基于设计思维的自适应赋能化学探究教学模式构建研究

摘要： 从创新思维培养的目标出发，将设计思维引入化学探究教学，借助经典DEIPT模型重构化学探究教学活动流程。同时考虑到设计思维实施对教学空间的要求，介绍了智能时代背景下自适应技术的功能、适配性与应用现状，以该技术为支持开发了基于设计思维的自适应赋能化学探究教学模式。以选择性必修课程“原电池”内容为主题设计了“设计最佳的原电池”探究教学案例，对该模式予以说明，并对自适应技术的发展作出展望。

关键词： 化学探究教学； 设计思维； 自适应学习

文章编号： 1005-6629（2023）04-0013-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  引言

在当前国家创新驱动发展的战略背景下，创新性人才的培养越来越受到重视。创新思维的培养也成为化学教学活动的重要目标之一。创新思维是指能形成有创新性和价值性的思想观念与理论方法的一种高级的、复杂的认知能力［1］。2017年版化学课标［2］中提出：倡导开展以化学实验为主的多种探究活动，激发学生兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力。因此探究活动的本质就是在问题发现及解决过程中实现实践创新［3］，它是化学教学中指向创新思维培养的重要载体。在此背景下，化学探究活动不断探索指向该目的改进，如引导学生发挥主动性进行探究与解释，同时注重全方位的学生评价。设计思维基于其在促进创新思维培养方面的重要意义也受到关注［4］。设计思维是个体为解决劣构问题，运用创新手段进行的一系列连续思考及行动的总和［5］。将设计思维融入探究实践，基于真实主题开展以项目为载体的迭代设计，使学生有目的地运用创造力，通过多种途径寻找解决方案并构建知识［6］，是化学学科培养创新型人才的必然选择。而设计思维活动价值的发挥对教学空间提出了较高的要求，传统教学空间的适应性与灵活性低，为该目标的实现带来一定阻碍。智能教育背景下的自适应学习技术能够很好地改善这一困境，使学习者在一定程度上依据自己的兴趣、需求和水平，积极主动地选择合适的学习内容［7］，这与个体创新息息相关。因此本研究尝试以自适应技术为赋能工具，在其支持下构建基于设计思维的化学探究活动，以“设计最佳的原电池”为例说明设计要点与流程，并对当前自适应技术的应用作出展望。

2  设计思维融入化学探究教学的意义

“设计思维”（Design Thinking）是通过为学习者提供适当的思维支架与方法支持，引导其逐步掌握方案构思、原型迭代等一系列创新方法技能，最终能够创造性地解决问题或设计创新产品的方法论与创造过程［8］。

化学探究活动同样承载着培养学生创新性解决问题的能力目标。在提出问题与假设、设计实施方案［9］等一系列实践过程中，学生获取证据并做出科学解释，在体验丰富的创造情感的过程中发展对客观事实和现象进行合理解释的学科高级能力。然而从创造性思维这一目标的实现出发，化学探究教学基于设计思维进行重构存在如下的必要性：

从活动目标上，传统探究活动常关注学科知识及可见的探究结论获取（往往是已知的科学原理等），而设计思维过程则以复杂问题为导向，除学科及跨学科知识外，更关注问题解决中的思维历程，突出体现在对对象（产品、用户潜在需求）与方法（产品的价值实现过程）两个未知点的探索，这正是促使创新发生的关键所在［10］。

从活动内容上，设计思维融合了工程设计方法、科学、艺术等学科［11］，其丰富的思维模式能够为探究活动的内容设计提供有力支持，能够在学科基础上拓展探究问题范围，激发学生动机。

从活动过程上，没有明确框架指引的探究易流于形式而接近于普通的化学实验活动，学生主体的探究氛围难以形成，学生的综合素养未得到关照。设计思维支持下的活动往往给予学生明确的思维策略与工具，使活动过程成为考虑社会需求与问题解决的建构过程，包含着“发散-收敛”思维与产品测试迭代的两个主要循环过程。此外，学生在共情过程中自己构建问题、寻找焦点，而非仅仅处理预先确定好的问题，能够发挥主观能动性。

综上，设计思维融入后产生了不断迭代的动态过程，在支持学生创新思维培养的同时发展了跨学科知识，增强了问题解决能力与社会素养，有利于“科学探究与创新意识”与“科学态度与社会责任”化学学科核心素养的发展。因此可以尝试从二者的共同培养目标出发，以设计思维为依据重构化学探究教学活动，以提供更清晰的活动过程支架，以更丰富的情境将学生思维的发散聚合与实验操作纳入过程，更明确地导向培养目标并做出全面的评价。

3  基于设计思维的自适应赋能的化学探究教学模式构建

3.1  基于设计思维的化学探究教学模式构建

本研究首先以设计思维为依托重构化学探究教学模式，包括活动目的、活动过程及活动评价三部分。

活动目的上，知识维度从学科知识扩展到跨学科背景知识，能力维度上创新思维的培养则被单独提出。活动过程是培养目标实现的主要载体，本研究依据当前教育领域最为经典与广泛使用的DEIPT设计思维模型，结合必要的思维工具进行重构。DEIPT模型是围绕“共情（Empathize）、定义（Define）、构思（Ideate）、原型（Prototype）、测试（Test）”五个环节的迭代过程。其中“共情”是指学生设身处地于情境中考虑受众需求，发散性思考问题背景及关联知识；“定义”即确定初步方案；“构思”是形成最终方案的过程，其结果是“原型”的产生，随后通过“测试”不断修正原型以确定最终产品。重构的基础在于，上述迭代过程能够满足科学探究的一般过程与培养目标要求，尤其凸显了创新思维的培养。活动评价亦为活动过程的最后环节，由于其相对独立性与重要性而被单独列出。最终将活动过程划分为课前准备、课中迭代及活动评价三大部分（如图1）。

3.2  自适应赋能的化学探究教学过程

外部教学环境对上述重构过程能否实现培养效能起到重要作用［12］。具体来说，该教学环境一方面需提供资源帮助个体进行发散思维；另一方面需提供引导帮助小组进行思维的收敛统一，包括提供实验材料、可灵活移动的座位；能够推送资源、记录参与轨迹、可视化绩效分析等帮助过程推进和记录的自动化工具等。这对重构模式的外部组织实施方式提出要求：在物理环境上，需要为学生提供能够满足探究推进的实验用具、展示白板等；而个性化资源支持、过程记录等环境要求，则因当前智能学习大背景下自适应技术的存在成为可能。自适应技术是多项智能技术的整合，能够根据不同学习者的认知风格、认知能力、动态表现等提供针对性、适应性的学习服务（Adaptive Learning）［13］。具体包括［14］：（1）自动记录过程数据：平台自动推荐符合学习者认知水平的个性化资源，根据其个性特征引导深化认知，同时自动记录学习过程和结果，持续刻画学习者模型；（2）学习者水平评估：通过学习分析对比录入数据与领域模型知识颗粒，评估学习者认知、情感和动作技能等方面的初始水平、目标需求和学习绩效；（3）数据反馈与资源推荐：学习推荐系统接收评估，自动推荐适切的学习内容、资源和路径。

自适应技术目前已逐渐成为新增关键教育技术之一［15］。情感分析、大数据等技术的不断涌现推进了人工智能与教育科学的深度交叉融合，当前的自适应系统已经从最初的智能到自适应，从感知到认知，从低级认知到包括初级意识的高级认知。以计算机为媒介，以学习平台为主要形式的自适应技术已经被许多机构使用，如美国的ALEKS，国内的作业帮、小猿搜题等，均能够实现上述部分或全部功能，基本能够依据学习者需求和学习特征提供开放式、关联式、分享式的学习方式以明确学习进度、提升学习效果。

综上所述，自适应技术赋能的教学环境下进行的具体教学过程可体现为如下四环节。

（1） 激发共情，明确方案。面对亟待解决的结构不良问题，学生需置身于情境中考虑：对于用户，何种产品被需要及设计方案何为。本研究选择“同理心地图（Empathy Map）”（如图2）思维工具辅助该过程进行。环境支持上，教师需在自适应平台上发布活动主题、筛选背景要点推送，学生独立思考完成地图（可按需调整内容与数量），并在教师引导下共同交流、聚合思维明确探究方向。随后类似上述过程，教师推送明确方向后的深入内容，学生借助POV（point of view）思维工具（如图3）聚焦探究问题与解决方案。

（2） 头脑风暴，确定方案。以小组合作为主要形式，借助SCAMPER思维工具（如图4；可替换）进行组内头脑风暴，交流原始方案并确定最终方案。环境支持上，自适应平台以数据辅助教师异质分组与及时干预、辅助学生在过程中获取资源与问题解决。

（3） 测试方案，调整原型。学生通过测试收集数据，如当前方案不符合预期则返回调整，这一阶段以实验操作为主。环境上，教师采用观察、后台数据监测等方式指导学生。嵌入自适应技术的虚拟实验室可用于测试环节以构建更完善的学习者模型。

（4） 交流结果，互动评价。在环境支持下，形成性评价在传统教师观察的基础上纳入了自适应平台的自动记录；终结性评价则包括教师直接评价与小组自评互评，课后教师也可借助平台推送适应性测验（见图5）。

4  基于创新思维培养的自适应赋能探究教学模式的应用——以“设计最佳的原电池”为例

本案例选自选择性必修课程原电池相关内容，该探究建立在学生已有知识基础上，能够在教师引导下进行；具有一定难度，可以引起学生兴趣，激发创新动力。该主题的教学目标如下：

（1）了解生活中的常用电池，感受其社会需求；（2）在掌握原电池基本构造基础上进一步深刻认识原理，设计多样原电池模型并探究效果；（3）在过程中发散与聚合思维，为现实问题寻求科学的解决方案，体会化学发展的重要意义。

环节1  （准备阶段）激发共情，明确方案

［教师活动1］教师课前发布探究主题——“设计最佳的原电池”并邀请学生讨论：电池是生活中的必备物品，作为电池设计者，会考虑哪些用户？他们具有何种需求？请大家结合平台推送与查找，使用同理心地图（如图2）列举对象与需求。

［预设学生反馈］学生接收个性化内容，了解背景知识后，可能提出：电池用途广泛但功能较一致，可将普遍的“用户”作为共情对象，用户需求可能包括：体积外观、操作便捷性、电流大小、可持续性、内部物质是否对人体或环境有害等。

［教师引导］根据大家的想法，我们可以将四个象限的主题基本确定为：

<使用体验>（包括电池体积、操作便捷性等）

<电池外观>（包括简洁外形等）

<电池性能>（包括电流大小、可用持续时间等）

<环保要求>（包括电池内部物质是否对人体或环境有害）

但由于目前改进对象仍为“原电池”，即一种将化学能转化为电能的最初始装置，电池外观简单直接，因此<使用体验>和<电池外观>将作为电池内部完善后考虑的优化内容，<环保要求>则要求大家尽可能选择绿色的材料与反应。综上，本次探究的方向聚焦于<电池性能>，即怎样组建电流大且持续时间长的“最佳”原电池呢？

［教师活动2］教师在自适应平台勾选原电池相关知识点推送并发布驱动性问题：结合单液原电池的组件与其中发生的氧化还原反应，思考哪些组件可能影响化学能到电能的转化效率？需要哪些药品与仪器？怎样获知电池效能？

［提供工具］请大家结合同理心地图与平台推送资源，使用POV工具（如图3）明确探究对象、目标与初步方案。