楊茵 唐敏

摘 ? ?要：模型建構(gòu)下的深度學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的一個重要途徑。教師在對模型建構(gòu)四個階段的教學(xué)中，優(yōu)化學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)，使之形成系統(tǒng)的學(xué)科理解，培養(yǎng)運用模型解決復(fù)雜問題的能力，發(fā)展高階思維，使學(xué)習(xí)向深度發(fā)展。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu);深度學(xué)習(xí);原電池;高階思維;問題解決

一、研究背景

“證據(jù)推理與模型認知”是高中化學(xué)核心素養(yǎng)之一，要求學(xué)生“能認識化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系;能運用多種模型來描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象，預(yù)測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果;能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架”[1]。這就要求教師在教學(xué)中體現(xiàn)出模型建構(gòu)的教學(xué)價值，使學(xué)生具備一定的模型認知和模型建構(gòu)的能力。

相對于淺層學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)強調(diào)基于理解的學(xué)習(xí)、主動的建構(gòu)知識、高階的批判性思維、有效的知識遷移和復(fù)雜性真實問題的解決[2]。而學(xué)科教學(xué)視域下的深度學(xué)習(xí)更是一種學(xué)習(xí)方式，目的是為了構(gòu)建有意義的學(xué)習(xí)，在記憶的基礎(chǔ)上理解、歸納、掌握和運用，結(jié)合原有認知結(jié)構(gòu)，批判性地接收和學(xué)習(xí)新知識，建立知識間的相互聯(lián)系，通過分析，做出決策和解決問題的學(xué)習(xí)[3]。

化學(xué)模型是在科學(xué)分析化學(xué)問題的基礎(chǔ)上，把問題抽象、簡化和概括，抓住化學(xué)的本質(zhì)特征，忽略次要特征，用化學(xué)語言，從化學(xué)視角對化學(xué)問題做出的反映或近似反映的一類表征物。可見，將化學(xué)核心知識與化學(xué)模型進行深度融合，能把宏觀和微觀深度結(jié)合，形成對學(xué)科知識和學(xué)科觀念的認識角度，使知識和方法內(nèi)化。另外，通過模型建構(gòu)過程還可以促進思維深度發(fā)展。利用模型進行教學(xué)需要學(xué)生先從原型的具體表象中抽離出抽象要素，同時尋找要素間的聯(lián)系并建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)，從而建構(gòu)出自己對知識的認知模型，最后遷移應(yīng)用解決復(fù)雜問題，完成對知識深度理解。整個完整的學(xué)習(xí)過程經(jīng)歷具體→抽象→具體的雙向思維過程，需要學(xué)生具備高階思維能力。

二、教學(xué)實踐

“原電池”內(nèi)容的綜合性和抽象性要求教師通過有效的教學(xué)方式幫助學(xué)生形成正確的學(xué)科理解和表征。教學(xué)中應(yīng)用模型建構(gòu)能起到很好的知識傳達的媒介作用，把微觀反應(yīng)的本質(zhì)宏觀地呈現(xiàn)出來，發(fā)展學(xué)生對知識的深層理解。

原電池知識貫穿了整個高中階段，隨著學(xué)生認知的發(fā)展，在高中各個階段教學(xué)要求與建模階段的關(guān)系見表1。

對應(yīng)三個進階的水平，三個年級學(xué)生建模的主要階段存在差異。下面以整個高中“原電池”的教學(xué)過程為例來具體談?wù)勅绾瓮ㄟ^在教學(xué)中經(jīng)歷和體驗?zāi)Ｐ徒?gòu)的四個階段，促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

起點 學(xué)習(xí)目標(biāo) 知道 認知模型 高一下學(xué)期 必修2 理解氧化還原反應(yīng)原理 通過銅鋅原電池的實驗體驗，能描述簡單原電池的工作原理;能書寫簡單原電池的電極反應(yīng) 理解 建構(gòu)模型、修正模型 高二下學(xué)期 選修4 知道簡單原電池的構(gòu)成及原理 通過對雙液電池等復(fù)雜原電池的學(xué)習(xí)，能描述復(fù)雜原電池的電極變化過程;能書寫復(fù)雜原電池的電極反應(yīng) 應(yīng)用 應(yīng)用模型 高二下學(xué)期及高三 具體問題的解決 理解復(fù)雜原電池的構(gòu)成及原理 能判斷陌生的復(fù)雜的原電池的正負極并能正確書寫電極反應(yīng) ]

（一）識別模型要素，深度提煉知識

模型是對原型結(jié)構(gòu)的表征，建構(gòu)原電池模型的目的就是讓不可見的電流如何產(chǎn)生又如何工作可視化，方便學(xué)生的理解。建構(gòu)模型之前首先要圍繞建模的目的對原型的結(jié)構(gòu)進行充分分析，抽取出關(guān)鍵的要素，這是建模最重要的一步，也是促進學(xué)生理解模型的關(guān)鍵，需要具有一定的思維深度和知識加工能力。原電池的構(gòu)成要素可以分為三個級別，見表2。

高一階段屬于必修階段，學(xué)生只需識別一級要素以及二級要素中正負極發(fā)生反應(yīng)類型，以及理解電解質(zhì)溶液中離子定向移動溝通內(nèi)通路即可。在對這些要素深層認知的基礎(chǔ)上構(gòu)建鋅銅簡單原電池的模型，理解鋅銅簡單原電池工作原理。

高二選修化學(xué)的學(xué)生需要識別二級要素中鹽橋的作用，同時發(fā)展對離子導(dǎo)體的認識;理解內(nèi)通路通過離子移動（三級要素）實現(xiàn)，而電解質(zhì)溶液或電解質(zhì)固體（二級要素）都可以實現(xiàn)離子通路;另外，通過燃料電池理解電極反應(yīng)物和電極材料并不一定一致（二級要素）。在識別這些要素的基礎(chǔ)上完善原有的原電池模型并運用于生活生產(chǎn)中，能對原電池工作原理作出解釋。

高三學(xué)生需借助“電勢能”進一步發(fā)展對電池動力來源即電勢差（三級要素）的深度認知。在進一步完善原電池認知模型的基礎(chǔ)上熟練地把模型應(yīng)用于復(fù)雜問題的解決，在陌生的情境中遷移應(yīng)用知識，發(fā)展學(xué)生高水平思維。

當(dāng)然，學(xué)生要完成模型要素的識別離不開教師的引導(dǎo)，下面以高一為例談?wù)勅绾卧O(shè)計教學(xué)幫助學(xué)生提煉知識，識別要素（見表3）。

提取模型的構(gòu)成要素時要充分利用師生和生生間對實驗、問題以及原型等的討論和分析，幫助學(xué)生明確模型中各要素的功能和本質(zhì)，使學(xué)生對要素的認識從樸素轉(zhuǎn)化為科學(xué)。

（二）關(guān)聯(lián)要素構(gòu)建模型，實現(xiàn)微觀可視化

正確建立要素與要素間的聯(lián)系是模型建構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，要素的關(guān)聯(lián)程度決定了模型建構(gòu)的水平[4]。教師可以先鼓勵學(xué)生用語言或圖形等方式表達自己的建模思想，如建立銅—鋅—稀硫酸工作原理認知模型時，可以讓學(xué)生討論下列問題：什么樣的反應(yīng)可以改造成原電池裝置？兩個電極上發(fā)生的反應(yīng)屬于什么反應(yīng)類型？外電路和內(nèi)通路如何溝通？基于這些問題的辨析，學(xué)生對原電池的一級要素有了

通過問題串引導(dǎo)學(xué)生分析和遷移出接近事物本質(zhì)的知識。學(xué)生在理解了知識是如何產(chǎn)生的，知識的產(chǎn)生是為了解決什么問題后，梳理知識的邏輯關(guān)系，串聯(lián)成完整的知識鏈（如下圖）。這樣學(xué)生的思維邁入“推理”和“分析”等高階思維階段

基本的認知。在這個過程中學(xué)生的認知可能會有沖突，但只有讓學(xué)生經(jīng)歷了這樣的過程，學(xué)生的建模才建立在正確理解和正確關(guān)聯(lián)要素的基礎(chǔ)之上，達成對知識的精煉和深度的認知。

每個學(xué)生構(gòu)建的銅—鋅—稀硫酸工作原理認知模型可以不一樣，但要盡量結(jié)構(gòu)簡單、易懂（如圖1）。

深度學(xué)習(xí)的本質(zhì)就是把碎片化的知識和信息按需要進行有效的深度加工重整。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生提煉建構(gòu)要素并構(gòu)建認知模型，對化學(xué)知識的學(xué)習(xí)從簡單的實驗體驗深化到理論模型，學(xué)習(xí)發(fā)展到基于理解的有意義的階段。

（三）修正模型，促進思維高階發(fā)展

首先，科學(xué)模型是科學(xué)性和假定性的辯證統(tǒng)一，因此它需要接受實踐的檢驗，并且要在實踐中不斷擴充、改進和修正。其次，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中因為認知的局限性，前面學(xué)習(xí)的原電池模型容易在樸素的認知結(jié)構(gòu)內(nèi)形成“前概念”，對日后的學(xué)習(xí)造成障礙。因此，在后續(xù)的教學(xué)中教師需要補充和修正學(xué)生頭腦中對原電池的一些錯誤模型，推動學(xué)生模型認知能力的發(fā)展。

在高一原電池的學(xué)習(xí)中，對于高二準(zhǔn)備選修化學(xué)的學(xué)生可以讓他們結(jié)合課本中化學(xué)電源的組成與反應(yīng)原理部分的知識思考下列問題：（1）正負極必須是活潑性不同的金屬嗎？電極材料一定參與電極反應(yīng)嗎？（2）一定是溶液中的陽離子在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)嗎？對上述問題思考清楚了，學(xué)生對原電池的認識就能擺脫銅鋅簡單原電池的“束縛”，更深入到一個層面。這時，可以讓學(xué)生嘗試修正銅鋅原電池模型，使模型能適合簡單的單液原電池的工作原理，見圖2。

學(xué)習(xí)選修4“雙液銅鋅原電池”后，知道了通過將氧化反應(yīng)區(qū)域與還原反應(yīng)區(qū)域隔開可以大大提高能量效率。此時，可以讓學(xué)生先構(gòu)建雙液原電池工作原理模型，見圖3。

通過分析鹽橋為何可以導(dǎo)電，從鹽橋的導(dǎo)電發(fā)展出離子導(dǎo)體的概念，結(jié)合具體的新型電源實例，如熔融碳酸鹽燃料電池等的介紹，讓學(xué)生理解離子導(dǎo)體可以是電解質(zhì)溶液，也可以是電解質(zhì)固體，作用是溝通內(nèi)通路。而現(xiàn)代離子交換膜技術(shù)的使用使得陰陽離子通過“離子膜”定向遷移，不僅起到鹽橋的作用，比外加鹽橋效果更好，使用壽命更長。這也說明了雙液原電池的工作原理和單液原電池的工作原理是一樣的。基于此進行原電池模型的修正，見圖4。

高三教學(xué)中運用金屬的“溶解—沉積”平衡與雙電層理論解釋原電池工作微觀過程，學(xué)生能從電勢差角度也就是從最接近事物的本質(zhì)上理解電流產(chǎn)生原因：正是兩個電極材料與其溶液間的電勢差才造成電子在兩個電極間定向轉(zhuǎn)移，而電子的移動又破壞了兩極的溶解—沉積平衡，使得電子持續(xù)移動形成電流。這時可以繼續(xù)演示“濃差電池”實驗，濃度差造成電勢差，完美地證實只要有電勢差，電子就發(fā)生定向移動形成電流。與物理的電動勢“接軌”使學(xué)生對原電池工作原理認知活動達到深度理解的水平，這時，可以一起構(gòu)建通用原電池工作原理認知模型，如圖5。

在模型建構(gòu)過程中，教師要給學(xué)生修改模型的時間和空間，以及對模型進行分析驗證的機會，但模型是否“正確”不是修正的終極目標(biāo)，我們要讓學(xué)生意識到模型的好壞最終在于解釋說明現(xiàn)象能達到的力度和深度。

（四）應(yīng)用模型，達成問題的解決

建模的目的除了幫助學(xué)生結(jié)構(gòu)化地梳理知識外，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜情境中運用模型解決復(fù)雜問題的能力，這就需要教師創(chuàng)設(shè)多種形式的活動，給學(xué)生提供應(yīng)用模型的新情境。

例如高二的課堂上可以表演銅幣變“銀幣”的小“魔術(shù)”，通過魔術(shù)情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。“魔術(shù)”手法如下：取金屬鋅粉，投入1.0mol·L-1的Na2[Zn（OH）4]溶液中，同時把銅幣投入上述溶液中并與鋅粉接觸[5]。可以觀察到有氣體產(chǎn)生，銅幣變成“銀幣”。然后請學(xué)生小組討論后嘗試進行“魔術(shù)”解密：Zn、Cu和Na2[Zn（OH）4]構(gòu)成了原電池裝置，鋅做負極，銅做正極，Zn（OH）42-被還原為Zn附著在銅幣表面呈銀白色，這樣“銅幣”就神奇地變成了“銀幣”。

從20世紀(jì)70年代鋰電池概念的提出，到20世紀(jì)90年代進入市場，如今，鋰電池已經(jīng)被應(yīng)用到方方面面，改變了人們的生活。鋰電池在電化學(xué)試題中常被考查，應(yīng)用原電池模型來解答這類復(fù)雜原電池問題會降低難度，變得“得心應(yīng)手”，如下題的解答。

例題 ? 澳大利亞制造出了一種鋰硫電池，性能是傳統(tǒng)鋰電池的4倍，充電一次可為智能手機供電5天，可支持電動車行駛超1000千米。其工作原理如圖6所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應(yīng)為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列說法正確的是（ ? ）。

A.電池工作時，負極可發(fā)生反應(yīng)：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4

B.電池工作時，負極材料減重0.14 g時外電路中流過0.01 mol電子

C.石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性

D.電池充電時間越長，電池中的Li2S2量越多

把原電池工作原理模型遷移到具體的鋰電池應(yīng)用上，可構(gòu)建固態(tài)鋰硫電池工作原理模型圖，見圖7。

由構(gòu)建的模型圖可對A、B選項直接作出判斷是錯誤的。石墨有強的導(dǎo)電能力，而硫的導(dǎo)電能力差，所以把硫和石墨復(fù)合可以解決硫的不導(dǎo)電問題，C選項正確。電池充電時電極b為陽極，Li2S2逐漸失電子變?yōu)長i2S4、Li2S6 、Li2S8。所以隨著充電時間越長，電池中Li2S2量越少，D錯誤?？梢?，真正理解了模型，應(yīng)用模型可以解決一系列的問題。

教師在教學(xué)過程中時刻不能忘記學(xué)科育人目標(biāo)，我們現(xiàn)在的教是為了學(xué)生以后更好的發(fā)展。我們不僅要教會學(xué)生學(xué)科知識，更要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，而模型建構(gòu)下的深度學(xué)習(xí)是實現(xiàn)核心素養(yǎng)的一個重要途徑。

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