基于变构学习模型的教学实践研究

葛蕊干

摘要：变构学习模型是一种新型的学习观，包含三个维度：学科维度、学习者维度、社会维度，学习不只是一个建构过程，而是概念先解构、后建构、再解构、再建构不断交替的过程。教师基于变构学习模型展开“原电池”的教学，立足于学生适应现代生活和未来发展的需要，整个研究过程体现了化学学科的特点，有利于培养学生的化学学科核心素养。

关键词：变构学习模型;原电池;核心素养;模型认知

文章编号：1008-0546（2021）06-0078-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.06.020

2014年教育部印发了《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》（以下简称《意见》），意见提出，时代和社会发展需要进一步提高国民的综合素质，培养创新人才[1]。当前国际教育理论研究聚焦“学习的复杂性”，作为欧洲学派杰出代表，瑞士日内瓦大学科学认识论与教学实验室（LEDS）对此进行深入研究，LEDS的探索提供了一个很好的提升公民科学素养的范例，即从“学习一教育一文化”的维度建构公民教育体系。变构学习模型正是在这样的背景下产生并发展的[2]。

一、变构学习模型的概念界定

变构学习模型（allosteric learning model）是20世纪80年代后期，科学教育专家安德烈·焦尔当（AndreGiordan）教授带领的LEDS团队提出的新的学习观，对欧洲的科学教育产生了重要的影响。变构学习模型包括五个复杂参数：P-问题，R-参照系，M-心智处理，N-语义网络，S-意义符，对学习者来说，概念系统转换就是这五个复杂参数交互作用的结果。

华东师范大学课程与教学研究所的裴新宁教授对变构学习模型进行了深入的研究。裴教授指出，依据变构学习模型，学生在进行研究之前，已经有了相关的概念系统，而学生的概念系统可能会成为学习的障碍。对于大多数学生而言，必须在指导性学习环境中借由“解构—建构”的方式，来战胜障碍[3]。学习不只是一个建构过程，而是概念先解构、后建构、再解构、再建构不断交替的过程。变构学习模型包含三个维度：学科维度、学习者维度、社会维度[4]（图1）。

二、建构基于变构学习的教学模型

变构学习理论认为，成功的学习应该是概念系统转换的过程，教师应当设法提供动态学习环境，促使学生不断探索、创新。基于变构学习模型，可以归纳出高中化学教学模型（图2）。

三、基于变构学习模型的“原电池”教学设计

原电池知识是电化学核心知识之一，概念比较抽象。新课标要求学生在必修阶段能够以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原角度初步认识原电池的工作原理，体会研制新型电池的重要性[5]。

本节课基于变构学习模型进行教学设计，教师引导学生围绕“原电池”进行学习，关注学生的已有概念以及概念转换过程，注重培养学生的化学学科核心素养，具体见表1。

1.创设情境，启动学习——寻找生活中的电池

【教师】课前布置学生寻找生活中的电池，并在同学之间互相展示。学生带来了2号电池、5号电池、纽扣电池、相机电池（锂电池）等，激发了学生的好奇心和学习兴趣。教师提出以下问题要求学生思考：

问题1：化学电池的基本组成是怎样的？请尝试总结化学电池的组成和结构特点。

【学生】化学电池有正极、负极、离子导体。

设计意图：让同学们通过观察和查阅资料，尝试归纳出生活中化学电池的组成和结构特点，对化学电池形成“初步印象”——电池一般具有两个活波型不同的电极，同时具有离子导体和电子导体，在解决这个问题时，学生培养了获取信息的能力和证据推理的能力。这样在学习原电池的理论之前，学生已经具有自己的概念系统，便于下一步概念系统的转换。

2.引发思考，概念解构——拆分干电池，画出干电池组成的海报

【教师】问题2：同学们带来的2号干电池是否完全符合你总结的化学电池的特点？每一部分的作用是什么？请试着拆分干电池，并画出干电池组成的海报。

【学生】根据提供的实验器材，拆分干电池，寻找证据，探究干电池的组成和结构（图3），研究每一部分的作用，画出干电池组成（图4）。

设计意图：从学生表达的干电池组成中可以看出，学生只是初步了解干电池的各个要素，但是对于其中各个要素的作用和内在联系不明确，很少有学生把原电池和氧化还原反应联系到一起。

【教师】问题3：通过说明论证，干电池如何产生电流？什么物质在得电子？什么物质在失电子？在什么地方得失电子？

设计意图：通过拆分干电池，学生初步对原电池的装置有了一定的概念，但是在教师的指导之下，学生经过深入思考，发现对“原电池为什么能够产生电流”这一概念产生“困惑”，从而产生转换旧的概念系统的强烈需求。

3.多重对质，建构模型——组装设计原电池

为了帮助学生深入认识原电池，构建原电池的认识模型，教学中教师应当精选教学素材，通过丰富的、来源于生活的实验素材，激发学生的探究热情。

【教师】请同学们阅读课本并小组讨论形成实验方案，自主选择电极材料、介质和验电器材，设计不同的原电池。

（1）电极材料：碳棒、铁钉、（粗）锌片、99.995%高纯锌片、镁条、铝片。

（2）介质：柠檬、土豆、食盐水等生活素材，稀硫酸、硫酸铜溶液;滤纸（玻璃片）、KMnO4溶液。

（3）验电器材：灵敏电流计、连有发光二极管的电路板、闹钟。

设计意图：选择多种素材，促进学生思考层层递进;设计滤纸玻璃片的微量实验，方便操作，试剂用量少，同时该装置与原电池装置图相似，有利于学生形象感知原电池的装置圖。

【学生】学生通过阅读学习、小组讨论完成实验设计1——粗锌-铜-稀硫酸原电池（图5）。

【学生问题】粗锌片和铜片为什么同时产生气泡？

【问题解决】分析原电池原理，认识铜片产生气泡的原因是因为铜片上氢离子得到电子生成氢气，锌片失去电子生成锌离子，形成电流。粗锌片产生气泡的原因初步推理是粗锌片不纯，与稀硫酸接触构成微小原电池，可以设计实验验证推理。

【学生】学生通过小组讨论完成实验设计2——纯锌—铜—稀硫酸原电池（图6），发现铜片上有气泡，纯锌片上基本没有气泡，验证了自己的推理。

设计意图：引导学生从锌-铜-稀盐酸为例，通过观察实验异常现象，提出质疑和新的设想。

【学生】在教师的引导下，组装实验设计3——铁—碳—氯化钠原电池，并在中间滴加少量高锰酸钾溶液。观察到滤纸上有色离子迁移。

设计意图：通过模拟钢铁的电化学腐蚀，发现正极溶液中的氧气也可以得到电子，电解质不一定直接参与反应，扩大学生对原电池的认识范围。

【学生】学生自主搭建水果电池。经过学习，学生已经了解到稀硫酸、硫酸铜等可以与活泼金属发生氧化还原反应，形成原电池;氧气也可以氧化活泼金属形成原电池。水果电池中这两种情况可能同时存在。

【学生】通过观察论证、合作学习，初步构建经典原电池的认知模型（图7），从原理和装置角度表达自己的认知。在探究过程中学生建立起分析原电池的核心角度：能量转化、电极判断、电极反应、电子移动、離子移动，既体现了原电池的构成条件，又为分析陌生的原电池指明了方向。

4.调用知识，应用模型——分析真实情境下的原电池

【教师】随着环境问题和能源问题的日益突出，新能源汽车成为了世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点，其中，燃料电池汽车以其高效率和近零排放被普遍认为具有广阔的发展前景。请同学们课后查阅资料，尝试完成新能源汽车的小论文，重点分析燃料电池的工作原理。

设计意图：化学知识从生活中（干电池）来，到生活中（燃料电池）去，既满足了学生的学习兴趣，又反映了当今社会利用科技改变生活的真实现状，让学生深刻认识到化学为满足人民日益增长的美好生活的需要做出了巨大贡献，培养学生科学态度社会责任的化学学科核心素养。

四、教学反思

1.以变促学，要激发内部动机

教师在课前可以通过个别访谈、问卷调查等方式多了解学生，关注学生对知识的兴趣点和掌握程度。通过创设学生感兴趣的情境，激发学生的学习欲望，主动建构概念。本节课通过提问“干电池如何产生电流”等一系列问题，让学生产生“困惑”，进而主动探索、解构概念，打破自己原先对原电池的粗浅理解。

2.以变促学，要创设合适的指导性学习环境

真实的化学电池是比较复杂的，学生在高一刚开始接触原电池的概念时，教师应当根据“最近发展区”理论，选取适切的教学素材，创设合适的学习环境，指导学生一步一步主动探索：经典的锌—铜—稀硫酸原电池实验（粗锌和纯锌两组实验），让学生认识负极材料与电解质反应的原电池原型;结合滤纸微型实验，组装铁—碳—氯化钠原电池，用有色离子将微观离子的运动可视化，帮助学生建构概念，画出通用原电池认识模型。在这样合适的指导下的学习环境中，学生会接收干预，实现概念的转化。

综上所述，基于变构学习模型的原电池教学，立足于学生适应现代生活和未来发展的需要，整个研究过程体现了化学学科的特点，有利于培养学生的化学学科核心素养。

参考文献

[1]中华人民共和国教有部.关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/jcj-kcjcgh/201404/t20l40408_167226.html，2014-03-30

[2][3]裴新宁.变构学习模型与教学设计[J].全球教育展望，2006（12）：38-42

[4]许玉明，郑柳萍，张贤金.基于变构学习模型的“电解原理”教学研究[J].教学月刊·中学版，2020（9）：21-25

[5]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：19