基于氯碱工业情境的电解知识思维模型建构

陶杰 张贤金

摘要：基于氯碱工业为情境素材载体，以离子交换膜为主线创设问题链，实现情境对接和迁移应用，从“识膜”“析膜”“用膜”升华到“建模”，搭建“情境、知识、问题与素养”四要素的教学框架;围绕“4阶段8步骤”的建模历程，构建化学学科素养导向下的“微粒运动”“微粒变化”和“装置模型”的电解知识思维模型。

关键词：氯碱工业;情境;电解;思维模型

文章编号：1008-0546（2019） 11-0073-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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

一、问题的提出

《美国国家科学教育标准》中对模型的定义表述为：“模型是与真实物体、单一事件或一类事物相对应的而且具有解释力的试探性体系或结构”[1]。模型建构是指对研究样本进行实践分析和证据推理，利用简化、类比和抽象等方法，将研究样本的本质特征和内在关联形成概括性描述或认识思路，反映出原型的功能、结构、属性、关系以及过程等本质特征的物质或思维形式[2]。建模是一种观念、对象、过程或系统的表征，台湾学者邱美虹教授提出了“4阶段8步骤”的建模历程，如图1所示。

电解知识是化学原理教学体系的重要组成部分，电解原理是发生在电子导体（电极）与离子导体（电解质溶液）接触面上的氧化还原反应，这其中既包括装置实物模型，也包括原理理论模型，针对此进行模型建构有助于引导学生建立认识框架和分析思路。电解装置和工作原理凸显素养功能，其用途彰显学科价值。电解的工业应用是高考中的热点领域，离子交换膜解决了复杂工艺问题，近五年新课标I卷电解应用（关于离子交换膜）统计如表1，主要表现在物质制备和废物处理等新情境问题解决方面。因此，融入离子交换膜的电解知识思维模型建構更贴近工业实际，有助于模型的完善与精致化。

二、课堂教学设计与评价思路

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出以化学学科素养为导向的命题框架，如图2所示，将“情境”“问题”“知识”“素养”4个要素进行定位与相互联系，以核心素养为宗旨，以真实情境为载体，以实际问题为任务，以化学知识为解决工具[3]。基于此，高三复习课教学可以搭建“情境、知识、问题与素养”的教学框架。

氯碱工业是无机化工的基础产业之一，隔膜电解法是其较为成熟的工艺，在苏教版教材中多次引入氯碱工业的装置图，是学生较为熟悉的电解实际应用。根据建构主义的“支架式”理论，以氯碱工业为情境，通过其支撑搭建连续型支架和垂直式支架，将教材知识进行拓展迁移，可以将学生的认知发展由实际水平提升到潜在水平，实现进阶学习。教学基于离子交换膜视角提出问题串，选择电解应用真实情境素材，创设陌生的实际问题，实现情境对接和迁移应用，如图3所示，建立认识电解知识的角度、思路和思维方式，促进化学学科核心素养的落地生根。

教学设计围绕建模的四个阶段，从实际应用抽象出模型，再回归到实际应用之中，从“识膜”“析膜”“用膜”升华到“建模”;从浅层学习到深度学习模式，在知识之间进行整体性联通，将它们融入原有的知识体系进行建构[4]，强调认知结构的理解、加工和重建，突出对必备知识、关键能力、思维方法和创新意识的培养。在教学中重视化学原理知识与技术思想的融合，使学生认识到通过技术可以实现其价值，凸显化学学科价值;关注自然资源的开发和利用，形成合理利用自然资源的观念，增强学生社会责任感。在课堂任务评价设计方面，选择或改编高考试题，以真实情境为测试载体，将测试任务融入到有意义的测试情境之中，体现“教、学、评”一体化，设计思路如图4所示。

三、课堂教学设计与评价

1.教学与评价目标

教学与评价目标见表2。

2.教学过程

教学板块1：模型发展阶段——初识电解模型

[教师活动]电解饱和食盐水在工业上被称之为氯碱工业，其工作原理如图5所示，请同学们描述现象，认识装置，分析原理。

[学生活动]（1）描述实验现象;（2）分析装置模型（电极名称、电解质溶液）;（3）探析微粒运动（电子转移和离子迁移方向），结合现象书写电极反应式表征微粒变化;（4）整理分析电解池装置的思路与方法。

设计意图：创设问题情境，辨识装置模型，设置问题，引发学生思考，回顾分析电解池装置的一般思路与方法，建立简易电解模型。

教学板块2：模型精致化和迁移阶段——识膜、析膜、用膜

[问题1]观察氯碱工业离子交换膜电解槽示意图，对比图5和图6分析离子交换膜的作用。请根据阳极室电解质溶液浓度的变化和工作原理再提出一个化工用途。

[学生活动]“识膜”——分析阳离子交换膜的作用;对比氯化钠溶液浓度变化，提出合理的实际应用。

设计意图：注重新旧知识的同化和顺应效应，引导学生从另一个视角（离子交换膜角度）重新审视氯碱工业的用途，进行发散思维，为电渗析法实现海水淡化作铺垫，从“单膜”走向“多膜”，构建电渗析原理模型，发展学生的创新意识。

[情境问题解决2-1]海洋资源的开发与利用具有广阔前景，电渗析法是一种较好的海水淡化技术，其原理如图7所示：淡水的出口为a、b、c中的____出口（填字母）。

[学生活动]观察、思考、讨论，“识膜”：在学习任务单上用彩色笔标出钠离子和氯离子，分组完成离子“穿越游戏”，各小组展示结果，解释分析过程。

[知识链接]化学与技术：电渗析法海水淡化原理。

设计意图：关注自然资源的开发和利用，将化学知识放在一定的社会情境之下学习，形成了合理利用自然资源的观念，增强学生社会责任感;重视知识与技术的融合，通过技术实现价值，突出化学学科价值。通过对一定电势差下溶液中离子的定向移动分析，形成微观探析的素养。

[问题2]若将氯碱工业装置中的阳离子交换膜改为阴离子交换膜，阳极室将会发生什么反应？有什么实际应用？

[学生活动]写出阳极发生反应的化学反应方程式：Cl2+2NaOH= NaCl+NaClO+H2O，联想、推测其实际应用：制备84消毒液。

[教师活动]总反应为：NaCl+H2O=通电NaClO+H2↑，为了减少氯气逸出，阳极室要适当降低食盐水的浓度。

[过渡]在离子交换膜的帮助下，利用“多室电渗析法”也可以用于物质的制备。

[情境问题解决2-2]次磷酸（H3PO2）具有较强的还原性，可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图8所示，完成以下问题。

（1）写出阳极的电极反应____。

（2）试分析产品室可得到H3PO2的原因___ 。

（3）早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有__杂质，该杂质产生的原因是__。

[学生活动]（1）在图中标出电极名称，画出电子转移方向和离子迁移方向，写出阳极室电极反应式：2H20-4e-= 4H++02↑。（2）“析膜”：阳极室的氢离子穿过阳模扩散到产品室;与此同时，原料室的H2PO2-穿过阴模扩散到产品室，发生反应：H++H2P02-=H3PO2。（3）撤去阳极室与产品室之间的阳膜，合并了阳极室与产品室，仍然会发生上述反应，但次磷酸（或H2PO2-）具有较强的还原性，易被氧气氧化为磷酸。

[情境问题解决2-3]焦亚硫酸钠（Na2S205）在医疗、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。制备Na2S205可采用三室膜电解技术，装置如图9，其中SO2碱吸收液巾含有NaHSO3和Na2SO3。

（1）阳极的电极反应式为____。电解后，___ 室的NaHS03浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S205。

（2）b室将会得到什么物质？如何得到的？

[学生活动]分析过程：（1）“析膜”：阳极：2H20-4e-= 4H++02 ↑ ，阳极室的氢离子通过阳离子交换膜进入a室，发生反应：H++S032-=HSO3-，于是a室中的Na2SO3转化为NaHSO3。（2）b室：2H20+2e-= 20H-+H2↑，溶液的碱性增强，使得b室中的NaHSO3浓度减少，Na2SO3浓度增大。

思维障碍点1：氢离子为什么不能到达b室？

思维障碍点2：为什么H+先与a室的S032-反应而不是与HSO3-先反应？（思考提示：25℃时，H2SO3的Ka1=1.54x10-2，Ka2=1.02x10-7，从定量角度分析。）

[教师活动]组织学生交流讨论。（1）因为在a室中氢离子转化为HSO3-，相当于被“截胡”了，无法穿过阳离子交换膜到达b室。（2）从亚硫酸的电离常数知，H+更易与SO32-结合。

设计意图：体会通过离子交换膜控制微粒运动的生产技术，培养创新思维。利用电解池的实际应用，创设新的真实问题情境下不同复杂和陌生程度的问题，从浅层学习沉浸入深度学习模式。从另一个角度感受离子交换膜实现生产技术的价值——制备物质。也培养学生运用化学用语描述化学原理的文字表达能力，体现“思辨”和“说理”思维。

[过渡]“多室电渗析法”还可以用于废物处理。

[问题3]三室式电渗析法处理含Na2SO4废水，同时可以得到稀硫酸和氢氧化钠，其原理如图10所示，同时使用阳离子交换膜和阴离子交换膜，模仿氯碱工业，标出离子交换膜，写出阴极室和阳极室的相应物质。

[学生活动]观察、分析，“用膜”：在图10中解决上述问题。

设计意图：基于学情，对高考试题进行改编，学以致用，诊断和发展学生判断电极、微粒运动方向，书写电极反应式的情况，初步建立电化学知识研究方法，建构学科思维模型，形成微观探析与变化观念素养。根据学生的学习水平，还可以将此情境问题设计为让学生模拟氯碱工业装置图自主设计“三室式电渗析法”装置图。

教学板块3：模型重构阶段——完善思维模型

[教师活动]对比图7、图8、图9、图10的阴极室和阳极室，找到相同点。

[学生活动]分组讨论，总结出电解水的方法模型，写出阴极和阳极的电极反应式，描述电极产物的其它实际作用。

[教师活动]以上实例都是基于电解水模型的应用[5]，在两极产生电势差，利用离子交换膜，选择性控制离子的移动方向，达到分离、提纯的目的;利用电解水后的产物可以进行废物的处理，如图11。

设计意图：引导学生进行异质同构，将不同电解装置放在一起进行对比分析，类比总结相似规律，抽象提炼出电解水模型，形成分析问题的有序思维模型。

[教师活动]归纳总结分析电解知识的思路和方法。

[学生活动]从“三要素”视角对电解知识进行建模，构建思维模型图，如图12。

设计意图：从识膜、析膜、用膜将主题升华到“建模”，在知识之间进行整体性联通，强调认知结构的理解、加工和重建，诊断并发展学生认识思路的结构化化学教与学2019年第11期水平（视角水平、系统水平）。实现心中有“墨（膜）”，通过建模，解决心“魔”。

四、实践后的思考

1.依托教材情境，促进思维建模

高三电解知识复习教学中，要重视教材、回归教材，对教材内容进行二次深度开发与拓展，让教学回归本源，实现用教材“教”，“盘活”知识，在高考题中寻找教材的原型，在教材中寻找高考的“影子”[6]。以教材和高考试题衔接的交集部分为重要节点，用情境问题串联起知识板块，素养并行，将相似、分散、变式、拓展的知识重新建构与整合，形成点状辐射或带状辐射[7]，形成主题化设计。精心设计有序、有梯度和层次感能促进学生系统思维的真实情境问题，在问题解决过程中不断完善知识建模和思维建模，揭示电解本质和规律，提升解决复杂问题的综合能力。

2.知识技术融合，发展核心素养

化学学科与生产、生活和科技发展有着广泛的联系，高考电化学试题的情境来源于生活中的化学电源、研发中的新型电池、实验室中的电化学装置以及生产中的电化学设备，既能考查学生对基本电化学知识的掌握程度，也能考查基于模型认知、变化观念和证据推理等认知方面的素养，也能渗透灌输创新意识和社会责任等情感态度方面的素养[8]。电解知识复习教学设计要基于学生的已有知识、思维障碍和发展进阶，以核心知识为载体，关注理论知识与自然资源、技术思想的融合，从宏微结合、变化守恒的视角，运用证据推理与模型认知的思维方式，探究物质与能量转化的条件和途径，在迁移性解决具体情境问题的过程中凝练学科思想和方法，建立认识角度、认识思路和思维模型，形成观念，发展化学学科核心素养。

致谢：衷心感谢福建省福州高级巾学陈立明高级教师和福建省长乐第二中学刘凯特级教师对本课的指导！

参考文献

[1] 美国国家研究理事会.美国国家科学教育标准[M].戢守志，金庆和，张钟，等译.北京：科学技术文献出版社，1999：76

[2]孙小礼，张增一.科学方法中的十大关系[M].上海：学林出版社，2004：198[3] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：77-81

[4]付亦宁.深度学习的教学范式[J].全球教育展望，2017（7）：47-56

[5] 兰建祥.“电解”的建模教学复习[J].中学化学教学参考，2018（8）：53-57

[6] 莘赞梅.怎么教知识：从系统思考到认识进阶[M].北京：北京教育出版社，2018：43-48

[7]徐雪峰.高三化學二轮复习题组训练建设的实践与思考[J].化学教学，2014（7）：78-80

[8]单旭峰.从化学学科核心素养的角度解析和认识高考电化学试题[J].中学化学教学参考，2018（8）：43-46