原电池模型变量认知构建在教学中的应用

摘 要： 模型与建模是科学发展的重要元素，也是解决化学问题的重要方法。但在模型的应用过程中容易形成因“过分依赖建模”而导致的“定势思维”。以原电池模型为例，通过引导学生对原电池模型要素进行分析，进而识别出原电池模型变量，完善对原电池模型的认知，形成对原电池的系统化、本质化、全面化认识，以此使学生建立模型变量的认知，发展学生的“模型认知”素养。

关键词： 变量； 模型构建； 原电池模型

文章编号： 10056629（2024）12002704

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

“模型认知”是《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中明确指出的高中化学学科核心素养的核心组成部分。新课标中对其要求包括“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，解释现象的本质和规律”［1］。模型，简而言之，是对事物本质的一种简化的描述或模拟［2］。“模型”方法是现代科学方法论中一种重要的研究方法［3］，利用“模型”这一工具，有助于在解决问题的过程中分析问题、简化问题。“模型认知”强调个体通过模型的内部建构和外部表达来解决实际问题，是对问题解决思维的抽象和概括。要想将陈述性知识转化为学科核心素养，必须经历完整的思维转化过程。即形成学科核心素养的基本途径不是简单地将陈述性知识转化为程序性知识，而是要经不断地内部重组、构建，从而形成自己的认知方式。而引导学生建模的过程，就是学生经历完整的思维转化的过程。

模型由系统、要素、关联、变量等部分构成。其中，模型描述的对象称为系统；构成系统的各种子系统或成分称为要素；各要素或子系统之间的相互关系称为关联；表述各成分或要素量的变化称为变量［4］。原电池在高中化学课程中占据重要的地位，模型构建是学习原电池的一种重要的方法。分析目前已有的以原电池为例进行模型构建教学的案例，发现普遍以原电池模型（如图1）的构建以及优化为主。如王繁斌等［5］基于SECI理论，通过构建隐性知识向隐性知识转化的创始场、隐性知识向显性知识转化的对话场、显性知识向显性知识转化的系统场、显性知识向隐性知识转换的练习场，从而构建原电池模型，该模型只包括系统、要素、关联，缺乏变量部分。即使在原电池模型的优化过程中隐约有变量部分的体现，也缺乏系统的陈述，如陈谦明等［6］通过手持技术数字化实验获取的曲线表征进行从单液原电池到双液盐桥原电池再到双液隔膜原电池的模型优化，该原电池模型的优化过程就是模型中成分的量的变化过程（离子导体在发生变化），文章中未对该变量的变化做系统的陈述。若未明确原电池模型中的变量部分，学生会形成原电池模型“一成不变”的定势思维，在陌生电池问题的解决过程中，直接套用原电池模型而无法将陌生电池与模型相匹配的现象，过度依赖模型，对原电池模型认知“窄化”。而原电池模型只是电池的雏形，陌生电池理论上是通过改变原电池模型中的变量而优化衍生的一系列电池。因此，帮助学生明晰原电池模型中的变量，建立模型变量认知尤为重要。

2 变量的内涵

变量来源于数学，是指至少有两个取值的量、是一种动态的概念、是多种确定量或者概念的混合状态。就好比“灰”是一种由黑和白混合的状态，不同比例的黑和白混合将会形成不同的“灰”。

笔者要阐述的“原电池模型变量认知构建”重点在于指出原电池模型中存在的变量，使学生明白能通过改变这些变量将模型进行优化而得到不同类型的原电池模型或电池，进而使学生建立模型变量认知，通过原电池模型中的变量，来解释或解决复杂电池及相关问题。

3 原电池模型变量认知构建

3.1 原电池模型

要能够形成能将化学能转化为电能的电池，必不可少两个关键部分：一个反应和一个装置。即必须存在一个能自发进行的氧化还原反应，以及必须存在一个装置，这个装置必须具有电极材料、电子导体、离子导体，能将反应的氧化反应和还原反应分开发生。在实际的教学中，教师会通过教学情境（如“动力小车跑起来”）的引入以及提出探究性问题（如“动力小车为什么会跑起来”）来引发学生的模型意识，通过对铜锌原电池的探究引导学生识别、分析、概括及关联原电池模型要素，以此建立由四要素“电极反应、电极材料、电子导体、离子导体”构成的原电池模型，如图1。目前针对原电池模型构建的研究比较成熟，不过多地在此阐述。

3.2 原电池模型要素分析

模型的变量是由模型要素衍生出来的。在分析原电池模型变量之前，要求学生能够掌握基础原电池模型中的“四要素”的功能与作用。教师要引导学生自行分析，如表1。

3.3 原电池模型变量识别

基于原电池模型要素的功能与作用，分析在不影响要素功能与作用的前提下可以存在哪些变量、变量如何发生变化、可变的依据是什么，根据变量结果衍生出的原电池举例，如表2（以下表格只是提供了识别原电池模型变量的范式，原电池模型中存在的变量还有很多）。

在实际的教学中，原电池模型变量的识别靠单一课时的教学无法完成，而应在学生逐渐接触表中所举例的电池或其他新型电池的过程中引导学生识别出模型变量，并逐渐完善原电池模型变量，使学生建立能通过改变原电池模型中的变量得到满足不同需求的电池的认知。

世界万物通过变量相互联系在一起，基于变量，我们才能够把孤立的事情联系起来。新人教版选择性必修1教材第四章第一节“原电池”课程中，在介绍化学电源时，举例了普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池、铅酸蓄电池、燃料电池，这些电池类型不同，学生会觉得杂乱无章。梳理出这些电池是通过改变经典烧杯原电池模型中的哪些变量，就可通过变量之间的关系把这些电池编织成一个比较有组织的电池网络。

3.4 完善对原电池模型的认知

如图2，通过引导学生对基础原电池模型要素的分析识别出模型变量，从而完善对原电池模型的认知，形成对原电池知识的系统化、本质化、全面化认识。

原电池模型也可以被称为“初级电池模型”，反映了所有电池所具有的根本特征。变量是介于应用型电池和原电池模型之间的桥梁，通过改变变量，可以设计出满足不同需求的电池，也可通过变量将应用电池还原为原电池模型。同时，也需要使学生明确在改变电池的变量时，电池的性能会发生改变，如增大离子导体或电子导体的横截面积，都会使电池的内阻变大等。电池一直在更新换代，其发展历程就是一个人们不断地将原电池模型各变量有机融合或探寻新的原电池模型变量以改进电池、更好地满足自身需求的过程，体现了社会“按需设计”的科学发展本质。

4 原电池模型变量认知构建在教学中的实践意义

4.1 有利于促进学生深度学习

通过分析原电池模型中存在的变量，完善对原电池模型的认知，使学生能从本质上深度认识原电池，并以自己的认知方式重新整合建构原电池模型。基于对原电池模型变量的认知，学生在逐渐接触电池的过程中，能以综合性的视角分析不同类型的电池，如电池的优劣、电池问题的改进方向等，更能在复杂情境中把握电池问题的核心。

4.2 有利于培养学生的创新性思维

模型能简化问题以解决问题，亦能限制学生的思维范围。在模型构建教学中要避免形成因“过分依赖建模”而导致的“定势思维”。引导学生建立模型变量的认知，能使学生“参”于模型而又不“拘”于模型。变量是“应用型”电池与原电池模型之间的桥梁，学生在分析原电池模型变量的过程中，能基于已有知识充分发挥想象力和创造力，沿着变量变化的方向，思考各种可能的电池结果，创造性地设计电池；同样，也能在复杂的电池情境中，分析电池是通过改变原电池模型中的什么变量而得到的，逆着变量变化的方向分析，将陌生电池还原为简单的原电池模型，从而以创新性思维解决问题。

4.3 有利于培养学生的“模型认知”素养

引导学生建立模型变量的认知，符合新课标中对“模型认知”素养水平4的要求“能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以构建相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题；能指出所构建模型的局限性，探寻模型优化需要的证据”［7］。学生在原电池模型变量分析的过程中，能够建立由不同变量转化得到的电池模型，例如，通过改变离子导体的形状、组成、长度等建立双液盐桥原电池模型、双液隔膜原电池模型等，以此学生能选择不同的电池模型综合解决复杂的电池问题；也能根据原电池模型变量，评价电池的局限性以及优化电池。除了用模型变量分析问题、解决问题，还能用模型变量预测问题。学生能结合电池发展的历程，利用原电池模型变量预测未来电池发展的趋势。因此，学生能通过对模型变量的分析，提升建模能力，发展“模型认知”素养。

5 结语

构建模型是一种学习方法，一种便于学生理解某些较复杂、抽象的化学原理或概念或便于解决复杂问题的方法。建模的目的是为了用模，用模不是对模型的照搬，而是对模型进行参考。一个较为完善的模型应包括系统、要素、关联和变量部分。“知变方能通”，只有明晰模型中的变量，建立变量思维，才能避免困于模型之中。模型既要体现典型性、基础性的特征，又要体现开放性的特征。学生只有做到心中“既有型又无型”，才能实现建模过程中的“模型进阶”，才能将知识“活学”“活用”，才能将陈述性知识转化为学科核心素养。

参考文献：

［1］［7］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 6.

［2］袁野. 高中生化学问题解决中建模能力的研究［D］. 扬州： 扬州大学硕士学位论文， 2009.

［3］托斯顿·胡森， T. 内维尔·波斯尔思韦特主编. 国际教育百科全书·第6卷［M］. 贵州： 贵阳教育出版社， 1991： 236～242.

［4］张维明， 汤大权， 葛斌， 胡升泽. 信息系统工程［M］. 北京： 电子工业出版社， 2009： 403～404.

［5］王繁斌， 王世存. SECI理论视域下的情境化教学设计——以“原电池”为例［J］. 中学化学， 2024， （4）： 6～9.

［6］陈谦明， 黄倩莹， 钱扬义. 应用数字化实验促进对原电池工作原理的认识［J］. 中学化学教学参考， 2023， （35）： 42～45.