許玉明

摘要： 變異理論認(rèn)為事物的差異性和共同性都有利于認(rèn)識事物的關(guān)鍵屬性，是對傳統(tǒng)遷移理論的修正和發(fā)展。作為電化學(xué)核心知識的“原電池原理”，教師可應(yīng)用基于變異理論的教學(xué)設(shè)計模型展開教學(xué)，運用分離、類合、對比和融合等變異圖式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，同時在應(yīng)用情境素材以及提高教師專業(yè)素養(yǎng)等方面提出具體的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞： 變異理論; 關(guān)鍵屬性; 原電池原理; 教學(xué)策略; 化學(xué)教學(xué)

文章編號： 10056629（2022）06004706

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

20世紀(jì)90年代瑞典教育家馬飛龍?zhí)岢龅淖儺惱碚?，是基于傳統(tǒng)的遷移理論提出的教學(xué)理論，其提出學(xué)習(xí)的步驟是學(xué)習(xí)者須先審辨出學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)鍵特征，然后采用不同的變異策略進行學(xué)習(xí)[1]。變異理論為我們研究化學(xué)教學(xué)提供了一條新路徑，值得教師關(guān)注和重視。

1 “變異理論”概述

遷移理論是指人們在學(xué)習(xí)中獲得的知識、技能及情感等對新的學(xué)習(xí)產(chǎn)生作用形成的經(jīng)驗和總結(jié)，屬于教育心理學(xué)研究的范疇。國外有許多關(guān)于遷移理論的研究，如早在200多年前歐洲的“形式訓(xùn)練說”中出現(xiàn)的學(xué)習(xí)遷移現(xiàn)象，還有如20世紀(jì)初美國的桑代克和伍德沃思提出的“相同要素說”以及賈德提出的“共同原則說”等理論，都對學(xué)習(xí)遷移現(xiàn)象進行了解釋。這些學(xué)者在解釋遷移現(xiàn)象上的觀點盡管略有差異，但普遍認(rèn)為只要學(xué)習(xí)者對自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗進行概括得出共同性的特征，就能將一個情境的知識遷移到另一個情境，完成學(xué)習(xí)任務(wù)[2]。

變異理論認(rèn)為，傳統(tǒng)遷移理論的共同性原理有利于遷移現(xiàn)象的發(fā)生，同時認(rèn)為差異性原理也有利于遷移現(xiàn)象的發(fā)生，差異性和共同性都有利于認(rèn)識事物的特征。如我們說一個人身體很胖，只見過一個瘦的人是不能得出結(jié)論的，一定是見過許多胖瘦不同的人群并做比較才能得出結(jié)果，而運用傳統(tǒng)遷移理論從一個情境到另一個情境的遷移是解釋不通的。再如教師要讓學(xué)生認(rèn)識梯形，若只提供常見的上下底邊平行的四邊形（圖1），學(xué)生還有可能辨別不清;若要幫助學(xué)生真正理解梯形的概念，根據(jù)變異理論，應(yīng)呈現(xiàn)一個旋轉(zhuǎn)的梯形（圖2），或補充一些平行四邊形（圖3）或其他四邊形，至少需要兩個這樣的實例，學(xué)生才有可能理解。而不是傳統(tǒng)遷移理論提出的一個情境即可完成知識的遷移，這是變異理論對傳統(tǒng)遷移理論的修正和補充之處[3]。

“審辨”和“變異”是變異理論中兩個特別強調(diào)的重要詞語（概念）。學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)活動的認(rèn)識先有“審辨”，即指要想認(rèn)識一個學(xué)習(xí)對象，須先尋找出該學(xué)習(xí)對象不同于其他對象的關(guān)鍵特征，然后“變異”，即指要識別該學(xué)習(xí)對象的關(guān)鍵特征，該特征在某些維度上要發(fā)生變化。教學(xué)中應(yīng)盡可能創(chuàng)設(shè)“變異”環(huán)境，讓學(xué)生進行“審辨”，最終完成學(xué)習(xí)任務(wù)。變異理論關(guān)于“變異”提出了分離、對比、類合和融合等四種范式[4]（見圖4）。

從上述變異圖式可知，學(xué)生學(xué)習(xí)的步驟為，首先審辨物質(zhì)關(guān)鍵特征，明確變異的內(nèi)容和不變的內(nèi)容;其次要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和情境特征選擇四種范式策略進行變異;最后識別物質(zhì)關(guān)鍵特征，達到學(xué)習(xí)的目的。

2 構(gòu)建基于變異理論的教學(xué)設(shè)計模型

變異理論認(rèn)為，差異性和共同性都有利于認(rèn)識事物的特征，教師要選擇不同的思維策略，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑和思考，促使學(xué)生不斷地探索和創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)鍵特征，才能完成教學(xué)任務(wù)。基于變異理論，可以歸納出包括四個環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計模型（見圖5）。

第一環(huán)節(jié)包括分析學(xué)習(xí)內(nèi)容所屬類型（如知識、技能、問題解決或態(tài)度等）以及學(xué)生的難點分析;第二環(huán)節(jié)澄清需要學(xué)生審辨的關(guān)鍵屬性，并將它們明確納入教學(xué)目標(biāo)中;第三環(huán)節(jié)圍繞關(guān)鍵屬性，規(guī)劃教學(xué)環(huán)節(jié)和序列，設(shè)計主要變異模式;第四環(huán)節(jié)是根據(jù)授課情況進行成效分析?，F(xiàn)以蘇教版高中必修《化學(xué)2》“原電池原理”為例，運用以上教學(xué)設(shè)計模型，進行教學(xué)設(shè)計。

3 基于變異理論的“原電池原理”教學(xué)設(shè)計

3.1 學(xué)情與學(xué)習(xí)難點分析

原電池知識是電化學(xué)核心知識之一，是對氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、電解質(zhì)等核心概念的深化拓展，其中所含知識點有： 原電池正負電極判斷、溶液中陰陽離子濃度變化以及移動方向辨別、電子在外電路中的流向、電極反應(yīng)式書寫等幾個方面內(nèi)容。根據(jù)教參、文獻及以往經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，學(xué)生常常出現(xiàn)“原電池的電極只能由兩種不同的金屬構(gòu)成”“相對活潑性強的金屬一定做負極”“電解質(zhì)溶液和導(dǎo)線都傳導(dǎo)電子和離子”“電極材料一定有參加反應(yīng)”以及“構(gòu)成原電池一定需要有電解質(zhì)溶液”等迷思概念[5]。

3.2 分析“原電池原理”的關(guān)鍵屬性，明確教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)2020年（修訂）版化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，將原電池的原理的教學(xué)目標(biāo)預(yù)設(shè)為： 理解原電池原理，能書寫原電池的電極反應(yīng)式，會判斷裝置是否能夠形成原電池，通過分析原電池原理，關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會熱點問題。教學(xué)內(nèi)容、關(guān)鍵屬性及策略具體見表1。

3.3 教學(xué)過程與教學(xué)策略設(shè)計

3.3.1 基于“分離”策略，引入新課

變異理論認(rèn)為，“分離”指學(xué)習(xí)者將注意力集中于一個事物、概念或現(xiàn)象的某個變異維度上。只有讓學(xué)習(xí)者特別注意到這個變異維度時，才能夠?qū)⑵鋸恼w中進行區(qū)分。如要識別綠色，僅僅提供綠色的衣服是不夠的，還需要提供黃色或其他顏色的衣服。這種思維與控制變量思維的特征一致，是一種“從不變中發(fā)現(xiàn)變化的思想”，是化學(xué)教學(xué)中較為常見的一種思維方式。例如課前通過“智學(xué)網(wǎng)”平臺推送學(xué)習(xí)資料《兩則小故事》（見圖6），進行課前預(yù)習(xí)。

兩則小故事

（1） 伽伐尼的實驗： 1780年伽伐尼用手術(shù)刀解剖青蛙時，蛙腿上的神經(jīng)由于被刀尖碰到了而抽動起來。他思考用不同的金屬多次重復(fù)，總是得到相同的結(jié)果，但用玻璃、橡膠、松香等代替金屬時，卻沒有這個現(xiàn)象。于是他將動物軀體內(nèi)部產(chǎn)生的這種現(xiàn)象稱為“生物電”，并寫成論文發(fā)表。985CBDA8-00A5-4843-8FE1-1AF10C70B041

（2） 伏打的實驗： 20年后伏打根據(jù)伽伐尼的論文分析，產(chǎn)生了不同的想法。為什么使用玻璃、木條、塑料等物質(zhì)都沒有蛙腿抽搐的現(xiàn)象？抽搐的現(xiàn)象是否與使用的金屬有關(guān)呢？伏打認(rèn)為問題主要在兩種不同的金屬上，死去的青蛙不可能反復(fù)產(chǎn)生“生物電”，這與金屬是否接觸蛙腿無關(guān)，或許濕毛巾、橙子也可以，可能兩種不同金屬互相接觸就會產(chǎn)生電流，最后他也將研究成果寫成論文《論不同導(dǎo)電物質(zhì)接觸產(chǎn)生的電》發(fā)表，1800年用Zn片、Ag片以及浸透鹽水的絨布制成了世界上第一個“伏打電池”。

[學(xué)生活動]

問題1： 認(rèn)真思考伏打所做的實驗的現(xiàn)象，預(yù)測產(chǎn)生電流需要具備什么條件？

問題2： 哪些能量可以轉(zhuǎn)化為電能？

問題3： 原電池是如何構(gòu)成的？

[分析]三個問題的設(shè)計由淺入深，主要根據(jù)學(xué)生已有的經(jīng)驗和基礎(chǔ)，能否運用已學(xué)的能量相互轉(zhuǎn)化的知識，同時也考查學(xué)生提取信息的能力。通過“智學(xué)網(wǎng)”平臺數(shù)據(jù)了解學(xué)生答題情況。

講授新課時，先播放2380片橙子給某手機充電的廣告視頻（見圖7）。讓學(xué)生思考橙子為什么可以給手機充電？然后學(xué)生交流討論電能是從哪里來的？

[分析]基于變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)變異圖式，如表2所示。

在多種材料（目標(biāo)屬性）分別浸在相同的電解質(zhì)溶液（背景屬性）中，要審辨的關(guān)鍵屬性是能導(dǎo)電的材料做電極能產(chǎn)生電流，這是本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。因此在這一環(huán)節(jié)中，課前以伽伐尼和伏打的實驗故事引入，兩位科學(xué)家以相同的實驗方法，在推斷不同條件下是否產(chǎn)生電流時，卻得出了截然不同的結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生探索的興趣，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)原電池原理之前，已有初步的“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”的概念;同時通過橙子給某手機充電的廣告視頻引入新課，提出問題，逐步引導(dǎo)學(xué)生在不變的電解質(zhì)溶液中進行電極材料的“分離”，認(rèn)識到化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能現(xiàn)象的特征。

3.3.2 基于“類合”策略，探究原電池原理

變異理論認(rèn)為，“類合”是指如果要識別一個事物的關(guān)鍵屬性，就需要在其他屬性變化時保持這一屬性不變。如仍然以認(rèn)識綠色為例，要認(rèn)識綠色時，可以展示綠色衣服、綠葉及綠燈等物體，通過改變這些背景屬性來突出綠色這個目標(biāo)屬性，進而獲得對綠色屬性的認(rèn)知。簡單來說，類合是在“分離”基礎(chǔ)上的一種逆向思維方式，讓學(xué)生在變化中找到不變的思維，在變中求同。

例如探究原電池原理教學(xué)中，先請學(xué)生寫出Zn粒與硫酸反應(yīng)的化學(xué)方程式，標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目和方向。

Zn+H2e-2SO4ZnSO4+H2↑

Zn粒與硫酸在反應(yīng)時如何將電子轉(zhuǎn)移給了H2SO4中的H+？怎么讓這些電子的轉(zhuǎn)移變成可以利用的電流呢？能否通過設(shè)計實驗實現(xiàn)這一想法？

[學(xué)生活動]在燒杯中放一個Zn粒，再倒入少量稀H2SO4，將呈U形的銅絲一端與鋅粒緊緊相連，另一端浸入稀H2SO4中（見圖8），觀察實驗現(xiàn)象。

[教師]Cu絲表面有氣體產(chǎn)生嗎？是什么氣體？

[學(xué)生]Cu絲表面有H2，氫氣是溶液中的H+得到Zn粒失去的電子產(chǎn)生的。

[教師]是否是Cu絲和硫酸反應(yīng)產(chǎn)生的？判斷的依據(jù)是什么？

[學(xué)生]不可能，因為溶液為無色，沒有變藍，說明Cu絲沒有和硫酸反應(yīng)。

[教師]怎么證明Cu絲有電流通過？

[學(xué)生活動]小組討論，交流。

[學(xué)生]討論形成共識： （1）原電池定義;（2）電子流向;（3）電解質(zhì)溶液離子移動方向。

[分析]基于變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)中的變異圖式，如表3所示。

Zn粒與硫酸發(fā)生反應(yīng)是原電池的基礎(chǔ)。本環(huán)節(jié)的關(guān)鍵屬性是鋅片怎樣將電子轉(zhuǎn)移給硫酸溶液中的氫離子，這是原電池原理的關(guān)鍵。對此教師可用類合策略，根據(jù)單線橋法表示電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目;目標(biāo)屬性是引入呈U形的銅絲，銅絲一端接觸鋅粒后銅絲上產(chǎn)生氣泡，和單線橋的類比，使學(xué)生站在不同角度去“類合”出相同的特征，理解原電池原理。

3.3.3 基于“對比”策略，探究原電池構(gòu)成要素

“對比”指的是一個事物、概念或現(xiàn)象在某個維度上特征的變化。教學(xué)中，教師要積極呈現(xiàn)“關(guān)鍵特征”以及與之相反的情境，促進學(xué)生更加直觀和清晰地對事物的關(guān)鍵屬性進行審辨，完成對目標(biāo)屬性的認(rèn)知和理解。例如在探究原電池構(gòu)成要素的教學(xué)中，教師可通過對比“改變裝置中不同種的物質(zhì)”“改變電極材料的不同組合”進行六種情境變異（見表4）。具體教學(xué)活動過程如下。

（1） 若電極材料不變，只改變裝置中不同種的物質(zhì)，A、 B、 C三個裝置中各有什么現(xiàn)象？

（2） 若裝置中稀硫酸溶液不變，只改變電極材料的不同組合，D、 E、 F三個裝置中又有何現(xiàn)象？化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能需要具備什么條件？

[學(xué)生活動]小組討論，交流。

[師生共同小結(jié)]原電池構(gòu)成要素是： 有一個電極材料可以發(fā)生氧化還原反應(yīng);外加導(dǎo)線、可導(dǎo)電的電極和電解質(zhì)溶液，并形成回路。

[分析]基于變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)中的變異圖式，如表5所示。

在這一環(huán)節(jié)中，通過變化裝置中的電解液和電極材料，引導(dǎo)學(xué)生進行討論、觀察、比較、思考、交流，圍繞裝置的構(gòu)成要素如何判斷正負極以及如何書寫反應(yīng)式等內(nèi)容，學(xué)生分組討論并得出結(jié)論。通過這些情境的變異，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，培養(yǎng)他們分析、評價、創(chuàng)造等高級思維。

3.3.4 基于“融合”策略，構(gòu)建原電池認(rèn)識模型

變異理論認(rèn)為“融合”是讓學(xué)生注意事物、概念或現(xiàn)象在多個維度同時進行變化，并識別出這幾個維度的關(guān)系以及和學(xué)習(xí)內(nèi)容整體的關(guān)系。教學(xué)中為了讓學(xué)生深入認(rèn)識原電池，防止迷思概念的發(fā)生，通過設(shè)計下列實驗活動，構(gòu)建原電池的認(rèn)識模型。

[問題1]選擇下列試劑和器材： 碳棒、鐵釘、鋅片、銅片、檸檬、食鹽水，稀硫酸、硫酸銅溶液、KMnO4溶液、濾紙、玻璃片、燒杯、靈敏電流計，按照下列要求設(shè)計原電池，并畫出原理裝置圖： （1）鋅銅原電池;（2）水果電池。985CBDA8-00A5-4843-8FE1-1AF10C70B041

[學(xué)生活動]小組討論，交流;展示原理裝置圖。

[教師]評價學(xué)生的設(shè)計成果。

[展示]某品牌的暖寶寶產(chǎn)品的介紹（見圖9）。

[商品名稱]某品牌暖寶寶

[主要成分]鐵粉、水、活性炭、蛭石、食鹽等

[保質(zhì)期限]三年

[使用方法]撕開外袋、取出內(nèi)袋，剝?nèi)ケＷo紙后無需揉搓，直接貼在衣服上。本品一旦接觸空氣，立即開始發(fā)熱，不用時請勿拆開包裝袋。

[問題2]根據(jù)上述原電池原理的知識，結(jié)合暖寶寶的成分和使用說明，思考暖寶寶發(fā)熱的原理是什么？利用問題1提供的試劑和器材，請設(shè)計一個實驗證明你的思考是否準(zhǔn)確？

[學(xué)生活動]小組討論，交流。

[學(xué)生1]暖寶寶發(fā)熱是鐵粉被空氣中的氧氣氧化時放熱的結(jié)果。

[學(xué)生2]暖寶寶原料中有Fe粉、活性炭、NaCl以及H2O，在拆開包裝時氧氣進入后形成了原電池，快速放熱。

[展示]學(xué)生的設(shè)計成果（見圖10）。

[教師評價]若在濾紙中間滴加少量KMnO4溶液，可以觀察到濾紙上有紫色的離子在遷移的現(xiàn)象。從暖寶寶發(fā)熱的原理對原電池有什么新的認(rèn)識？

[學(xué)生3]稀硫酸、硫酸銅等可以與活潑金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成原電池。氧氣也可以氧化活潑金屬形成原電池。正極溶液中的氧氣也可以得到電子，電解質(zhì)不一定直接參與反應(yīng)。

[教師評價]剛才這位同學(xué)回答得非常好。其實生活中有多種原電池，其電解質(zhì)是不一定直接參與反應(yīng)的，我們不要形成“離子導(dǎo)體必須參與反應(yīng)”的誤區(qū)，也不要將“電極材料”和“電極反應(yīng)物”概念混淆。如生活中常用的鉛蓄電池，正負兩個電極都同時參加了反應(yīng);而氫氧燃料電池，正負兩個電極都沒有參加反應(yīng)。

[師生共同小結(jié)]原電池原理及其構(gòu)成條件。歸納原電池認(rèn)識模型如圖11所示。

[分析]基于變異理論設(shè)計環(huán)節(jié)中的變異圖式，如表6所示。

在這一環(huán)節(jié)中，有效地防止了迷思概念的產(chǎn)生。關(guān)鍵屬性為構(gòu)建原電池認(rèn)識模型，確定的目標(biāo)屬性為電極材料與電解質(zhì)溶液，應(yīng)用類合、對比等策略，通過鋅銅原電池、檸檬水果原電池、暖寶寶發(fā)熱的原理等原電池的設(shè)計，學(xué)生建立了分析原電池的核心角度： 原電池正負電極的判斷、溶液中陰陽離子濃度變化以及移動方向辨別、能量轉(zhuǎn)化、電子在外電路中流向等，讓學(xué)生在探究合作學(xué)習(xí)中構(gòu)建原電池認(rèn)識模型，既體現(xiàn)了原電池的組成要素，又為將來認(rèn)識陌生的原電池打下了基礎(chǔ)。

4 基于變異理論的化學(xué)教學(xué)建議

4.1 從情境素材到教學(xué)情境： 以化學(xué)史為載體

變異理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解主要取決于他們審辨到所學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵屬性?；瘜W(xué)概念關(guān)鍵屬性怎么審辨？創(chuàng)設(shè)怎樣的教學(xué)情境才能識別化學(xué)概念的本質(zhì)？我們應(yīng)當(dāng)以怎樣的方式呈現(xiàn)才能被學(xué)生理解？才能讓學(xué)生感受化學(xué)的魅力？這些都是我們教師要思考的問題。教學(xué)中以化學(xué)史為載體，將科學(xué)家研究理論的過程、思考的方式以及成果在教學(xué)中呈現(xiàn)。變異理論認(rèn)為，如果缺乏比較，我們很難理解初次遇到的科學(xué)理論，通過對比和融合，可以更好地學(xué)習(xí)、理解和掌握。如本節(jié)課前讓學(xué)生閱讀伽伐尼的“動物電”實驗，有助于理解伏打的“原電池”實驗;再如學(xué)習(xí)原子概念時，可以對道爾頓、湯姆遜和盧瑟福等多位科學(xué)家提出的原子結(jié)構(gòu)模型進行比較，促進學(xué)生對原子結(jié)構(gòu)模型的認(rèn)識。若沒有對比，學(xué)生常常只能靠死記硬背來學(xué)習(xí)，所以教師在進行教學(xué)設(shè)計時，從情境素材到教學(xué)情境的生成中，除了要考慮學(xué)生生活經(jīng)驗、認(rèn)知基礎(chǔ)外，還要考慮學(xué)習(xí)方式的影響，要注意多個情境素材組合設(shè)計的整體性，才能引導(dǎo)學(xué)生在思考科學(xué)家遇見的問題中，主動進行分離、對比、類合及融合，抓住概念的本質(zhì)。

4.2 教師專業(yè)素養(yǎng)的提升： 凸顯關(guān)鍵作用

變異理論將發(fā)展事物關(guān)鍵屬性的能力視為我們教學(xué)的基本目標(biāo)，是一套可操作性的具有前景的理論。新課標(biāo)、新教材實施以來，變異理論視域下進行的教學(xué)設(shè)計相關(guān)研究較少。教師經(jīng)驗的不足，有可能會對知識的關(guān)鍵特征理解有誤，如何選擇變異策略對學(xué)生進行有效引導(dǎo)，是化學(xué)教師不斷研究和思考的任務(wù)。所以需要教師加強學(xué)習(xí)，提升專業(yè)素養(yǎng)，更新教學(xué)理念，最終實現(xiàn)立德樹人的根本任務(wù)。

綜上所述，“變異理論”的研究體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科實用價值，相信通過“變異理論”的研究會給學(xué)生所感知的世界帶來新的蛻變。

參考文獻：

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