基于信息差理論下化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實踐

劉凱

傳統(tǒng)的化學(xué)課堂教學(xué)，往往注重課程知識的完整性與系統(tǒng)性，忽視學(xué)生在獲取知識過程的體驗與感受，導(dǎo)致學(xué)生遇到陌生情境的問題時常常束手無策。如何基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的框架下來組織課堂活動，從知識至上轉(zhuǎn)向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，將教學(xué)重心從知識的積累向?qū)W科思維模型的有意識轉(zhuǎn)化，探索學(xué)科核心素養(yǎng)下的教學(xué)方法和路徑，以幫助學(xué)生形成具有學(xué)科特質(zhì)的必備品格和關(guān)鍵能力。本文以“金屬的電化學(xué)腐蝕”教學(xué)案例為例，利用信息差理論，通過學(xué)生習(xí)得知識、整合知識，體驗知識的建構(gòu)過程，使學(xué)生對學(xué)習(xí)充滿好奇，對科學(xué)有探索精神，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，形成和發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、信息差理論的簡介

所謂“信息差”，是指教師以語言、圖形、圖像、聲音等形式的有效信息為媒介來表達(dá)數(shù)據(jù)、事實、思想、觀念、概念等時，所給的新信息與學(xué)生原有認(rèn)知之間存在差距，由于信息差的存在，促使學(xué)生查找、縮短信息差，從而實現(xiàn)對新信息的同化和吸收，其過程和結(jié)果將“擴建”或“整合”學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。在獲取知識需求的動因驅(qū)動下，在意義建構(gòu)框架下進(jìn)行深度思考，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，這種有效信息差的功能具有填充學(xué)生認(rèn)知上的缺陷，改變、完善學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

二、信息差理論教學(xué)基本模型

創(chuàng)設(shè)信息差，促進(jìn)學(xué)生運用化學(xué)學(xué)科的思維方法，合作探究所遇難題，填補信息差，促進(jìn)學(xué)生形成良好的建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu)，遷移解決實際問題。課堂基本教學(xué)流程包含：感知、疑惑；假設(shè)、猜想；檢驗、驗證；擴建、整合；運用、實踐等環(huán)節(jié)，見圖1。

在課堂活動中，學(xué)生行為主要包含：（1）積極感知信息差，產(chǎn)生疑惑和興趣，發(fā)現(xiàn)所要研究的問題；（2）運用化學(xué)學(xué)科的思想與方法進(jìn)行分析、推理，提出可能的假設(shè)；（3）通過事實、實驗驗證假設(shè)，基于證據(jù)事實取得共識；（4）整合新、舊認(rèn)知結(jié)構(gòu)，擴建認(rèn)知結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化為化學(xué)表述語言；

（5）運用新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)解決實際生活中的問題。

因此，對應(yīng)的教師行為主要包含：（1）在課堂中設(shè)計和制造信息差，引導(dǎo)學(xué)生從新的角度進(jìn)行思考，自然呈現(xiàn)問題；（2）引導(dǎo)學(xué)生討論，對討論遇到的困難提供必要的幫助；（3）準(zhǔn)備事實素材或?qū)嶒炗闷?，協(xié)助完成檢驗、驗證活動；（4）修正學(xué)生在整合、擴建認(rèn)知結(jié)構(gòu)過程中出現(xiàn)的偏差；（5）提供實際生活中的問題信息素材，以供遷移運用。

三、基于信息差理論下化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的案例分析

以下以蘇教版高中化學(xué)選修《化學(xué)反應(yīng)原理》的專題1第三單元“金屬的電化學(xué)腐蝕”為例，闡述信息差理論在教學(xué)活動中的應(yīng)用。

1.設(shè)計思路

“金屬的電化學(xué)腐蝕”一課，是在學(xué)生學(xué)習(xí)了原電池等電化學(xué)原理之后，對“宏電池”有了初步了解的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)入“微電池”的認(rèn)識與學(xué)習(xí)。“微電池”模型的學(xué)習(xí)，能促進(jìn)學(xué)生化學(xué)微觀思維能力的發(fā)展，從而從本質(zhì)上理解化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的區(qū)別；從“微電池”反應(yīng)的普遍性，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)腐蝕的普遍性，并對金屬在溶液中的反應(yīng)行為有了新的認(rèn)識，學(xué)生能從中體驗“重整”、“擴建”認(rèn)知結(jié)構(gòu)后視野變寬的探究樂趣。

2.教學(xué)過程的主要環(huán)節(jié)

教學(xué)環(huán)節(jié)1：實驗輔助模型演變，建構(gòu)認(rèn)識電化學(xué)腐蝕

教師活動：銅鋅原電池是一個常見的原電池，能把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，見圖2。請同學(xué)們判斷一下，圖3中的這些情況還能發(fā)生原電池反應(yīng)嗎？

學(xué)生活動：思考判斷，討論交流，總結(jié)匯報。

教師活動：剛才同學(xué)們的結(jié)論有爭議，可以通過實驗來檢驗一下。但是檢驗的時候，需要解決一個問題，圖3中的裝置沒有連接電流表，根據(jù)什么現(xiàn)象來判斷是否發(fā)生了原電池反應(yīng)呢？

學(xué)生活動：討論，回答。

教師活動：同學(xué)們對原電池的反應(yīng)理解地非常到位。讓我們動手實驗一下，看看哪些情況下，銅片上有氣泡冒出？

學(xué)生活動：動手實驗，觀察記錄，整理匯報。

教師活動：通過剛才的實驗，發(fā)現(xiàn)這三種情況都能發(fā)生原電池反應(yīng)。同學(xué)們根據(jù)原電池的工作原理，來描述一下圖2和圖3中，原電池的不同之處。

學(xué)生活動：觀察，討論，匯報。得出只是電流回路的形式不同。

教師活動：原電池反應(yīng)，不一定要有明顯的、可觀察的電流回路；像圖3一樣，不同的金屬，直接接觸也會發(fā)生原電池反應(yīng)。那么，請繼續(xù)判斷圖4這些情況是否能發(fā)生，并用實驗驗證一下吧。圖4

學(xué)生活動：實驗驗證，判斷銅上均有氣泡冒出。

教師活動：大家的判斷都很準(zhǔn)確，與實驗結(jié)果吻合。那么，試想，將鋅粒直接放入稀硫酸中能發(fā)生原電池反應(yīng)呢？

學(xué)生活動：思考、辯論。

教師活動：剛才大家都充分表達(dá)了自己的看法和理由。而意見分歧的關(guān)鍵，其實在于鋅粒的成分。理想狀態(tài)下，鋅粒指的是純鋅；但實際上，鋅粒是無法做到絕對純凈的。不純的鋅粒中，鋅原子與Fe、Pb等原子直接接觸，見圖5。

教師活動：當(dāng)不純的的鋅粒遇到硫酸，會發(fā)生原電池反應(yīng)。但是這樣的原電池反應(yīng)，其化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能后，由于電能無法利用，最終只能以熱能（電阻發(fā)熱）的形式白白浪費掉了。因此，金屬腐蝕通常指金屬或合金與周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而腐蝕消耗。由于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而使較活潑的金屬被氧化腐蝕，稱為電化學(xué)腐蝕。而金屬與其他物質(zhì)直接接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，稱為化學(xué)腐蝕。生產(chǎn)生活中，金屬被廣泛使用，我們有必要深入學(xué)習(xí)金屬腐蝕，以期找到金屬防護(hù)腐蝕的方法。

設(shè)計意圖：通過原電池模型的演變設(shè)計信息差，創(chuàng)造學(xué)生認(rèn)知與復(fù)雜情景之間的沖突；引導(dǎo)學(xué)生運用原電池原理進(jìn)行推理、判斷，結(jié)合實驗驗證加強或修正已有的認(rèn)識模型；運用模型解釋復(fù)雜原電池的反應(yīng)現(xiàn)象，探究電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)規(guī)律。

教學(xué)環(huán)節(jié)2：實驗探究，認(rèn)識吸氧腐蝕

教師活動：生活中，還有一種情況是否引起同學(xué)們注意：即使鐵制品沒有接觸酸性物質(zhì)，也會容易發(fā)生腐蝕。這是為什么呢？endprint

學(xué)生活動：回答——鐵制品與氧氣、水等物質(zhì)接觸而生銹。

教師活動：如輪船長時間與海水接觸，船體外殼特別容易發(fā)生腐蝕。由于腐蝕是一種氧化還原反應(yīng)，請判斷氧化劑、還原劑分別是什么？

學(xué)生活動：回答——鐵是還原劑，氧氣是氧化劑。

教師活動：那么，從微觀角度來看，鐵原子、氧氣分子在腐蝕后將形成何種微粒？

學(xué)生活動：思考、回答——Fe2+、OH-等。

教師活動：那么有什么辦法可以檢驗這些微粒？

學(xué)生活動：思考、討論、回答。

教師活動：剛才大家提了很多辦法檢驗。今天我們分別用鐵氰化鉀、酚酞來檢驗鐵吸氧腐蝕的生成物是否存在Fe2+、OH-等。

教師活動：演示實驗——在鐵片上滴加氯化鈉、鐵氰化鉀、酚酞的混合溶液，見圖6。

（左圖：鐵片上滴加NaCl、酚酞和鐵氰化鉀的混合溶液。

右圖：液滴的邊緣，酚酞變紅，中間部分鐵氰化鉀變藍(lán)。）

學(xué)生活動：觀察，描述現(xiàn)象。在腐蝕過程中，F(xiàn)e失去電子生成Fe2+（鐵氰化鉀變藍(lán)），可能是氧氣獲得電子生成OH-。

教師活動：在腐蝕過程中，F(xiàn)e失去電子生成Fe2+，可以從鐵氰化鉀變藍(lán)得到證明。但“OH-是由氧氣獲得電子而來”，證據(jù)是否充分呢？

學(xué)生活動：討論，提出另一種可能性：2H2O+2e-H2↑+2OH-，并提出兩種檢驗方案——檢驗氧氣的消耗或檢驗氫氣的生成，最終一致認(rèn)定檢驗氧氣的消耗是可行性比較好的方案。

教師活動：演示DIS手持技術(shù)探究實驗過程氧氣濃度的變化，見圖7。

圖7

學(xué)生活動：觀察、匯報——氧氣在鐵的腐蝕過程，消耗明顯，并同時得到OH-。

教師活動：宏觀角度，鐵的腐蝕現(xiàn)象分成兩個部分分別發(fā)生在兩種不同的位置。能否結(jié)合反應(yīng)模型從微觀角度解釋一下，并用化學(xué)符號進(jìn)行表示。

學(xué)生活動：鐵在NaCl溶液中的腐蝕具有典型的原電池反應(yīng)特征——水膜邊緣比較薄，利于氧氣溶解，為原電池的正極；反之，水膜中心位置較厚，不利于氧氣溶解，為原電池的負(fù)極，并寫出電極反應(yīng)式。

教師活動：根據(jù)同學(xué)們所寫的電極反應(yīng)式和電池方程式，并不能解釋鐵的腐蝕最終生成鐵銹的現(xiàn)象。請思考一下，鐵銹如何生成？

學(xué)生活動：討論，提出從Fe（OH）2得到鐵銹，需要經(jīng)歷氧化和分解兩個過程。并進(jìn)一步討論認(rèn)定，先氧化再分解比較合理，最終用化學(xué)方程式表示后續(xù)的化學(xué)變化。

教師活動：在潮濕環(huán)境下，金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的過程中吸收氧氣，稱為吸氧腐蝕。在生產(chǎn)生活中，由于潮濕環(huán)境、接觸氧氣都是比較常見的，所以研究吸氧腐蝕也是很有意義的。

設(shè)計意圖：通過實驗，使學(xué)生原有認(rèn)知與吸氧腐蝕原理之間產(chǎn)生信息差，在師生對話、分組討論中，學(xué)生從問題出發(fā)設(shè)計探究方案，進(jìn)行實驗探究來“填補”信息差。探究過程中，注重學(xué)生基于實驗現(xiàn)象推理分析現(xiàn)象、結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，提高學(xué)生證據(jù)推理的嚴(yán)謹(jǐn)性。

教學(xué)環(huán)節(jié)3：改進(jìn)實驗裝置，對比析氫、吸氧腐蝕差異性

活動與探究：向還原鐵粉中加入少量的炭粉，混合均勻后，裝入甲、乙兩支具支試管底部，通過a、b膠頭滴管分別滴入等量的氯化鈉溶液和稀醋酸（見圖8）。幾分鐘后，觀察、比較U型管中紅墨水液面高低變化。

圖8

學(xué)生活動：觀察、匯報——液面左高右低。

教師活動：實驗現(xiàn)象背后原因是什么呢？

學(xué)生活動：思考、回答——甲管中屬于吸氧腐蝕，消耗氧氣，壓強減小；乙管中壓強增多，可能生成H2等。

教師活動：我們把活潑金屬在酸性較強的環(huán)境中，正極析出氫氣的一類電化學(xué)腐蝕，稱為析氫腐蝕。

學(xué)生活動：圖8實驗過程中發(fā)現(xiàn)：U型管內(nèi)液面高度最終有所下降趨于等高。

教師活動：實驗發(fā)生“意外”了嗎？實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差可能和哪些因素有關(guān)？

學(xué)生活動：思考、設(shè)計實驗（增大圖8膠頭滴管b內(nèi)醋酸的濃度），觀察現(xiàn)象（此時圖8中U型管內(nèi)明顯左高右低）。

得出結(jié)論：在酸性較強環(huán)境中，發(fā)生析氫腐蝕；而在酸性較弱環(huán)境下，先發(fā)生析氫腐蝕，后發(fā)生吸氧腐蝕。

設(shè)計意圖：實驗的魅力在于實驗結(jié)果的不可預(yù)測性，在探究過程中可能會出現(xiàn)一些“意外”，與所預(yù)期的有所差別，當(dāng)理論和實際不相符時，學(xué)生會質(zhì)疑、猜想，教師若能適時啟發(fā)學(xué)生打破常規(guī)，積極思考，主動探究，尋求真知，那么學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)必將得到發(fā)展。

四、結(jié)論與啟示

發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)是課堂教學(xué)活動的高級目標(biāo)，而運用信息差理論進(jìn)行教學(xué)是實現(xiàn)這一目標(biāo)的一種途徑?！靶畔⒉睢钡拇嬖趧?chuàng)設(shè)了課堂活動的情境主題，不僅能充分調(diào)動學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的興趣，并為探究活動的提供問題素材。填補“信息差”的過程，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，設(shè)計合理的方案進(jìn)行探究活動，將宏觀現(xiàn)象與微觀行為聯(lián)系起來，結(jié)合反應(yīng)原理分析化學(xué)變化的過程與結(jié)果，注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)崇真的科學(xué)精神，最終建立符合化學(xué)變化的本質(zhì)規(guī)律的模型，并能用于分析解決更多的實際問題，從而實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（收稿日期：2017-04-15）endprint