表1）。

[学生活动]回忆旧知，逐个分析并选择合适的分离提纯方法。

[教师活动]通过追问方式引导学生将思维过程进行显性化： 对于上述不同混合体系，选择分离提纯方法的依据是什么？针对已知组分的混合体系，你将从什么角度入手分析分离提纯的方法？你能用流程图的形式将分离提纯混合物的思路加以呈现吗？

[学生活动]概括归纳，提炼出混合物分离提纯的认识角度： 明确混合物组分找出各组分典型的性质差异依据性质差异选择合理的物理或化学方法;绘制草图，展示设计成果。

[教师活动]点评学生的分析思路，引导学生将组分单一、零散的混合物分离提纯方法进行有序整合，形成比较全面、有序的思维雏形（见图2）。

设计意图： 通过任务情境1的解决，旨在唤醒学生旧知，回顾已学过的常见分离提纯混合物的方法及其适用范围;引导学生将原本孤立、零散的混合物分离提纯方法进行有效整合，促使学生对混合物分离提纯方法形成清晰的认识角度，进而初建混合物分离提纯的认知雏形，为学生进行深度学习搭建思维雏形。

教学环节2： 形成认识思路——完善混合物分离提纯的认知模型

[教师活动]上述升华、结晶、过滤、萃取、分液以及蒸馏等方法在分离提纯物质方面应用十分广泛，并且常常是多种方法的联合使用。比如实验室制备硫酸亚铁铵时的分离与提纯。

[任务情境2]硫酸亚铁铵制备过程中的分离与提纯（见图3）。

[教师活动]创设3组问题链，引导学生对不同的固液分离方法进行联系和比较，找出共性和差异，形成系统认识，促进深度理解。

问题链1：“步骤1”采用倾析法分离铁屑，请简述倾析法的适用范围。该方法和所学的哪种分离提纯方法操作原理相似？此处采用倾析法，你觉得优势体现在什么地方？

设计意图： 通过问题链1的解决，逐步引导学生深入理解倾析法其实并非是“独特”的分离提纯混合物的方法，其操作原理和所学的常压过滤是类似的，本质上是一种“变形”的过滤，只不过相对普通的过滤，要求“沉淀的结晶颗粒较大，静置后容易沉降至容器底部”。之所以采用这种方法，实际上是方便、快捷、高效分离提纯混合物的必然追求的结果。这也为后续“变形”的过滤方法（如趁热过滤、减压过滤）提供了分析思路。

问题链2：“步骤2”需要趁热过滤，原因是什么？请从操作层面和仪器的改进角度思考： 如何确保在热过滤的过程中，溶液中的溶质不析出？

设计意图： 通过问题链2的解决，使学生深入理解“热过滤”的原因、操作原理、操作方法和所用实验仪器。

问题链3：“步骤4”采用减压过滤的目的是什么？其操作原理怎样？减压过滤时，需要用到哪些仪器？有哪些需要注意的事项？为了更加便捷、高效的操作，你觉得对教材中的装置可以如何改进？

设计意图： 通过问题链3的解决，使学生进一步认识到，减压过滤同样是普通的常压过滤的一种“变形”，目的是为了加快过滤速度，得到较干燥的沉淀。对教材中减压过滤装置存在的局限进行改进，潜移默化地训练了学生的分析评价和创新思维等高阶思维能力，同时也拓宽了学生对减压过滤的认知深度和广度。

[教师活动]实物展示我校化学创新实验室配备的玻璃砂芯漏斗及减压过滤装置。投影展示基于常压过滤装置为原型的各种“变形的”过滤装置，如减压过滤、趁热过滤等。

[教师活动]提炼和升华： 实际生产和科研中，为了更加方便、快捷、高效地分离提纯混合物，人们常常对常规方法及装置进行改进和创新，但其基本操作原理仍然是相似的。至此，可将“混合物分离提纯”认知雏形（见图2）中的各种分离提纯方法按照“操作原理→适用范围→仪器设备→操作要点→‘变形操作”的顺序进行系统的模型建构和完善。

[教師活动]提供简单的设计型任务，促使学生深入理解“混合物分离提纯”认知模型中的“变形”操作。

[任务情境3]根据图4所示的资料卡1所提供的信息，采用升华法纯化碘时，从高效分离提纯单质碘的角度分析： 如何改进升华装置？画出装置简图。

[学生活动]激烈讨论、思辨，绘制改进的装置简图。

[教师活动]引导学生深入分析和评判，并投影展示学生最终改进并完善后的升华装置（见图5）：

设计意图： 通过对粗碘的精制，进一步应用混合物分离提纯的认知模型。由于之前对不同形式的过滤操作有了较系统的了解，为有效进行知识迁移创造了条件，此时学生批判性的思维火花发生了激烈的碰撞，质疑和创新精神得到了充分的发挥，无论从装置的“变形”设计，还是冷却方式的改进，都提出了许多独到的见解，有效检测了学生的认识发展水平。

教学环节3： 内化认识方式——应用混合物分离提纯的认知模型

[教师活动]提供复杂的设计型任务，进一步诊断和检测学生对“混合物分离提纯”认知模型的深度学习水平。

[任务情境4]根据如图6所示资料卡2，画出实验室制备苯甲酸时分离提纯苯甲酸产品的同时回收未反应的甲苯的流程图。

[学生活动]对信息进行整合和加工，利用“混合物分离提纯”的认知模型，独立绘制流程图，并进行汇报交流。

[教师活动]投影展示学生绘制的流程图（见图7），引导学生进行分析和评价，促使学生在运用认知模型动态分析和解决复杂混合体系的分离提纯的过程中，深入并系统地理解混合物分离提纯的认知模型，最终内化为一种稳定的认识方式。

[教师总结]在解决现实复杂问题情境中，不同的混合物分离提纯的方法可能会存在多种多样的“变形”，但不管如何变形，万变不离其宗——其操作原理是相似的，分析方法是相似的，认知模型更是相似的！

设计意图： 通过对苯甲酸粗品分离提纯和甲苯回收方案的设计，检测学生运用认知模型的能力和水平，训练了学生的实验探究能力。同时，在认知模型的应用中，提升了学生模型认知的应用水平，促进了学生的分析、推理和简单设计等高阶思维能力的发展，实现了深度学习。

4 结束语

学生在分析和解决新情境问题时暴露出的种种不足，归根结底是由于长期追求对知识的机械记忆、肤浅理解和简单重复操练的浅层学习所造成的。教师的教学不能仅仅围绕所谓的“考点”展开，停留在仅让学生记住一些化学事实，而是要关注通过事实抽象提出的核心概念，站在更高的位置上培养学生的化学学科核心素养;学生的学习重心也应该从记忆事实转移到理解可迁移的核心概念，对更为根本的知识结构进行深层理解，培养和发展思维能力上[3]。深度学习恰恰就是要求对知识深入理解和主动建构，有效地进行知识迁移和真实问题的解决，发展分析、反思、评价、设计等高阶思维水平。在高三复习教学中引导学生进行深度学习，既能有效夯实基础，提升思维水平，又能促进学生的认知发展，培养学生的化学学科核心素养。作为化学学科核心素养的重要组成部分，模型认知涵盖建立和优化认知模型、运用模型综合解释或解决复杂的化学问题。在认知模型的建构、完善和应用中发展高阶思维，实现深度学习，提升学科核心素养。

致谢： 本教学设计得到了杭州市余杭高级中学化学教研组长俞建锋老师以及杭州市基础教育研究室陈进前特级教师的指导和帮助，在此表示诚挚的感谢！

参考文献：

[1]张浩， 吴秀娟. 深度学习的内涵及认知理论基础探析[J]. 中国电化教育， 2012， （10）： 7～11.

[2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 4.

[3]陈进前. 核心素养导向下的化学教学建议[J]. 中学化学教学参考， 2017， （1～2）： 3～5.