□許玉明 鄭柳萍 張賢金

（1.福州教育學(xué)院第二附屬中學(xué)，福建福州 350002；2.福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，福建福州 350007；3.福建教育學(xué)院化學(xué)教育研究所，福建福州 350025）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》中指出：把握好“素養(yǎng)、知識、問題、情境”等要素之間的關(guān)系，發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)[1]。創(chuàng)設(shè)情境的選擇、引導(dǎo)問題的設(shè)計、化學(xué)知識的運用、素養(yǎng)的提升是我們當(dāng)前課堂教學(xué)要努力探索的課題。變構(gòu)學(xué)習(xí)模型（Allosteric Learning Mod?el）提出通過創(chuàng)設(shè)“教學(xué)環(huán)境”促進學(xué)習(xí)的教學(xué)策略，為研究化學(xué)教學(xué)提供了一種新路徑，為我們的教學(xué)研究提供了一個新視角。

一、變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的概念界定

變構(gòu)學(xué)習(xí)模型是安德烈·焦?fàn)柈?dāng)(Andre Giordan)于20 世紀(jì)80 年代后期，借鑒皮亞杰、巴什拉以及維果茨基的理論，為了彌補從機能主義到認(rèn)知主義缺陷提出的一種新學(xué)習(xí)觀，對歐洲的科學(xué)教育產(chǎn)生了重要的影響。

安德烈·焦?fàn)柈?dāng)提出的概念體包括五個復(fù)雜參數(shù)，P：問題；R：參照系；M：心智處理；N：語義網(wǎng)絡(luò)；S：意義符。它們的轉(zhuǎn)化不是簡單的過程，而是一個復(fù)雜的函數(shù)[2]。他認(rèn)為學(xué)習(xí)者的概念體，可能促使學(xué)習(xí)發(fā)生，也有可能阻礙學(xué)習(xí)發(fā)生。學(xué)習(xí)不只是一個建構(gòu)過程，而是概念先解構(gòu)、后建構(gòu)，再解構(gòu)、再建構(gòu)不斷交替周而復(fù)始的過程。變構(gòu)學(xué)習(xí)模型這一術(shù)語源于一個生物化學(xué)中的隱喻。如當(dāng)前流行的新型冠狀病毒，是由于外部生存環(huán)境條件的改變，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中的氨基酸中有部分發(fā)生了突變而形成的，就是我們常稱的蛋白質(zhì)的“變構(gòu)效應(yīng)”。以此原理來理解學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者的概念體發(fā)生了變化，教師不能直接改變學(xué)習(xí)者概念體，但可以通過創(chuàng)設(shè)“教學(xué)環(huán)境”作用于學(xué)習(xí)者概念體的“變構(gòu)部位”，促進學(xué)習(xí)者概念體結(jié)構(gòu)的“解構(gòu)”，為新知識找到可以填補的空間，從而接受新知識。故要讓學(xué)習(xí)可能產(chǎn)生，首先應(yīng)該解構(gòu)，其次才是建構(gòu)。如圖1所示。

變構(gòu)學(xué)習(xí)模型包含三個維度：學(xué)科維度、學(xué)習(xí)者維度和社會維度，其三維架構(gòu)模型見圖2，揭示了學(xué)習(xí)的發(fā)生機理。

圖1 變構(gòu)學(xué)習(xí)：“解構(gòu)”與“建構(gòu)”并行

圖2 變構(gòu)學(xué)習(xí)模型三維架構(gòu)

二、構(gòu)建基于變構(gòu)學(xué)習(xí)的教學(xué)模型

變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的核心是學(xué)習(xí)者的概念體?；谧儤?gòu)學(xué)習(xí)模型的三個維度，對教學(xué)模型進行構(gòu)建，教學(xué)模型主要包括四個環(huán)節(jié)（見圖3）。

圖3 基于變構(gòu)學(xué)習(xí)的高中化學(xué)教學(xué)模型

從學(xué)習(xí)者維度上，教師先確定教學(xué)內(nèi)容，后通過測查、訪談交流等形式了解學(xué)生原有的概念體；了解學(xué)生背景信息，找到興趣點，從日常生活中選取真實情境來促進學(xué)生概念體的解構(gòu)與建構(gòu)；引導(dǎo)啟用思維助手，待教學(xué)任務(wù)結(jié)束后，了解和跟蹤學(xué)生概念體的轉(zhuǎn)化情況。

從學(xué)科維度上，通過對學(xué)習(xí)內(nèi)容的比較，多重對質(zhì)，完成從宏觀到微觀的化學(xué)科學(xué)思維過程。

從社會維度上，調(diào)用自己的知識，制造想象與創(chuàng)新機會，引導(dǎo)學(xué)生對元認(rèn)知的學(xué)習(xí)。

三、基于變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的“電解原理”教學(xué)分析

電解原理知識是電化學(xué)核心知識之一，電解原理部分概念抽象而且集中。課標(biāo)要求能分析解釋電解池的工作原理，認(rèn)識電解在實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲存能量中的具體應(yīng)用。近年高考中考查電解知識及離子交換膜原理的考題不少，如2018 年高考第13 題采用質(zhì)子交換膜問題，第27題采用三室膜電解問題；2019年高考第12題研究室溫下氨的合成問題等。綜上所述，現(xiàn)將本節(jié)教學(xué)目標(biāo)預(yù)設(shè)為：掌握電解池的工作原理；會判斷電解池的構(gòu)成條件和會寫電極反應(yīng)式；通過分析離子交換膜的種類來尋找電解池中離子運動規(guī)律；關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會熱點問題。其知識承載的核心素養(yǎng)具體見表1。

表1 電解原理教學(xué)內(nèi)容的要素

四、基于變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的“電解原理”教學(xué)設(shè)計

（一）預(yù)設(shè)情境，概念解構(gòu)

教師：春節(jié)前突然爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎疫情，導(dǎo)致藥店和超市里的84消毒液熱銷，全部被搶購一空。有哪位同學(xué)知道什么是84消毒液？84消毒液是怎么來的？

情境1播放視頻：北京電視臺節(jié)目“抗擊疫情 我們在一起”。

教師：看了視頻，相信大家對84消毒液有了一個初步的了解。84消毒液應(yīng)用了什么化學(xué)原理？今天我們一起通過探究學(xué)習(xí)來尋找答案。

情境2工業(yè)上用電解飽和NaCl 溶液制取Cl2的裝置（見蘇教版化學(xué)必修1 教材），a、b端導(dǎo)管產(chǎn)生的氣體是什么？關(guān)閉電源，打開U形管左端的橡皮塞，向溶液中滴加1～2 滴酚酞溶液，描述實驗現(xiàn)象。同時提出下列問題要求學(xué)生思考：

問題1：通電前，飽和NaCl 溶液中存在哪些離子？

問題2：通電后，溶液中的離子的運動發(fā)生了怎樣的變化？

問題3：當(dāng)溶液中的離子定向移動到電極表面時，發(fā)生了怎樣的反應(yīng)？

問題4：原電池裝置中發(fā)生反應(yīng)時離子是怎樣移動的？電解飽和NaCl溶液時離子移動方向是怎樣的？

學(xué)生活動小組討論，交流。

【設(shè)計意圖】促使學(xué)生萌發(fā)學(xué)習(xí)意愿。創(chuàng)設(shè)熟悉的情境，激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，通過連續(xù)問題的追問，關(guān)聯(lián)已學(xué)過的原電池知識，與原電池概念產(chǎn)生認(rèn)知沖突，解構(gòu)原電池概念。

（二）多重對質(zhì)，概念建構(gòu)

教師通過FLASH 動畫課件，模擬電解氯化鈉溶液中微粒的運動情況。

問題1：該裝置與原電池有什么區(qū)別？什么是電解池？組成電解池的條件是什么？根據(jù)實驗現(xiàn)象如何寫出有關(guān)電極反應(yīng)式？整個過程中能量是如何轉(zhuǎn)化的？

學(xué)生活動小組討論，交流。

學(xué)生1：電解池的定義：將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。

通過上述分析可知，采用互質(zhì)陣型構(gòu)造的虛擬陣列，陣列孔徑得到了有效增加.虛擬陣列模型等效為單塊拍響應(yīng)的形式，一般采用空域平滑算法進行DOA估計，然后整個虛擬陣列并不完全連續(xù)，其中含有“孔”，如果只利用連續(xù)虛擬陣元響應(yīng)部分進行空間平滑，會造成兩端不連續(xù)虛擬陣元的浪費，進而導(dǎo)致陣列自由度的下降，所以本文采用虛擬陣列重構(gòu)的方法進行DOA估計.

學(xué)生2：與電源正極相連的電極稱為陽極，與電源負(fù)極相連的電極稱為陰極。

學(xué)生3：電解池的組成條件：外加電源、電解質(zhì)、陰陽兩極。

教師展示學(xué)生書寫的電解NaCl溶液的電極反應(yīng)：

教師評價小結(jié)：1.電解池的定義；2.組成條件；3.比較原電池與電解池裝置的區(qū)別。

問題2：觀察氯堿工業(yè)離子交換膜電解槽示意圖（見蘇教版化學(xué)反應(yīng)原理教材），寫出制備氫氣、氯氣和氫氧化鈉溶液的電極反應(yīng)式，說明其陽極室溶液濃度的變化情況。

問題3：若將氯堿工業(yè)電解槽中的陽離子交換膜改為陰離子交換膜，分析陰陽兩極的反應(yīng)以及離子的移動情況。

學(xué)生活動小組討論，交流。

【設(shè)計意圖】通過動畫課件展示、問題設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生對質(zhì)，理解電解池宏觀現(xiàn)象背后的微觀原理，建構(gòu)新概念，并通過有關(guān)離子交換膜問題來尋找電解池中離子運動規(guī)律。

（三）質(zhì)疑再探，概念延伸

問題1：電解NaCl 溶液時，溶液中的陰離子有Cl-和OH-，為什么是Cl-放電而不是OH-放電或共同放電？溶液中的陽離子有H+和Na+，為什么是H+放電而不是Na+放電？放電能力與什么因素有關(guān)？

學(xué)生1：從還原性考慮：Cl-＞OH-。

學(xué)生2：從氧化性考慮：H+＞Na+。

教師展示電解混合溶液離子放電順序：

陰極（與負(fù)極相連）：還原反應(yīng)。溶液中的陽離子放電順序和金屬活動性順序有關(guān)，越不活潑的金屬，其離子的氧化性越強越易得到電子：Ag+＞Hg2+＞Cu2+＞H+＞Fe2+＞Mg2+＞Na+。

陽極（與正極相連）：氧化反應(yīng)。①陽極為惰性電極時，陰離子放電能力與其還原性有關(guān)，離子的還原性越強越易失去電子：S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根；②當(dāng)陽極是活性電極（如Cu等）時，則陽極材料自身優(yōu)先放電。

教師：若用惰性電極電解電解質(zhì)的混合溶液時，離子發(fā)生反應(yīng)的思路是怎樣的？

問題2：用惰性電極電解濃度均為0.8mol·L-1的氯化鈉和硫酸銅混合溶液，描述發(fā)生的現(xiàn)象，并寫出相關(guān)電極反應(yīng)式。

教師評價小結(jié)：電解過程思路要先明確溶液中存在哪些離子，后陰陽兩極附近有哪些離子，再根據(jù)陽極氧化、陰極還原分析得出產(chǎn)物。有關(guān)反應(yīng)分為四個階段：首先要考慮電極要素，為惰性電極，電極不參與反應(yīng)；其次要考慮陽極有Cl2析出，陰極有Cu析出；第三階段，通過定量計算，陽極OH-放電有O2析出，陰極有Cu析出；第四階段，電解水的反應(yīng)，陽極有O2析出，陰極有H2析出。根據(jù)這些過程，推斷實驗現(xiàn)象。

【設(shè)計意圖】通過對電解氯化鈉和硫酸銅混合溶液的分析，厘清溶液中陰陽離子放電順序，進一步把握電解原理的本質(zhì)，建構(gòu)電解混合溶液型的分析思路。

（四）調(diào)用知識，概念應(yīng)用

教師：淘寶網(wǎng)有賣消毒液制造機，請看產(chǎn)品的介紹照片（見圖4）。

圖4 消毒液制造機產(chǎn)品圖

問題1：根據(jù)上述電解原理的知識，思考84 消毒液應(yīng)用了什么化學(xué)原理？能否根據(jù)所學(xué)的電解原理設(shè)計消毒液制造機的簡易裝置？

學(xué)生活動小組討論，交流。

教師展示學(xué)生設(shè)計成果（見圖5）。

圖5 自制消毒液裝置圖

問題2：若通電時，為使生成的Cl2被完全吸收，制得有較強殺菌能力的消毒液，則電源的a 極名稱為____極（填“正”“負(fù)”），連接a 極的電極反應(yīng)式為_______，離子方程式為___。

師生共同小結(jié)：電解、電解池原理及其構(gòu)成條件，電解池問題分析步驟。

【設(shè)計意圖】通過設(shè)計制取環(huán)保性84消毒液裝置，師生、生生之間的交流討論，讓學(xué)生利用電解原理、電極反應(yīng)、離子運動規(guī)律解決生活中的問題，內(nèi)化電解有關(guān)概念，培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力，提升科學(xué)探究意識和社會責(zé)任意識。

五、基于變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的化學(xué)教學(xué)建議

（一）以變促學(xué)，要激發(fā)內(nèi)部動機，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣

由于學(xué)生會受到原概念的干擾，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度會受到極大的影響，只有當(dāng)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望被激發(fā)時，才可能主動參與過程[3]。教師要在課前多了解學(xué)生，關(guān)注學(xué)生掌握的知識點和興趣點，從學(xué)生的內(nèi)部因素出發(fā)，在符合最近發(fā)展區(qū)的情況下提出問題，學(xué)生感受到對問題發(fā)生興趣時，學(xué)習(xí)動機就會被激發(fā)，從而引導(dǎo)學(xué)生主動地進行學(xué)習(xí)。

（二）以變促學(xué)，要設(shè)置恰當(dāng)?shù)摹白儤?gòu)教學(xué)環(huán)境”

學(xué)習(xí)者原有的概念體可能促使學(xué)習(xí)發(fā)生，也有可能阻礙學(xué)習(xí)發(fā)生。教師在教學(xué)設(shè)計時要考慮的應(yīng)該是：如何將一個化學(xué)概念呈現(xiàn)給學(xué)生才能被學(xué)生接受？應(yīng)該如何舉例讓學(xué)生掌握概念的本質(zhì)？又如何將生活中的現(xiàn)象通過什么樣的途徑才能讓學(xué)生理解內(nèi)涵？以及要通過怎樣的教學(xué)手段突出知識的聯(lián)系，讓學(xué)生感到化學(xué)學(xué)科的魅力？這些行為都要求我們設(shè)置恰當(dāng)?shù)摹白儤?gòu)教學(xué)環(huán)境”，并采用多種教學(xué)方式，如實驗、實物模型、試聽材料、小組討論等，通過與學(xué)生進行心智互動，促進學(xué)生有意義學(xué)習(xí)的發(fā)生[4]。

（三）以變促學(xué)，要營造信任的氛圍，開展多重對質(zhì)

要讓“概念轉(zhuǎn)化”在學(xué)習(xí)過程中實現(xiàn)，就要讓學(xué)生通過自己的先擁概念來煉制新的概念。我們創(chuàng)設(shè)情境的方式有：游戲活動、實物觀察、實驗、調(diào)查、觀看視頻等，關(guān)鍵是活動要有對質(zhì)發(fā)生，如與新信息對質(zhì)、與教師對質(zhì)、學(xué)生之間對質(zhì)等，學(xué)生通過這些對質(zhì)讓自己的所想和現(xiàn)實對立起來。如果學(xué)生在充滿信任的氛圍中，在比較自信的時候,他們就會接受干預(yù)，實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)化。

綜上所述，對變構(gòu)學(xué)習(xí)模型進行研究體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科實用價值，相信通過變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的研究會讓學(xué)生的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。