基于氯堿工業(yè)情境的電解知識思維模型建構(gòu)

陶杰 張賢金

摘要：基于氯堿工業(yè)為情境素材載體，以離子交換膜為主線創(chuàng)設(shè)問題鏈，實現(xiàn)情境對接和遷移應(yīng)用，從“識膜”“析膜”“用膜”升華到“建模”，搭建“情境、知識、問題與素養(yǎng)”四要素的教學(xué)框架;圍繞“4階段8步驟”的建模歷程，構(gòu)建化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)向下的“微粒運(yùn)動”“微粒變化”和“裝置模型”的電解知識思維模型。

關(guān)鍵詞：氯堿工業(yè);情境;電解;思維模型

文章編號：1008-0546（2019） 11-0073-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019. 11.020

一、問題的提出

《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中對模型的定義表述為：“模型是與真實物體、單一事件或一類事物相對應(yīng)的而且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)”[1]。模型建構(gòu)是指對研究樣本進(jìn)行實踐分析和證據(jù)推理，利用簡化、類比和抽象等方法，將研究樣本的本質(zhì)特征和內(nèi)在關(guān)聯(lián)形成概括性描述或認(rèn)識思路，反映出原型的功能、結(jié)構(gòu)、屬性、關(guān)系以及過程等本質(zhì)特征的物質(zhì)或思維形式[2]。建模是一種觀念、對象、過程或系統(tǒng)的表征，臺灣學(xué)者邱美虹教授提出了“4階段8步驟”的建模歷程，如圖1所示。

電解知識是化學(xué)原理教學(xué)體系的重要組成部分，電解原理是發(fā)生在電子導(dǎo)體（電極）與離子導(dǎo)體（電解質(zhì)溶液）接觸面上的氧化還原反應(yīng)，這其中既包括裝置實物模型，也包括原理理論模型，針對此進(jìn)行模型建構(gòu)有助于引導(dǎo)學(xué)生建立認(rèn)識框架和分析思路。電解裝置和工作原理凸顯素養(yǎng)功能，其用途彰顯學(xué)科價值。電解的工業(yè)應(yīng)用是高考中的熱點領(lǐng)域，離子交換膜解決了復(fù)雜工藝問題，近五年新課標(biāo)I卷電解應(yīng)用（關(guān)于離子交換膜）統(tǒng)計如表1，主要表現(xiàn)在物質(zhì)制備和廢物處理等新情境問題解決方面。因此，融入離子交換膜的電解知識思維模型建構(gòu)更貼近工業(yè)實際，有助于模型的完善與精致化。

二、課堂教學(xué)設(shè)計與評價思路

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出以化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)為導(dǎo)向的命題框架，如圖2所示，將“情境”“問題”“知識”“素養(yǎng)”4個要素進(jìn)行定位與相互聯(lián)系，以核心素養(yǎng)為宗旨，以真實情境為載體，以實際問題為任務(wù)，以化學(xué)知識為解決工具[3]?；诖?，高三復(fù)習(xí)課教學(xué)可以搭建“情境、知識、問題與素養(yǎng)”的教學(xué)框架。

氯堿工業(yè)是無機(jī)化工的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，隔膜電解法是其較為成熟的工藝，在蘇教版教材中多次引入氯堿工業(yè)的裝置圖，是學(xué)生較為熟悉的電解實際應(yīng)用。根據(jù)建構(gòu)主義的“支架式”理論，以氯堿工業(yè)為情境，通過其支撐搭建連續(xù)型支架和垂直式支架，將教材知識進(jìn)行拓展遷移，可以將學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展由實際水平提升到潛在水平，實現(xiàn)進(jìn)階學(xué)習(xí)。教學(xué)基于離子交換膜視角提出問題串，選擇電解應(yīng)用真實情境素材，創(chuàng)設(shè)陌生的實際問題，實現(xiàn)情境對接和遷移應(yīng)用，如圖3所示，建立認(rèn)識電解知識的角度、思路和思維方式，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地生根。

教學(xué)設(shè)計圍繞建模的四個階段，從實際應(yīng)用抽象出模型，再回歸到實際應(yīng)用之中，從“識膜”“析膜”“用膜”升華到“建?！?從淺層學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)模式，在知識之間進(jìn)行整體性聯(lián)通，將它們?nèi)谌朐械闹R體系進(jìn)行建構(gòu)[4]，強(qiáng)調(diào)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的理解、加工和重建，突出對必備知識、關(guān)鍵能力、思維方法和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。在教學(xué)中重視化學(xué)原理知識與技術(shù)思想的融合，使學(xué)生認(rèn)識到通過技術(shù)可以實現(xiàn)其價值，凸顯化學(xué)學(xué)科價值;關(guān)注自然資源的開發(fā)和利用，形成合理利用自然資源的觀念，增強(qiáng)學(xué)生社會責(zé)任感。在課堂任務(wù)評價設(shè)計方面，選擇或改編高考試題，以真實情境為測試載體，將測試任務(wù)融入到有意義的測試情境之中，體現(xiàn)“教、學(xué)、評”一體化，設(shè)計思路如圖4所示。

三、課堂教學(xué)設(shè)計與評價

1.教學(xué)與評價目標(biāo)

教學(xué)與評價目標(biāo)見表2。

2.教學(xué)過程

教學(xué)板塊1：模型發(fā)展階段——初識電解模型

[教師活動]電解飽和食鹽水在工業(yè)上被稱之為氯堿工業(yè)，其工作原理如圖5所示，請同學(xué)們描述現(xiàn)象，認(rèn)識裝置，分析原理。

[學(xué)生活動]（1）描述實驗現(xiàn)象;（2）分析裝置模型（電極名稱、電解質(zhì)溶液）;（3）探析微粒運(yùn)動（電子轉(zhuǎn)移和離子遷移方向），結(jié)合現(xiàn)象書寫電極反應(yīng)式表征微粒變化;（4）整理分析電解池裝置的思路與方法。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)問題情境，辨識裝置模型，設(shè)置問題，引發(fā)學(xué)生思考，回顧分析電解池裝置的一般思路與方法，建立簡易電解模型。

教學(xué)板塊2：模型精致化和遷移階段——識膜、析膜、用膜

[問題1]觀察氯堿工業(yè)離子交換膜電解槽示意圖，對比圖5和圖6分析離子交換膜的作用。請根據(jù)陽極室電解質(zhì)溶液濃度的變化和工作原理再提出一個化工用途。

[學(xué)生活動]“識膜”——分析陽離子交換膜的作用;對比氯化鈉溶液濃度變化，提出合理的實際應(yīng)用。

設(shè)計意圖：注重新舊知識的同化和順應(yīng)效應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生從另一個視角（離子交換膜角度）重新審視氯堿工業(yè)的用途，進(jìn)行發(fā)散思維，為電滲析法實現(xiàn)海水淡化作鋪墊，從“單膜”走向“多膜”，構(gòu)建電滲析原理模型，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識。

[情境問題解決2-1]海洋資源的開發(fā)與利用具有廣闊前景，電滲析法是一種較好的海水淡化技術(shù)，其原理如圖7所示：淡水的出口為a、b、c中的____出口（填字母）。

[學(xué)生活動]觀察、思考、討論，“識膜”：在學(xué)習(xí)任務(wù)單上用彩色筆標(biāo)出鈉離子和氯離子，分組完成離子“穿越游戲”，各小組展示結(jié)果，解釋分析過程。

[知識鏈接]化學(xué)與技術(shù)：電滲析法海水淡化原理。

設(shè)計意圖：關(guān)注自然資源的開發(fā)和利用，將化學(xué)知識放在一定的社會情境之下學(xué)習(xí)，形成了合理利用自然資源的觀念，增強(qiáng)學(xué)生社會責(zé)任感;重視知識與技術(shù)的融合，通過技術(shù)實現(xiàn)價值，突出化學(xué)學(xué)科價值。通過對一定電勢差下溶液中離子的定向移動分析，形成微觀探析的素養(yǎng)。

[問題2]若將氯堿工業(yè)裝置中的陽離子交換膜改為陰離子交換膜，陽極室將會發(fā)生什么反應(yīng)？有什么實際應(yīng)用？

[學(xué)生活動]寫出陽極發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式：Cl2+2NaOH= NaCl+NaClO+H2O，聯(lián)想、推測其實際應(yīng)用：制備84消毒液。

[教師活動]總反應(yīng)為：NaCl+H2O=通電NaClO+H2↑，為了減少氯氣逸出，陽極室要適當(dāng)降低食鹽水的濃度。

[過渡]在離子交換膜的幫助下，利用“多室電滲析法”也可以用于物質(zhì)的制備。

[情境問題解決2-2]次磷酸（H3PO2）具有較強(qiáng)的還原性，可用電滲析法制備。“四室電滲析法”工作原理如圖8所示，完成以下問題。

（1）寫出陽極的電極反應(yīng)____。

（2）試分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因___ 。

（3）早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2：將“四室電滲析法”中陽極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽極室與產(chǎn)品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產(chǎn)品室。其缺點是產(chǎn)品中混有__雜質(zhì)，該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是__。

[學(xué)生活動]（1）在圖中標(biāo)出電極名稱，畫出電子轉(zhuǎn)移方向和離子遷移方向，寫出陽極室電極反應(yīng)式：2H20-4e-= 4H++02↑。（2）“析膜”：陽極室的氫離子穿過陽模擴(kuò)散到產(chǎn)品室;與此同時，原料室的H2PO2-穿過陰模擴(kuò)散到產(chǎn)品室，發(fā)生反應(yīng)：H++H2P02-=H3PO2。（3）撤去陽極室與產(chǎn)品室之間的陽膜，合并了陽極室與產(chǎn)品室，仍然會發(fā)生上述反應(yīng)，但次磷酸（或H2PO2-）具有較強(qiáng)的還原性，易被氧氣氧化為磷酸。

[情境問題解決2-3]焦亞硫酸鈉（Na2S205）在醫(yī)療、橡膠、印染、食品等方面應(yīng)用廣泛。制備Na2S205可采用三室膜電解技術(shù)，裝置如圖9，其中SO2堿吸收液巾含有NaHSO3和Na2SO3。

（1）陽極的電極反應(yīng)式為____。電解后，___ 室的NaHS03濃度增加。將該室溶液進(jìn)行結(jié)晶脫水，可得到Na2S205。

（2）b室將會得到什么物質(zhì)？如何得到的？

[學(xué)生活動]分析過程：（1）“析膜”：陽極：2H20-4e-= 4H++02 ↑ ，陽極室的氫離子通過陽離子交換膜進(jìn)入a室，發(fā)生反應(yīng)：H++S032-=HSO3-，于是a室中的Na2SO3轉(zhuǎn)化為NaHSO3。（2）b室：2H20+2e-= 20H-+H2↑，溶液的堿性增強(qiáng)，使得b室中的NaHSO3濃度減少，Na2SO3濃度增大。

思維障礙點1：氫離子為什么不能到達(dá)b室？

思維障礙點2：為什么H+先與a室的S032-反應(yīng)而不是與HSO3-先反應(yīng)？（思考提示：25℃時，H2SO3的Ka1=1.54x10-2，Ka2=1.02x10-7，從定量角度分析。）

[教師活動]組織學(xué)生交流討論。（1）因為在a室中氫離子轉(zhuǎn)化為HSO3-，相當(dāng)于被“截胡”了，無法穿過陽離子交換膜到達(dá)b室。（2）從亞硫酸的電離常數(shù)知，H+更易與SO32-結(jié)合。

設(shè)計意圖：體會通過離子交換膜控制微粒運(yùn)動的生產(chǎn)技術(shù)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。利用電解池的實際應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)新的真實問題情境下不同復(fù)雜和陌生程度的問題，從淺層學(xué)習(xí)沉浸入深度學(xué)習(xí)模式。從另一個角度感受離子交換膜實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)的價值——制備物質(zhì)。也培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)用語描述化學(xué)原理的文字表達(dá)能力，體現(xiàn)“思辨”和“說理”思維。

[過渡]“多室電滲析法”還可以用于廢物處理。

[問題3]三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水，同時可以得到稀硫酸和氫氧化鈉，其原理如圖10所示，同時使用陽離子交換膜和陰離子交換膜，模仿氯堿工業(yè)，標(biāo)出離子交換膜，寫出陰極室和陽極室的相應(yīng)物質(zhì)。

[學(xué)生活動]觀察、分析，“用膜”：在圖10中解決上述問題。

設(shè)計意圖：基于學(xué)情，對高考試題進(jìn)行改編，學(xué)以致用，診斷和發(fā)展學(xué)生判斷電極、微粒運(yùn)動方向，書寫電極反應(yīng)式的情況，初步建立電化學(xué)知識研究方法，建構(gòu)學(xué)科思維模型，形成微觀探析與變化觀念素養(yǎng)。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，還可以將此情境問題設(shè)計為讓學(xué)生模擬氯堿工業(yè)裝置圖自主設(shè)計“三室式電滲析法”裝置圖。

教學(xué)板塊3：模型重構(gòu)階段——完善思維模型

[教師活動]對比圖7、圖8、圖9、圖10的陰極室和陽極室，找到相同點。

[學(xué)生活動]分組討論，總結(jié)出電解水的方法模型，寫出陰極和陽極的電極反應(yīng)式，描述電極產(chǎn)物的其它實際作用。

[教師活動]以上實例都是基于電解水模型的應(yīng)用[5]，在兩極產(chǎn)生電勢差，利用離子交換膜，選擇性控制離子的移動方向，達(dá)到分離、提純的目的;利用電解水后的產(chǎn)物可以進(jìn)行廢物的處理，如圖11。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行異質(zhì)同構(gòu)，將不同電解裝置放在一起進(jìn)行對比分析，類比總結(jié)相似規(guī)律，抽象提煉出電解水模型，形成分析問題的有序思維模型。

[教師活動]歸納總結(jié)分析電解知識的思路和方法。

[學(xué)生活動]從“三要素”視角對電解知識進(jìn)行建模，構(gòu)建思維模型圖，如圖12。

設(shè)計意圖：從識膜、析膜、用膜將主題升華到“建?！?，在知識之間進(jìn)行整體性聯(lián)通，強(qiáng)調(diào)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的理解、加工和重建，診斷并發(fā)展學(xué)生認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化化學(xué)教與學(xué)2019年第11期水平（視角水平、系統(tǒng)水平）。實現(xiàn)心中有“墨（膜）”，通過建模，解決心“魔”。

四、實踐后的思考

1.依托教材情境，促進(jìn)思維建模

高三電解知識復(fù)習(xí)教學(xué)中，要重視教材、回歸教材，對教材內(nèi)容進(jìn)行二次深度開發(fā)與拓展，讓教學(xué)回歸本源，實現(xiàn)用教材“教”，“盤活”知識，在高考題中尋找教材的原型，在教材中尋找高考的“影子”[6]。以教材和高考試題銜接的交集部分為重要節(jié)點，用情境問題串聯(lián)起知識板塊，素養(yǎng)并行，將相似、分散、變式、拓展的知識重新建構(gòu)與整合，形成點狀輻射或帶狀輻射[7]，形成主題化設(shè)計。精心設(shè)計有序、有梯度和層次感能促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)思維的真實情境問題，在問題解決過程中不斷完善知識建模和思維建模，揭示電解本質(zhì)和規(guī)律，提升解決復(fù)雜問題的綜合能力。

2.知識技術(shù)融合，發(fā)展核心素養(yǎng)

化學(xué)學(xué)科與生產(chǎn)、生活和科技發(fā)展有著廣泛的聯(lián)系，高考電化學(xué)試題的情境來源于生活中的化學(xué)電源、研發(fā)中的新型電池、實驗室中的電化學(xué)裝置以及生產(chǎn)中的電化學(xué)設(shè)備，既能考查學(xué)生對基本電化學(xué)知識的掌握程度，也能考查基于模型認(rèn)知、變化觀念和證據(jù)推理等認(rèn)知方面的素養(yǎng)，也能滲透灌輸創(chuàng)新意識和社會責(zé)任等情感態(tài)度方面的素養(yǎng)[8]。電解知識復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計要基于學(xué)生的已有知識、思維障礙和發(fā)展進(jìn)階，以核心知識為載體，關(guān)注理論知識與自然資源、技術(shù)思想的融合，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運(yùn)用證據(jù)推理與模型認(rèn)知的思維方式，探究物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的條件和途徑，在遷移性解決具體情境問題的過程中凝練學(xué)科思想和方法，建立認(rèn)識角度、認(rèn)識思路和思維模型，形成觀念，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

致謝：衷心感謝福建省福州高級巾學(xué)陳立明高級教師和福建省長樂第二中學(xué)劉凱特級教師對本課的指導(dǎo)！

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