技術素養培養視角下的“電解原理的應用”

梁宵+陳凱+姚遠遠+白濤

摘要：在“電解原理的應用”教學設計中關注技術素養的培養，提供化工技術的學習情境，強調作為技術基礎的科學知識重要性。通過技術要素的討論強化技術思想，并借助微型化學實驗的實踐機會提升學生技術能力；學生還要體驗技術理性，認識到科技風險并作出相應的決策。

關鍵詞：電解；應用；技術素養；技術思想；科技風險

文章編號：1005–6629（2017）12–0033–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 技術素養培養的重要性

技術是人們為了改造自然以適應自己需要，而有目的地運用資源、發明工具以及制造使用這些工具的能力和知識的集合。技術是日常生活的一部分，與人類文化有相互的影響，也影響著個人、家庭及社會的發展。科學技術化、技術科學化，科學與技術兩者之間的關系越來越密切，由各自獨立逐步走向一體化共同影響社會的發展。

為了更好地適應現代社會生活，當代公民必須具備一定的技術素養。美國國際教育技術協會將“技術素養”定義為“使用、管理、評價和理解技術的能力”。技術素養對于學生的個人發展和終身學習發揮著至關重要的作用，因此得到了廣大教育研究者的關注，并力圖使科學教育和技術教育相融合，即在強調科學素養的同時，也關注學生的技術素養的形成。但是，科學與技術的差別依然存在，即使可以互補，卻也不能合二為一、互相替代。因此，只把科學作為客體而不涉及技術的科學教育是不恰當的、不可能的，用科學教育完全取代技術教育也是不合理的[1]，但是在科學課程中補充技術教育，在一定程度上強化技術素養還是有可能的。

化學作為科學課程的主要組成部分，是發展學生技術素養的重要載體，高中教材既在必修模塊中強調“正確認識科學、技術與社會的相互關系”，又專門設置《化學與技術》模塊集中地探討化學課程中的技術素養；高中化學課程標準修訂中也突出對化學研究技術及應用的關注，建議回顧我國體現化學科學技術應用的重要成果；化學教學中與生產實際的聯系以及演示、分組實驗過程都或多或少體現著技術課程的內涵。如果用技術教育理念有意識地指導化學教學，將有利于達成化學新課程中技術素養的培養目標[2]。不過技術素養不是一蹴而就的，在化學教學中，可以將技術素養的各個層次要求與相關的主題或章節教學融合，有所區分地強化技術素養的構建。

2 技術素養的層次及培養策略構建

國際技術教育協會將技術素養分為4個層次：（1）技術知識，包括技術概念、技術原理等；（2）技術能力，包括按照規范操作、使用、理解技術的技能和能力；（3）技術思想、技術方法及技術設計，包括對過程、方法的關注，具有明確的技術思路，能對技術活動作整體設計；（4）技術理性、技術評價及技術決策水平：具有批判意識、風險意識、社會意識和環境意識，既有工具理性更有價值理性，重視并能恰當地評價、決策和管理技術，注意避免濫用技術對人、社會和自然造成傷害[3]。

技術素養的培養首先得強調知識，沒有知識的素養好比無源之水、無本之木。化學作為化學工程與技術的基礎學科之一，強化理解化學概念或原理有助于技術素養的養成，有助于對技術作出更好的評價和改進。化學教學中的技術知識不僅僅立足于技術背景，更具有工業實踐意義和生活應用價值，針對化工技術涉及的化學原理進行提問和訓練，針對技術流程中的疑難進行深度分析和反思，可采用以下策略：情境呈現-知識回顧-基礎訓練-拓展閱讀-應用訓練。

其次，知識的積累并不等同于素養的發展，任何策略都離不開實際問題的分析和處理——這是技術問題的實踐性決定的，實踐活動是夯實知識基礎、訓練學科思維的載體。因此技術素養在能力培養方面要立足于實踐性，突出對科學理論應用價值的特點。技術能力的培養主要依托模擬實驗或模型構建活動，只是中學課程不可能讓所有學生都親臨工廠操作這些技術，也不可能把工藝流程完全照搬進課堂，完成該層次的培養可以依照以下策略：背景介紹-模擬實驗-對照分析-反思評價。

第三，技術思維是技術素養的內核，知識與實踐要上升到思維層次才能更大發揮作用。化學課有必要了解從實驗室研究到工業化生產過程中蘊涵的技術要素：包括成本控制、合理設計、安全可靠等；能夠運用所學知識對化工實際技術問題進行合理分析。技術認知和科學認知在思維方式上有所不同，顯然技術認知偏向于綜合，而科學認知則偏向于分析。技術學習的對象、需要技術解決的問題，本身就是廣泛的、綜合的，所以在技術思維培養、技術方法訓練過程中，有必要依據學生的特長和個性化思路設計體現學科特色的技術性問題組織討論。故可參考以下教學策略：提出問題-組織討論-總結升華。

最后，技術理性、技術評價和技術決策層次的素養建構一方面取決于學習者長久以來的學習習慣和學科視野，另一方面也依賴于教師在教學中潛移默化的引導。技術理性蘊含著豐富的人文內涵，反映了技術知識的規律，是技術實踐活動的指針，技術素養的靈魂[4]。化學教學中的技術素養不僅需要意識到科學與技術的發展可能帶給社會風險[5]，還要在批判的基礎上對已有科學技術的應用進行創新性的思考。該層次可采用以下教學策略：案例分析-風險評價-決策反思——但是基本上都需要結合其他素養層面進行整合。

3 基于技術素養培養的“電解原理的應用”教學例析

為了踐行技術素養培養策略，本課時利用技術背景下的情境脈絡，選擇了電解飽和食鹽水和電解氧化鋁這兩個與技術相關的核心知識，圍繞前一個主題設計了微型電解實驗作為實踐活動體驗提升技術能力，其中對技術要素的討論有利于技術思維的培養；而后一個主題則通過多層次的問題討論訓練批判性思維；課例中用廢水處理實驗活動對技術能力和技術思維兩個層面的素養培養；而科學風險認知及決策能力的技術理性和人文思考融合在每個環節。限于篇幅，“電解原理的應用”教學環節和設計意圖列簡表如表1所示。endprint

下面我們針對教學設計中關注技術素養的細節按照其層次要素分類呈現和分析。

4 教學過程設計

4.1 技術知識的深化和拓展

片段1 氯堿工業情境介紹后的階段練習

練習：書寫電解飽和食鹽水的化學方程式；陰極陽極各發生什么反應及其反應式？

要求書寫電極反應式及電解的總反應方程式，是電解教學中不可或缺的基礎要求，更是對技術背后的科學知識的強化。片段1重溫了必修模塊已經涉及到的部分反應，并不是簡單地重復化學方程式的書寫。

片段2 熔融電解質中的電解

[教學過渡]必修模塊中學習到的金屬鈉、鎂制備，都不是在溶液中進行的，為什么需要在熔融狀態下進行？

[情境創設]（播放視頻）某專家在某訪談節目中說到炒菜時食鹽放得較早會分解為鈉和氯，這種說法對嗎？如果你想解決這個問題，需要老師提供怎樣的信息或者數據來幫助你的論證？

[學生活動]討論，回答。

[教師提示]提供證據表明氯化鈉無法加熱分解為鈉和氯氣。

[教師講述]其實在兩百多年前，英國科學家戴維也曾有過這樣的經歷，戴維試圖用電解氫氧化鉀水溶液的方法得到鉀單質，但是卻沒有成功，后來他嘗試電解熔融的KOH，得到了K單質，同年戴維通過電解蘇打制得了金屬鈉，之后他還用相同的原理制得了金屬鈣、鎂、鋇、鍶……

[教學過渡]既然金屬鈣、鎂、鋇、鍶……可以通過電解熔融的氯化物得到，那么能否通過電解熔融的AlCl3來制備金屬Al呢？

[教師提示]通過這幅圖（如圖1所示），發現了怎樣的規律？

[教師講解]從氯化鋁結構角度分析。

[教師提問]（1）為什么要選擇熔融氧化鋁作為電解制備鋁的途徑？

（2）冰晶石在這個實驗中的作用是什么？

[教師提示]提供冰晶石的資料，指導如何從文獻資料中獲取解決問題的證據。

從鹽水中自由移動的陰陽離子，到熔融鹽中破壞離子鍵產生的離子，再到氧化鋁和氯化鋁的結構對比，均圍繞電解原理分析可行性，進而深入把握相關的技術問題。

4.2 基于模擬實驗過程的技術能力培養

雖然中學化學課堂不能給予化工技術真實的體驗，但是通過模擬化工的實驗活動，一方面給學生提供豐富的動手操作學習活動機會；另一方面則是將理論與實際經驗進行相互印證，給學生提供更寬廣的應用技術空間以培育學生的創造力。

片段3 pH試紙上的微型電解

[學生活動]在用飽和食鹽水潤濕的pH試紙[7]上完成微型電解實驗[8]。

[問題設計]怎樣的現象能作為之前你對電解飽和食鹽水深入認識的證據？

[學生活動]整理思路，語言表達。

[問題深化]

（1）pH試紙在本實驗中的作用是什么？

（2）還有什么方法可以替代pH試紙來表征兩極的反應？

電解飽和食鹽水不適合課堂實驗演示，教材又缺乏適合學生自行探究的電解實驗。所以片段3在學生了解氯堿工業之后，提供簡單易得實驗材料供學生進行實驗操作，該微型實驗操作方便，實驗現象直觀明顯，不僅加深了學生對電解原理的理解，還增強了學生的實驗操作能力——也是對技術能力的模擬訓練。由兩極的現象彰顯電極反應的微觀原理，再聯系電極反應式的書寫，借助實驗技術實現宏觀、微觀和符號三重表征。

片段4 廢水處理的微型實驗

[學生實驗]教師提供操作流程

[教師投影]

片段4再次應用微型實驗進行模擬化工技術，借此創造技術能力的訓練平臺，啟發學習者對化學化工中科學知識和技術問題的深度思考——對技術的應用，不再限于多媒體呈現式的介紹。

4.3 通過技術要素的討論強化技術思維

片段5 氯堿工業的技術要素討論

[教師提問]可能有哪些途徑會造成氯堿工業產品的不純凈？

[學生活動]討論，回答。

[教師演示]呈現化工上應用的設備示意圖。

[教師講述]圖3上圖增加了石棉隔膜，能阻止氣體通過，但不能阻止水分子和離子通過，鈉離子移向陰極區，氯離子（氫氧根離子）移向陽極區[10]。

[教師提問]（1）在工業生產中如何避免Cl-遷入，OH-遷出？

（2）請同學們根據反應原理推測①～⑥的物質分別代表什么？

[教師小結]圖3下圖離子交換膜的作用；電解過程中的微粒變化。

在片段5中比較隔膜法和離子膜法，引導學生從生產成本、環境污染、生產效率等方面體驗技術要素的方方面面；整合《化學與技術》模塊，有利于學生多角度去思考化學原理在技術實踐過程中的解釋和應用。

片段6 工業制鋁的技術要素討論

[組織討論]（1）為什么不能選擇活潑金屬作為陽極？（2）石墨電極作為陽極也有一定的缺陷，請你結合陽極的產物說說使用石墨電極有哪些缺點？

[學生活動]觀察教師提供的石墨棒，討論，回答可能原因。

[教師講述]正因為石墨有一定缺陷，很多國家都在致力于研究新的材料來取代碳素陽極。金屬陶瓷就是其中之一。endprint

[資料卡片]金屬陶瓷集中了陶瓷材料（耐腐蝕、抗氧化）和金屬材料（好的導電性和高的抗熱沖擊強度）的優點，是一種較好的惰性陽極材料。金屬陶瓷陽極具有優良的抗熱震性，同時顯示出較好的抗氧化、耐冰晶石熔鹽腐蝕性能[11]。

片段6通過討論石墨電極存在的缺陷，引導學生從不同的角度來思考問題，技術知識和技術思想得以不斷強化，學生對于實際問題的認識也因此得以拓展。

片段7 體現綜合性和創造性的課外技術實踐任務

為了強化應用意識，提供下列兩個任務，希望分組合作，在查閱文獻的基礎上，設計微型化學實驗來完成阿司匹林銅[12]、高鐵酸鹽[13]的電解制備任務，想一想，這些制備的化學物質可能為人類帶來些怎樣的改變？（選擇其一即可）

在技術和工程領域，設計和制作是技術設計活動中的主要環節，設計環節主要需要動腦，而制作環節主要是動手，實現自己的想法，但是動手和動腦往往密不可分，實際的技術操作過程中，往往會發現原先的設計有不合理的地方需要重新考慮，也會碰到一些具體技術難題需要調用各方面的知識解決。課內的實驗往往限于時間，不能充分實踐和思考，所以需要課外的動手機會，以達到最大的技術能力提升。片段7的兩個實驗均為筆者曾經研發的創新體系微型實驗案例，有機化學基礎、物質結構與性質、必修1的無機元素及化合物的知識都有所滲透。傳統的化學作業方式往往限于識記水平的復述和紙上談兵的知識應用，缺少可操作的實踐任務，不利于學生的技術素養提升。所以在學生可接受的知識層次以及利用生活中可以獲取的素材，嘗試進行力所能及的實驗設計。課堂之外為學生提供的開放性實驗研究任務，超越傳統科學課堂對顯性知識學習的關注，而轉向領會、把握、重組經驗以及實踐體驗等隱性知識表現——只有自己的不斷摸索和親身經歷，才能逐漸積累和豐富，最終達到提高創造力的目的。

4.4 科學風險認知和決策中的技術理性培養

電視節目里所謂“專家”傳播的偽科學信息令人警醒，工業史實有助于學生融入對技術的情感，我們有理由相信科技和人文共同指向真善美的理想境界，科技所蘊含的理性與人文的統一也會打動學生的心靈。

片段8 電解法制備鋁的批判性思考

[拓展提問]必須用離子化合物氧化鋁作為制備鋁的電解原材料嗎？

[補充資料]提供離子液體電解鋁的典型文獻，介紹科技前沿的同時，要求學生根據已有電解知識寫出文獻觀點相應的電極反應式。

片段8表面上是拓展科技前沿，深化學生對電解質溶液和電解原理認識，其實是借助這些素材打破已學過的必修教材的傳統認識，考究文獻中的證據來對傳統方法的不足進行批判性認識，發展學生的技術理性。

對于潛在的科學風險，化學教育工作者必須通過多種途徑培養學生的風險認知能力，樹立技術服務于人類的觀點，也要注意技術應用的后果；讓他們既具備風險意識，了解風險發生的可能根源，又力所能及地計劃或做出決策，預防風險的發生[14]。針對片段3，我們補充提供了第三個問題：如何處理微型電解實驗中的潛在危險？將微型實驗的功能拓展到實驗操作之外，引導學生反思電解飽和食鹽水實驗的安全問題，有助于他們的技術理性思考，在對于科技風險認知過程中鍛煉決策能力。

5 結語

要培養學生的技術素養，教師首先需要具備較高的技術素養水平，作為化學教師，需要充分理解化學化工技術是針對具體的化學化工生產中的現實問題提出的解決思路和途徑，新技術的產生是基于生產中遇到的各種問題，而新技術的設計過程與已有的技術水平、生產中的現實條件對環境的影響以及生產成本等密切相關[15]。需要教師經常進行實地考察，獲取真實的化學化工生產經驗。從這點上反思，我們的教學設計還只是紙上談兵，技術素養培養的探索還在繼續。

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