学习环模式在中学化学教学中的应用
2022-06-08
摘要：学习环模式是一种被实践证明了的比较有效的理科教学模式，一般包括概念探索、概念引入和概念应用三个环节。学习环可以分为描述型学习环、经验―诱导型学习环和假设―演绎型学习环。学习环模式具有系统性、循环性和广泛适用性等特点。学习环的典型变式有5E学习环、CAT学习环和元认知学习环等。以5E学习环为例，开发设计了“化学能与热能”（人教版化学2）的教学案例，介绍了学习环在中学化学教学中的应用。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：学习环模式；中学化学教学；化学能与热能；5E学习环
文章编号：1005?6629（2014）4?0026?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
学习环是20世纪60年代美国学者阿特金和卡普拉斯在科学课程改革研究中提出来的一种科学教学模式。它基于皮亚杰的认知发展理论，以科学探究为核心，本质是教学流程的模式化[1]。它被誉为“指引科学教学走出困境的一座灯塔”[2]。我国在20世纪80年代已引入学习环模式[3]，其中以刘知新先生为代表的老一辈化学教育工作者发挥了重要作用。当前我国化学教学模式百花齐放，但水平参差不齐，尤其绝大多数模式都拘泥于某一类知识或者某一知识点，很难大范围推广使用。笔者在研究了多种化学教学模式理论之后，发现学习环模式仍然是比较适合化学教学的有效模式，尤其对新教师而言，学习环模式操作简便、易于掌握。
1 学习环模式理论概述
1.1 学习环的分类
根据所学知识性质和对学习结果要求的不同，学习环分为三种类型：描述型学习环、经验-诱导型学习环和假设-演绎型学习环[4]。这三类学习环的侧重点和对学习结果的要求如表1所示[5]：
学习环有多种多样的表现形式，一般包括探索、发明和应用三个环节[6]。以探索为开端，学生从事各种探索活动，在已有经验的基础上产生认知冲突，自发地形成新的观点；发明阶段，学生对发现的新观点或想法命名，教师帮助学生澄清错误观念，形成科学概念；概念应用阶段，学生把新概念应用到不同的情境中去。这三个环节是一个有机的循环系统。在该过程中，教师只需提供必要的指导即可。
1.2 学习环的特点
学习环是一种行之有效的科学教学模式，它以科学探究为核心，但又区别于一般的探究教学，有其自身的特点[7]。
（1）系统性。它以探索为起点，让学生通过探究，自己习得概念的内涵，继而拓展、应用概念解决问题。概念的探索、发明和应用是一个完整的过程。
（2）循环性。探索――发明――应用――再探索……是一个循环往复的过程，但又不是简单的重复，而是一个螺旋上升的过程，每一次循环都是对上一次探索的提升。
（3）广泛性。学习环模式是理科教学的经典模式，可以广泛应用于不同的学科或同一学科的不同课程中。实践已经证明，它在数学、物理、化学、生物等学科都具有较强的适用性[8]。
1.3 学习环的典型模式
学习环模式自从被提出后就得到广泛研究，并有了较大的发展，产生了很多不同的变式。其中比较典型的有5E学习环、元认知学习环和CAT学习环。
（1）5E学习环。包含的步骤是：参与（Engagement）―探究（Exploration）―解释（Explanation）―精致化（Elaboration）―评价（Evaluation）（其关系如图1所示）。由于上述5个环节都是以“E"（英文）开头，所以被称为5E学习环[9]。
（2）元认知学习环。将科学教学过程划分为四个基本阶段，分别是概念评价/状况检查、概念探索/状况检查、概念介绍/状况检查、概念运用/状况检查，其中状况指学习者构建知识的四个条件，即不满意性、可理解性、合理性和丰富性[10]。
（3）CAT学习环。认为概念学习必须经历认知冲突（Cognitive Conflict）、抽象概括（Abstract & Generalization）和迁移运用（Transfer Practice）这三个基本环节，取这三个基本环节第一个英文单词首字母，将这个学习环简称为CAT学习环[11]。
以上几种模式是在学习环发展的过程中形成的几种比较经典的模式，它们一般是综合运用三种类别的学习环。当然，在运用不同类别学习环时，其侧重点会有所不同。例如5E学习环，比较适合探究教学，一般使用经验-诱导型学习环和假设-演绎型学习环频率较高；元认知学习环则较多使用描述型学习环和经验-诱导型学习环；CAT学习环则使用假设―演绎型学习环和描述型学习环较多。
2 学习环在中学化学教学中的应用
学习环模式在化学教学中有着广泛的应用。下面以5E学习环为例，笔者设计了人教版化学2（必修）“化学能与热能”的教学案例并进行教学实践，展示了学习环模式在中学化学教学中的应用。教学过程主要由五个部分组成：E1参与、E2探究、E3解释、E4精致化、E5评价，其中探究和解释是设计的核心。总体流程如图2所示。
2.1 参与阶段
参与阶段是教学过程的开始，起着明确学习主题和探究方向的作用，并且可以激发学生学习兴趣，调动学生积极性使其主动参与学习（见表2）。
评析：通过这一环节，创设学习情境，从身边最常见的实物入手，引导学生思考生活现象背后的化学原理，引起学生的思维共鸣，激发探究欲望。在教师适当提示下，学生认识到暖宝宝发热原理，即化学反应可以放热，进而将这一思想推广到生活中其他常见的实例，从而形成一个“探索――发明――应用”的小循环。
2.2 探究阶段
探究阶段是5E模式的主体，学生在这一阶段可以习得知识、掌握技巧。教师要为学生创造直接参与实验探究的机会和条件，让学生清楚探究目的和注意事项，充分参与实验探究，让学生的猜想在亲自参与实验探究的过程中得以验证（见表3）。 评析：紧接上一环节的认识――化学反应放热，本环节设计了系列实验探究，让学生直观认识到有些反应是放热的，有些反应是吸热的，从而引发认知冲突，进一步激发探究欲望，思考其中蕴含的化学原理。本阶段通过实验探究，让学生积累了一定的实验事实――化学反应可以分为放热和吸热，从而为解释阶段做铺垫。
2.3 解释阶段
解释阶段，学生总结上一环节探究所得经验，试从化学角度解释探究环节中的疑惑，并将之转化成可表达的概括性语言。教师要适时适度地引导学生，帮助其转变错误概念或非科学性认识，建立科学概念（见表4）。
评析：让学生从微观和宏观角度思考化学反应伴随能量变化的原因，引导学生总结判断化学反应吸热放热的方法，并通过实例讲解，帮助学生加深理解。此处本身也是一个“探索――发明――应用”的小循环。
2.4 精致化阶段
精致化阶段的目的是让学生“学以致用”，能运用所学知识在新的情境下解决问题，使学生的理论知识得到升华。习题的量可由具体课时内容与知识点难度决定（见表5）。
评析：学生通过应用知识解决问题，加深了对所学概念的理解。在精致化阶段，教师应注重教授利用知识从多个角度解决问题的方法，案例中所展示的仅为一个片段。学生通过本阶段的学习，初步学会应用知识，更深层次的复杂问题的解决，还需课后继续巩固。
2.5 评价
评析：评价可以分为两类，即过程性评价和总结性评价。同时，评价的主体也存在两个方面，即教师和学生。其目的是反馈问题，调整教学策略，优化教学。
3 对课堂教学的启示与思考
学习环模式在化学教学尤其是探究教学中有很强的可操作性，为教师开发教学设计提供了一种范式，其三种变式使其具有广泛适用性。当然，模式只是一种参考，化学教师在开展具体的教学时，要以自己所处的教学环境、学生情况而定，不可僵化照搬模式，应当活学活用。在应用学习环模式时，需要注意以下几点：
3.1 灵活选用学习环，提高教学效果
学习环模式揭示的是学生获得科学概念的一般过程，以此开发的教学过程能更好地使学生理解所学概念。在运用学习环设计教学时，一定要充分结合学科知识体系，针对知识特点设计，如化学教学中的元素化合物知识、基本概念和理论等知识，在使用学习环时，可以分别使用5E学习环和CAT学习环，甚至某些地方穿插使用不同学习环等，教学中每一个概念或原理的解释也可以设计成一个学习环，一个学习课题则是一个大循环。例如，在教学中，探索――发明――应用是不断循环的过程，在以上案例中的参与环节，就有对暖宝宝发热原理的探索，然后提出可能合理的解释即暖宝宝发热是由化学反应所致，最后将化学反应放热迁移到生活实例。因此，要准确理解学习环的内涵以及不同类型学习环的特点，做到灵活选用。
3.2 合理设计教学环节，优化教学过程
学习环模式倡导教学应是一个探索――发明――应用的过程，具体安排教学时，均有其固定流程，但这并不是机械地将教学过程划分为若干个环节，各环节是一个有机整体，因此在开发教学设计时一定要注意不能割裂教学过程。在设计教学环节时，还应特别注重问题情境的设计。学习环倡导教学过程的推进应依靠问题情境激发学生的认知冲突和探究欲望，进而通过探究获得概念原理，最终引入概念名称，习得新知。好的问题情境可以自然地推进教学进程。因此，问题的设计显得尤为重要，问题难度不能太高又要让学生必须通过探究或思考才能得出合理解释。另外问题必须具有可探究性，即教师要在问题中包含正确的思考方向。如案例中让学生根据产品说明书思考暖宝宝发热原理，明确了探索方向，避免了探索的盲目性；思考化学反应能量变化原因时，指明从宏观还是微观角度思考。这正是教师发挥学习引导者作用的体现。
3.3 善于运用评价反馈，调整教学策略
学习环模式特别注重评价的作用，尤其是5E学习环，将其作为一个单独的环节提出。评价贯穿于学习环模式的教学全过程，每一个概念的探索，每一个问题的解答，都有相应的评价。教师可以通过评价探查学生的学习状态，了解他们对概念的理解程度，同时也可以通过学生的反馈了解自己的教学行为是否有效，进而调整教学策略，改善教学行为，最终提升整体教学效果。在课后更要善于收集和分析学生的反馈信息，总结教学过程中师生的表现，发现教学中的不足，查漏补缺，改进教学策略，以期不断优化教学，构建高效课堂教学模式。
学习环模式是众多教学模式中的一种，在理科教学中的实用性已被大量实践证明。当前，我国课程改革提倡科学探究，但很多一线教师尤其是年轻教师往往不知该如何组织探究教学，或是探究表面化，或是限于个人经验而缺乏理论指导[12]，这些都不利于探究教学的大规模开展。学习环正是为广大一线教师在具体操作层面上提供了一种可供借鉴的较成熟模式，但如何更好地切合自己的教学，还需要教师在教学中具体地探索。只有不断的探索――发明――应用，才能更好地发展化学教学的艺术。
参考文献：
[1]孔耀.谈“5E学习环”教学模式在高中化学教学中的实践与探索[J].化学教与学，2012，（3）：43～45.
[2] Wise K， Bluhm W J. scientific Observation and the Learning Cycle： Burning the Candle at Both Ends [J]. Journal of College Science Teaching，2007，37（3）：58.
[3]刘知新.化学课堂教学模式初探[J].化学教育，1982，（5）：24～27.
[4]杨东移.学习环运用于高中化学教学的研究[D].苏州：苏州大学硕士学位论文，2011.
[5] Wulfsberg Gary. A Piaget Learning-cycle Laboratory Approach to Teaching Descriptive Inorganic Chemistry [J]. Journal of Chemical Education，1983，60（9）：725.
[6]何长庚.“探索-研讨-练习”三环教学法初探[J].化学教学，1988，（2）：2～6.
[7] Fowler Linda S. An Application of Piaget’s Theory of Cognitive Development in Teaching Chemistry： The Learning Cycle [J]. Journal of Chemical Education，1980，57（2）：135～136.
[8][11]林静. CAT：基于学习科学的科学概念学习环[J].全球教育展望，2009，（10）：31～35.
[9]吴霞玲，刘娟娟.浅析“5E学习环”在初中化学教学中的运用[J].化学教育，2012，33（5）：28～30.
[10]朱玲，王后雄.元认知学习环（MLC）教学模式及其在化学教学中的应用[J].中小学教学研究，2010，（8）：3～4.
[12]杨承印，马艳芝.我国“探究教学”研究十年[J].教育学报，2007，（2）：46～49，61.
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关键词：学习环模式；中学化学教学；化学能与热能；5E学习环
文章编号：1005?6629（2014）4?0026?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
学习环是20世纪60年代美国学者阿特金和卡普拉斯在科学课程改革研究中提出来的一种科学教学模式。它基于皮亚杰的认知发展理论，以科学探究为核心，本质是教学流程的模式化[1]。它被誉为“指引科学教学走出困境的一座灯塔”[2]。我国在20世纪80年代已引入学习环模式[3]，其中以刘知新先生为代表的老一辈化学教育工作者发挥了重要作用。当前我国化学教学模式百花齐放，但水平参差不齐，尤其绝大多数模式都拘泥于某一类知识或者某一知识点，很难大范围推广使用。笔者在研究了多种化学教学模式理论之后，发现学习环模式仍然是比较适合化学教学的有效模式，尤其对新教师而言，学习环模式操作简便、易于掌握。
1 学习环模式理论概述
1.1 学习环的分类
根据所学知识性质和对学习结果要求的不同，学习环分为三种类型：描述型学习环、经验-诱导型学习环和假设-演绎型学习环[4]。这三类学习环的侧重点和对学习结果的要求如表1所示[5]：
学习环有多种多样的表现形式，一般包括探索、发明和应用三个环节[6]。以探索为开端，学生从事各种探索活动，在已有经验的基础上产生认知冲突，自发地形成新的观点；发明阶段，学生对发现的新观点或想法命名，教师帮助学生澄清错误观念，形成科学概念；概念应用阶段，学生把新概念应用到不同的情境中去。这三个环节是一个有机的循环系统。在该过程中，教师只需提供必要的指导即可。
1.2 学习环的特点
学习环是一种行之有效的科学教学模式，它以科学探究为核心，但又区别于一般的探究教学，有其自身的特点[7]。
（1）系统性。它以探索为起点，让学生通过探究，自己习得概念的内涵，继而拓展、应用概念解决问题。概念的探索、发明和应用是一个完整的过程。
（2）循环性。探索――发明――应用――再探索……是一个循环往复的过程，但又不是简单的重复，而是一个螺旋上升的过程，每一次循环都是对上一次探索的提升。
（3）广泛性。学习环模式是理科教学的经典模式，可以广泛应用于不同的学科或同一学科的不同课程中。实践已经证明，它在数学、物理、化学、生物等学科都具有较强的适用性[8]。
1.3 学习环的典型模式
学习环模式自从被提出后就得到广泛研究，并有了较大的发展，产生了很多不同的变式。其中比较典型的有5E学习环、元认知学习环和CAT学习环。
（1）5E学习环。包含的步骤是：参与（Engagement）―探究（Exploration）―解释（Explanation）―精致化（Elaboration）―评价（Evaluation）（其关系如图1所示）。由于上述5个环节都是以“E"（英文）开头，所以被称为5E学习环[9]。
（2）元认知学习环。将科学教学过程划分为四个基本阶段，分别是概念评价/状况检查、概念探索/状况检查、概念介绍/状况检查、概念运用/状况检查，其中状况指学习者构建知识的四个条件，即不满意性、可理解性、合理性和丰富性[10]。
（3）CAT学习环。认为概念学习必须经历认知冲突（Cognitive Conflict）、抽象概括（Abstract & Generalization）和迁移运用（Transfer Practice）这三个基本环节，取这三个基本环节第一个英文单词首字母，将这个学习环简称为CAT学习环[11]。
以上几种模式是在学习环发展的过程中形成的几种比较经典的模式，它们一般是综合运用三种类别的学习环。当然，在运用不同类别学习环时，其侧重点会有所不同。例如5E学习环，比较适合探究教学，一般使用经验-诱导型学习环和假设-演绎型学习环频率较高；元认知学习环则较多使用描述型学习环和经验-诱导型学习环；CAT学习环则使用假设―演绎型学习环和描述型学习环较多。
2 学习环在中学化学教学中的应用
学习环模式在化学教学中有着广泛的应用。下面以5E学习环为例，笔者设计了人教版化学2（必修）“化学能与热能”的教学案例并进行教学实践，展示了学习环模式在中学化学教学中的应用。教学过程主要由五个部分组成：E1参与、E2探究、E3解释、E4精致化、E5评价，其中探究和解释是设计的核心。总体流程如图2所示。
2.1 参与阶段
参与阶段是教学过程的开始，起着明确学习主题和探究方向的作用，并且可以激发学生学习兴趣，调动学生积极性使其主动参与学习（见表2）。
评析：通过这一环节，创设学习情境，从身边最常见的实物入手，引导学生思考生活现象背后的化学原理，引起学生的思维共鸣，激发探究欲望。在教师适当提示下，学生认识到暖宝宝发热原理，即化学反应可以放热，进而将这一思想推广到生活中其他常见的实例，从而形成一个“探索――发明――应用”的小循环。
2.2 探究阶段
探究阶段是5E模式的主体，学生在这一阶段可以习得知识、掌握技巧。教师要为学生创造直接参与实验探究的机会和条件，让学生清楚探究目的和注意事项，充分参与实验探究，让学生的猜想在亲自参与实验探究的过程中得以验证（见表3）。 评析：紧接上一环节的认识――化学反应放热，本环节设计了系列实验探究，让学生直观认识到有些反应是放热的，有些反应是吸热的，从而引发认知冲突，进一步激发探究欲望，思考其中蕴含的化学原理。本阶段通过实验探究，让学生积累了一定的实验事实――化学反应可以分为放热和吸热，从而为解释阶段做铺垫。
2.3 解释阶段
解释阶段，学生总结上一环节探究所得经验，试从化学角度解释探究环节中的疑惑，并将之转化成可表达的概括性语言。教师要适时适度地引导学生，帮助其转变错误概念或非科学性认识，建立科学概念（见表4）。
评析：让学生从微观和宏观角度思考化学反应伴随能量变化的原因，引导学生总结判断化学反应吸热放热的方法，并通过实例讲解，帮助学生加深理解。此处本身也是一个“探索――发明――应用”的小循环。
2.4 精致化阶段
精致化阶段的目的是让学生“学以致用”，能运用所学知识在新的情境下解决问题，使学生的理论知识得到升华。习题的量可由具体课时内容与知识点难度决定（见表5）。
评析：学生通过应用知识解决问题，加深了对所学概念的理解。在精致化阶段，教师应注重教授利用知识从多个角度解决问题的方法，案例中所展示的仅为一个片段。学生通过本阶段的学习，初步学会应用知识，更深层次的复杂问题的解决，还需课后继续巩固。
2.5 评价
评析：评价可以分为两类，即过程性评价和总结性评价。同时，评价的主体也存在两个方面，即教师和学生。其目的是反馈问题，调整教学策略，优化教学。
3 对课堂教学的启示与思考
学习环模式在化学教学尤其是探究教学中有很强的可操作性，为教师开发教学设计提供了一种范式，其三种变式使其具有广泛适用性。当然，模式只是一种参考，化学教师在开展具体的教学时，要以自己所处的教学环境、学生情况而定，不可僵化照搬模式，应当活学活用。在应用学习环模式时，需要注意以下几点：
3.1 灵活选用学习环，提高教学效果
学习环模式揭示的是学生获得科学概念的一般过程，以此开发的教学过程能更好地使学生理解所学概念。在运用学习环设计教学时，一定要充分结合学科知识体系，针对知识特点设计，如化学教学中的元素化合物知识、基本概念和理论等知识，在使用学习环时，可以分别使用5E学习环和CAT学习环，甚至某些地方穿插使用不同学习环等，教学中每一个概念或原理的解释也可以设计成一个学习环，一个学习课题则是一个大循环。例如，在教学中，探索――发明――应用是不断循环的过程，在以上案例中的参与环节，就有对暖宝宝发热原理的探索，然后提出可能合理的解释即暖宝宝发热是由化学反应所致，最后将化学反应放热迁移到生活实例。因此，要准确理解学习环的内涵以及不同类型学习环的特点，做到灵活选用。
3.2 合理设计教学环节，优化教学过程
学习环模式倡导教学应是一个探索――发明――应用的过程，具体安排教学时，均有其固定流程，但这并不是机械地将教学过程划分为若干个环节，各环节是一个有机整体，因此在开发教学设计时一定要注意不能割裂教学过程。在设计教学环节时，还应特别注重问题情境的设计。学习环倡导教学过程的推进应依靠问题情境激发学生的认知冲突和探究欲望，进而通过探究获得概念原理，最终引入概念名称，习得新知。好的问题情境可以自然地推进教学进程。因此，问题的设计显得尤为重要，问题难度不能太高又要让学生必须通过探究或思考才能得出合理解释。另外问题必须具有可探究性，即教师要在问题中包含正确的思考方向。如案例中让学生根据产品说明书思考暖宝宝发热原理，明确了探索方向，避免了探索的盲目性；思考化学反应能量变化原因时，指明从宏观还是微观角度思考。这正是教师发挥学习引导者作用的体现。
3.3 善于运用评价反馈，调整教学策略
学习环模式特别注重评价的作用，尤其是5E学习环，将其作为一个单独的环节提出。评价贯穿于学习环模式的教学全过程，每一个概念的探索，每一个问题的解答，都有相应的评价。教师可以通过评价探查学生的学习状态，了解他们对概念的理解程度，同时也可以通过学生的反馈了解自己的教学行为是否有效，进而调整教学策略，改善教学行为，最终提升整体教学效果。在课后更要善于收集和分析学生的反馈信息，总结教学过程中师生的表现，发现教学中的不足，查漏补缺，改进教学策略，以期不断优化教学，构建高效课堂教学模式。
学习环模式是众多教学模式中的一种，在理科教学中的实用性已被大量实践证明。当前，我国课程改革提倡科学探究，但很多一线教师尤其是年轻教师往往不知该如何组织探究教学，或是探究表面化，或是限于个人经验而缺乏理论指导[12]，这些都不利于探究教学的大规模开展。学习环正是为广大一线教师在具体操作层面上提供了一种可供借鉴的较成熟模式，但如何更好地切合自己的教学，还需要教师在教学中具体地探索。只有不断的探索――发明――应用，才能更好地发展化学教学的艺术。
参考文献：
[1]孔耀.谈“5E学习环”教学模式在高中化学教学中的实践与探索[J].化学教与学，2012，（3）：43～45.
[2] Wise K， Bluhm W J. scientific Observation and the Learning Cycle： Burning the Candle at Both Ends [J]. Journal of College Science Teaching，2007，37（3）：58.
[3]刘知新.化学课堂教学模式初探[J].化学教育，1982，（5）：24～27.
[4]杨东移.学习环运用于高中化学教学的研究[D].苏州：苏州大学硕士学位论文，2011.
[5] Wulfsberg Gary. A Piaget Learning-cycle Laboratory Approach to Teaching Descriptive Inorganic Chemistry [J]. Journal of Chemical Education，1983，60（9）：725.
[6]何长庚.“探索-研讨-练习”三环教学法初探[J].化学教学，1988，（2）：2～6.
[7] Fowler Linda S. An Application of Piaget’s Theory of Cognitive Development in Teaching Chemistry： The Learning Cycle [J]. Journal of Chemical Education，1980，57（2）：135～136.
[8][11]林静. CAT：基于学习科学的科学概念学习环[J].全球教育展望，2009，（10）：31～35.
[9]吴霞玲，刘娟娟.浅析“5E学习环”在初中化学教学中的运用[J].化学教育，2012，33（5）：28～30.
[10]朱玲，王后雄.元认知学习环（MLC）教学模式及其在化学教学中的应用[J].中小学教学研究，2010，（8）：3～4.
[12]杨承印，马艳芝.我国“探究教学”研究十年[J].教育学报，2007，（2）：46～49，61.