基于变构学习模型的“电解原理”教学研究

□许玉明 郑柳萍 张贤金

（1.福州教育学院第二附属中学，福建福州 350002；2.福建师范大学化学与材料学院，福建福州 350007；3.福建教育学院化学教育研究所，福建福州 350025）

《普通高中化学课程标准（2017 年版）》中指出：把握好“素养、知识、问题、情境”等要素之间的关系，发展化学核心素养[1]。创设情境的选择、引导问题的设计、化学知识的运用、素养的提升是我们当前课堂教学要努力探索的课题。变构学习模型（Allosteric Learning Mod⁃el）提出通过创设“教学环境”促进学习的教学策略，为研究化学教学提供了一种新路径，为我们的教学研究提供了一个新视角。

一、变构学习模型的概念界定

变构学习模型是安德烈·焦尔当(Andre Giordan)于20 世纪80 年代后期，借鉴皮亚杰、巴什拉以及维果茨基的理论，为了弥补从机能主义到认知主义缺陷提出的一种新学习观，对欧洲的科学教育产生了重要的影响。

安德烈·焦尔当提出的概念体包括五个复杂参数，P：问题；R：参照系；M：心智处理；N：语义网络；S：意义符。它们的转化不是简单的过程，而是一个复杂的函数[2]。他认为学习者的概念体，可能促使学习发生，也有可能阻碍学习发生。学习不只是一个建构过程，而是概念先解构、后建构，再解构、再建构不断交替周而复始的过程。变构学习模型这一术语源于一个生物化学中的隐喻。如当前流行的新型冠状病毒，是由于外部生存环境条件的改变，蛋白质分子结构中的氨基酸中有部分发生了突变而形成的，就是我们常称的蛋白质的“变构效应”。以此原理来理解学习，学习是学习者的概念体发生了变化，教师不能直接改变学习者概念体，但可以通过创设“教学环境”作用于学习者概念体的“变构部位”，促进学习者概念体结构的“解构”，为新知识找到可以填补的空间，从而接受新知识。故要让学习可能产生，首先应该解构，其次才是建构。如图1所示。

变构学习模型包含三个维度：学科维度、学习者维度和社会维度，其三维架构模型见图2，揭示了学习的发生机理。

图1 变构学习：“解构”与“建构”并行

图2 变构学习模型三维架构

二、构建基于变构学习的教学模型

变构学习模型的核心是学习者的概念体。基于变构学习模型的三个维度，对教学模型进行构建，教学模型主要包括四个环节（见图3）。

图3 基于变构学习的高中化学教学模型

从学习者维度上，教师先确定教学内容，后通过测查、访谈交流等形式了解学生原有的概念体；了解学生背景信息，找到兴趣点，从日常生活中选取真实情境来促进学生概念体的解构与建构；引导启用思维助手，待教学任务结束后，了解和跟踪学生概念体的转化情况。

从学科维度上，通过对学习内容的比较，多重对质，完成从宏观到微观的化学科学思维过程。

从社会维度上，调用自己的知识，制造想象与创新机会，引导学生对元认知的学习。

三、基于变构学习模型的“电解原理”教学分析

电解原理知识是电化学核心知识之一，电解原理部分概念抽象而且集中。课标要求能分析解释电解池的工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。近年高考中考查电解知识及离子交换膜原理的考题不少，如2018 年高考第13 题采用质子交换膜问题，第27题采用三室膜电解问题；2019年高考第12题研究室温下氨的合成问题等。综上所述，现将本节教学目标预设为：掌握电解池的工作原理；会判断电解池的构成条件和会写电极反应式；通过分析离子交换膜的种类来寻找电解池中离子运动规律；关注与化学有关的社会热点问题。其知识承载的核心素养具体见表1。

表1 电解原理教学内容的要素

四、基于变构学习模型的“电解原理”教学设计

（一）预设情境，概念解构

教师：春节前突然爆发的新型冠状病毒肺炎疫情，导致药店和超市里的84消毒液热销，全部被抢购一空。有哪位同学知道什么是84消毒液？84消毒液是怎么来的？

情境1播放视频：北京电视台节目“抗击疫情 我们在一起”。

教师：看了视频，相信大家对84消毒液有了一个初步的了解。84消毒液应用了什么化学原理？今天我们一起通过探究学习来寻找答案。

情境2工业上用电解饱和NaCl 溶液制取Cl2的装置（见苏教版化学必修1 教材），a、b端导管产生的气体是什么？关闭电源，打开U形管左端的橡皮塞，向溶液中滴加1～2 滴酚酞溶液，描述实验现象。同时提出下列问题要求学生思考：

问题1：通电前，饱和NaCl 溶液中存在哪些离子？

问题2：通电后，溶液中的离子的运动发生了怎样的变化？

问题3：当溶液中的离子定向移动到电极表面时，发生了怎样的反应？

问题4：原电池装置中发生反应时离子是怎样移动的？电解饱和NaCl溶液时离子移动方向是怎样的？

学生活动小组讨论，交流。

【设计意图】促使学生萌发学习意愿。创设熟悉的情境，激发学生的兴趣和求知欲，通过连续问题的追问，关联已学过的原电池知识，与原电池概念产生认知冲突，解构原电池概念。

（二）多重对质，概念建构

教师通过FLASH 动画课件，模拟电解氯化钠溶液中微粒的运动情况。

问题1：该装置与原电池有什么区别？什么是电解池？组成电解池的条件是什么？根据实验现象如何写出有关电极反应式？整个过程中能量是如何转化的？

学生活动小组讨论，交流。

学生1：电解池的定义：将电能转化为化学能的装置。

通过上述分析可知，采用互质阵型构造的虚拟阵列，阵列孔径得到了有效增加.虚拟阵列模型等效为单块拍响应的形式，一般采用空域平滑算法进行DOA估计，然后整个虚拟阵列并不完全连续，其中含有“孔”，如果只利用连续虚拟阵元响应部分进行空间平滑，会造成两端不连续虚拟阵元的浪费，进而导致阵列自由度的下降，所以本文采用虚拟阵列重构的方法进行DOA估计.

学生2：与电源正极相连的电极称为阳极，与电源负极相连的电极称为阴极。

学生3：电解池的组成条件：外加电源、电解质、阴阳两极。

教师展示学生书写的电解NaCl溶液的电极反应：

教师评价小结：1.电解池的定义；2.组成条件；3.比较原电池与电解池装置的区别。

问题2：观察氯碱工业离子交换膜电解槽示意图（见苏教版化学反应原理教材），写出制备氢气、氯气和氢氧化钠溶液的电极反应式，说明其阳极室溶液浓度的变化情况。

问题3：若将氯碱工业电解槽中的阳离子交换膜改为阴离子交换膜，分析阴阳两极的反应以及离子的移动情况。

学生活动小组讨论，交流。

【设计意图】通过动画课件展示、问题设置，引导学生对质，理解电解池宏观现象背后的微观原理，建构新概念，并通过有关离子交换膜问题来寻找电解池中离子运动规律。

（三）质疑再探，概念延伸

问题1：电解NaCl 溶液时，溶液中的阴离子有Cl-和OH-，为什么是Cl-放电而不是OH-放电或共同放电？溶液中的阳离子有H+和Na+，为什么是H+放电而不是Na+放电？放电能力与什么因素有关？

学生1：从还原性考虑：Cl-＞OH-。

学生2：从氧化性考虑：H+＞Na+。

教师展示电解混合溶液离子放电顺序：

阴极（与负极相连）：还原反应。溶液中的阳离子放电顺序和金属活动性顺序有关，越不活泼的金属，其离子的氧化性越强越易得到电子：Ag+＞Hg2+＞Cu2+＞H+＞Fe2+＞Mg2+＞Na+。

阳极（与正极相连）：氧化反应。①阳极为惰性电极时，阴离子放电能力与其还原性有关，离子的还原性越强越易失去电子：S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根；②当阳极是活性电极（如Cu等）时，则阳极材料自身优先放电。

教师：若用惰性电极电解电解质的混合溶液时，离子发生反应的思路是怎样的？

问题2：用惰性电极电解浓度均为0.8mol·L-1的氯化钠和硫酸铜混合溶液，描述发生的现象，并写出相关电极反应式。

教师评价小结：电解过程思路要先明确溶液中存在哪些离子，后阴阳两极附近有哪些离子，再根据阳极氧化、阴极还原分析得出产物。有关反应分为四个阶段：首先要考虑电极要素，为惰性电极，电极不参与反应；其次要考虑阳极有Cl2析出，阴极有Cu析出；第三阶段，通过定量计算，阳极OH-放电有O2析出，阴极有Cu析出；第四阶段，电解水的反应，阳极有O2析出，阴极有H2析出。根据这些过程，推断实验现象。

【设计意图】通过对电解氯化钠和硫酸铜混合溶液的分析，厘清溶液中阴阳离子放电顺序，进一步把握电解原理的本质，建构电解混合溶液型的分析思路。

（四）调用知识，概念应用

教师：淘宝网有卖消毒液制造机，请看产品的介绍照片（见图4）。

图4 消毒液制造机产品图

问题1：根据上述电解原理的知识，思考84 消毒液应用了什么化学原理？能否根据所学的电解原理设计消毒液制造机的简易装置？

学生活动小组讨论，交流。

教师展示学生设计成果（见图5）。

图5 自制消毒液装置图

问题2：若通电时，为使生成的Cl2被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，则电源的a 极名称为____极（填“正”“负”），连接a 极的电极反应式为_______，离子方程式为___。

师生共同小结：电解、电解池原理及其构成条件，电解池问题分析步骤。

【设计意图】通过设计制取环保性84消毒液装置，师生、生生之间的交流讨论，让学生利用电解原理、电极反应、离子运动规律解决生活中的问题，内化电解有关概念，培养学生的迁移能力，提升科学探究意识和社会责任意识。

五、基于变构学习模型的化学教学建议

（一）以变促学，要激发内部动机，培养学习兴趣

由于学生会受到原概念的干扰，学生的学习态度会受到极大的影响，只有当学生的学习欲望被激发时，才可能主动参与过程[3]。教师要在课前多了解学生，关注学生掌握的知识点和兴趣点，从学生的内部因素出发，在符合最近发展区的情况下提出问题，学生感受到对问题发生兴趣时，学习动机就会被激发，从而引导学生主动地进行学习。

（二）以变促学，要设置恰当的“变构教学环境”

学习者原有的概念体可能促使学习发生，也有可能阻碍学习发生。教师在教学设计时要考虑的应该是：如何将一个化学概念呈现给学生才能被学生接受？应该如何举例让学生掌握概念的本质？又如何将生活中的现象通过什么样的途径才能让学生理解内涵？以及要通过怎样的教学手段突出知识的联系，让学生感到化学学科的魅力？这些行为都要求我们设置恰当的“变构教学环境”，并采用多种教学方式，如实验、实物模型、试听材料、小组讨论等，通过与学生进行心智互动，促进学生有意义学习的发生[4]。

（三）以变促学，要营造信任的氛围，开展多重对质

要让“概念转化”在学习过程中实现，就要让学生通过自己的先拥概念来炼制新的概念。我们创设情境的方式有：游戏活动、实物观察、实验、调查、观看视频等，关键是活动要有对质发生，如与新信息对质、与教师对质、学生之间对质等，学生通过这些对质让自己的所想和现实对立起来。如果学生在充满信任的氛围中，在比较自信的时候,他们就会接受干预，实现概念转化。

综上所述，对变构学习模型进行研究体现了化学学科实用价值，相信通过变构学习模型的研究会让学生的学习打下坚实的基础。