基于氯堿工業(yè)情境的電解知識思維模型建構

陶杰 張賢金

摘要：基于氯堿工業(yè)為情境素材載體，以離子交換膜為主線創(chuàng)設問題鏈，實現(xiàn)情境對接和遷移應用，從“識膜”“析膜”“用膜”升華到“建模”，搭建“情境、知識、問題與素養(yǎng)”四要素的教學框架;圍繞“4階段8步驟”的建模歷程，構建化學學科素養(yǎng)導向下的“微粒運動”“微粒變化”和“裝置模型”的電解知識思維模型。

關鍵詞：氯堿工業(yè);情境;電解;思維模型

文章編號：1008-0546（2019） 11-0073-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019. 11.020

一、問題的提出

《美國國家科學教育標準》中對模型的定義表述為：“模型是與真實物體、單一事件或一類事物相對應的而且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構”[1]。模型建構是指對研究樣本進行實踐分析和證據(jù)推理，利用簡化、類比和抽象等方法，將研究樣本的本質(zhì)特征和內(nèi)在關聯(lián)形成概括性描述或認識思路，反映出原型的功能、結(jié)構、屬性、關系以及過程等本質(zhì)特征的物質(zhì)或思維形式[2]。建模是一種觀念、對象、過程或系統(tǒng)的表征，臺灣學者邱美虹教授提出了“4階段8步驟”的建模歷程，如圖1所示。

電解知識是化學原理教學體系的重要組成部分，電解原理是發(fā)生在電子導體（電極）與離子導體（電解質(zhì)溶液）接觸面上的氧化還原反應，這其中既包括裝置實物模型，也包括原理理論模型，針對此進行模型建構有助于引導學生建立認識框架和分析思路。電解裝置和工作原理凸顯素養(yǎng)功能，其用途彰顯學科價值。電解的工業(yè)應用是高考中的熱點領域，離子交換膜解決了復雜工藝問題，近五年新課標I卷電解應用（關于離子交換膜）統(tǒng)計如表1，主要表現(xiàn)在物質(zhì)制備和廢物處理等新情境問題解決方面。因此，融入離子交換膜的電解知識思維模型建構更貼近工業(yè)實際，有助于模型的完善與精致化。

二、課堂教學設計與評價思路

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出以化學學科素養(yǎng)為導向的命題框架，如圖2所示，將“情境”“問題”“知識”“素養(yǎng)”4個要素進行定位與相互聯(lián)系，以核心素養(yǎng)為宗旨，以真實情境為載體，以實際問題為任務，以化學知識為解決工具[3]。基于此，高三復習課教學可以搭建“情境、知識、問題與素養(yǎng)”的教學框架。

氯堿工業(yè)是無機化工的基礎產(chǎn)業(yè)之一，隔膜電解法是其較為成熟的工藝，在蘇教版教材中多次引入氯堿工業(yè)的裝置圖，是學生較為熟悉的電解實際應用。根據(jù)建構主義的“支架式”理論，以氯堿工業(yè)為情境，通過其支撐搭建連續(xù)型支架和垂直式支架，將教材知識進行拓展遷移，可以將學生的認知發(fā)展由實際水平提升到潛在水平，實現(xiàn)進階學習。教學基于離子交換膜視角提出問題串，選擇電解應用真實情境素材，創(chuàng)設陌生的實際問題，實現(xiàn)情境對接和遷移應用，如圖3所示，建立認識電解知識的角度、思路和思維方式，促進化學學科核心素養(yǎng)的落地生根。

教學設計圍繞建模的四個階段，從實際應用抽象出模型，再回歸到實際應用之中，從“識膜”“析膜”“用膜”升華到“建模”;從淺層學習到深度學習模式，在知識之間進行整體性聯(lián)通，將它們?nèi)谌朐械闹R體系進行建構[4]，強調(diào)認知結(jié)構的理解、加工和重建，突出對必備知識、關鍵能力、思維方法和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。在教學中重視化學原理知識與技術思想的融合，使學生認識到通過技術可以實現(xiàn)其價值，凸顯化學學科價值;關注自然資源的開發(fā)和利用，形成合理利用自然資源的觀念，增強學生社會責任感。在課堂任務評價設計方面，選擇或改編高考試題，以真實情境為測試載體，將測試任務融入到有意義的測試情境之中，體現(xiàn)“教、學、評”一體化，設計思路如圖4所示。

三、課堂教學設計與評價

1.教學與評價目標

教學與評價目標見表2。

2.教學過程

教學板塊1：模型發(fā)展階段——初識電解模型

[教師活動]電解飽和食鹽水在工業(yè)上被稱之為氯堿工業(yè)，其工作原理如圖5所示，請同學們描述現(xiàn)象，認識裝置，分析原理。

[學生活動]（1）描述實驗現(xiàn)象;（2）分析裝置模型（電極名稱、電解質(zhì)溶液）;（3）探析微粒運動（電子轉(zhuǎn)移和離子遷移方向），結(jié)合現(xiàn)象書寫電極反應式表征微粒變化;（4）整理分析電解池裝置的思路與方法。

設計意圖：創(chuàng)設問題情境，辨識裝置模型，設置問題，引發(fā)學生思考，回顧分析電解池裝置的一般思路與方法，建立簡易電解模型。

教學板塊2：模型精致化和遷移階段——識膜、析膜、用膜

[問題1]觀察氯堿工業(yè)離子交換膜電解槽示意圖，對比圖5和圖6分析離子交換膜的作用。請根據(jù)陽極室電解質(zhì)溶液濃度的變化和工作原理再提出一個化工用途。

[學生活動]“識膜”——分析陽離子交換膜的作用;對比氯化鈉溶液濃度變化，提出合理的實際應用。

設計意圖：注重新舊知識的同化和順應效應，引導學生從另一個視角（離子交換膜角度）重新審視氯堿工業(yè)的用途，進行發(fā)散思維，為電滲析法實現(xiàn)海水淡化作鋪墊，從“單膜”走向“多膜”，構建電滲析原理模型，發(fā)展學生的創(chuàng)新意識。

[情境問題解決2-1]海洋資源的開發(fā)與利用具有廣闊前景，電滲析法是一種較好的海水淡化技術，其原理如圖7所示：淡水的出口為a、b、c中的____出口（填字母）。

[學生活動]觀察、思考、討論，“識膜”：在學習任務單上用彩色筆標出鈉離子和氯離子，分組完成離子“穿越游戲”，各小組展示結(jié)果，解釋分析過程。

[知識鏈接]化學與技術：電滲析法海水淡化原理。

設計意圖：關注自然資源的開發(fā)和利用，將化學知識放在一定的社會情境之下學習，形成了合理利用自然資源的觀念，增強學生社會責任感;重視知識與技術的融合，通過技術實現(xiàn)價值，突出化學學科價值。通過對一定電勢差下溶液中離子的定向移動分析，形成微觀探析的素養(yǎng)。

[問題2]若將氯堿工業(yè)裝置中的陽離子交換膜改為陰離子交換膜，陽極室將會發(fā)生什么反應？有什么實際應用？

[學生活動]寫出陽極發(fā)生反應的化學反應方程式：Cl2+2NaOH= NaCl+NaClO+H2O，聯(lián)想、推測其實際應用：制備84消毒液。

[教師活動]總反應為：NaCl+H2O=通電NaClO+H2↑，為了減少氯氣逸出，陽極室要適當降低食鹽水的濃度。

[過渡]在離子交換膜的幫助下，利用“多室電滲析法”也可以用于物質(zhì)的制備。

[情境問題解決2-2]次磷酸（H3PO2）具有較強的還原性，可用電滲析法制備。“四室電滲析法”工作原理如圖8所示，完成以下問題。

（1）寫出陽極的電極反應____。

（2）試分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因___ 。

（3）早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2：將“四室電滲析法”中陽極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽極室與產(chǎn)品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產(chǎn)品室。其缺點是產(chǎn)品中混有__雜質(zhì)，該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是__。

[學生活動]（1）在圖中標出電極名稱，畫出電子轉(zhuǎn)移方向和離子遷移方向，寫出陽極室電極反應式：2H20-4e-= 4H++02↑。（2）“析膜”：陽極室的氫離子穿過陽模擴散到產(chǎn)品室;與此同時，原料室的H2PO2-穿過陰模擴散到產(chǎn)品室，發(fā)生反應：H++H2P02-=H3PO2。（3）撤去陽極室與產(chǎn)品室之間的陽膜，合并了陽極室與產(chǎn)品室，仍然會發(fā)生上述反應，但次磷酸（或H2PO2-）具有較強的還原性，易被氧氣氧化為磷酸。

[情境問題解決2-3]焦亞硫酸鈉（Na2S205）在醫(yī)療、橡膠、印染、食品等方面應用廣泛。制備Na2S205可采用三室膜電解技術，裝置如圖9，其中SO2堿吸收液巾含有NaHSO3和Na2SO3。

（1）陽極的電極反應式為____。電解后，___ 室的NaHS03濃度增加。將該室溶液進行結(jié)晶脫水，可得到Na2S205。

（2）b室將會得到什么物質(zhì)？如何得到的？

[學生活動]分析過程：（1）“析膜”：陽極：2H20-4e-= 4H++02 ↑ ，陽極室的氫離子通過陽離子交換膜進入a室，發(fā)生反應：H++S032-=HSO3-，于是a室中的Na2SO3轉(zhuǎn)化為NaHSO3。（2）b室：2H20+2e-= 20H-+H2↑，溶液的堿性增強，使得b室中的NaHSO3濃度減少，Na2SO3濃度增大。

思維障礙點1：氫離子為什么不能到達b室？

思維障礙點2：為什么H+先與a室的S032-反應而不是與HSO3-先反應？（思考提示：25℃時，H2SO3的Ka1=1.54x10-2，Ka2=1.02x10-7，從定量角度分析。）

[教師活動]組織學生交流討論。（1）因為在a室中氫離子轉(zhuǎn)化為HSO3-，相當于被“截胡”了，無法穿過陽離子交換膜到達b室。（2）從亞硫酸的電離常數(shù)知，H+更易與SO32-結(jié)合。

設計意圖：體會通過離子交換膜控制微粒運動的生產(chǎn)技術，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。利用電解池的實際應用，創(chuàng)設新的真實問題情境下不同復雜和陌生程度的問題，從淺層學習沉浸入深度學習模式。從另一個角度感受離子交換膜實現(xiàn)生產(chǎn)技術的價值——制備物質(zhì)。也培養(yǎng)學生運用化學用語描述化學原理的文字表達能力，體現(xiàn)“思辨”和“說理”思維。

[過渡]“多室電滲析法”還可以用于廢物處理。

[問題3]三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水，同時可以得到稀硫酸和氫氧化鈉，其原理如圖10所示，同時使用陽離子交換膜和陰離子交換膜，模仿氯堿工業(yè)，標出離子交換膜，寫出陰極室和陽極室的相應物質(zhì)。

[學生活動]觀察、分析，“用膜”：在圖10中解決上述問題。

設計意圖：基于學情，對高考試題進行改編，學以致用，診斷和發(fā)展學生判斷電極、微粒運動方向，書寫電極反應式的情況，初步建立電化學知識研究方法，建構學科思維模型，形成微觀探析與變化觀念素養(yǎng)。根據(jù)學生的學習水平，還可以將此情境問題設計為讓學生模擬氯堿工業(yè)裝置圖自主設計“三室式電滲析法”裝置圖。

教學板塊3：模型重構階段——完善思維模型

[教師活動]對比圖7、圖8、圖9、圖10的陰極室和陽極室，找到相同點。

[學生活動]分組討論，總結(jié)出電解水的方法模型，寫出陰極和陽極的電極反應式，描述電極產(chǎn)物的其它實際作用。

[教師活動]以上實例都是基于電解水模型的應用[5]，在兩極產(chǎn)生電勢差，利用離子交換膜，選擇性控制離子的移動方向，達到分離、提純的目的;利用電解水后的產(chǎn)物可以進行廢物的處理，如圖11。

設計意圖：引導學生進行異質(zhì)同構，將不同電解裝置放在一起進行對比分析，類比總結(jié)相似規(guī)律，抽象提煉出電解水模型，形成分析問題的有序思維模型。

[教師活動]歸納總結(jié)分析電解知識的思路和方法。

[學生活動]從“三要素”視角對電解知識進行建模，構建思維模型圖，如圖12。

設計意圖：從識膜、析膜、用膜將主題升華到“建模”，在知識之間進行整體性聯(lián)通，強調(diào)認知結(jié)構的理解、加工和重建，診斷并發(fā)展學生認識思路的結(jié)構化化學教與學2019年第11期水平（視角水平、系統(tǒng)水平）。實現(xiàn)心中有“墨（膜）”，通過建模，解決心“魔”。

四、實踐后的思考

1.依托教材情境，促進思維建模

高三電解知識復習教學中，要重視教材、回歸教材，對教材內(nèi)容進行二次深度開發(fā)與拓展，讓教學回歸本源，實現(xiàn)用教材“教”，“盤活”知識，在高考題中尋找教材的原型，在教材中尋找高考的“影子”[6]。以教材和高考試題銜接的交集部分為重要節(jié)點，用情境問題串聯(lián)起知識板塊，素養(yǎng)并行，將相似、分散、變式、拓展的知識重新建構與整合，形成點狀輻射或帶狀輻射[7]，形成主題化設計。精心設計有序、有梯度和層次感能促進學生系統(tǒng)思維的真實情境問題，在問題解決過程中不斷完善知識建模和思維建模，揭示電解本質(zhì)和規(guī)律，提升解決復雜問題的綜合能力。

2.知識技術融合，發(fā)展核心素養(yǎng)

化學學科與生產(chǎn)、生活和科技發(fā)展有著廣泛的聯(lián)系，高考電化學試題的情境來源于生活中的化學電源、研發(fā)中的新型電池、實驗室中的電化學裝置以及生產(chǎn)中的電化學設備，既能考查學生對基本電化學知識的掌握程度，也能考查基于模型認知、變化觀念和證據(jù)推理等認知方面的素養(yǎng)，也能滲透灌輸創(chuàng)新意識和社會責任等情感態(tài)度方面的素養(yǎng)[8]。電解知識復習教學設計要基于學生的已有知識、思維障礙和發(fā)展進階，以核心知識為載體，關注理論知識與自然資源、技術思想的融合，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運用證據(jù)推理與模型認知的思維方式，探究物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的條件和途徑，在遷移性解決具體情境問題的過程中凝練學科思想和方法，建立認識角度、認識思路和思維模型，形成觀念，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。

致謝：衷心感謝福建省福州高級巾學陳立明高級教師和福建省長樂第二中學劉凱特級教師對本課的指導！

參考文獻

[1] 美國國家研究理事會.美國國家科學教育標準[M].戢守志，金慶和，張鐘，等譯.北京：科學技術文獻出版社，1999：76

[2]孫小禮，張增一.科學方法中的十大關系[M].上海：學林出版社，2004：198[3] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：77-81

[4]付亦寧.深度學習的教學范式[J].全球教育展望，2017（7）：47-56

[5] 蘭建祥.“電解”的建模教學復習[J].中學化學教學參考，2018（8）：53-57

[6] 莘贊梅.怎么教知識：從系統(tǒng)思考到認識進階[M].北京：北京教育出版社，2018：43-48

[7]徐雪峰.高三化學二輪復習題組訓練建設的實踐與思考[J].化學教學，2014（7）：78-80

[8]單旭峰.從化學學科核心素養(yǎng)的角度解析和認識高考電化學試題[J].中學化學教學參考，2018（8）：43-46