基于模型建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)

孔祥斌 蔣小鋼

摘要：化學(xué)基本觀念是中學(xué)化學(xué)核心素養(yǎng)的重要構(gòu)成要素。化學(xué)觀念的形成對學(xué)生的終身發(fā)展和學(xué)習(xí)意義重大。運(yùn)用“支架式”教學(xué)原理，以“電解飽和食鹽水的應(yīng)用”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，對中學(xué)化學(xué)以“觀念建構(gòu)為本”的課堂教學(xué)策略做了一些探討。

關(guān)鍵詞：支架式教學(xué);化學(xué)觀建構(gòu);教學(xué)設(shè)計(jì);教學(xué)策略

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

一、問題的提出

“支架式”教學(xué)是建構(gòu)主義理論中日臻成熟的一種教學(xué)模式?！爸Ъ苁健苯虒W(xué)的理論基礎(chǔ)源于維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)”理論。維果斯基認(rèn)為，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，存在著對所要解決的問題的潛在發(fā)展水平（第二水平）和實(shí)際發(fā)展水平之間（第一水平）的差異，這個(gè)差異就是“最近發(fā)展區(qū)”[1]。教學(xué)中通過設(shè)計(jì)和搭建支架，在教師的幫助下學(xué)生可以比較順利消除這種差異，取得理想的學(xué)習(xí)效果?！白罱l(fā)展區(qū)”理論可以形象地用圖1表示。

因經(jīng)驗(yàn)、能力等方面的限制，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自我構(gòu)建知識就會(huì)帶有一些盲目性[2]。搭建支架就是為學(xué)生的發(fā)展提供有力的支持和幫助，讓學(xué)生明白學(xué)什么？如何學(xué)習(xí)？逐步培養(yǎng)自我調(diào)節(jié)的學(xué)習(xí)能力，最終實(shí)現(xiàn)獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力目標(biāo)。因此，“支架式”教學(xué)，重視的是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，逐步形成自主建構(gòu)知識的能力;強(qiáng)調(diào)教師幫助學(xué)生設(shè)置的學(xué)習(xí)支架必須在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)，“支架”應(yīng)與學(xué)生的當(dāng)前認(rèn)知能力相匹配，同時(shí)具有敏感和動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，且隨著學(xué)生能力的增長可以逐漸撤離。這里，以蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》專題一“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”中“電解飽和食鹽水的應(yīng)用”的教學(xué)為例，運(yùn)用“支架式”教學(xué)理論，就培養(yǎng)學(xué)生如何建構(gòu)思維模型進(jìn)行一些探討。

二、基于核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)分析

“電解飽和食鹽水的應(yīng)用”屬于“電解池的工作原理及應(yīng)用（第二課時(shí)）”。本專題教學(xué)內(nèi)容包含三個(gè)方面：化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)、化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化、金屬的腐蝕與防護(hù)。學(xué)生在“必修Ⅱ”中的專題二已經(jīng)簡單學(xué)習(xí)了化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化的相關(guān)內(nèi)容，在本專題中又通過對氯堿工業(yè)、電鍍、電解精煉銅的學(xué)習(xí)加深了對電解池的認(rèn)識。本節(jié)教學(xué)要求學(xué)生能夠繼續(xù)從化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)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(yīng)用的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以更全面地了解電解的相關(guān)理論，同時(shí)對電解池的構(gòu)造原理和工作原理產(chǎn)生由感性到理性的認(rèn)識模型，進(jìn)而逐步建構(gòu)起運(yùn)用電解原理解決實(shí)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(jié)課的教學(xué)就可以讓學(xué)生完善電化學(xué)的知識體系，既能鞏固前面所學(xué)知識，又能起著延伸、拓展化學(xué)視野的作用[4]。

由上面的分析，可以確定本節(jié)課基于培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)如圖2所示。

三、基于核心素養(yǎng)的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

【環(huán)節(jié)1】創(chuàng)設(shè)情境 引入新課

教師：【提出問題】高一年級學(xué)習(xí)過工業(yè)制備氯氣，我們稱之為“氯堿工業(yè)”，請同學(xué)們寫出電解的化學(xué)方程式。

學(xué)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(yè)”就像圖3這樣電解一段時(shí)間能否制得“氯、堿”？該套裝置適合工業(yè)生產(chǎn)嗎？

學(xué)生：不適合。原因有：1.有毒的氯氣會(huì)擴(kuò)散到空氣中，且與氫氣混合有爆炸的危險(xiǎn)。2.氯氣能溶于堿，一段時(shí)間后OH^-會(huì)向陽極遷移，吸收產(chǎn)生的氯氣，發(fā)生各種副反應(yīng)，使得產(chǎn)率大減、并降低“氯堿”的產(chǎn)坐巳。

設(shè)計(jì)意圖：以學(xué)生非常熟悉的情境——電解飽和食鹽水提出問題，激發(fā)思考，引出新課。

教師：【提出問題】同學(xué)們既然發(fā)現(xiàn)了問題，借助前面學(xué)習(xí)的知識，你覺得可以如何阻止OH^-向陽極遷移呢？

學(xué)生：應(yīng)當(dāng)將電化學(xué)反應(yīng)器中兩極產(chǎn)物分隔，可以考慮使用離子交換膜。

教師：在氯堿工業(yè)的發(fā)展過程中，采用隔膜法電解槽電解飽和食鹽水主要經(jīng)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(gè)階段。20世紀(jì)80年代起，隨著科技的發(fā)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(chǎn)品純度得到不斷提高。

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

學(xué)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(zhì)量，也可防止氫氣氯氣混合。

教師：通過以上學(xué)習(xí)，相信大家都能夠深刻了解氯堿工業(yè)了吧？接下來我們一起通過資料再了解一下我國氯堿工業(yè)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。

【查閱資料】認(rèn)識中國的實(shí)業(yè)家——吳蘊(yùn)初先生并了解氯堿工業(yè)。

設(shè)計(jì)意圖：

1.通過從“電解飽和食鹽水”到“氯堿工業(yè)”，利用支架式理論構(gòu)建起電解模型的實(shí)際應(yīng)用模式。

2.讓學(xué)生嘗試運(yùn)用微粒觀、變化觀獨(dú)立分析問題。

3.訓(xùn)練學(xué)生利用已有的知識和方法綜合分析化學(xué)過程對環(huán)境和社會(huì)可能帶來的各種影響，權(quán)衡利弊，達(dá)成情感態(tài)度價(jià)值觀的教學(xué)目標(biāo)。

4.通過認(rèn)識近代化學(xué)史中的“吳蘊(yùn)初先生”，來培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷與社會(huì)責(zé)任。

【練習(xí)鞏固】一個(gè)電子的電量是1.602×10^-19C，在離子膜法電解飽和食鹽水時(shí)通過電子1.929×10₅C，則產(chǎn)生氯氣的物質(zhì)的量為？

【學(xué)生活動(dòng)】思考計(jì)算、填寫學(xué)案、展示互評。

設(shè)計(jì)意圖：打破學(xué)科界限，應(yīng)用能量守恒、得失電子守恒等學(xué)科思想，通過支架式理論培養(yǎng)學(xué)生從定性分析上升至定量分析問題的化學(xué)學(xué)習(xí)方法;對科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

【環(huán)節(jié)2】知識拓展 能力提升

教師：【提出問題】通過對氯堿工業(yè)的深度認(rèn)識，我們熟悉了“離子交換膜”的應(yīng)用，那“離子交換膜”在其他的電解環(huán)境中是否也有如此重要的應(yīng)用呢？請同學(xué)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(xué)們自主合作學(xué)習(xí)，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(xué)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(shí)間后電解池中海水的自由移動(dòng)離子數(shù)目將減少，則初步實(shí)現(xiàn)海水的淡化。

教師：【點(diǎn)評】通過同學(xué)們的交流討論，能夠?qū)倓偹鶎W(xué)知識及時(shí)進(jìn)行應(yīng)用，非常棒！大家可以再通過海水淡化的動(dòng)畫模擬過程（動(dòng)畫展示）與工業(yè)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(shè)計(jì)意圖：教育的目的不僅僅是學(xué)習(xí)知識，更重要的是“樹人”。環(huán)節(jié)2是在環(huán)節(jié)1中對離子交換膜知識建構(gòu)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)提升思維品階，目的在于讓學(xué)生能將所學(xué)電化學(xué)的理論知識與社會(huì)實(shí)踐聯(lián)系起來，學(xué)會(huì)解決社會(huì)實(shí)際問題，以期逐步積淀學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。另外一方面實(shí)現(xiàn)了學(xué)生思維的可視化，以便教師及時(shí)得到學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋，培養(yǎng)了學(xué)生化學(xué)語言的表達(dá)能力及分析、比較、歸納等學(xué)科素養(yǎng)。

【環(huán)節(jié)3】建構(gòu)素養(yǎng) 回歸生活

教師：化學(xué)與生活息息相關(guān)，老師在逛淘寶時(shí)無意間發(fā)現(xiàn)一個(gè)“化學(xué)致富的秘方”——自制消毒液。我們一起看PPT上兩張關(guān)于“除菌消毒、家庭衛(wèi)士”的介紹的圖片。

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)引入淘寶中對于物質(zhì)的介紹，情境新穎，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣，突出了化學(xué)在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任等化學(xué)核心素養(yǎng)。

教師：【提出問題】通過閱讀圖片信息，大家發(fā)現(xiàn)該“寶貝”的原理了嗎？

學(xué)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(chǎn)物應(yīng)該是氫氧化鈉溶液、氫氣與氯氣，而“寶貝”中卻產(chǎn)生次氯酸鈉消毒液，說明了什么？

學(xué)生：氯氣被氫氧化鈉溶液吸收了。

教師：【追問2】同學(xué)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(xué)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(diǎn)評】為同學(xué)們的創(chuàng)新意識點(diǎn)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(yīng)及總反應(yīng)。

學(xué)生：【作品展示】

教師：【點(diǎn)評】同學(xué)們都獲得了“化學(xué)致富的秘方”，學(xué)會(huì)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(xué)生：【交流討論】從上方導(dǎo)管口出來的是氫氣，要避免明火以防爆炸。

設(shè)計(jì)意圖：

1.通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)電池，解釋、評價(jià)其原理和裝置，引導(dǎo)學(xué)生形成自主探究與合作學(xué)習(xí)相結(jié)合的態(tài)度和研究方法，提升學(xué)生的科學(xué)探究意識和創(chuàng)新精神。

2.打破思維定勢，告訴學(xué)生電解飽和食鹽水的產(chǎn)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(yīng)除了與電極、電解液等還有裝置擺放有關(guān)系。

3.通過學(xué)案的方式同學(xué)之間互相評價(jià)以對學(xué)生進(jìn)行能力的培養(yǎng)，更加打牢課本基礎(chǔ)知識。這樣的教學(xué)不僅符合學(xué)測考試的要求，同時(shí)對學(xué)生終身能力的培養(yǎng)也大有裨益。

【環(huán)節(jié)4】知識應(yīng)用 回歸生產(chǎn)

教師：【問題提出】回憶必修一所學(xué)金屬鈉的制備，并寫出電解反應(yīng)方程式。

學(xué)生：【交流討論】

教師：【追問】請同學(xué)們回憶上節(jié)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(xué)生：【問題提出】根據(jù)“放電”順序，在陰極上H⁺（H₂O）強(qiáng)于Na⁺，因此水溶液中優(yōu)先發(fā)生2H⁺+2e^-=H₂↑（2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-），而在熔融態(tài)的NaCl中無H⁺，則發(fā)生Na⁺+e^-=Na。

教師：【點(diǎn)評】同學(xué)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(xué)習(xí)吧。

【查閱資料】因?yàn)殁c的熔點(diǎn)是97.81℃，沸點(diǎn)是882.9℃，氯化鈉的熔點(diǎn)是800.1℃，沸點(diǎn)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(tài)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(dāng)兩種氣體一接觸就會(huì)反應(yīng)，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(jié)】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(xué)生：【追問】在制備金屬鈉的同時(shí)還產(chǎn)生了大量的氯氣，這樣的生產(chǎn)在實(shí)際生產(chǎn)中可行嗎？

教師：這個(gè)問題請大家一起來幫忙解決。

學(xué)生：【交流討論】第一：尾氣的排放需要及時(shí)處理;第二：氯氣也是一種重要的化工生產(chǎn)原料。

教師：【總結(jié)】同學(xué)們分析得不錯(cuò)！這個(gè)反應(yīng)真可謂是一舉多得！可見我們的幸福生活源自化學(xué)科研工作者們的辛勤奮斗！

設(shè)計(jì)意圖：

1.通過回憶之前所學(xué)知識，讓學(xué)生在回憶舊知的同時(shí)接納、理解新的知識從而來培養(yǎng)學(xué)生的知識建構(gòu)能力。

2.在對話交流中構(gòu)建多元評價(jià)體系，促進(jìn)學(xué)生自我發(fā)展，“教是最好的學(xué)”，學(xué)生通過“教”去“學(xué)”，能夠重新建構(gòu)所學(xué)知識，思維品質(zhì)也隨之得以培養(yǎng)。

3.能夠正確認(rèn)識化學(xué)與生活、生產(chǎn)、自然、技術(shù)以及社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，建立學(xué)生科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任的學(xué)科素養(yǎng)。

【環(huán)節(jié)5】學(xué)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(shí)陰極的電極反應(yīng)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(shù)，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(yīng)式為_____________。電解后，_________________室的NaHSO₃濃度增加。將該室溶液進(jìn)行結(jié)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(fù)”）極，若有機(jī)物表示為C₄H8O₂，則a極電極反應(yīng)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(shè)計(jì)意圖：

1.由簡單到復(fù)雜，由一個(gè)個(gè)問題驅(qū)動(dòng)到知識的匯總，學(xué)生容易理解和接納“電解飽和食鹽水”的應(yīng)用，感受化學(xué)對生產(chǎn)和生活的貢獻(xiàn)。

2.利用真實(shí)情境，讓學(xué)生分析和解決問題，從中認(rèn)識化學(xué)與生活、社會(huì)、科技的聯(lián)系，學(xué)以致用，彰顯學(xué)科價(jià)值，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生“科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任”的核心素養(yǎng)。

3.本節(jié)課通過不同的任務(wù)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思維，旨在樹立科學(xué)的價(jià)值觀，傳播正能量。

四、結(jié)語

課堂教學(xué)設(shè)計(jì)是落實(shí)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的根本途徑。教師應(yīng)該把化學(xué)最本質(zhì)、最精髓的觀念和思想，通過精心設(shè)計(jì)的系列問題和活動(dòng)（尤其是實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)），讓學(xué)生去體會(huì)和感悟，達(dá)到提升化學(xué)素養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)立德樹人的根本目標(biāo)[5]。

本節(jié)課圍繞模型建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。在教學(xué)過程中，通過優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)、采取問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)形式，引發(fā)學(xué)生積極思考;根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)的五個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)置不同的探究方案，讓學(xué)生體驗(yàn)不同的科學(xué)方法、激發(fā)創(chuàng)新思維;聯(lián)系生活，體驗(yàn)應(yīng)用，用真實(shí)的生產(chǎn)生活情境，強(qiáng)化學(xué)生的信息意識，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)原理解決實(shí)際問題的能力。整節(jié)課中，學(xué)生積極參與、自主探究、合作交流，在主動(dòng)學(xué)習(xí)中提升了學(xué)科素養(yǎng)，取得了很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]黃明鳴.建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下的支架式教學(xué)模式研究[J].中學(xué)化學(xué)，2016，6

[2]侯素麗.支架式教學(xué)在高中化學(xué)教學(xué)中的探究與應(yīng)用[D].鄭州：河南師范大學(xué)，2017

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

[4]曾闊，蔣小鋼.以化學(xué)觀念建構(gòu)為頂層設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐與思考——以“沉淀溶解平衡”的教學(xué)為例[J].北學(xué)教與學(xué)，2017，4

[5]王云生.基礎(chǔ)教育階段學(xué)科核心素養(yǎng)及其確定——以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為例[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2016，2