原電池模型變量認知構建在教學中的應用

摘 要： 模型與建模是科學發展的重要元素，也是解決化學問題的重要方法。但在模型的應用過程中容易形成因“過分依賴建模”而導致的“定勢思維”。以原電池模型為例，通過引導學生對原電池模型要素進行分析，進而識別出原電池模型變量，完善對原電池模型的認知，形成對原電池的系統化、本質化、全面化認識，以此使學生建立模型變量的認知，發展學生的“模型認知”素養。

關鍵詞： 變量； 模型構建； 原電池模型

文章編號： 10056629（2024）12002704

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

“模型認知”是《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確指出的高中化學學科核心素養的核心組成部分。新課標中對其要求包括“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，解釋現象的本質和規律”［1］。模型，簡而言之，是對事物本質的一種簡化的描述或模擬［2］。“模型”方法是現代科學方法論中一種重要的研究方法［3］，利用“模型”這一工具，有助于在解決問題的過程中分析問題、簡化問題。“模型認知”強調個體通過模型的內部建構和外部表達來解決實際問題，是對問題解決思維的抽象和概括。要想將陳述性知識轉化為學科核心素養，必須經歷完整的思維轉化過程。即形成學科核心素養的基本途徑不是簡單地將陳述性知識轉化為程序性知識，而是要經不斷地內部重組、構建，從而形成自己的認知方式。而引導學生建模的過程，就是學生經歷完整的思維轉化的過程。

模型由系統、要素、關聯、變量等部分構成。其中，模型描述的對象稱為系統；構成系統的各種子系統或成分稱為要素；各要素或子系統之間的相互關系稱為關聯；表述各成分或要素量的變化稱為變量［4］。原電池在高中化學課程中占據重要的地位，模型構建是學習原電池的一種重要的方法。分析目前已有的以原電池為例進行模型構建教學的案例，發現普遍以原電池模型（如圖1）的構建以及優化為主。如王繁斌等［5］基于SECI理論，通過構建隱性知識向隱性知識轉化的創始場、隱性知識向顯性知識轉化的對話場、顯性知識向顯性知識轉化的系統場、顯性知識向隱性知識轉換的練習場，從而構建原電池模型，該模型只包括系統、要素、關聯，缺乏變量部分。即使在原電池模型的優化過程中隱約有變量部分的體現，也缺乏系統的陳述，如陳謙明等［6］通過手持技術數字化實驗獲取的曲線表征進行從單液原電池到雙液鹽橋原電池再到雙液隔膜原電池的模型優化，該原電池模型的優化過程就是模型中成分的量的變化過程（離子導體在發生變化），文章中未對該變量的變化做系統的陳述。若未明確原電池模型中的變量部分，學生會形成原電池模型“一成不變”的定勢思維，在陌生電池問題的解決過程中，直接套用原電池模型而無法將陌生電池與模型相匹配的現象，過度依賴模型，對原電池模型認知“窄化”。而原電池模型只是電池的雛形，陌生電池理論上是通過改變原電池模型中的變量而優化衍生的一系列電池。因此，幫助學生明晰原電池模型中的變量，建立模型變量認知尤為重要。

2 變量的內涵

變量來源于數學，是指至少有兩個取值的量、是一種動態的概念、是多種確定量或者概念的混合狀態。就好比“灰”是一種由黑和白混合的狀態，不同比例的黑和白混合將會形成不同的“灰”。

筆者要闡述的“原電池模型變量認知構建”重點在于指出原電池模型中存在的變量，使學生明白能通過改變這些變量將模型進行優化而得到不同類型的原電池模型或電池，進而使學生建立模型變量認知，通過原電池模型中的變量，來解釋或解決復雜電池及相關問題。

3 原電池模型變量認知構建

3.1 原電池模型

要能夠形成能將化學能轉化為電能的電池，必不可少兩個關鍵部分：一個反應和一個裝置。即必須存在一個能自發進行的氧化還原反應，以及必須存在一個裝置，這個裝置必須具有電極材料、電子導體、離子導體，能將反應的氧化反應和還原反應分開發生。在實際的教學中，教師會通過教學情境（如“動力小車跑起來”）的引入以及提出探究性問題（如“動力小車為什么會跑起來”）來引發學生的模型意識，通過對銅鋅原電池的探究引導學生識別、分析、概括及關聯原電池模型要素，以此建立由四要素“電極反應、電極材料、電子導體、離子導體”構成的原電池模型，如圖1。目前針對原電池模型構建的研究比較成熟，不過多地在此闡述。

3.2 原電池模型要素分析

模型的變量是由模型要素衍生出來的。在分析原電池模型變量之前，要求學生能夠掌握基礎原電池模型中的“四要素”的功能與作用。教師要引導學生自行分析，如表1。

3.3 原電池模型變量識別

基于原電池模型要素的功能與作用，分析在不影響要素功能與作用的前提下可以存在哪些變量、變量如何發生變化、可變的依據是什么，根據變量結果衍生出的原電池舉例，如表2（以下表格只是提供了識別原電池模型變量的范式，原電池模型中存在的變量還有很多）。

在實際的教學中，原電池模型變量的識別靠單一課時的教學無法完成，而應在學生逐漸接觸表中所舉例的電池或其他新型電池的過程中引導學生識別出模型變量，并逐漸完善原電池模型變量，使學生建立能通過改變原電池模型中的變量得到滿足不同需求的電池的認知。

世界萬物通過變量相互聯系在一起，基于變量，我們才能夠把孤立的事情聯系起來。新人教版選擇性必修1教材第四章第一節“原電池”課程中，在介紹化學電源時，舉例了普通鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋅銀電池、鉛酸蓄電池、燃料電池，這些電池類型不同，學生會覺得雜亂無章。梳理出這些電池是通過改變經典燒杯原電池模型中的哪些變量，就可通過變量之間的關系把這些電池編織成一個比較有組織的電池網絡。

3.4 完善對原電池模型的認知

如圖2，通過引導學生對基礎原電池模型要素的分析識別出模型變量，從而完善對原電池模型的認知，形成對原電池知識的系統化、本質化、全面化認識。

原電池模型也可以被稱為“初級電池模型”，反映了所有電池所具有的根本特征。變量是介于應用型電池和原電池模型之間的橋梁，通過改變變量，可以設計出滿足不同需求的電池，也可通過變量將應用電池還原為原電池模型。同時，也需要使學生明確在改變電池的變量時，電池的性能會發生改變，如增大離子導體或電子導體的橫截面積，都會使電池的內阻變大等。電池一直在更新換代，其發展歷程就是一個人們不斷地將原電池模型各變量有機融合或探尋新的原電池模型變量以改進電池、更好地滿足自身需求的過程，體現了社會“按需設計”的科學發展本質。

4 原電池模型變量認知構建在教學中的實踐意義

4.1 有利于促進學生深度學習

通過分析原電池模型中存在的變量，完善對原電池模型的認知，使學生能從本質上深度認識原電池，并以自己的認知方式重新整合建構原電池模型。基于對原電池模型變量的認知，學生在逐漸接觸電池的過程中，能以綜合性的視角分析不同類型的電池，如電池的優劣、電池問題的改進方向等，更能在復雜情境中把握電池問題的核心。

4.2 有利于培養學生的創新性思維

模型能簡化問題以解決問題，亦能限制學生的思維范圍。在模型構建教學中要避免形成因“過分依賴建模”而導致的“定勢思維”。引導學生建立模型變量的認知，能使學生“參”于模型而又不“拘”于模型。變量是“應用型”電池與原電池模型之間的橋梁，學生在分析原電池模型變量的過程中，能基于已有知識充分發揮想象力和創造力，沿著變量變化的方向，思考各種可能的電池結果，創造性地設計電池；同樣，也能在復雜的電池情境中，分析電池是通過改變原電池模型中的什么變量而得到的，逆著變量變化的方向分析，將陌生電池還原為簡單的原電池模型，從而以創新性思維解決問題。

4.3 有利于培養學生的“模型認知”素養

引導學生建立模型變量的認知，符合新課標中對“模型認知”素養水平4的要求“能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析以構建相應的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題；能指出所構建模型的局限性，探尋模型優化需要的證據”［7］。學生在原電池模型變量分析的過程中，能夠建立由不同變量轉化得到的電池模型，例如，通過改變離子導體的形狀、組成、長度等建立雙液鹽橋原電池模型、雙液隔膜原電池模型等，以此學生能選擇不同的電池模型綜合解決復雜的電池問題；也能根據原電池模型變量，評價電池的局限性以及優化電池。除了用模型變量分析問題、解決問題，還能用模型變量預測問題。學生能結合電池發展的歷程，利用原電池模型變量預測未來電池發展的趨勢。因此，學生能通過對模型變量的分析，提升建模能力，發展“模型認知”素養。

5 結語

構建模型是一種學習方法，一種便于學生理解某些較復雜、抽象的化學原理或概念或便于解決復雜問題的方法。建模的目的是為了用模，用模不是對模型的照搬，而是對模型進行參考。一個較為完善的模型應包括系統、要素、關聯和變量部分。“知變方能通”，只有明晰模型中的變量，建立變量思維，才能避免困于模型之中。模型既要體現典型性、基礎性的特征，又要體現開放性的特征。學生只有做到心中“既有型又無型”，才能實現建模過程中的“模型進階”，才能將知識“活學”“活用”，才能將陳述性知識轉化為學科核心素養。

參考文獻：

［1］［7］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 6.

［2］袁野. 高中生化學問題解決中建模能力的研究［D］. 揚州： 揚州大學碩士學位論文， 2009.

［3］托斯頓·胡森， T. 內維爾·波斯爾思韋特主編. 國際教育百科全書·第6卷［M］. 貴州： 貴陽教育出版社， 1991： 236～242.

［4］張維明， 湯大權， 葛斌， 胡升澤. 信息系統工程［M］. 北京： 電子工業出版社， 2009： 403～404.

［5］王繁斌， 王世存. SECI理論視域下的情境化教學設計——以“原電池”為例［J］. 中學化學， 2024， （4）： 6～9.

［6］陳謙明， 黃倩瑩， 錢揚義. 應用數字化實驗促進對原電池工作原理的認識［J］. 中學化學教學參考， 2023， （35）： 42～45.