基于信息差理論下化學核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實踐

劉凱

傳統(tǒng)的化學課堂教學，往往注重課程知識的完整性與系統(tǒng)性，忽視學生在獲取知識過程的體驗與感受，導致學生遇到陌生情境的問題時常常束手無策。如何基于化學學科核心素養(yǎng)的框架下來組織課堂活動，從知識至上轉向化學學科核心素養(yǎng)，將教學重心從知識的積累向學科思維模型的有意識轉化，探索學科核心素養(yǎng)下的教學方法和路徑，以幫助學生形成具有學科特質的必備品格和關鍵能力。本文以“金屬的電化學腐蝕”教學案例為例，利用信息差理論，通過學生習得知識、整合知識，體驗知識的建構過程，使學生對學習充滿好奇，對科學有探索精神，養(yǎng)成良好的思維習慣，形成和發(fā)展學科核心素養(yǎng)。

一、信息差理論的簡介

所謂“信息差”，是指教師以語言、圖形、圖像、聲音等形式的有效信息為媒介來表達數(shù)據(jù)、事實、思想、觀念、概念等時，所給的新信息與學生原有認知之間存在差距，由于信息差的存在，促使學生查找、縮短信息差，從而實現(xiàn)對新信息的同化和吸收，其過程和結果將“擴建”或“整合”學生原有的認知結構。在獲取知識需求的動因驅動下，在意義建構框架下進行深度思考，激發(fā)學生創(chuàng)造性思維，這種有效信息差的功能具有填充學生認知上的缺陷，改變、完善學生認知結構。

二、信息差理論教學基本模型

創(chuàng)設信息差，促進學生運用化學學科的思維方法，合作探究所遇難題，填補信息差，促進學生形成良好的建構認知結構，遷移解決實際問題。課堂基本教學流程包含：感知、疑惑；假設、猜想；檢驗、驗證；擴建、整合；運用、實踐等環(huán)節(jié)，見圖1。

在課堂活動中，學生行為主要包含：（1）積極感知信息差，產生疑惑和興趣，發(fā)現(xiàn)所要研究的問題；（2）運用化學學科的思想與方法進行分析、推理，提出可能的假設；（3）通過事實、實驗驗證假設，基于證據(jù)事實取得共識；（4）整合新、舊認知結構，擴建認知結構，轉化為化學表述語言；

（5）運用新的認知結構解決實際生活中的問題。

因此，對應的教師行為主要包含：（1）在課堂中設計和制造信息差，引導學生從新的角度進行思考，自然呈現(xiàn)問題；（2）引導學生討論，對討論遇到的困難提供必要的幫助；（3）準備事實素材或實驗用品，協(xié)助完成檢驗、驗證活動；（4）修正學生在整合、擴建認知結構過程中出現(xiàn)的偏差；（5）提供實際生活中的問題信息素材，以供遷移運用。

三、基于信息差理論下化學核心素養(yǎng)培養(yǎng)的案例分析

以下以蘇教版高中化學選修《化學反應原理》的專題1第三單元“金屬的電化學腐蝕”為例，闡述信息差理論在教學活動中的應用。

1.設計思路

“金屬的電化學腐蝕”一課，是在學生學習了原電池等電化學原理之后，對“宏電池”有了初步了解的基礎上，轉入“微電池”的認識與學習?！拔㈦姵亍蹦Ｐ偷膶W習，能促進學生化學微觀思維能力的發(fā)展，從而從本質上理解化學腐蝕與電化學腐蝕的區(qū)別；從“微電池”反應的普遍性，發(fā)現(xiàn)電化學腐蝕的普遍性，并對金屬在溶液中的反應行為有了新的認識，學生能從中體驗“重整”、“擴建”認知結構后視野變寬的探究樂趣。

2.教學過程的主要環(huán)節(jié)

教學環(huán)節(jié)1：實驗輔助模型演變，建構認識電化學腐蝕

教師活動：銅鋅原電池是一個常見的原電池，能把化學能轉化為電能，見圖2。請同學們判斷一下，圖3中的這些情況還能發(fā)生原電池反應嗎？

學生活動：思考判斷，討論交流，總結匯報。

教師活動：剛才同學們的結論有爭議，可以通過實驗來檢驗一下。但是檢驗的時候，需要解決一個問題，圖3中的裝置沒有連接電流表，根據(jù)什么現(xiàn)象來判斷是否發(fā)生了原電池反應呢？

學生活動：討論，回答。

教師活動：同學們對原電池的反應理解地非常到位。讓我們動手實驗一下，看看哪些情況下，銅片上有氣泡冒出？

學生活動：動手實驗，觀察記錄，整理匯報。

教師活動：通過剛才的實驗，發(fā)現(xiàn)這三種情況都能發(fā)生原電池反應。同學們根據(jù)原電池的工作原理，來描述一下圖2和圖3中，原電池的不同之處。

學生活動：觀察，討論，匯報。得出只是電流回路的形式不同。

教師活動：原電池反應，不一定要有明顯的、可觀察的電流回路；像圖3一樣，不同的金屬，直接接觸也會發(fā)生原電池反應。那么，請繼續(xù)判斷圖4這些情況是否能發(fā)生，并用實驗驗證一下吧。圖4

學生活動：實驗驗證，判斷銅上均有氣泡冒出。

教師活動：大家的判斷都很準確，與實驗結果吻合。那么，試想，將鋅粒直接放入稀硫酸中能發(fā)生原電池反應呢？

學生活動：思考、辯論。

教師活動：剛才大家都充分表達了自己的看法和理由。而意見分歧的關鍵，其實在于鋅粒的成分。理想狀態(tài)下，鋅粒指的是純鋅；但實際上，鋅粒是無法做到絕對純凈的。不純的鋅粒中，鋅原子與Fe、Pb等原子直接接觸，見圖5。

教師活動：當不純的的鋅粒遇到硫酸，會發(fā)生原電池反應。但是這樣的原電池反應，其化學能轉化成電能后，由于電能無法利用，最終只能以熱能（電阻發(fā)熱）的形式白白浪費掉了。因此，金屬腐蝕通常指金屬或合金與周圍環(huán)境中的物質發(fā)生化學反應而腐蝕消耗。由于發(fā)生電化學反應而使較活潑的金屬被氧化腐蝕，稱為電化學腐蝕。而金屬與其他物質直接接觸發(fā)生氧化還原反應，稱為化學腐蝕。生產生活中，金屬被廣泛使用，我們有必要深入學習金屬腐蝕，以期找到金屬防護腐蝕的方法。

設計意圖：通過原電池模型的演變設計信息差，創(chuàng)造學生認知與復雜情景之間的沖突；引導學生運用原電池原理進行推理、判斷，結合實驗驗證加強或修正已有的認識模型；運用模型解釋復雜原電池的反應現(xiàn)象，探究電化學腐蝕的本質規(guī)律。

教學環(huán)節(jié)2：實驗探究，認識吸氧腐蝕

教師活動：生活中，還有一種情況是否引起同學們注意：即使鐵制品沒有接觸酸性物質，也會容易發(fā)生腐蝕。這是為什么呢？endprint

學生活動：回答——鐵制品與氧氣、水等物質接觸而生銹。

教師活動：如輪船長時間與海水接觸，船體外殼特別容易發(fā)生腐蝕。由于腐蝕是一種氧化還原反應，請判斷氧化劑、還原劑分別是什么？

學生活動：回答——鐵是還原劑，氧氣是氧化劑。

教師活動：那么，從微觀角度來看，鐵原子、氧氣分子在腐蝕后將形成何種微粒？

學生活動：思考、回答——Fe2+、OH-等。

教師活動：那么有什么辦法可以檢驗這些微粒？

學生活動：思考、討論、回答。

教師活動：剛才大家提了很多辦法檢驗。今天我們分別用鐵氰化鉀、酚酞來檢驗鐵吸氧腐蝕的生成物是否存在Fe2+、OH-等。

教師活動：演示實驗——在鐵片上滴加氯化鈉、鐵氰化鉀、酚酞的混合溶液，見圖6。

（左圖：鐵片上滴加NaCl、酚酞和鐵氰化鉀的混合溶液。

右圖：液滴的邊緣，酚酞變紅，中間部分鐵氰化鉀變藍。）

學生活動：觀察，描述現(xiàn)象。在腐蝕過程中，F(xiàn)e失去電子生成Fe2+（鐵氰化鉀變藍），可能是氧氣獲得電子生成OH-。

教師活動：在腐蝕過程中，F(xiàn)e失去電子生成Fe2+，可以從鐵氰化鉀變藍得到證明。但“OH-是由氧氣獲得電子而來”，證據(jù)是否充分呢？

學生活動：討論，提出另一種可能性：2H2O+2e-H2↑+2OH-，并提出兩種檢驗方案——檢驗氧氣的消耗或檢驗氫氣的生成，最終一致認定檢驗氧氣的消耗是可行性比較好的方案。

教師活動：演示DIS手持技術探究實驗過程氧氣濃度的變化，見圖7。

圖7

學生活動：觀察、匯報——氧氣在鐵的腐蝕過程，消耗明顯，并同時得到OH-。

教師活動：宏觀角度，鐵的腐蝕現(xiàn)象分成兩個部分分別發(fā)生在兩種不同的位置。能否結合反應模型從微觀角度解釋一下，并用化學符號進行表示。

學生活動：鐵在NaCl溶液中的腐蝕具有典型的原電池反應特征——水膜邊緣比較薄，利于氧氣溶解，為原電池的正極；反之，水膜中心位置較厚，不利于氧氣溶解，為原電池的負極，并寫出電極反應式。

教師活動：根據(jù)同學們所寫的電極反應式和電池方程式，并不能解釋鐵的腐蝕最終生成鐵銹的現(xiàn)象。請思考一下，鐵銹如何生成？

學生活動：討論，提出從Fe（OH）2得到鐵銹，需要經(jīng)歷氧化和分解兩個過程。并進一步討論認定，先氧化再分解比較合理，最終用化學方程式表示后續(xù)的化學變化。

教師活動：在潮濕環(huán)境下，金屬發(fā)生電化學腐蝕的過程中吸收氧氣，稱為吸氧腐蝕。在生產生活中，由于潮濕環(huán)境、接觸氧氣都是比較常見的，所以研究吸氧腐蝕也是很有意義的。

設計意圖：通過實驗，使學生原有認知與吸氧腐蝕原理之間產生信息差，在師生對話、分組討論中，學生從問題出發(fā)設計探究方案，進行實驗探究來“填補”信息差。探究過程中，注重學生基于實驗現(xiàn)象推理分析現(xiàn)象、結論之間的邏輯關系，提高學生證據(jù)推理的嚴謹性。

教學環(huán)節(jié)3：改進實驗裝置，對比析氫、吸氧腐蝕差異性

活動與探究：向還原鐵粉中加入少量的炭粉，混合均勻后，裝入甲、乙兩支具支試管底部，通過a、b膠頭滴管分別滴入等量的氯化鈉溶液和稀醋酸（見圖8）。幾分鐘后，觀察、比較U型管中紅墨水液面高低變化。

圖8

學生活動：觀察、匯報——液面左高右低。

教師活動：實驗現(xiàn)象背后原因是什么呢？

學生活動：思考、回答——甲管中屬于吸氧腐蝕，消耗氧氣，壓強減??；乙管中壓強增多，可能生成H2等。

教師活動：我們把活潑金屬在酸性較強的環(huán)境中，正極析出氫氣的一類電化學腐蝕，稱為析氫腐蝕。

學生活動：圖8實驗過程中發(fā)現(xiàn)：U型管內液面高度最終有所下降趨于等高。

教師活動：實驗發(fā)生“意外”了嗎？實驗結果出現(xiàn)偏差可能和哪些因素有關？

學生活動：思考、設計實驗（增大圖8膠頭滴管b內醋酸的濃度），觀察現(xiàn)象（此時圖8中U型管內明顯左高右低）。

得出結論：在酸性較強環(huán)境中，發(fā)生析氫腐蝕；而在酸性較弱環(huán)境下，先發(fā)生析氫腐蝕，后發(fā)生吸氧腐蝕。

設計意圖：實驗的魅力在于實驗結果的不可預測性，在探究過程中可能會出現(xiàn)一些“意外”，與所預期的有所差別，當理論和實際不相符時，學生會質疑、猜想，教師若能適時啟發(fā)學生打破常規(guī)，積極思考，主動探究，尋求真知，那么學生學科核心素養(yǎng)必將得到發(fā)展。

四、結論與啟示

發(fā)展學生核心素養(yǎng)是課堂教學活動的高級目標，而運用信息差理論進行教學是實現(xiàn)這一目標的一種途徑?！靶畔⒉睢钡拇嬖趧?chuàng)設了課堂活動的情境主題，不僅能充分調動學生課堂學習的興趣，并為探究活動的提供問題素材。填補“信息差”的過程，引導學生積極思考，設計合理的方案進行探究活動，將宏觀現(xiàn)象與微觀行為聯(lián)系起來，結合反應原理分析化學變化的過程與結果，注重培養(yǎng)學生嚴謹崇真的科學精神，最終建立符合化學變化的本質規(guī)律的模型，并能用于分析解決更多的實際問題，從而實現(xiàn)學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（收稿日期：2017-04-15）endprint