模型建构促进学生深度学习的实践与探索*——以高中原电池整体教学为例

□ 杨 茵 唐 敏

（1.江苏省木渎高级中学，江苏苏州 215101；2.苏州第一中学，江苏苏州 215101）

一、研究背景

“证据推理与模型认知”是高中化学核心素养之一，要求学生“能认识化学现象与模型之间的联系；能运用多种模型来描述和解释化学现象，预测物质及其变化的可能结果；能依据物质及其变化的信息建构模型，建立复杂化学问题的思维框架”[1]。这就要求教师在教学中体现出模型建构的教学价值，使学生具备一定的模型认知和模型建构的能力。

相对于浅层学习，深度学习强调基于理解的学习、主动的建构知识、高阶的批判性思维、有效的知识迁移和复杂性真实问题的解决[2]。而学科教学视域下的深度学习更是一种学习方式，目的是为了构建有意义的学习，在记忆的基础上理解、归纳、掌握和运用，结合原有认知结构，批判性地接收和学习新知识，建立知识间的相互联系，通过分析，做出决策和解决问题的学习[3]。

化学模型是在科学分析化学问题的基础上，把问题抽象、简化和概括，抓住化学的本质特征，忽略次要特征，用化学语言，从化学视角对化学问题做出的反映或近似反映的一类表征物。可见，将化学核心知识与化学模型进行深度融合，能把宏观和微观深度结合，形成对学科知识和学科观念的认识角度，使知识和方法内化。另外，通过模型建构过程还可以促进思维深度发展。利用模型进行教学需要学生先从原型的具体表象中抽离出抽象要素，同时寻找要素间的联系并建立相应的关联，从而建构出自己对知识的认知模型，最后迁移应用解决复杂问题，完成对知识深度理解。整个完整的学习过程经历具体→抽象→具体的双向思维过程，需要学生具备高阶思维能力。

二、教学实践

“原电池”内容的综合性和抽象性要求教师通过有效的教学方式帮助学生形成正确的学科理解和表征。教学中应用模型建构能起到很好的知识传达的媒介作用，把微观反应的本质宏观地呈现出来，发展学生对知识的深层理解。

原电池知识贯穿了整个高中阶段，随着学生认知的发展，在高中各个阶段教学要求与建模阶段的关系见表1。

对应三个进阶的水平，三个年级学生建模的主要阶段存在差异。下面以整个高中“原电池”的教学过程为例来具体谈谈如何通过在教学中经历和体验模型建构的四个阶段，促进学生的深度学习。

表1 原电池在高中各个阶段的教学要求

（一）识别模型要素，深度提炼知识

模型是对原型结构的表征，建构原电池模型的目的就是让不可见的电流如何产生又如何工作可视化，方便学生的理解。建构模型之前首先要围绕建模的目的对原型的结构进行充分分析，抽取出关键的要素，这是建模最重要的一步，也是促进学生理解模型的关键，需要具有一定的思维深度和知识加工能力。原电池的构成要素可以分为三个级别，见表2。

表2 原电池的三级要素

高一阶段属于必修阶段，学生只需识别一级要素以及二级要素中正负极发生反应类型，以及理解电解质溶液中离子定向移动沟通内通路即可。在对这些要素深层认知的基础上构建锌铜简单原电池的模型，理解锌铜简单原电池工作原理。

高二选修化学的学生需要识别二级要素中盐桥的作用，同时发展对离子导体的认识；理解内通路通过离子移动（三级要素）实现，而电解质溶液或电解质固体（二级要素）都可以实现离子通路；另外，通过燃料电池理解电极反应物和电极材料并不一定一致（二级要素）。在识别这些要素的基础上完善原有的原电池模型并运用于生活生产中，能对原电池工作原理作出解释。

高三学生需借助“电势能”进一步发展对电池动力来源即电势差（三级要素）的深度认知。在进一步完善原电池认知模型的基础上熟练地把模型应用于复杂问题的解决，在陌生的情境中迁移应用知识，发展学生高水平思维。

当然，学生要完成模型要素的识别离不开教师的引导，下面以高一为例谈谈如何设计教学帮助学生提炼知识，识别要素（见表3）。

提取模型的构成要素时要充分利用师生和生生间对实验、问题以及原型等的讨论和分析，帮助学生明确模型中各要素的功能和本质，使学生对要素的认识从朴素转化为科学。

（二）关联要素构建模型，实现微观可视化

正确建立要素与要素间的联系是模型建构的重要环节，要素的关联程度决定了模型建构的水平[4]。教师可以先鼓励学生用语言或图形等方式表达自己的建模思想，如建立铜—锌—稀硫酸工作原理认知模型时，可以让学生讨论下列问题：什么样的反应可以改造成原电池装置？两个电极上发生的反应属于什么反应类型？外电路和内通路如何沟通？基于这些问题的辨析，学生对原电池的一级要素有了基本的认知。在这个过程中学生的认知可能会有冲突，但只有让学生经历了这样的过程，学生的建模才建立在正确理解和正确关联要素的基础之上，达成对知识的精炼和深度的认知。

表3 教学案例

每个学生构建的铜—锌—稀硫酸工作原理认知模型可以不一样，但要尽量结构简单、易懂（如图1）。

图1 铜—锌—稀硫酸工作原理认知模型

深度学习的本质就是把碎片化的知识和信息按需要进行有效的深度加工重整。在教师引导下，学生提炼建构要素并构建认知模型，对化学知识的学习从简单的实验体验深化到理论模型，学习发展到基于理解的有意义的阶段。

（三）修正模型，促进思维高阶发展

首先，科学模型是科学性和假定性的辩证统一，因此它需要接受实践的检验，并且要在实践中不断扩充、改进和修正。其次，学生在学习过程中因为认知的局限性，前面学习的原电池模型容易在朴素的认知结构内形成“前概念”，对日后的学习造成障碍。因此，在后续的教学中教师需要补充和修正学生头脑中对原电池的一些错误模型，推动学生模型认知能力的发展。

在高一原电池的学习中，对于高二准备选修化学的学生可以让他们结合课本中化学电源的组成与反应原理部分的知识思考下列问题：（1）正负极必须是活泼性不同的金属吗？电极材料一定参与电极反应吗？（2）一定是溶液中的阳离子在正极得到电子发生还原反应吗？对上述问题思考清楚了，学生对原电池的认识就能摆脱铜锌简单原电池的“束缚”，更深入到一个层面。这时，可以让学生尝试修正铜锌原电池模型，使模型能适合简单的单液原电池的工作原理，见图2。

学习选修4“双液铜锌原电池”后，知道了通过将氧化反应区域与还原反应区域隔开可以大大提高能量效率。此时，可以让学生先构建双液原电池工作原理模型，见图3。

图3 双液原电池工作原理认知模型

通过分析盐桥为何可以导电，从盐桥的导电发展出离子导体的概念，结合具体的新型电源实例，如熔融碳酸盐燃料电池等的介绍，让学生理解离子导体可以是电解质溶液，也可以是电解质固体，作用是沟通内通路。而现代离子交换膜技术的使用使得阴阳离子通过“离子膜”定向迁移，不仅起到盐桥的作用，比外加盐桥效果更好，使用寿命更长。这也说明了双液原电池的工作原理和单液原电池的工作原理是一样的。基于此进行原电池模型的修正，见图4。

图4 复杂单液原电池工作原理认知模型

高三教学中运用金属的“溶解—沉积”平衡与双电层理论解释原电池工作微观过程，学生能从电势差角度也就是从最接近事物的本质上理解电流产生原因：正是两个电极材料与其溶液间的电势差才造成电子在两个电极间定向转移，而电子的移动又破坏了两极的溶解—沉积平衡，使得电子持续移动形成电流。这时可以继续演示“浓差电池”实验，浓度差造成电势差，完美地证实只要有电势差，电子就发生定向移动形成电流。与物理的电动势“接轨”使学生对原电池工作原理认知活动达到深度理解的水平，这时，可以一起构建通用原电池工作原理认知模型，如图5。

图5 通用原电池工作原理认知模型

在模型建构过程中，教师要给学生修改模型的时间和空间，以及对模型进行分析验证的机会，但模型是否“正确”不是修正的终极目标，我们要让学生意识到模型的好坏最终在于解释说明现象能达到的力度和深度。

（四）应用模型，达成问题的解决

建模的目的除了帮助学生结构化地梳理知识外，更重要的是培养学生在复杂情境中运用模型解决复杂问题的能力，这就需要教师创设多种形式的活动，给学生提供应用模型的新情境。

例如高二的课堂上可以表演铜币变“银币”的小“魔术”，通过魔术情境激发学生学习的热情。“魔术”手法如下：取金属锌粉，投入1.0mol·L-1的Na2[Zn(OH)4]溶液中，同时把铜币投入上述溶液中并与锌粉接触[5]。可以观察到有气体产生，铜币变成“银币”。然后请学生小组讨论后尝试进行“魔术”解密：Zn、Cu 和Na2[Zn(OH)4]构成了原电池装置，锌做负极，铜做正极，Zn(OH)42-被还原为Zn附着在铜币表面呈银白色，这样“铜币”就神奇地变成了“银币”。

从20 世纪70 年代锂电池概念的提出，到20世纪90年代进入市场，如今，锂电池已经被应用到方方面面，改变了人们的生活。锂电池在电化学试题中常被考查，应用原电池模型来解答这类复杂原电池问题会降低难度，变得“得心应手”，如下题的解答。

例题澳大利亚制造出了一种锂硫电池，性能是传统锂电池的4倍，充电一次可为智能手机供电5 天，可支持电动车行驶超1000 千米。其工作原理如图6所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为8Li2Sx（2≤x≤8）。下列说法正确的是（ ）。

图6 锂硫电池工作原理

A.电池工作时，负极可发生反应：2Li2S6+

B.电池工作时，负极材料减重0.14 g时外电路中流过0.01 mol电子

C.石墨烯的作用主要是提高电极a 的导电性

D.电池充电时间越长，电池中的Li2S2量越多

把原电池工作原理模型迁移到具体的锂电池应用上，可构建固态锂硫电池工作原理模型图，见图7。

图7 固态锂硫离子原电池工作原理模型图

由构建的模型图可对A、B 选项直接作出判断是错误的。石墨有强的导电能力，而硫的导电能力差，所以把硫和石墨复合可以解决硫的不导电问题，C选项正确。电池充电时电极b 为阳极，Li2S2逐渐失电子变为 Li2S4、Li2S6、Li2S8。所以随着充电时间越长，电池中Li2S2量越少，D错误。可见，真正理解了模型，应用模型可以解决一系列的问题。

教师在教学过程中时刻不能忘记学科育人目标，我们现在的教是为了学生以后更好的发展。我们不仅要教会学生学科知识，更要培养学生的核心素养，而模型建构下的深度学习是实现核心素养的一个重要途径。