基于建模教學(xué)發(fā)展化學(xué)高階思維的教學(xué)研究

李金燕 楊劍 鐘奕玲 羅一帆 許旋

摘要：以“電解原理之放電順序的探究”為素材，從學(xué)生已學(xué)的惰性電極電解氯化銅溶液的分析模型進(jìn)階到通過惰性電極電解氯化鈉溶液的探究，從離子放電順序的視角完善電解池認(rèn)識(shí)模型，再通過創(chuàng)設(shè)“凈水器推銷商”的真實(shí)情境開展鐵鋁電極電解氯化鈉溶液的探究，進(jìn)一步從電極材料的認(rèn)識(shí)視角對(duì)電解原理認(rèn)識(shí)模型進(jìn)行修正。建模教學(xué)在建構(gòu)化學(xué)知識(shí)的同時(shí)，促進(jìn)學(xué)生的化學(xué)高階思維能力和素養(yǎng)的有效發(fā)展。

關(guān)鍵詞：建模教學(xué)；電解池放電順序；高階思維

文章編號(hào)：1008-0546（2021）10-0047-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.011

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出的“模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科的重要思想和方法[1]，在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維模型，促進(jìn)學(xué)生建模思維和建模能力的提升?；魝悾?996）[2]提出建模教學(xué)主要包括構(gòu)建模型、評(píng)價(jià)模型、完善模型、應(yīng)用模型，具體表現(xiàn)為先選擇已構(gòu)建的模型來解決問題；在新的情境下對(duì)已有的模型進(jìn)行評(píng)價(jià)進(jìn)而修正模型。新課標(biāo)提倡“素養(yǎng)為本”的教學(xué)理念，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，注重培養(yǎng)學(xué)科思維，其中培養(yǎng)學(xué)生解決陌生情境下不同復(fù)雜程度問題的能力，是“素養(yǎng)為本”化學(xué)課堂教學(xué)追求的重要目標(biāo)。陌生情境下復(fù)雜問題的解決，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的化學(xué)科學(xué)思維能力，尤其是高階思維能力，其中化學(xué)高階思維能力包括：概括關(guān)聯(lián)的能力、解釋說明能力、推斷預(yù)測(cè)的能力、設(shè)計(jì)驗(yàn)證的能力及分析評(píng)價(jià)的能力等[3]。

一、內(nèi)容分析

本節(jié)課主要選自人教版選修四第四章第三節(jié)《電解池》電解原理第二課時(shí)，“化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化”是貫穿第四章的主線。在原電池的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)了解自發(fā)的氧化還原反應(yīng)通過原電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，本節(jié)的核心概念是“對(duì)于非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)可以通過電解池實(shí)現(xiàn)由電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化”，本節(jié)的基本概念：電解池的基本要素、明確電解池的工作原理（包括電子導(dǎo)體回路、溶液中的離子行為、電極材料與電極反應(yīng)、電極上放電順序），電解池原理的內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖如圖1。人教版教材的第一課時(shí)惰性電極電解CuCl2溶液承載著電解池的基本要素、溶液中的離子行為、電極反應(yīng)等核心知識(shí)。本節(jié)課主要對(duì)電極上放電順序及電極材料這兩個(gè)基本概念從模型認(rèn)知的視角進(jìn)行建構(gòu)，為下節(jié)課電解池的應(yīng)用做知識(shí)鋪墊。

二、基于模型建構(gòu)的教學(xué)

1.“電解原理放電順序”模型教學(xué)分析

通過回顧第一節(jié)課惰性電極電解氯化銅溶液歸納出電解池認(rèn)識(shí)分析模型（溶液中存在哪些離子；通電時(shí)離子如何移動(dòng)；產(chǎn)物、電極方程式），進(jìn)階到惰性電極電解飽和食鹽產(chǎn)物的探究，從離子放電順序的視角完善已有的電解池分析模型，再應(yīng)用已有的模型去分析凈水器推銷商“科學(xué)實(shí)驗(yàn)”的真實(shí)情境時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)已建立的分析模型不能適用，進(jìn)而需要在原有的模型基礎(chǔ)上通過探究金屬活性電極電解飽和食鹽水，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生電解池的分析的視角。通過回顧已有的電解池分析模型發(fā)展學(xué)生的概括關(guān)聯(lián)、分析解釋的高階思維，在已有模型的基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)探究發(fā)展學(xué)生的推理預(yù)測(cè)、簡單設(shè)計(jì)的高階思維，將模型應(yīng)用到真實(shí)情境中檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷亩M(jìn)行修正，發(fā)展學(xué)生的分析評(píng)價(jià)、系統(tǒng)探究的高階思維，具體框架如圖2。

3.教學(xué)重難點(diǎn)

從離子放電順序和活性電極的兩個(gè)視角發(fā)展電解池的分析模型。

4.突破教學(xué)重難點(diǎn)（教學(xué)策略）

在已有的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行問題驅(qū)動(dòng)和實(shí)驗(yàn)探究從而完善模型，在真實(shí)情境中應(yīng)用模型進(jìn)行系統(tǒng)探究和發(fā)展視角來修正模型。模型建構(gòu)過程如圖3所示。

三、教學(xué)過程

1.教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

本節(jié)課以“探究電解原理的放電順序”為主線，以“惰性電極電解氯化鈉溶液和鐵鋁電極電解氯化鈉”為情境開展教學(xué)活動(dòng)，具體流程如圖4。

2.教學(xué)具體過程

環(huán)節(jié)一：回顧電解原理第一課時(shí)電解池分析認(rèn)識(shí)模型

【回顧模型】第一節(jié)課我們通過惰性電極電解Cu？ Cl2溶液的學(xué)習(xí)，從宏觀到微觀的視角歸納出了電解池反應(yīng)的認(rèn)知思維模型，請(qǐng)同學(xué)們進(jìn)行回顧。

【學(xué)生回答】1.溶液有什么離子？2.通電后，離子如何移動(dòng)？3.產(chǎn)物、電極反應(yīng)

【提出問題】CuCl2溶液中除了Cl-、Cu2+其實(shí)還存在水電離的OH-、H+，通電時(shí)Cl-、OH-都向陽極移動(dòng)，Cu2+、H+都向陰極移動(dòng)，但是實(shí)驗(yàn)中H+和OH-都沒有參與反應(yīng)，那么如果利用上述實(shí)驗(yàn)的電解池裝置來電解NaCl溶液，能否也得到金屬Na？

設(shè)計(jì)意圖：回顧第一課時(shí)電解CuCl2實(shí)驗(yàn)課本已建立的模型是還沒考慮水中電離的OH-、H+，從已有的知識(shí)提出問題自然過渡到用惰性電極電解氯化鈉溶液的探究，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)思路結(jié)構(gòu)化。發(fā)展學(xué)生的概括關(guān)聯(lián)能力。

環(huán)節(jié)二：通過惰性電極電解NaCl溶液，了解離子放電順序，完善模型

【教師演示】惰性電極電解NaCl溶液

【收集證據(jù)】兩個(gè)電極都產(chǎn)生了氣泡

【學(xué)習(xí)任務(wù)】請(qǐng)同學(xué)們對(duì)惰性電極電解NaCl溶液的氣體產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)測(cè)，并試著設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案證明你們的預(yù)測(cè)。

【理論分析】根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果思考以下問題：

1.NaCl溶液中存在哪些離子？

2.通電后，溶液中的離子如何移動(dòng)？

3.結(jié)合證據(jù)，從得失電子、氧化還原反應(yīng)的角度進(jìn)行分析陰陽極可能的產(chǎn)物？

【學(xué)生討論】

1.溶液總共四種離子Cl-、Cu2+、OH-、H+

2.Cl-、OH-移向陽極失電子；H+、Na+移向陰極得電子

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】對(duì)于陰極：基于有氣泡放出的證據(jù)，可推測(cè)是H+放電，氫氣的檢驗(yàn)用點(diǎn)燃法和肥皂泡法；對(duì)于陽極：可能是Cl-失電子會(huì)變成氯氣或是OH-失電子后必有一種元素化合價(jià)升高，推測(cè)產(chǎn)生的氣體是氧氣，氯氣的檢驗(yàn)可以用濕潤碘化鉀試紙；氧氣檢驗(yàn)用帶火星木條。

【評(píng)價(jià)方案】引導(dǎo)學(xué)生對(duì)氫氣檢驗(yàn)方法（點(diǎn)燃法和肥皂泡法）進(jìn)行評(píng)價(jià)：危險(xiǎn)并難于成功。

【教師引導(dǎo)】水電離的H+得電子變成氣體離開溶液體系，溶液體系會(huì)剩下大量的OH-，可通過間接檢驗(yàn)OH-的存在（滴加酚酞）證明是氫離子放電變成氫氣。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】惰性電極電解NaCl溶液的產(chǎn)物檢驗(yàn)（圖5）。

【收集證據(jù)】陰極附近區(qū)域變紅；陽極附近區(qū)域的濕潤碘化鉀試紙變藍(lán)。

【證據(jù)分析】陰極是H+得電子變成氫氣；陽極是Cl-失電子會(huì)變成氯氣。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從證據(jù)和氧化還原的理論兩個(gè)角度進(jìn)行產(chǎn)物的預(yù)測(cè)，可以減少探究的盲目性。對(duì)學(xué)生收集的證據(jù)及時(shí)提出任務(wù)教學(xué)，學(xué)生經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)，對(duì)理論分析部分以及陽極產(chǎn)物的檢驗(yàn)?zāi)芎献魍瓿桑缆葰庥脻駶櫟矸?KI試紙檢驗(yàn)，氧氣用帶火星木條；而對(duì)于檢驗(yàn)H2的方法，需要進(jìn)行引導(dǎo)。發(fā)展學(xué)生推理預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證及分析解釋的高階思維能力，從而真正落實(shí)素養(yǎng)的發(fā)展。

【討論總結(jié)】根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們可以知道陰極：H+先于Na+放電；陽極：Cl-先于OH-放電，

【學(xué)習(xí)任務(wù)】你能解釋不同離子的放電順序?yàn)楹尾灰粯訂幔?/p>

【理論分析】根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果思考以下問題：

1.離子移動(dòng)有何目的？

2.陽離子和陰離子能否放電與什么因素有關(guān)？

【學(xué)生討論】離子移動(dòng)的目的主要是得失電子，在陰極H+的得電子能力比Na+強(qiáng)，而得電子能力主要是反應(yīng)氧化性的強(qiáng)弱；陽離子能否放電主要跟離子的氧化性有關(guān)；同理，陰離子能否放電主要跟離子的還原性有關(guān)。

【分析總結(jié)】離子放電順序

陽極：陰離子——失電子（有還原性）

還原性強(qiáng)的離子優(yōu)先放電：Cl->OH->含氧酸根離子（SO2-4等）

陰極：陽離子——得電子（有氧化性），氧化性強(qiáng)的離子優(yōu)先放電：Cu2+>H+>Na+

【歸納推理】

陰離子放電（失電子）順序：S2->I->Br->Cl->OH->SO2-4等

陽離子放電（得電子）順序：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+（酸）>Fe2+>Zn2+>H+（水）>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+

【完善模型】

在判斷惰性電極電解池的陰極、陽極產(chǎn)物時(shí)我們要思考離子的放電順序。

分析電解池反應(yīng)的思維程序：

（1）溶液中存在哪些離子？

（2）通電時(shí)離子如何移動(dòng)？

（3）離子放電順序

（4）產(chǎn)物、電極反應(yīng)

【講解】經(jīng)過探究學(xué)習(xí)，電解池裝置電解NaCl溶液，是沒辦法得到金屬Na。

設(shè)計(jì)意圖：由惰性電極電解CuCl2的認(rèn)識(shí)模型，遷移到電解NaCl溶液，通過分析電解NaCl溶液產(chǎn)物，從離子放電順序的視角發(fā)展分析電解池的思維模型。由個(gè)別歸納推理出惰性電極的電解池一般的離子放電順序。由于學(xué)生對(duì)離子的氧化性和還原性的比較有一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)于推理放電順序的原因不是很難。發(fā)展學(xué)生的概括關(guān)聯(lián)和分析解釋的高階思維能力。

環(huán)節(jié)三：應(yīng)用模型，推銷商的“科學(xué)實(shí)驗(yàn)

【新聞視頻】成都周邊一些消費(fèi)者反映，賣凈水器的推銷商用電解儀放入飲用水出現(xiàn)了所謂的先變綠后變黃等現(xiàn)象（圖6），并說這是“重金屬”等有害物質(zhì)，這種檢測(cè)結(jié)果可信嗎？

【資料卡片】推銷商電解儀電極是鐵棒和鋁棒；自來水許多礦物質(zhì)

【學(xué)生思考】觀看新聞，結(jié)合資料卡片對(duì)新聞進(jìn)行思考

【提出問題】已有分析電解池的模型是分析惰性電極電解模型，而對(duì)于分析金屬活性電極的電解模型是否還適合呢？

【學(xué)習(xí)任務(wù)】采用控制變量法設(shè)置實(shí)驗(yàn)：相同的電解質(zhì)溶液而不同的電極材料（改用活性電極）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

【思考和交流】從控制變量法的原理思考

設(shè)計(jì)意圖：貼切的真實(shí)情境，將知識(shí)關(guān)聯(lián)社會(huì)生活，感受學(xué)科化學(xué)的價(jià)值。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際需要提出探究課題，為了減少探究的盲目性，提供資料卡片并引導(dǎo)學(xué)生在提取原來的電解池分析模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)原有的模型不適用，并引導(dǎo)學(xué)生確定探究任務(wù)“不同的電極材料電解相同的電解質(zhì)”。

環(huán)節(jié)四：鐵鋁電極電解NaCl溶液，完善電解池認(rèn)識(shí)分析模型，

【演示實(shí)驗(yàn)】鐵鋁電極電解NaCl溶液

【收集證據(jù)】陰極Al棒附近產(chǎn)生了無色氣體；陽極Fe棒溶解且溶液周圍先變綠色再變黃色

【追問】請(qǐng)同學(xué)們從理論分析和事實(shí)證據(jù)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行推測(cè)及設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證

【學(xué)生討論】陽極Fe棒溶解且溶液周圍變綠色，推測(cè)可能是電極Fe失去電子變成Fe2+，再被空氣氧化成Fe3+，檢驗(yàn)Fe3+可以用KSCN；陰極是產(chǎn)生無色氣體，可能是來自水電離的H+得電子變成H2，可用酚酞間接檢驗(yàn)是否有OH-即可證明是否是氫離子放電。

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】鐵鋁電極電解NaCl溶液的產(chǎn)物檢驗(yàn)

【收集證據(jù)】陰極附近區(qū)域變紅；陽極溶液變綠后再變黃，取陽極附近的溶液滴加KSCN溶液發(fā)現(xiàn)血紅色。

【證據(jù)分析】說明陽極的Fe棒先于溶液離子失去電子變成Fe2+，F(xiàn)e2+被空氣氧化變成Fe3+。而Al棒連接在陰極，金屬一般不會(huì)得到電子。

【完善模型】在判斷電解池的陰極、陽極產(chǎn)物時(shí)我們先判斷陽極是惰性還是活性電極，再思考離子的放電順序。

【提出問題】現(xiàn)在你能識(shí)破推銷商的“騙局”了嗎？

【學(xué)生展示】小組進(jìn)行鐵鋁電極電解自來水實(shí)驗(yàn)并解釋說明原因。

設(shè)計(jì)意圖：前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了Fe的化合物性質(zhì)以及從離子放電順序分析電解池原理，所以對(duì)于產(chǎn)物推斷以及驗(yàn)證，學(xué)生能自主討論交流完成，從離子的放電順序和電極材料兩個(gè)角度完善了電解池原理的認(rèn)識(shí)，建構(gòu)電解池的一般認(rèn)識(shí)思路。回應(yīng)情境，感受化學(xué)知識(shí)的價(jià)值，發(fā)展學(xué)生推理預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證及分析解釋的高階思維能力。

環(huán)節(jié)五：抗疫和“惰性電極電解氯化鈉溶液”

【視頻觀賞】惰性電極電解氯化鈉溶液可制備出抗疫的“一分子”——消毒液

【課后活動(dòng)】寫份小論文，談?wù)劄槭裁炊栊噪姌O電解氯化鈉溶液可以制備消毒液？

設(shè)計(jì)意圖：診斷與發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)中社會(huì)責(zé)任水平及將化學(xué)成果應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的意識(shí)。本節(jié)課以電解氯化鈉為主線，最后拓展惰性電極電解氯化鈉溶液可制備出抗疫的“一分子”——消毒液，響應(yīng)2020年抗疫的口號(hào)。

四、結(jié)語

建模教學(xué)重視認(rèn)識(shí)視角和認(rèn)識(shí)思路的形成，根據(jù)已有知識(shí)、理論和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行抽象、構(gòu)建出初步模型，再經(jīng)過驗(yàn)證、修正等若干操作表征研究對(duì)象的模型，豐富他們對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理的認(rèn)識(shí)角度，提高他們對(duì)反應(yīng)原理的認(rèn)識(shí)深度，從而建立具有學(xué)科特質(zhì)的化學(xué)認(rèn)識(shí)視角和化學(xué)認(rèn)識(shí)思路，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維方式，真正落實(shí)從化學(xué)知識(shí)進(jìn)階到高階思維能力再到素養(yǎng)發(fā)展的目標(biāo)。另外培養(yǎng)學(xué)生解決陌生情境下問題的能力，是素養(yǎng)教學(xué)的重要目標(biāo)，而陌生情境下復(fù)雜問題的解決，需要學(xué)生具有高階思維能力。之所以基于建模教學(xué)可發(fā)展學(xué)生的化學(xué)高階思維能力，是因?yàn)榻鉀Q復(fù)雜問題的過程既是創(chuàng)造性地應(yīng)用科學(xué)模型的過程，也是建構(gòu)模型的過程。

參考文獻(xiàn)

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