變異理論視域下“原電池原理”教學研究

許玉明

摘要： 變異理論認為事物的差異性和共同性都有利于認識事物的關鍵屬性，是對傳統遷移理論的修正和發展。作為電化學核心知識的“原電池原理”，教師可應用基于變異理論的教學設計模型展開教學，運用分離、類合、對比和融合等變異圖式，提高學生的學習效率，同時在應用情境素材以及提高教師專業素養等方面提出具體的教學建議。

關鍵詞： 變異理論; 關鍵屬性; 原電池原理; 教學策略; 化學教學

文章編號： 10056629（2022）06004706

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

20世紀90年代瑞典教育家馬飛龍提出的變異理論，是基于傳統的遷移理論提出的教學理論，其提出學習的步驟是學習者須先審辨出學習內容的關鍵特征，然后采用不同的變異策略進行學習[1]。變異理論為我們研究化學教學提供了一條新路徑，值得教師關注和重視。

1 “變異理論”概述

遷移理論是指人們在學習中獲得的知識、技能及情感等對新的學習產生作用形成的經驗和總結，屬于教育心理學研究的范疇。國外有許多關于遷移理論的研究，如早在200多年前歐洲的“形式訓練說”中出現的學習遷移現象，還有如20世紀初美國的桑代克和伍德沃思提出的“相同要素說”以及賈德提出的“共同原則說”等理論，都對學習遷移現象進行了解釋。這些學者在解釋遷移現象上的觀點盡管略有差異，但普遍認為只要學習者對自己的學習經驗進行概括得出共同性的特征，就能將一個情境的知識遷移到另一個情境，完成學習任務[2]。

變異理論認為，傳統遷移理論的共同性原理有利于遷移現象的發生，同時認為差異性原理也有利于遷移現象的發生，差異性和共同性都有利于認識事物的特征。如我們說一個人身體很胖，只見過一個瘦的人是不能得出結論的，一定是見過許多胖瘦不同的人群并做比較才能得出結果，而運用傳統遷移理論從一個情境到另一個情境的遷移是解釋不通的。再如教師要讓學生認識梯形，若只提供常見的上下底邊平行的四邊形（圖1），學生還有可能辨別不清;若要幫助學生真正理解梯形的概念，根據變異理論，應呈現一個旋轉的梯形（圖2），或補充一些平行四邊形（圖3）或其他四邊形，至少需要兩個這樣的實例，學生才有可能理解。而不是傳統遷移理論提出的一個情境即可完成知識的遷移，這是變異理論對傳統遷移理論的修正和補充之處[3]。

“審辨”和“變異”是變異理論中兩個特別強調的重要詞語（概念）。學習者對學習活動的認識先有“審辨”，即指要想認識一個學習對象，須先尋找出該學習對象不同于其他對象的關鍵特征，然后“變異”，即指要識別該學習對象的關鍵特征，該特征在某些維度上要發生變化。教學中應盡可能創設“變異”環境，讓學生進行“審辨”，最終完成學習任務。變異理論關于“變異”提出了分離、對比、類合和融合等四種范式[4]（見圖4）。

從上述變異圖式可知，學生學習的步驟為，首先審辨物質關鍵特征，明確變異的內容和不變的內容;其次要根據學習內容和情境特征選擇四種范式策略進行變異;最后識別物質關鍵特征，達到學習的目的。

2 構建基于變異理論的教學設計模型

變異理論認為，差異性和共同性都有利于認識事物的特征，教師要選擇不同的思維策略，引導學生質疑和思考，促使學生不斷地探索和創新，發現學習內容的關鍵特征，才能完成教學任務。基于變異理論，可以歸納出包括四個環節的教學設計模型（見圖5）。

第一環節包括分析學習內容所屬類型（如知識、技能、問題解決或態度等）以及學生的難點分析;第二環節澄清需要學生審辨的關鍵屬性，并將它們明確納入教學目標中;第三環節圍繞關鍵屬性，規劃教學環節和序列，設計主要變異模式;第四環節是根據授課情況進行成效分析。現以蘇教版高中必修《化學2》“原電池原理”為例，運用以上教學設計模型，進行教學設計。

3 基于變異理論的“原電池原理”教學設計

3.1 學情與學習難點分析

原電池知識是電化學核心知識之一，是對氧化還原反應、離子反應、電解質等核心概念的深化拓展，其中所含知識點有： 原電池正負電極判斷、溶液中陰陽離子濃度變化以及移動方向辨別、電子在外電路中的流向、電極反應式書寫等幾個方面內容。根據教參、文獻及以往經驗發現，學生常常出現“原電池的電極只能由兩種不同的金屬構成”“相對活潑性強的金屬一定做負極”“電解質溶液和導線都傳導電子和離子”“電極材料一定有參加反應”以及“構成原電池一定需要有電解質溶液”等迷思概念[5]。

3.2 分析“原電池原理”的關鍵屬性，明確教學目標

根據2020年（修訂）版化學課程標準要求，將原電池的原理的教學目標預設為： 理解原電池原理，能書寫原電池的電極反應式，會判斷裝置是否能夠形成原電池，通過分析原電池原理，關注與化學有關的社會熱點問題。教學內容、關鍵屬性及策略具體見表1。

3.3 教學過程與教學策略設計

3.3.1 基于“分離”策略，引入新課

變異理論認為，“分離”指學習者將注意力集中于一個事物、概念或現象的某個變異維度上。只有讓學習者特別注意到這個變異維度時，才能夠將其從整體中進行區分。如要識別綠色，僅僅提供綠色的衣服是不夠的，還需要提供黃色或其他顏色的衣服。這種思維與控制變量思維的特征一致，是一種“從不變中發現變化的思想”，是化學教學中較為常見的一種思維方式。例如課前通過“智學網”平臺推送學習資料《兩則小故事》（見圖6），進行課前預習。

兩則小故事

（1） 伽伐尼的實驗： 1780年伽伐尼用手術刀解剖青蛙時，蛙腿上的神經由于被刀尖碰到了而抽動起來。他思考用不同的金屬多次重復，總是得到相同的結果，但用玻璃、橡膠、松香等代替金屬時，卻沒有這個現象。于是他將動物軀體內部產生的這種現象稱為“生物電”，并寫成論文發表。985CBDA8-00A5-4843-8FE1-1AF10C70B041

（2） 伏打的實驗： 20年后伏打根據伽伐尼的論文分析，產生了不同的想法。為什么使用玻璃、木條、塑料等物質都沒有蛙腿抽搐的現象？抽搐的現象是否與使用的金屬有關呢？伏打認為問題主要在兩種不同的金屬上，死去的青蛙不可能反復產生“生物電”，這與金屬是否接觸蛙腿無關，或許濕毛巾、橙子也可以，可能兩種不同金屬互相接觸就會產生電流，最后他也將研究成果寫成論文《論不同導電物質接觸產生的電》發表，1800年用Zn片、Ag片以及浸透鹽水的絨布制成了世界上第一個“伏打電池”。

[學生活動]

問題1： 認真思考伏打所做的實驗的現象，預測產生電流需要具備什么條件？

問題2： 哪些能量可以轉化為電能？

問題3： 原電池是如何構成的？

[分析]三個問題的設計由淺入深，主要根據學生已有的經驗和基礎，能否運用已學的能量相互轉化的知識，同時也考查學生提取信息的能力。通過“智學網”平臺數據了解學生答題情況。

講授新課時，先播放2380片橙子給某手機充電的廣告視頻（見圖7）。讓學生思考橙子為什么可以給手機充電？然后學生交流討論電能是從哪里來的？

[分析]基于變異理論設計環節變異圖式，如表2所示。

在多種材料（目標屬性）分別浸在相同的電解質溶液（背景屬性）中，要審辨的關鍵屬性是能導電的材料做電極能產生電流，這是本節課的學習內容之一。因此在這一環節中，課前以伽伐尼和伏打的實驗故事引入，兩位科學家以相同的實驗方法，在推斷不同條件下是否產生電流時，卻得出了截然不同的結果，培養學生探索的興趣，讓學生在學習原電池原理之前，已有初步的“化學能轉化為電能”的概念;同時通過橙子給某手機充電的廣告視頻引入新課，提出問題，逐步引導學生在不變的電解質溶液中進行電極材料的“分離”，認識到化學能轉化為電能現象的特征。

3.3.2 基于“類合”策略，探究原電池原理

變異理論認為，“類合”是指如果要識別一個事物的關鍵屬性，就需要在其他屬性變化時保持這一屬性不變。如仍然以認識綠色為例，要認識綠色時，可以展示綠色衣服、綠葉及綠燈等物體，通過改變這些背景屬性來突出綠色這個目標屬性，進而獲得對綠色屬性的認知。簡單來說，類合是在“分離”基礎上的一種逆向思維方式，讓學生在變化中找到不變的思維，在變中求同。

例如探究原電池原理教學中，先請學生寫出Zn粒與硫酸反應的化學方程式，標出電子轉移的數目和方向。

Zn+H2e-2SO4ZnSO4+H2↑

Zn粒與硫酸在反應時如何將電子轉移給了H2SO4中的H+？怎么讓這些電子的轉移變成可以利用的電流呢？能否通過設計實驗實現這一想法？

[學生活動]在燒杯中放一個Zn粒，再倒入少量稀H2SO4，將呈U形的銅絲一端與鋅粒緊緊相連，另一端浸入稀H2SO4中（見圖8），觀察實驗現象。

[教師]Cu絲表面有氣體產生嗎？是什么氣體？

[學生]Cu絲表面有H2，氫氣是溶液中的H+得到Zn粒失去的電子產生的。

[教師]是否是Cu絲和硫酸反應產生的？判斷的依據是什么？

[學生]不可能，因為溶液為無色，沒有變藍，說明Cu絲沒有和硫酸反應。

[教師]怎么證明Cu絲有電流通過？

[學生活動]小組討論，交流。

[學生]討論形成共識： （1）原電池定義;（2）電子流向;（3）電解質溶液離子移動方向。

[分析]基于變異理論設計環節中的變異圖式，如表3所示。

Zn粒與硫酸發生反應是原電池的基礎。本環節的關鍵屬性是鋅片怎樣將電子轉移給硫酸溶液中的氫離子，這是原電池原理的關鍵。對此教師可用類合策略，根據單線橋法表示電子轉移的方向和數目;目標屬性是引入呈U形的銅絲，銅絲一端接觸鋅粒后銅絲上產生氣泡，和單線橋的類比，使學生站在不同角度去“類合”出相同的特征，理解原電池原理。

3.3.3 基于“對比”策略，探究原電池構成要素

“對比”指的是一個事物、概念或現象在某個維度上特征的變化。教學中，教師要積極呈現“關鍵特征”以及與之相反的情境，促進學生更加直觀和清晰地對事物的關鍵屬性進行審辨，完成對目標屬性的認知和理解。例如在探究原電池構成要素的教學中，教師可通過對比“改變裝置中不同種的物質”“改變電極材料的不同組合”進行六種情境變異（見表4）。具體教學活動過程如下。

（1） 若電極材料不變，只改變裝置中不同種的物質，A、 B、 C三個裝置中各有什么現象？

（2） 若裝置中稀硫酸溶液不變，只改變電極材料的不同組合，D、 E、 F三個裝置中又有何現象？化學能轉化為電能需要具備什么條件？

[學生活動]小組討論，交流。

[師生共同小結]原電池構成要素是： 有一個電極材料可以發生氧化還原反應;外加導線、可導電的電極和電解質溶液，并形成回路。

[分析]基于變異理論設計環節中的變異圖式，如表5所示。

在這一環節中，通過變化裝置中的電解液和電極材料，引導學生進行討論、觀察、比較、思考、交流，圍繞裝置的構成要素如何判斷正負極以及如何書寫反應式等內容，學生分組討論并得出結論。通過這些情境的變異，促進學生深度學習的發生，培養他們分析、評價、創造等高級思維。

3.3.4 基于“融合”策略，構建原電池認識模型

變異理論認為“融合”是讓學生注意事物、概念或現象在多個維度同時進行變化，并識別出這幾個維度的關系以及和學習內容整體的關系。教學中為了讓學生深入認識原電池，防止迷思概念的發生，通過設計下列實驗活動，構建原電池的認識模型。

[問題1]選擇下列試劑和器材： 碳棒、鐵釘、鋅片、銅片、檸檬、食鹽水，稀硫酸、硫酸銅溶液、KMnO4溶液、濾紙、玻璃片、燒杯、靈敏電流計，按照下列要求設計原電池，并畫出原理裝置圖： （1）鋅銅原電池;（2）水果電池。985CBDA8-00A5-4843-8FE1-1AF10C70B041

[學生活動]小組討論，交流;展示原理裝置圖。

[教師]評價學生的設計成果。

[展示]某品牌的暖寶寶產品的介紹（見圖9）。

[商品名稱]某品牌暖寶寶

[主要成分]鐵粉、水、活性炭、蛭石、食鹽等

[保質期限]三年

[使用方法]撕開外袋、取出內袋，剝去保護紙后無需揉搓，直接貼在衣服上。本品一旦接觸空氣，立即開始發熱，不用時請勿拆開包裝袋。

[問題2]根據上述原電池原理的知識，結合暖寶寶的成分和使用說明，思考暖寶寶發熱的原理是什么？利用問題1提供的試劑和器材，請設計一個實驗證明你的思考是否準確？

[學生活動]小組討論，交流。

[學生1]暖寶寶發熱是鐵粉被空氣中的氧氣氧化時放熱的結果。

[學生2]暖寶寶原料中有Fe粉、活性炭、NaCl以及H2O，在拆開包裝時氧氣進入后形成了原電池，快速放熱。

[展示]學生的設計成果（見圖10）。

[教師評價]若在濾紙中間滴加少量KMnO4溶液，可以觀察到濾紙上有紫色的離子在遷移的現象。從暖寶寶發熱的原理對原電池有什么新的認識？

[學生3]稀硫酸、硫酸銅等可以與活潑金屬發生氧化還原反應，形成原電池。氧氣也可以氧化活潑金屬形成原電池。正極溶液中的氧氣也可以得到電子，電解質不一定直接參與反應。

[教師評價]剛才這位同學回答得非常好。其實生活中有多種原電池，其電解質是不一定直接參與反應的，我們不要形成“離子導體必須參與反應”的誤區，也不要將“電極材料”和“電極反應物”概念混淆。如生活中常用的鉛蓄電池，正負兩個電極都同時參加了反應;而氫氧燃料電池，正負兩個電極都沒有參加反應。

[師生共同小結]原電池原理及其構成條件。歸納原電池認識模型如圖11所示。

[分析]基于變異理論設計環節中的變異圖式，如表6所示。

在這一環節中，有效地防止了迷思概念的產生。關鍵屬性為構建原電池認識模型，確定的目標屬性為電極材料與電解質溶液，應用類合、對比等策略，通過鋅銅原電池、檸檬水果原電池、暖寶寶發熱的原理等原電池的設計，學生建立了分析原電池的核心角度： 原電池正負電極的判斷、溶液中陰陽離子濃度變化以及移動方向辨別、能量轉化、電子在外電路中流向等，讓學生在探究合作學習中構建原電池認識模型，既體現了原電池的組成要素，又為將來認識陌生的原電池打下了基礎。

4 基于變異理論的化學教學建議

4.1 從情境素材到教學情境： 以化學史為載體

變異理論認為，學習者對學習內容的理解主要取決于他們審辨到所學內容的關鍵屬性。化學概念關鍵屬性怎么審辨？創設怎樣的教學情境才能識別化學概念的本質？我們應當以怎樣的方式呈現才能被學生理解？才能讓學生感受化學的魅力？這些都是我們教師要思考的問題。教學中以化學史為載體，將科學家研究理論的過程、思考的方式以及成果在教學中呈現。變異理論認為，如果缺乏比較，我們很難理解初次遇到的科學理論，通過對比和融合，可以更好地學習、理解和掌握。如本節課前讓學生閱讀伽伐尼的“動物電”實驗，有助于理解伏打的“原電池”實驗;再如學習原子概念時，可以對道爾頓、湯姆遜和盧瑟福等多位科學家提出的原子結構模型進行比較，促進學生對原子結構模型的認識。若沒有對比，學生常常只能靠死記硬背來學習，所以教師在進行教學設計時，從情境素材到教學情境的生成中，除了要考慮學生生活經驗、認知基礎外，還要考慮學習方式的影響，要注意多個情境素材組合設計的整體性，才能引導學生在思考科學家遇見的問題中，主動進行分離、對比、類合及融合，抓住概念的本質。

4.2 教師專業素養的提升： 凸顯關鍵作用

變異理論將發展事物關鍵屬性的能力視為我們教學的基本目標，是一套可操作性的具有前景的理論。新課標、新教材實施以來，變異理論視域下進行的教學設計相關研究較少。教師經驗的不足，有可能會對知識的關鍵特征理解有誤，如何選擇變異策略對學生進行有效引導，是化學教師不斷研究和思考的任務。所以需要教師加強學習，提升專業素養，更新教學理念，最終實現立德樹人的根本任務。

綜上所述，“變異理論”的研究體現了化學學科實用價值，相信通過“變異理論”的研究會給學生所感知的世界帶來新的蛻變。

參考文獻：

[1]

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[5]王維臻， 王磊. 電化學認識模型及其在高三原電池復習教學中的應用[J]. 化學教育， 2014， （1）： 34～38.985CBDA8-00A5-4843-8FE1-1AF10C70B041