基于模型認知的電化學(xué)試題解析及復(fù)習(xí)教學(xué)思考

陳繼華

摘? ? 要：探究基于模型認知的化學(xué)試題解析，通過將解題思維方法顯化為相應(yīng)的模型，使學(xué)生重視對信息的獲取和提煉，培養(yǎng)和形成分析、解決問題的一般思維模型。并引發(fā)教師思考運用“模型認知”的教學(xué)方式進行高三基礎(chǔ)知識復(fù)習(xí)和解題方法指導(dǎo)，從而使學(xué)生形成系統(tǒng)、有序、多層的認知結(jié)構(gòu)，促進學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)與能力提升。

關(guān)鍵詞：電化學(xué);學(xué)科思想;建構(gòu)模型;模型認知

高中化學(xué)課程標準（征求意見稿）提出“宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)精神與社會責任”五個要素的高中化學(xué)核心素養(yǎng)。基于核心素養(yǎng)的“教、學(xué)、評”一致性，測試作為評的重要形式，那試題中如何考查化學(xué)核心素養(yǎng)及教師通過試題為載體如何培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)？本文就核心素養(yǎng)中“模型認知”為對象進行探索分析?！澳Ｐ驼J知”作為核心素養(yǎng)之一，要求“能認識化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運用多種認知模型來描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，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，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架”。

一、電化學(xué)試題在加試題中的命題規(guī)律

浙江省高考化學(xué)進入選考模式，選考卷由學(xué)考+選考組成，比重分別占70%和30%。其中占30%的選考題由三道加試題組成，加試題第一題為反應(yīng)原理題，此題由反應(yīng)原理各知識點拼盤而成，從2015年10月至2018年4月共6份選考試題卷，6份試卷中加試題反應(yīng)原理題（30題）都出現(xiàn)了電化學(xué)知識的考查?？疾榈男问揭詴鴮戨姌O反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式為主。

書寫電極反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式是電化學(xué)知識重要考查點，不僅在浙江省，在其他各地高考卷中高頻出現(xiàn)?？此坪唵蔚囊恍☆}，但當考題出現(xiàn)信息紛繁復(fù)雜，電極反應(yīng)出現(xiàn)陌生物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化時，學(xué)生答題就容易思路混亂，不知從何入手。這是高三復(fù)習(xí)過程中學(xué)生經(jīng)常會出現(xiàn)“一聽就會、一用就亂、一考就忘”現(xiàn)象。建模則是解決此問題的有效路徑。通過建立模型來獲取知識和解決問題?；瘜W(xué)模型這一認知工具恰好把化學(xué)問題或知識有序編碼，有利于知識的結(jié)構(gòu)化和組織化，使知識或問題以結(jié)構(gòu)或形象表達的形式在人腦中有序編碼[1]

二、對于電化學(xué)試題的解題策略——模型認知

（一）建構(gòu)解題思維模型及運用

【例1】（浙江選考2017.4） 30題節(jié)選 據(jù)文獻報道，CO2可以在堿性水溶液中電解生成甲烷，寫出生成甲烷的電極反應(yīng)式。

分析：電極反應(yīng)式書寫前：1.明確是原電池還是電解池;2.確定是原電池的正、負極還是電解池的陰、陽極，從而確定電極是氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)。

審清題干信息，找出關(guān)鍵信息1：碳元素化合價發(fā)生變化，由 CO2（+4）得8個電子降低到CH4（-4）。關(guān)鍵信息2：反應(yīng)在堿性環(huán)境。

關(guān)鍵信息2：反應(yīng)在堿性環(huán)境。應(yīng)該是OH-，電極式右邊補 8OH-，反應(yīng)前后電荷守恒。

最后一步，原子守恒。觀察反應(yīng)前后原子個數(shù)，發(fā)現(xiàn)電極式左邊需補6H2O。

書寫時需要考慮反應(yīng)所處環(huán)境（酸、堿、熔融鹽或氧化物），酸性介質(zhì)用H+配平電荷，堿性介質(zhì)用OH-配平電荷，熔融鹽或氧化物用具體離子配平電荷。

針對電化學(xué)考題中電極反應(yīng)式的書寫，建立解題思維模型：

（二）運用解題思維模型，解答同類型試題

【例2】（浙江選考2017.11） 30題節(jié)選 科學(xué)發(fā)現(xiàn)：以H2O和N2為原料，熔融NaOH-KOH 為電解質(zhì)，納米 Fe2O3作催化劑，在250℃和常溫下可實現(xiàn)電化學(xué)合成氨，陰極區(qū)發(fā)生的變化可視為按兩步進行，請補充完整：電極反應(yīng)式? ? ? ? ? ? ? ? ?和 2Fe +3H2O +N2? ? ? = 2NH3+Fe2O3。

分析：此題信息量大，對學(xué)生分析信息能力的要求更高。

由信息a可知：總反應(yīng)物質(zhì)變化H2O+N2→NH3，其中N元素由0價降低到-3。N2→NH3 還原反應(yīng)發(fā)生在陰極。

由信息d可知：陰極反應(yīng)式第2步2Fe + 3H2O +N2 =2 NH3 + Fe2O3，完成N2→NH3轉(zhuǎn)變。

由信息c和d可知：Fe2O3作催化劑，催化劑特點反應(yīng)始末自身物質(zhì)不發(fā)生變化。簡單講：1式和2式加和達到N2→NH3轉(zhuǎn)變，作為催化劑的Fe2O3在加和中可以消去。

確定第1步反應(yīng)物和生成物： Fe2O3? →Fe

③守恒

前面提到運用電荷守恒、原子守恒應(yīng)注意介質(zhì)環(huán)境，特殊介質(zhì)環(huán)境如何處理如例3。

【例3】（2017.2溫州市選考模擬）N2O5是一種新型硝化劑。工業(yè)上可用N2O4通過電解制備N2O5，陰、陽室之間用質(zhì)子交換膜隔開，兩極電解液分別為稀硝酸溶液和溶有N2O4的無水硝酸。用惰性電極電解時，生成N2O5極室的電極反應(yīng)式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

解析：

①審

N2O5在陽極室生成，即在溶有N2O4的無水硝酸中生成

質(zhì)子交換膜

溶有N2O4的無水硝酸

②判

反應(yīng)物與生成物N2O4→N2O5

用H+使電荷守恒

用硝酸使原子守恒

此題學(xué)生出錯關(guān)鍵點在原子守恒使用時思維定式用H2O，題中“溶有N2O4的無水硝酸”沒有水，而且硝酸不能拆成離子形式。電極反應(yīng)式應(yīng)為N2O4 -2e- + 2HNO3=2N2O5 + 2H+。

（三）源于教材認知模型進行遷移應(yīng)用

把教材中的教學(xué)模型向試題中新信息靈活遷移，抓住信息特點，實現(xiàn)在新情境下與原有的認知模型進行類比、聯(lián)想、推理等方法解決問題。

【例4】（浙江選考2018.4） 30題節(jié)選? ?以四甲基氯化銨[（CH3）4NCl]水溶液為原料，通過電解法可以制備四甲基氫氧化銨[（CH3）4NOH]，裝置如圖1所示。

（1）收集到（CH3）4NOH的區(qū)域是（填a、b、c或d）。

（2）寫出電池總反應(yīng)方程式。

分析：物質(zhì)由（CH3）4NCl→（CH3）4NOH轉(zhuǎn)變，原子團（CH3）4N保持不變，真正發(fā)生變化Cl→OH。關(guān)聯(lián)的知識NaCl→NaOH。此題是建立在電解飽和食鹽水模型基礎(chǔ)上的變形，如圖2所示收集到（CH3）4NOH的區(qū)域就是電解飽和食鹽水收集到NaOH的陰極d，總反應(yīng)式以2NaCl+ 2H2O<Y：＼教學(xué)月刊中學(xué)版教學(xué)參考＼教學(xué)參考2019-1·2＼教學(xué)參考2019第1·2期內(nèi)芯＼Image＼image6_1.pdf>? 2NaOH+ H2↑+ Cl2↑為原型，寫出2（CH3）4NCl+ 2H2O <Y：＼教學(xué)月刊中學(xué)版教學(xué)參考＼教學(xué)參考2019-1·2＼教學(xué)參考2019第1·2期內(nèi)芯＼Image＼image6_1.pdf> 2（CH3）4NOH + H2↑+ Cl2↑。

三、試題引發(fā)的高三復(fù)習(xí)教學(xué)思考

選考、高考試題關(guān)注化學(xué)核心素養(yǎng)和能力的考查。核心素養(yǎng)不是先天遺傳的，而是經(jīng)過后天教育習(xí)得的[1]。素養(yǎng)在教師平時實際的教學(xué)行為中才能加以落實。高三復(fù)習(xí)教學(xué)中“模型認知”素養(yǎng)的落實，教師可幫助學(xué)生建構(gòu)認知模型，建立起宏觀現(xiàn)象、微觀原因、符號表征之間的聯(lián)系，梳理概念和原理，實現(xiàn)知識從無序到有序，培養(yǎng)學(xué)生整體、系統(tǒng)地思考。

（一）整合知識建構(gòu)模型

在高三復(fù)習(xí)教學(xué)中應(yīng)做好知識的補缺補漏、關(guān)聯(lián)整合工作。整合過程要體現(xiàn)學(xué)習(xí)、研究思路，知識的因果邏輯等。將知識整合與思維建構(gòu)相融合構(gòu)建成模型進行復(fù)習(xí)教學(xué)，使學(xué)科知識、學(xué)科方法、思維方法融合，讓學(xué)生在鞏固知識的同時掌握相應(yīng)的學(xué)科方法和思維方法。

如電化學(xué)知識復(fù)習(xí)可采用王維臻、王磊等從電化學(xué)的本體維度、認識維度和任務(wù)維度，構(gòu)建適用于高中階段的電化學(xué)認知模型（見圖3）[2]。

（二）同類試題建構(gòu)問題解決思維模型

在復(fù)習(xí)過程中，教師要把各種題目加工整理、分類突破，構(gòu)建解決每類問題的一般模型。熟練掌握了常見問題的特征和解法，就可以從復(fù)雜題目中分離出這些基本問題，全面、有序地獲取題目的有效信息[3]，進而進行分析和解決問題。上述例1、2兩題的析題→解題→建?！\用模型活動，建立“一審，二判，三守恒”模型，將解題思維方法顯化相應(yīng)的模型。讓學(xué)生通過領(lǐng)略知識內(nèi)在縝密的邏輯關(guān)聯(lián)而更接近知識的本質(zhì)，形成系統(tǒng)、有序、多層的認知結(jié)構(gòu)[4]。做到舉一反三，觸類旁通。同時模型的建立著眼于提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)和應(yīng)用化學(xué)知識解決實際問題能力。

在高三復(fù)習(xí)中踐行“模型認知”的“教、學(xué)、評”，幫助學(xué)生完善理性思考問題的基本方法，能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。學(xué)生就能體會到模型在學(xué)習(xí)活動中的應(yīng)用價值，能否熟練地建立或運用模型直接影響著學(xué)習(xí)效率，逐漸樹立起模型意識，并將“模型認知”固化為自己學(xué)習(xí)的一種方法。促使學(xué)生主動用學(xué)科知識、學(xué)科思想、思維方法來建構(gòu)模型。掌握解決問題的“套路”，培養(yǎng)舉一反三的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和核心素養(yǎng)。

[1]鐘啟泉.核心素養(yǎng)的“核心”在哪里[N].中國教育報，2015-4-1（7） .

[2]王維臻，王磊，支瑤，等.化學(xué)教育[J].2014 （1）：34-40.

[3]李代明.例析高三化學(xué)培養(yǎng)審題能力的策略[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（4）：55-57.

[4]解慕宗，林建芬，寇輝，劉文婷.基于模型認知的高三化學(xué)深度復(fù)習(xí)研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2017（10）：25-28.