基于模型建構培養學生的化學核心素養

孔祥斌 蔣小鋼

摘要：化學基本觀念是中學化學核心素養的重要構成要素。化學觀念的形成對學生的終身發展和學習意義重大。運用“支架式”教學原理，以“電解飽和食鹽水的應用”的教學設計為例，對中學化學以“觀念建構為本”的課堂教學策略做了一些探討。

關鍵詞：支架式教學;化學觀建構;教學設計;教學策略

文章編號：1008-0546（2019）02-0072-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

一、問題的提出

“支架式”教學是建構主義理論中日臻成熟的一種教學模式。“支架式”教學的理論基礎源于維果斯基的“最近發展區”理論。維果斯基認為，學生在學習過程中，存在著對所要解決的問題的潛在發展水平（第二水平）和實際發展水平之間（第一水平）的差異，這個差異就是“最近發展區”[1]。教學中通過設計和搭建支架，在教師的幫助下學生可以比較順利消除這種差異，取得理想的學習效果。“最近發展區”理論可以形象地用圖1表示。

因經驗、能力等方面的限制，學生在學習過程中自我構建知識就會帶有一些盲目性[2]。搭建支架就是為學生的發展提供有力的支持和幫助，讓學生明白學什么？如何學習？逐步培養自我調節的學習能力，最終實現獨立學習的能力目標。因此，“支架式”教學，重視的是培養學生自主學習的能力，逐步形成自主建構知識的能力;強調教師幫助學生設置的學習支架必須在學生的“最近發展區”內，“支架”應與學生的當前認知能力相匹配，同時具有敏感和動態的特點，且隨著學生能力的增長可以逐漸撤離。這里，以蘇教版《化學反應原理》專題一“化學反應與能量變化”中“電解飽和食鹽水的應用”的教學為例，運用“支架式”教學理論，就培養學生如何建構思維模型進行一些探討。

二、基于核心素養的教學內容和教學目標分析

“電解飽和食鹽水的應用”屬于“電解池的工作原理及應用（第二課時）”。本專題教學內容包含三個方面：化學反應中的熱效應、化學能與電能的轉化、金屬的腐蝕與防護。學生在“必修Ⅱ”中的專題二已經簡單學習了化學能與電能轉化的相關內容，在本專題中又通過對氯堿工業、電鍍、電解精煉銅的學習加深了對電解池的認識。本節教學要求學生能夠繼續從化學能與電能轉化的視角上深度理解電解原理，因此它起著“承上”的作用[3]。通過對電解飽和食鹽水的應用的學習，學生可以更全面地了解電解的相關理論，同時對電解池的構造原理和工作原理產生由感性到理性的認識模型，進而逐步建構起運用電解原理解決實際問題的思維模型，因此它又起著“啟下”的作用。這樣，通過本節課的教學就可以讓學生完善電化學的知識體系，既能鞏固前面所學知識，又能起著延伸、拓展化學視野的作用[4]。

由上面的分析，可以確定本節課基于培養學生模型建構的化學學科素養的教學目標如圖2所示。

三、基于核心素養的教學過程設計

【環節1】創設情境 引入新課

教師：【提出問題】高一年級學習過工業制備氯氣，我們稱之為“氯堿工業”，請同學們寫出電解的化學方程式。

學生：

教師：【PPT】展示電解飽和食鹽水的裝置，如圖3所示。

【提出問題】如果“氯堿工業”就像圖3這樣電解一段時間能否制得“氯、堿”？該套裝置適合工業生產嗎？

學生：不適合。原因有：1.有毒的氯氣會擴散到空氣中，且與氫氣混合有爆炸的危險。2.氯氣能溶于堿，一段時間后OH^-會向陽極遷移，吸收產生的氯氣，發生各種副反應，使得產率大減、并降低“氯堿”的產坐巳。

設計意圖：以學生非常熟悉的情境——電解飽和食鹽水提出問題，激發思考，引出新課。

教師：【提出問題】同學們既然發現了問題，借助前面學習的知識，你覺得可以如何阻止OH^-向陽極遷移呢？

學生：應當將電化學反應器中兩極產物分隔，可以考慮使用離子交換膜。

教師：在氯堿工業的發展過程中，采用隔膜法電解槽電解飽和食鹽水主要經歷了石棉隔膜（如圖4所示）、塑料微孔隔膜和離子交換膜（如圖5所示）幾個階段。20世紀80年代起，隨著科技的發展，電解工藝不斷革新，采用“離子交換膜”法電解飽和食鹽水使得電解效率和產品純度得到不斷提高。

教師：【提出問題】同學們思考一下，在氯堿工業中的離子交換膜電解技術該使用陽離子交換膜還是陰離子交換膜？理由是？

學生：陽離子交換膜。理由：陽離子交換膜隔成陰極室和陽極室，則OH一不能遷移至陽極室，可防止氯氣與氫氧化鈉作用影響燒堿質量，也可防止氫氣氯氣混合。

教師：通過以上學習，相信大家都能夠深刻了解氯堿工業了吧？接下來我們一起通過資料再了解一下我國氯堿工業發展歷史和現狀。

【查閱資料】認識中國的實業家——吳蘊初先生并了解氯堿工業。

設計意圖：

1.通過從“電解飽和食鹽水”到“氯堿工業”，利用支架式理論構建起電解模型的實際應用模式。

2.讓學生嘗試運用微粒觀、變化觀獨立分析問題。

3.訓練學生利用已有的知識和方法綜合分析化學過程對環境和社會可能帶來的各種影響，權衡利弊，達成情感態度價值觀的教學目標。

4.通過認識近代化學史中的“吳蘊初先生”，來培養學生的愛國情懷與社會責任。

【練習鞏固】一個電子的電量是1.602×10^-19C，在離子膜法電解飽和食鹽水時通過電子1.929×10₅C，則產生氯氣的物質的量為？

【學生活動】思考計算、填寫學案、展示互評。

設計意圖：打破學科界限，應用能量守恒、得失電子守恒等學科思想，通過支架式理論培養學生從定性分析上升至定量分析問題的化學學習方法;對科學數據進行研究分析，培養學生嚴謹的科學態度。

【環節2】知識拓展 能力提升

教師：【提出問題】通過對氯堿工業的深度認識，我們熟悉了“離子交換膜”的應用，那“離子交換膜”在其他的電解環境中是否也有如此重要的應用呢？請同學們觀察一套簡易的海水淡化裝置如圖6所示，其中也使用到離子交換膜，接下來請同學們自主合作學習，思考M、N分別屬于哪種離子交換膜？并說明海水淡化原理。

學生：【交流討論】M為陽離子交換膜、N為陰離子交換膜。原理：海水中存在大量的Mg²⁺、Na⁺、Ca²⁺、SO₄^2-、Cl^-等，利用電解原理，受電場作用，陽極（Y）吸引陰離子SO₄^2-、Cl^-，陰極（X）吸引陽離子Mg²⁺、Na⁺、Ca²⁺，一段時間后電解池中海水的自由移動離子數目將減少，則初步實現海水的淡化。

教師：【點評】通過同學們的交流討論，能夠對剛剛所學知識及時進行應用，非常棒！大家可以再通過海水淡化的動畫模擬過程（動畫展示）與工業電滲析法海水淡化流程（視頻展示），加深對離子交換膜的理解。

設計意圖：教育的目的不僅僅是學習知識，更重要的是“樹人”。環節2是在環節1中對離子交換膜知識建構的基礎上，繼續提升思維品階，目的在于讓學生能將所學電化學的理論知識與社會實踐聯系起來，學會解決社會實際問題，以期逐步積淀學生的化學學科核心素養。另外一方面實現了學生思維的可視化，以便教師及時得到學生學習情況的反饋，培養了學生化學語言的表達能力及分析、比較、歸納等學科素養。

【環節3】建構素養 回歸生活

教師：化學與生活息息相關，老師在逛淘寶時無意間發現一個“化學致富的秘方”——自制消毒液。我們一起看PPT上兩張關于“除菌消毒、家庭衛士”的介紹的圖片。

設計意圖：該環節引入淘寶中對于物質的介紹，情境新穎，激發學生學習的樂趣，突出了化學在生產生活中的廣泛應用，有助于培養學生的科學精神與社會責任等化學核心素養。

教師：【提出問題】通過閱讀圖片信息，大家發現該“寶貝”的原理了嗎？

學生：【交流討論】電解飽和食鹽水。

教師：【追問1】如果僅是完全套用電解飽和食鹽水的原理，電解產物應該是氫氧化鈉溶液、氫氣與氯氣，而“寶貝”中卻產生次氯酸鈉消毒液，說明了什么？

學生：氯氣被氫氧化鈉溶液吸收了。

教師：【追問2】同學們說得很好，但如果仍是利用圖3裝置的話氯氣被氫氧化鈉溶液吸收的量并不多，并不能大量制取次氯酸鈉消毒液，請大家思考并交流討論利用電解飽和食鹽水原理制取次氯酸鈉消毒液的方法。

學生：【交流討論】既然要讓氯氣被氫氧化鈉溶液吸收，那么可以考慮把裝置中左右擺放的電極改為上下擺放。

教師：【點評】為同學們的創新意識點贊！正如淘寶介紹中所說：“食鹽（15g）+水（500mL）通電（20分鐘）=消毒液”，請大家嘗試畫出該電解裝置的示意圖、電極反應及總反應。

學生：【作品展示】

教師：【點評】同學們都獲得了“化學致富的秘方”，學會了家庭自制消毒液！那么請大家參考圖8，思考本裝置還存在的安全隱患是什么？需要注意什么？

學生：【交流討論】從上方導管口出來的是氫氣，要避免明火以防爆炸。

設計意圖：

1.通過學生自主設計電池，解釋、評價其原理和裝置，引導學生形成自主探究與合作學習相結合的態度和研究方法，提升學生的科學探究意識和創新精神。

2.打破思維定勢，告訴學生電解飽和食鹽水的產物不一定就是氫氧化鈉溶液、氫氣與氯氣，還可以是次氯酸鈉溶液與氫氣，電解總反應除了與電極、電解液等還有裝置擺放有關系。

3.通過學案的方式同學之間互相評價以對學生進行能力的培養，更加打牢課本基礎知識。這樣的教學不僅符合學測考試的要求，同時對學生終身能力的培養也大有裨益。

【環節4】知識應用 回歸生產

教師：【問題提出】回憶必修一所學金屬鈉的制備，并寫出電解反應方程式。

學生：【交流討論】

教師：【追問】請同學們回憶上節課知識，思考若使用圖3中的電解飽和食鹽水裝置為什么得不到金屬鈉？

學生：【問題提出】根據“放電”順序，在陰極上H⁺（H₂O）強于Na⁺，因此水溶液中優先發生2H⁺+2e^-=H₂↑（2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-），而在熔融態的NaCl中無H⁺，則發生Na⁺+e^-=Na。

教師：【點評】同學們分析得很到位，那制備的過程又是怎么樣的呢？我們通過PPT中的資料一起學習吧。

【查閱資料】因為鈉的熔點是97.81℃，沸點是882.9℃，氯化鈉的熔點是800.1℃，沸點是 1465℃，所以一般是把氯化鈉加熱到900℃左右，這樣氯化鈉就完全是液態了，而通電后生成的C12在此條件下密度較小，所以就飄在熔爐的上層，而生成的鈉蒸汽密度較大，所以飄在下層。當兩種氣體一接觸就會反應，生成氯化鈉的小液滴，小液滴越來越多，最后就把兩種氣體完全隔開了。把兩種氣體分別抽出，再凈化、冷卻，就可以得到較純的Cl₂和金屬鈉了（圖9）。

教師：【總結】通過金屬鈉的冶煉，我們可以得知對于金屬鎂、鋁等活潑金屬的冶煉也是采用電解的方法來制備。

學生：【追問】在制備金屬鈉的同時還產生了大量的氯氣，這樣的生產在實際生產中可行嗎？

教師：這個問題請大家一起來幫忙解決。

學生：【交流討論】第一：尾氣的排放需要及時處理;第二：氯氣也是一種重要的化工生產原料。

教師：【總結】同學們分析得不錯！這個反應真可謂是一舉多得！可見我們的幸福生活源自化學科研工作者們的辛勤奮斗！

設計意圖：

1.通過回憶之前所學知識，讓學生在回憶舊知的同時接納、理解新的知識從而來培養學生的知識建構能力。

2.在對話交流中構建多元評價體系，促進學生自我發展，“教是最好的學”，學生通過“教”去“學”，能夠重新建構所學知識，思維品質也隨之得以培養。

3.能夠正確認識化學與生活、生產、自然、技術以及社會發展的關系，建立學生科學精神與社會責任的學科素養。

【環節5】學以致用 問題解決

教師：【PPT】1.（2018年全國卷Ⅲ.27）KClO₃也可采用“電解法”制備，裝置如圖10所示。

①寫出電解時陰極的電極反應式

②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為________，其遷移方向是____________________。

教師：【PPT】2.（2018年全國卷Ⅰ.27）制備Na₂S₂O₅也可采用三室膜電解技術，裝置如圖11所示，其中SO₂堿吸收液中含有NaHSO₃和Na₂SO₃。陽極的電極反應式為_____________。電解后，_________________室的NaHSO₃濃度增加。將該室溶液進行結晶脫水，可得到Na₂S₂O₅。

教師：【PPT】3.某化工廠利用原電池原理處理廢水并淡化海水。工作示意圖如圖12，思考以下問題：

①電極a在裝置中做（選填“正”或“負”）極，若有機物表示為C₄H8O₂，則a極電極反應式為_____。

②裝置中膜A是______________離子交換膜（選填“陽”或“陰”，下同），膜B是_____________離子交換膜。

③請簡述該裝置淡化海水的原理。

設計意圖：

1.由簡單到復雜，由一個個問題驅動到知識的匯總，學生容易理解和接納“電解飽和食鹽水”的應用，感受化學對生產和生活的貢獻。

2.利用真實情境，讓學生分析和解決問題，從中認識化學與生活、社會、科技的聯系，學以致用，彰顯學科價值，進一步發展學生“科學精神和社會責任”的核心素養。

3.本節課通過不同的任務培養學生的學科思維，旨在樹立科學的價值觀，傳播正能量。

四、結語

課堂教學設計是落實學生發展核心素養的根本途徑。教師應該把化學最本質、最精髓的觀念和思想，通過精心設計的系列問題和活動（尤其是實驗探究活動），讓學生去體會和感悟，達到提升化學素養，最終實現立德樹人的根本目標[5]。

本節課圍繞模型建構培養學生化學核心素養進行教學設計。在教學過程中，通過優化課堂結構、采取問題驅動的教學形式，引發學生積極思考;根據教學設計的五個環節，設置不同的探究方案，讓學生體驗不同的科學方法、激發創新思維;聯系生活，體驗應用，用真實的生產生活情境，強化學生的信息意識，培養學生運用化學原理解決實際問題的能力。整節課中，學生積極參與、自主探究、合作交流，在主動學習中提升了學科素養，取得了很好的教學效果。

參考文獻

[1]黃明鳴.建構主義理論指導下的支架式教學模式研究[J].中學化學，2016，6

[2]侯素麗.支架式教學在高中化學教學中的探究與應用[D].鄭州：河南師范大學，2017

[3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[4]曾闊，蔣小鋼.以化學觀念建構為頂層設計的教學實踐與思考——以“沉淀溶解平衡”的教學為例[J].北學教與學，2017，4

[5]王云生.基礎教育階段學科核心素養及其確定——以化學學科核心素養為例[J].福建基礎教育研究，2016，2