基于變構學習模型的“電解原理”教學研究

許玉明 鄭柳萍 張賢金

摘? ? 要：變構學習模型是一種新的學習觀，認為學習不只是一個建構過程，而是概念先解構、后建構，再解構、再建構不斷交替周而復始的過程。在作為電化學核心知識之一的“電解原理”教學中，教師可以基于變構學習模型，通過創設“教學環境”作用于學習者概念體的“變構部位”，促進學習者概念體結構的“解構”，為新知識找到可以填補的空間，從而接受新知識。

關鍵詞：變構學習模型;電解原理;核心素養;化學教學

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中指出：把握好“素養、知識、問題、情境”等要素之間的關系，發展化學核心素養[1]。創設情境的選擇、引導問題的設計、化學知識的運用、素養的提升是我們當前課堂教學要努力探索的課題。變構學習模型（Allosteric Learning Model）提出通過創設“教學環境”促進學習的教學策略，為研究化學教學提供了一種新路徑，為我們的教學研究提供了一個新視角。

一、變構學習模型的概念界定

變構學習模型是安德烈·焦爾當（Andre Giordan）于20世紀80年代后期，借鑒皮亞杰、巴什拉以及維果茨基的理論，為了彌補從機能主義到認知主義缺陷提出的一種新學習觀，對歐洲的科學教育產生了重要的影響。

安德烈·焦爾當提出的概念體包括五個復雜參數，P：問題;R：參照系;M：心智處理;N：語義網絡;S：意義符。它們的轉化不是簡單的過程，而是一個復雜的函數[2]。他認為學習者的概念體，可能促使學習發生，也有可能阻礙學習發生。學習不只是一個建構過程，而是概念先解構、后建構，再解構、再建構不斷交替周而復始的過程。變構學習模型這一術語源于一個生物化學中的隱喻。如當前流行的新型冠狀病毒，是由于外部生存環境條件的改變，蛋白質分子結構中的氨基酸中有部分發生了突變而形成的，就是我們常稱的蛋白質的“變構效應”。以此原理來理解學習，學習是學習者的概念體發生了變化，教師不能直接改變學習者概念體，但可以通過創設“教學環境”作用于學習者概念體的“變構部位”，促進學習者概念體結構的“解構”，為新知識找到可以填補的空間，從而接受新知識。故要讓學習可能產生，首先應該解構，其次才是建構。如圖1所示。

變構學習模型包含三個維度：學科維度、學習者維度和社會維度，其三維架構模型見圖2，揭示了學習的發生機理。

二、構建基于變構學習的教學模型

變構學習模型的核心是學習者的概念體。基于變構學習模型的三個維度，對教學模型進行構建，教學模型主要包括四個環節（見圖3）。

從學習者維度上，教師先確定教學內容，后通過測查、訪談交流等形式了解學生原有的概念體;了解學生背景信息，找到興趣點，從日常生活中選取真實情境來促進學生概念體的解構與建構;引導啟用思維助手，待教學任務結束后，了解和跟蹤學生概念體的轉化情況。

從學科維度上，通過對學習內容的比較，多重對質，完成從宏觀到微觀的化學科學思維過程。

從社會維度上，調用自己的知識，制造想象與創新機會，引導學生對元認知的學習。

三、基于變構學習模型的“電解原理”教學分析

電解原理知識是電化學核心知識之一，電解原理部分概念抽象而且集中。課標要求能分析解釋電解池的工作原理，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用。近年高考中考查電解知識及離子交換膜原理的考題不少，如2018年高考第13題采用質子交換膜問題，第27題采用三室膜電解問題;2019年高考第12題研究室溫下氨的合成問題等。綜上所述，現將本節教學目標預設為：掌握電解池的工作原理;會判斷電解池的構成條件和會寫電極反應式;通過分析離子交換膜的種類來尋找電解池中離子運動規律;關注與化學有關的社會熱點問題。其知識承載的核心素養具體見表1。

四、基于變構學習模型的“電解原理”教學設計

（一）預設情境，概念解構

教師：春節前突然爆發的新型冠狀病毒肺炎疫情，導致藥店和超市里的84消毒液熱銷，全部被搶購一空。有哪位同學知道什么是84消毒液？84消毒液是怎么來的？

情境1? ?播放視頻：北京電視臺節目“抗擊疫情 我們在一起”。

教師：看了視頻，相信大家對84消毒液有了一個初步的了解。84消毒液應用了什么化學原理？今天我們一起通過探究學習來尋找答案。

情境2? ?工業上用電解飽和NaCl溶液制取Cl2的裝置（見蘇教版化學必修1教材），a、b端導管產生的氣體是什么？關閉電源，打開U形管左端的橡皮塞，向溶液中滴加1～2滴酚酞溶液，描述實驗現象。同時提出下列問題要求學生思考：

問題1：通電前，飽和NaCl溶液中存在哪些離子？

問題2：通電后，溶液中的離子的運動發生了怎樣的變化？

問題3：當溶液中的離子定向移動到電極表面時，發生了怎樣的反應？

問題4：原電池裝置中發生反應時離子是怎樣移動的？電解飽和NaCl溶液時離子移動方向是怎樣的？

學生活動? ?小組討論，交流。

【設計意圖】促使學生萌發學習意愿。創設熟悉的情境，激發學生的興趣和求知欲，通過連續問題的追問，關聯已學過的原電池知識，與原電池概念產生認知沖突，解構原電池概念。

（二）多重對質，概念建構

教師通過FLASH動畫課件，模擬電解氯化鈉溶液中微粒的運動情況。

問題1：該裝置與原電池有什么區別？什么是電解池？組成電解池的條件是什么？根據實驗現象如何寫出有關電極反應式？整個過程中能量是如何轉化的？

學生活動? ?小組討論，交流。

學生1：電解池的定義：將電能轉化為化學能的裝置。

學生2：與電源正極相連的電極稱為陽極，與電源負極相連的電極稱為陰極。

學生3：電解池的組成條件：外加電源、電解質、陰陽兩極。

教師展示學生書寫的電解NaCl溶液的電極反應：

陰極：2H+ + 2e- = H2（還原反應）

陽極：2Cl- - 2e- = Cl2 ↑（氧化反應）

教師評價小結：1.電解池的定義;2.組成條件;3.比較原電池與電解池裝置的區別。

問題2：觀察氯堿工業離子交換膜電解槽示意圖（見蘇教版化學反應原理教材），寫出制備氫氣、氯氣和氫氧化鈉溶液的電極反應式，說明其陽極室溶液濃度的變化情況。

問題3：若將氯堿工業電解槽中的陽離子交換膜改為陰離子交換膜，分析陰陽兩極的反應以及離子的移動情況。

學生活動? ?小組討論，交流。

教師評價小結：離子交換膜的作用。

【設計意圖】通過動畫課件展示、問題設置，引導學生對質，理解電解池宏觀現象背后的微觀原理，建構新概念，并通過有關離子交換膜問題來尋找電解池中離子運動規律。

（三）質疑再探，概念延伸

問題1：電解NaCl溶液時，溶液中的陰離子有Cl–和OH–，為什么是Cl– 放電而不是OH–放電或共同放電？溶液中的陽離子有H+和Na+，為什么是H+放電而不是Na+放電？放電能力與什么因素有關？

學生1：從還原性考慮： Cl– >OH–。

學生2：從氧化性考慮： H+ > Na+。

教師展示電解混合溶液離子放電順序：

陰極（與負極相連）：還原反應。溶液中的陽離子放電順序和金屬活動性順序有關，越不活潑的金屬，其離子的氧化性越強越易得到電子：Ag+ > Hg2+ > Cu2+ > H+ > Fe2+> Mg2+> Na+。

陽極（與正極相連）：氧化反應。①陽極為惰性電極時，陰離子放電能力與其還原性有關，離子的還原性越強越易失去電子：S2– >I– > Br– > Cl– > OH– >含氧酸根;②當陽極是活性電極（如Cu等）時，則陽極材料自身優先放電。

教師：若用惰性電極電解電解質的混合溶液時，離子發生反應的思路是怎樣的？

問題2：用惰性電極電解濃度均為0.8mol·L-1的氯化鈉和硫酸銅混合溶液，描述發生的現象，并寫出相關電極反應式。

教師評價小結：電解過程思路要先明確溶液中存在哪些離子，后陰陽兩極附近有哪些離子，再根據陽極氧化、陰極還原分析得出產物。有關反應分為四個階段：首先要考慮電極要素，為惰性電極，電極不參與反應;其次要考慮陽極有Cl2析出，陰極有Cu析出;第三階段，通過定量計算，陽極OH–放電有O2析出，陰極有Cu析出;第四階段，電解水的反應，陽極有O2析出，陰極有H2析出。根據這些過程，推斷實驗現象。

【設計意圖】通過對電解氯化鈉和硫酸銅混合溶液的分析，厘清溶液中陰陽離子放電順序，進一步把握電解原理的本質，建構電解混合溶液型的分析思路。

（四）調用知識，概念應用

教師：淘寶網有賣消毒液制造機，請看產品的介紹照片（見圖4）。

問題1：根據上述電解原理的知識，思考84消毒液應用了什么化學原理？能否根據所學的電解原理設計消毒液制造機的簡易裝置？

學生活動? ?小組討論，交流。

教師展示學生設計成果（見圖5）。

問題2：若通電時，為使生成的Cl2被完全吸收，制得有較強殺菌能力的消毒液，則電源的a極名稱為? ? ? ? 極（填“正”“負”），連接a極的電極反應式為? ? ? ? ? ? ? ，離子方程式為? ? ? ? ? ? ? ? ?。

師生共同小結：電解、電解池原理及其構成條件，電解池問題分析步驟。

【設計意圖】通過設計制取環保性84消毒液裝置，師生、生生之間的交流討論，讓學生利用電解原理、電極反應、離子運動規律解決生活中的問題，內化電解有關概念，培養學生的遷移能力，提升科學探究意識和社會責任意識。

五、基于變構學習模型的化學教學建議

（一）以變促學，要激發內部動機，培養學習興趣

由于學生會受到原概念的干擾，學生的學習態度會受到極大的影響，只有當學生的學習欲望被激發時，才可能主動參與過程[3]。教師要在課前多了解學生，關注學生掌握的知識點和興趣點，從學生的內部因素出發，在符合最近發展區的情況下提出問題，學生感受到對問題發生興趣時，學習動機就會被激發，從而引導學生主動地進行學習。

（二）以變促學，要設置恰當的“變構教學環境”

學習者原有的概念體可能促使學習發生，也有可能阻礙學習發生。教師在教學設計時要考慮的應該是：如何將一個化學概念呈現給學生才能被學生接受？應該如何舉例讓學生掌握概念的本質？又如何將生活中的現象通過什么樣的途徑才能讓學生理解內涵？以及要通過怎樣的教學手段突出知識的聯系，讓學生感到化學學科的魅力？這些行為都要求我們設置恰當的“變構教學環境”，并采用多種教學方式，如實驗、實物模型、試聽材料、小組討論等，通過與學生進行心智互動，促進學生有意義學習的發生[4]。

（三）以變促學，要營造信任的氛圍，開展多重對質

要讓“概念轉化”在學習過程中實現，就要讓學生通過自己的先擁概念來煉制新的概念。我們創設情境的方式有：游戲活動、實物觀察、實驗、調查、觀看視頻等，關鍵是活動要有對質發生，如與新信息對質、與教師對質、學生之間對質等，學生通過這些對質讓自己的所想和現實對立起來。如果學生在充滿信任的氛圍中，在比較自信的時候，他們就會接受干預，實現概念轉化。

綜上所述，對變構學習模型進行研究體現了化學學科實用價值，相信通過變構學習模型的研究會讓學生的學習打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]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，2018：1.

[2]裴新寧.變構學習模型與教學設計[J].全球教育展望，2006（12）：38–42.

[3]俞麗萍.基于變構模型的深度學習研究[J].中國教育學刊，2015（11）：38–41.

[4]孫妍，王后雄，王偉.以變促學：變異理論在化學概念教學中的應用及啟示[J].中小學教師培訓，2019（10）：70–73.