技术素养培养视角下的“电解原理的应用”

梁宵+陈凯+姚远远+白涛

摘要：在“电解原理的应用”教学设计中关注技术素养的培养，提供化工技术的学习情境，强调作为技术基础的科学知识重要性。通过技术要素的讨论强化技术思想，并借助微型化学实验的实践机会提升学生技术能力；学生还要体验技术理性，认识到科技风险并作出相应的决策。

关键词：电解；应用；技术素养；技术思想；科技风险

文章编号：1005–6629（2017）12–0033–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 技术素养培养的重要性

技术是人们为了改造自然以适应自己需要，而有目的地运用资源、发明工具以及制造使用这些工具的能力和知识的集合。技术是日常生活的一部分，与人类文化有相互的影响，也影响着个人、家庭及社会的发展。科学技术化、技术科学化，科学与技术两者之间的关系越来越密切，由各自独立逐步走向一体化共同影响社会的发展。

为了更好地适应现代社会生活，当代公民必须具备一定的技术素养。美国国际教育技术协会将“技术素养”定义为“使用、管理、评价和理解技术的能力”。技术素养对于学生的个人发展和终身学习发挥着至关重要的作用，因此得到了广大教育研究者的关注，并力图使科学教育和技术教育相融合，即在强调科学素养的同时，也关注学生的技术素养的形成。但是，科学与技术的差别依然存在，即使可以互补，却也不能合二为一、互相替代。因此，只把科学作为客体而不涉及技术的科学教育是不恰当的、不可能的，用科学教育完全取代技术教育也是不合理的[1]，但是在科学课程中补充技术教育，在一定程度上强化技术素养还是有可能的。

化学作为科学课程的主要组成部分，是发展学生技术素养的重要载体，高中教材既在必修模块中强调“正确认识科学、技术与社会的相互关系”，又专门设置《化学与技术》模块集中地探讨化学课程中的技术素养；高中化学课程标准修订中也突出对化学研究技术及应用的关注，建议回顾我国体现化学科学技术应用的重要成果；化学教学中与生产实际的联系以及演示、分组实验过程都或多或少体现着技术课程的内涵。如果用技术教育理念有意识地指导化学教学，将有利于达成化学新课程中技术素养的培养目标[2]。不过技术素养不是一蹴而就的，在化学教学中，可以将技术素养的各个层次要求与相关的主题或章节教学融合，有所区分地强化技术素养的构建。

2 技术素养的层次及培养策略构建

国际技术教育协会将技术素养分为4个层次：（1）技术知识，包括技术概念、技术原理等；（2）技术能力，包括按照规范操作、使用、理解技术的技能和能力；（3）技术思想、技术方法及技术设计，包括对过程、方法的关注，具有明确的技术思路，能对技术活动作整体设计；（4）技术理性、技术评价及技术决策水平：具有批判意识、风险意识、社会意识和环境意识，既有工具理性更有价值理性，重视并能恰当地评价、决策和管理技术，注意避免滥用技术对人、社会和自然造成伤害[3]。

技术素养的培养首先得强调知识，没有知识的素养好比无源之水、无本之木。化学作为化学工程与技术的基础学科之一，强化理解化学概念或原理有助于技术素养的养成，有助于对技术作出更好的评价和改进。化学教学中的技术知识不仅仅立足于技术背景，更具有工业实践意义和生活应用价值，针对化工技术涉及的化学原理进行提问和训练，针对技术流程中的疑难进行深度分析和反思，可采用以下策略：情境呈现-知识回顾-基础训练-拓展阅读-应用训练。

其次，知识的积累并不等同于素养的发展，任何策略都离不开实际问题的分析和处理——这是技术问题的实践性决定的，实践活动是夯实知识基础、训练学科思维的载体。因此技术素养在能力培养方面要立足于实践性，突出对科学理论应用价值的特点。技术能力的培养主要依托模拟实验或模型构建活动，只是中学课程不可能让所有学生都亲临工厂操作这些技术，也不可能把工艺流程完全照搬进课堂，完成该层次的培养可以依照以下策略：背景介绍-模拟实验-对照分析-反思评价。

第三，技术思维是技术素养的内核，知识与实践要上升到思维层次才能更大发挥作用。化学课有必要了解从实验室研究到工业化生产过程中蕴涵的技术要素：包括成本控制、合理设计、安全可靠等；能够运用所学知识对化工实际技术问题进行合理分析。技术认知和科学认知在思维方式上有所不同，显然技术认知偏向于综合，而科学认知则偏向于分析。技术学习的对象、需要技术解决的问题，本身就是广泛的、综合的，所以在技术思维培养、技术方法训练过程中，有必要依据学生的特长和个性化思路设计体现学科特色的技术性问题组织讨论。故可参考以下教学策略：提出问题-组织讨论-总结升华。

最后，技术理性、技术评价和技术决策层次的素养建构一方面取决于学习者长久以来的学习习惯和学科视野，另一方面也依赖于教师在教学中潜移默化的引导。技术理性蕴含着丰富的人文内涵，反映了技术知识的规律，是技术实践活动的指针，技术素养的灵魂[4]。化学教学中的技术素养不仅需要意识到科学与技术的发展可能带给社会风险[5]，还要在批判的基础上对已有科学技术的应用进行创新性的思考。该层次可采用以下教学策略：案例分析-风险评价-决策反思——但是基本上都需要结合其他素养层面进行整合。

3 基于技术素养培养的“电解原理的应用”教学例析

为了践行技术素养培养策略，本课时利用技术背景下的情境脉络，选择了电解饱和食盐水和电解氧化铝这两个与技术相关的核心知识，围绕前一个主题设计了微型电解实验作为实践活动体验提升技术能力，其中对技术要素的讨论有利于技术思维的培养；而后一个主题则通过多层次的问题讨论训练批判性思维；课例中用废水处理实验活动对技術能力和技术思维两个层面的素养培养；而科学风险认知及决策能力的技术理性和人文思考融合在每个环节。限于篇幅，“电解原理的应用”教学环节和设计意图列简表如表1所示。endprint

下面我们针对教学设计中关注技术素养的细节按照其层次要素分类呈现和分析。

4 教学过程设计

4.1 技术知识的深化和拓展

片段1 氯碱工业情境介绍后的阶段练习

练习：书写电解饱和食盐水的化学方程式；阴极阳极各发生什么反应及其反应式？

要求书写电极反应式及电解的总反应方程式，是电解教学中不可或缺的基础要求，更是对技术背后的科学知识的强化。片段1重温了必修模块已经涉及到的部分反应，并不是简单地重复化学方程式的书写。

片段2 熔融电解質中的电解

[教学过渡]必修模块中学习到的金属钠、镁制备，都不是在溶液中进行的，为什么需要在熔融状态下进行？

[情境创设]（播放视频）某专家在某访谈节目中说到炒菜时食盐放得较早会分解为钠和氯，这种说法对吗？如果你想解决这个问题，需要老师提供怎样的信息或者数据来帮助你的论证？

[学生活动]讨论，回答。

[教师提示]提供证据表明氯化钠无法加热分解为钠和氯气。

[教师讲述]其实在两百多年前，英国科学家戴维也曾有过这样的经历，戴维试图用电解氢氧化钾水溶液的方法得到钾单质，但是却没有成功，后来他尝试电解熔融的KOH，得到了K单质，同年戴维通过电解苏打制得了金属钠，之后他还用相同的原理制得了金属钙、镁、钡、锶……

[教学过渡]既然金属钙、镁、钡、锶……可以通过电解熔融的氯化物得到，那么能否通过电解熔融的AlCl3来制备金属Al呢？

[教师提示]通过这幅图（如图1所示），发现了怎样的规律？

[教师讲解]从氯化铝结构角度分析。

[教师提问]（1）为什么要选择熔融氧化铝作为电解制备铝的途径？

（2）冰晶石在这个实验中的作用是什么？

[教师提示]提供冰晶石的资料，指导如何从文献资料中获取解决问题的证据。

从盐水中自由移动的阴阳离子，到熔融盐中破坏离子键产生的离子，再到氧化铝和氯化铝的结构对比，均围绕电解原理分析可行性，进而深入把握相关的技术问题。

4.2 基于模拟实验过程的技术能力培养

虽然中学化学课堂不能给予化工技术真实的体验，但是通过模拟化工的实验活动，一方面给学生提供丰富的动手操作学习活动机会；另一方面则是将理论与实际经验进行相互印证，给学生提供更宽广的应用技术空间以培育学生的创造力。

片段3 pH试纸上的微型电解

[学生活动]在用饱和食盐水润湿的pH试纸[7]上完成微型电解实验[8]。

[问题设计]怎样的现象能作为之前你对电解饱和食盐水深入认识的证据？

[学生活动]整理思路，语言表达。

[问题深化]

（1）pH试纸在本实验中的作用是什么？

（2）还有什么方法可以替代pH试纸来表征两极的反应？

电解饱和食盐水不适合课堂实验演示，教材又缺乏适合学生自行探究的电解实验。所以片段3在学生了解氯碱工业之后，提供简单易得实验材料供学生进行实验操作，该微型实验操作方便，实验现象直观明显，不仅加深了学生对电解原理的理解，还增强了学生的实验操作能力——也是对技术能力的模拟训练。由两极的现象彰显电极反应的微观原理，再联系电极反应式的书写，借助实验技术实现宏观、微观和符号三重表征。

片段4 废水处理的微型实验

[学生实验]教师提供操作流程

[教师投影]

片段4再次应用微型实验进行模拟化工技术，借此创造技术能力的训练平台，启发学习者对化学化工中科学知识和技术问题的深度思考——对技术的应用，不再限于多媒体呈现式的介绍。

4.3 通过技术要素的讨论强化技术思维

片段5 氯碱工业的技术要素讨论

[教师提问]可能有哪些途径会造成氯碱工业产品的不纯净？

[学生活动]讨论，回答。

[教师演示]呈现化工上应用的设备示意图。

[教师讲述]图3上图增加了石棉隔膜，能阻止气体通过，但不能阻止水分子和离子通过，钠离子移向阴极区，氯离子（氢氧根离子）移向阳极区[10]。

[教师提问]（1）在工业生产中如何避免Cl-迁入，OH-迁出？

（2）请同学们根据反应原理推测①～⑥的物质分别代表什么？

[教师小结]图3下图离子交换膜的作用；电解过程中的微粒变化。

在片段5中比较隔膜法和离子膜法，引导学生从生产成本、环境污染、生产效率等方面体验技术要素的方方面面；整合《化学与技术》模块，有利于学生多角度去思考化学原理在技术实践过程中的解释和应用。

片段6 工业制铝的技术要素讨论

[组织讨论]（1）为什么不能选择活泼金属作为阳极？（2）石墨电极作为阳极也有一定的缺陷，请你结合阳极的产物说说使用石墨电极有哪些缺点？

[学生活动]观察教师提供的石墨棒，讨论，回答可能原因。

[教师讲述]正因为石墨有一定缺陷，很多国家都在致力于研究新的材料来取代碳素阳极。金属陶瓷就是其中之一。endprint

[资料卡片]金属陶瓷集中了陶瓷材料（耐腐蚀、抗氧化）和金属材料（好的导电性和高的抗热冲击强度）的优点，是一种较好的惰性阳极材料。金属陶瓷阳极具有优良的抗热震性，同时显示出较好的抗氧化、耐冰晶石熔盐腐蚀性能[11]。

片段6通过讨论石墨电极存在的缺陷，引导学生从不同的角度来思考问题，技术知识和技术思想得以不断强化，学生对于实际问题的认识也因此得以拓展。

片段7 体现综合性和创造性的课外技术实践任务

为了强化应用意识，提供下列两个任务，希望分组合作，在查阅文献的基础上，设计微型化学实验来完成阿司匹林铜[12]、高铁酸盐[13]的电解制备任务，想一想，这些制备的化学物质可能为人类带来些怎样的改变？（选择其一即可）

在技术和工程领域，设计和制作是技术设计活动中的主要环节，设计环节主要需要动脑，而制作环节主要是动手，实现自己的想法，但是动手和动脑往往密不可分，实际的技术操作过程中，往往会发现原先的设计有不合理的地方需要重新考虑，也会碰到一些具体技术难题需要调用各方面的知识解决。课内的实验往往限于时间，不能充分实践和思考，所以需要课外的动手机会，以达到最大的技术能力提升。片段7的两个实验均为笔者曾经研发的创新体系微型实验案例，有机化学基础、物质结构与性质、必修1的无机元素及化合物的知识都有所渗透。传统的化学作业方式往往限于识记水平的复述和纸上谈兵的知识应用，缺少可操作的实践任务，不利于学生的技术素养提升。所以在学生可接受的知识层次以及利用生活中可以获取的素材，尝试进行力所能及的实验设计。课堂之外为学生提供的开放性实验研究任务，超越传统科学课堂对显性知识学习的关注，而转向领会、把握、重组经验以及实践体验等隐性知识表现——只有自己的不断摸索和亲身经历，才能逐渐积累和丰富，最终达到提高创造力的目的。

4.4 科学风险认知和决策中的技术理性培养

电视节目里所谓“专家”传播的伪科学信息令人警醒，工业史实有助于学生融入对技术的情感，我们有理由相信科技和人文共同指向真善美的理想境界，科技所蕴含的理性与人文的统一也会打动学生的心灵。

片段8 电解法制备铝的批判性思考

[拓展提问]必须用离子化合物氧化铝作为制备铝的电解原材料吗？

[补充资料]提供离子液体电解铝的典型文献，介绍科技前沿的同时，要求学生根据已有电解知识写出文献观点相应的电极反应式。

片段8表面上是拓展科技前沿，深化学生对电解质溶液和电解原理认识，其实是借助这些素材打破已学过的必修教材的传统认识，考究文献中的证据来对传统方法的不足进行批判性认识，发展学生的技术理性。

对于潜在的科学风险，化学教育工作者必须通过多种途径培养学生的风险认知能力，树立技术服务于人类的观点，也要注意技术应用的后果；让他们既具备风险意识，了解风险发生的可能根源，又力所能及地计划或做出决策，预防风险的发生[14]。针对片段3，我们补充提供了第三个问题：如何处理微型电解实验中的潜在危险？将微型实验的功能拓展到实验操作之外，引导学生反思电解饱和食盐水实验的安全问题，有助于他们的技术理性思考，在对于科技风险认知过程中锻炼决策能力。

5 结语

要培养学生的技术素养，教师首先需要具备较高的技术素养水平，作为化学教师，需要充分理解化学化工技术是针对具体的化学化工生产中的现实问题提出的解决思路和途径，新技术的产生是基于生产中遇到的各种问题，而新技术的设计过程与已有的技术水平、生产中的现实条件对环境的影响以及生产成本等密切相关[15]。需要教师经常进行实地考察，获取真实的化学化工生产经验。从这点上反思，我们的教学设计还只是纸上谈兵，技术素养培养的探索还在继续。

参考文献：

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[4]吴俊明.技术理性是技术素养的灵魂——科学课程中的技术教育（三）[J].化学教学，2013，（6）：8～10.

[5]孟献华，倪娟.科学教育中的风险认知：目标、内容与策略[J].比较教育研究，2016，38（2）：106～112.

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[15]刘克文，魏锐，王磊.基于促进学生科学素养发展的高中化学新课程教材研究——技术素养视角下的《化学与技术》模块教材分析[J].中学化学教学参考，2010，（5）：3～6.endprint