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基于模型建构培养学生的化学核心素养

范文

孔祥斌蒋小钢

摘要：化学基本观念是中学化学核心素养的重要构成要素。化学观念的形成对学生的终身发展和学习意义重大。运用“支架式”教学原理，以“电解饱和食盐水的应用”的教学设计为例，对中学化学以“观念建构为本”的课堂教学策略做了一些探讨。

关键词：支架式教学;化学观建构;教学设计;教学策略

文章编号：1008-0546（2019）02-0072-05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、问题的提出

“支架式”教学是建构主义理论中日臻成熟的一种教学模式。“支架式”教学的理论基础源于维果斯基的“最近发展区”理论。维果斯基认为，学生在学习过程中，存在着对所要解决的问题的潜在发展水平（第二水平）和实际发展水平之间（第一水平）的差异，这个差异就是“最近发展区”[1]。教学中通过设计和搭建支架，在教师的帮助下学生可以比较顺利消除这种差异，取得理想的学习效果。“最近发展区”理论可以形象地用图1表示。

因经验、能力等方面的限制，学生在学习过程中自我构建知识就会带有一些盲目性[2]。搭建支架就是为学生的发展提供有力的支持和帮助，让学生明白学什么？如何学习？逐步培养自我调节的学习能力，最终实现独立学习的能力目标。因此，“支架式”教学，重视的是培养学生自主学习的能力，逐步形成自主建构知识的能力;强调教师帮助学生设置的学习支架必须在学生的“最近发展区”内，“支架”应与学生的当前认知能力相匹配，同时具有敏感和动态的特点，且随着学生能力的增长可以逐渐撤离。这里，以苏教版《化学反应原理》专题一“化学反应与能量变化”中“电解饱和食盐水的应用”的教学为例，运用“支架式”教学理论，就培养学生如何建构思维模型进行一些探讨。

二、基于核心素养的教学内容和教学目标分析

“电解饱和食盐水的应用”属于“电解池的工作原理及应用（第二课时）”。本专题教学内容包含三个方面：化学反应中的热效应、化学能与电能的转化、金属的腐蚀与防护。学生在“必修Ⅱ”中的专题二已经简单学习了化学能与电能转化的相关内容，在本专题中又通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜的学习加深了对电解池的认识。本节教学要求学生能够继续从化学能与电能转化的视角上深度理解电解原理，因此它起着“承上”的作用[3]。通过对电解饱和食盐水的应用的学习，学生可以更全面地了解电解的相关理论，同时对电解池的构造原理和工作原理产生由感性到理性的认识模型，进而逐步建构起运用电解原理解决实际问题的思维模型，因此它又起着“启下”的作用。这样，通过本节课的教学就可以让学生完善电化学的知识体系，既能巩固前面所学知识，又能起着延伸、拓展化学视野的作用[4]。

由上面的分析，可以确定本节课基于培养学生模型建构的化学学科素养的教学目标如图2所示。

三、基于核心素养的教学过程设计

【环节1】创设情境引入新课

教师：【提出问题】高一年级学习过工业制备氯气，我们称之为“氯碱工业”，请同学们写出电解的化学方程式。

学生：

教师：【PPT】展示电解饱和食盐水的装置，如图3所示。

【提出问题】如果“氯碱工业”就像图3这样电解一段时间能否制得“氯、碱”？该套装置适合工业生产吗？

学生：不适合。原因有：1.有毒的氯气会扩散到空气中，且与氢气混合有爆炸的危险。2.氯气能溶于碱，一段时间后OH-会向阳极迁移，吸收产生的氯气，发生各种副反应，使得产率大减、并降低“氯碱”的产坐巳。

设计意图：以学生非常熟悉的情境——电解饱和食盐水提出问题，激发思考，引出新课。

教师：【提出问题】同学们既然发现了问题，借助前面学习的知识，你觉得可以如何阻止OH-向阳极迁移呢？

学生：应当将电化学反应器中两极产物分隔，可以考虑使用离子交换膜。

教师：在氯碱工业的发展过程中，采用隔膜法电解槽电解饱和食盐水主要经历了石棉隔膜（如图4所示）、塑料微孔隔膜和离子交换膜（如图5所示）几个阶段。20世纪80年代起，随着科技的发展，电解工艺不断革新，采用“离子交换膜”法电解饱和食盐水使得电解效率和产品纯度得到不断提高。

教师：【提出问题】同学们思考一下，在氯碱工业中的离子交换膜电解技术该使用阳离子交换膜还是阴离子交换膜？理由是？

学生：阳离子交换膜。理由：阳离子交换膜隔成阴极室和阳极室，则OH一不能迁移至阳极室，可防止氯气与氢氧化钠作用影响烧碱质量，也可防止氢气氯气混合。

教师：通过以上学习，相信大家都能够深刻了解氯碱工业了吧？接下来我们一起通过资料再了解一下我国氯碱工业发展历史和现状。

【查阅资料】认识中国的实业家——吴蕴初先生并了解氯碱工业。

设计意图：

1.通过从“电解饱和食盐水”到“氯碱工业”，利用支架式理论构建起电解模型的实际应用模式。

2.让学生尝试运用微粒观、变化观独立分析问题。

3.训练学生利用已有的知识和方法综合分析化学过程对环境和社会可能带来的各种影响，权衡利弊，达成情感态度价值观的教学目标。

4.通过认识近代化学史中的“吴蕴初先生”，来培养学生的爱国情怀与社会责任。

【练习巩固】一个电子的电量是1.602×10-19C，在离子膜法电解饱和食盐水时通过电子1.929×105C，则产生氯气的物质的量为？

【学生活动】思考计算、填写学案、展示互评。

设计意图：打破学科界限，应用能量守恒、得失电子守恒等學科思想，通过支架式理论培养学生从定性分析上升至定量分析问题的化学学习方法;对科学数据进行研究分析，培养学生严谨的科学态度。

【环节2】知识拓展能力提升

教师：【提出问题】通过对氯碱工业的深度认识，我们熟悉了“离子交换膜”的应用，那“离子交换膜”在其他的电解环境中是否也有如此重要的应用呢？请同学们观察一套简易的海水淡化装置如图6所示，其中也使用到离子交换膜，接下来请同学们自主合作学习，思考M、N分别属于哪种离子交换膜？并说明海水淡化原理。

学生：【交流讨论】M为阳离子交换膜、N为阴离子交换膜。原理：海水中存在大量的Mg2+、Na+、Ca2+、SO42-、Cl-等，利用电解原理，受电场作用，阳极（Y）吸引阴离子SO42-、Cl-，阴极（X）吸引阳离子Mg2+、Na+、Ca2+，一段时间后电解池中海水的自由移动离子数目将减少，则初步实现海水的淡化。

教师：【点评】通过同学们的交流讨论，能够对刚刚所学知识及时进行应用，非常棒！大家可以再通过海水淡化的动画模拟过程（动画展示）与工业电渗析法海水淡化流程（视频展示），加深对离子交换膜的理解。

设计意图：教育的目的不仅仅是学习知识，更重要的是“树人”。环节2是在环节1中对离子交换膜知识建构的基础上，继续提升思维品阶，目的在于让学生能将所学电化学的理论知识与社会实践联系起来，学会解决社会实际问题，以期逐步积淀学生的化学学科核心素养。另外一方面实现了学生思维的可视化，以便教师及时得到学生学习情况的反馈，培养了学生化学语言的表达能力及分析、比较、归纳等学科素养。

【环节3】建构素养回归生活

教师：化学与生活息息相关，老师在逛淘宝时无意间发现一个“化学致富的秘方”——自制消毒液。我们一起看PPT上两张关于“除菌消毒、家庭卫士”的介绍的图片。

设计意图：该环节引入淘宝中对于物质的介绍，情境新颖，激发学生学习的乐趣，突出了化学在生产生活中的广泛应用，有助于培养学生的科学精神与社会责任等化学核心素养。

教师：【提出问题】通过阅读图片信息，大家发现该“宝贝”的原理了吗？

学生：【交流讨论】电解饱和食盐水。

教师：【追问1】如果仅是完全套用电解饱和食盐水的原理，电解产物应该是氢氧化钠溶液、氢气与氯气，而“宝贝”中却产生次氯酸钠消毒液，说明了什么？

学生：氯气被氢氧化钠溶液吸收了。

教师：【追问2】同学们说得很好，但如果仍是利用图3装置的话氯气被氢氧化钠溶液吸收的量并不多，并不能大量制取次氯酸钠消毒液，请大家思考并交流讨论利用电解饱和食盐水原理制取次氯酸钠消毒液的方法。

学生：【交流讨论】既然要让氯气被氢氧化钠溶液吸收，那么可以考虑把装置中左右摆放的电极改为上下摆放。

教师：【点评】为同学们的创新意识点赞！正如淘宝介绍中所说：“食盐（15g）+水（500mL）通电（20分钟）=消毒液”，请大家尝试画出该电解装置的示意图、电极反应及总反应。

学生：【作品展示】

教师：【点评】同学们都获得了“化学致富的秘方”，学会了家庭自制消毒液！那么请大家参考图8，思考本装置还存在的安全隐患是什么？需要注意什么？

学生：【交流讨论】从上方导管口出来的是氢气，要避免明火以防爆炸。

设计意图：

1.通过学生自主设计电池，解释、评价其原理和装置，引导学生形成自主探究与合作学习相结合的态度和研究方法，提升学生的科学探究意识和创新精神。

2.打破思维定势，告诉学生电解饱和食盐水的产物不一定就是氢氧化钠溶液、氢气与氯气，还可以是次氯酸钠溶液与氢气，电解总反应除了与电极、电解液等还有装置摆放有关系。

3.通过学案的方式同学之间互相评价以对学生进行能力的培养，更加打牢课本基础知识。这样的教学不仅符合学测考试的要求，同时对学生终身能力的培养也大有裨益。

【环节4】知识应用回归生产

教师：【问题提出】回忆必修一所学金属钠的制备，并写出电解反应方程式。

学生：【交流讨论】

教师：【追问】请同学们回忆上节课知识，思考若使用图3中的电解饱和食盐水装置为什么得不到金属钠？

学生：【问题提出】根据“放电”顺序，在阴极上H+（H2O）强于Na+，因此水溶液中优先发生2H++2e-=H2↑（2H2O+2e-=H2↑+2OH-），而在熔融态的NaCl中无H+，则发生Na++e-=Na。

教师：【点评】同学们分析得很到位，那制备的过程又是怎么样的呢？我们通过PPT中的资料一起学习吧。

【查阅资料】因为钠的熔点是97.81℃，沸点是882.9℃，氯化钠的熔点是800.1℃，沸点是 1465℃，所以一般是把氯化钠加热到900℃左右，这样氯化钠就完全是液态了，而通电后生成的C12在此条件下密度较小，所以就飘在熔炉的上层，而生成的钠蒸汽密度较大，所以飘在下层。当两种气体一接触就会反应，生成氯化钠的小液滴，小液滴越来越多，最后就把两种气体完全隔开了。把两种气体分别抽出，再净化、冷却，就可以得到较纯的Cl2和金属鈉了（图9）。

教师：【总结】通过金属钠的冶炼，我们可以得知对于金属镁、铝等活泼金属的冶炼也是采用电解的方法来制备。

学生：【追问】在制备金属钠的同时还产生了大量的氯气，这样的生产在实际生产中可行吗？

教师：这个问题请大家一起来帮忙解决。

学生：【交流讨论】第一：尾气的排放需要及时处理;第二：氯气也是一种重要的化工生产原料。

教师：【总结】同学们分析得不错！这个反应真可谓是一举多得！可见我们的幸福生活源自化学科研工作者们的辛勤奋斗！

设计意图：

1.通过回忆之前所学知识，让学生在回忆旧知的同时接纳、理解新的知识从而来培养学生的知识建构能力。

2.在对话交流中构建多元评价体系，促进学生自我发展，“教是最好的学”，学生通过“教”去“学”，能够重新建构所学知识，思维品质也随之得以培养。

3.能够正确认识化学与生活、生产、自然、技术以及社会发展的关系，建立学生科学精神与社会责任的学科素养。

【环节5】学以致用问题解决

教师：【PPT】1.（2018年全国卷Ⅲ.27）KClO3也可采用“电解法”制备，装置如图10所示。

①写出电解时阴极的电极反应式

②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是____________________。

教师：【PPT】2.（2018年全国卷Ⅰ.27）制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图11所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为_____________。电解后，_________________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。

教师：【PPT】3.某化工厂利用原电池原理处理废水并淡化海水。工作示意图如图12，思考以下问题：

①电极a在装置中做（选填“正”或“负”）极，若有机物表示为C4H8O2，则a极电极反应式为_____。

②装置中膜A是______________离子交换膜（选填“阳”或“阴”，下同），膜B是_____________离子交换膜。

③请简述该装置淡化海水的原理。

设计意图：

1.由简单到复杂，由一个个问题驱动到知识的汇总，学生容易理解和接纳“电解饱和食盐水”的应用，感受化学对生产和生活的贡献。

2.利用真实情境，让学生分析和解決问题，从中认识化学与生活、社会、科技的联系，学以致用，彰显学科价值，进一步发展学生“科学精神和社会责任”的核心素养。

3.本节课通过不同的任务培养学生的学科思维，旨在树立科学的价值观，传播正能量。

四、结语

课堂教学设计是落实学生发展核心素养的根本途径。教师应该把化学最本质、最精髓的观念和思想，通过精心设计的系列问题和活动（尤其是实验探究活动），让学生去体会和感悟，达到提升化学素养，最终实现立德树人的根本目标[5]。

本节课围绕模型建构培养学生化学核心素养进行教学设计。在教学过程中，通过优化课堂结构、采取问题驱动的教学形式，引发学生积极思考;根据教学设计的五个环节，设置不同的探究方案，让学生体验不同的科学方法、激发创新思维;联系生活，体验应用，用真实的生产生活情境，强化学生的信息意识，培养学生运用化学原理解决实际问题的能力。整节课中，学生积极参与、自主探究、合作交流，在主动学习中提升了学科素养，取得了很好的教学效果。

参考文献

[1]黄明鸣.建构主义理论指导下的支架式教学模式研究[J].中学化学，2016，6

[2]侯素丽.支架式教学在高中化学教学中的探究与应用[D].郑州：河南师范大学，2017

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

[4]曾阔，蒋小钢.以化学观念建构为顶层设计的教学实践与思考——以“沉淀溶解平衡”的教学为例[J].北学教与学，2017，4

[5]王云生.基础教育阶段学科核心素养及其确定——以化学学科核心素养为例[J].福建基础教育研究，2016，2

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