基于化學(xué)前沿科技情境的認(rèn)知模型構(gòu)建

摘 要：在分析2022年全國高考卷理科綜合化學(xué)試題電化學(xué)的情境特點基礎(chǔ)上，提煉出基于科技情境試題的解答流程和認(rèn)知模型建構(gòu)模式.文章以2022年全國高考甲卷理科綜合化學(xué)第4題和乙卷理科綜合化學(xué)第6題為例，探討基于前沿科技情境認(rèn)知模型的建構(gòu)思路、方法和備考策略.

關(guān)鍵詞：科技情境；認(rèn)知模型；高中化學(xué)

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）30-0128-03

收稿日期：2023-07-25

作者簡介：何德波（1991.3-），男，貴州省遵義人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中第一次把“模型認(rèn)知”寫進(jìn)了普通高中化學(xué)的課程目標(biāo)中^[1]，從此化學(xué)教師開始更加重視模型理解、模型建立和與建模有關(guān)的教學(xué)設(shè)計和實施.模型作為一種重要的科學(xué)研究手段，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用.高中化學(xué)核心素養(yǎng)將“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”作為一個維度專門描述，以闡明模型認(rèn)知對高中化學(xué)課程的重要作用.“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是學(xué)生獲得科學(xué)知識的關(guān)鍵方式，也是學(xué)生處理實踐問題中所體現(xiàn)出的的關(guān)鍵素養(yǎng).

1 2022年高考全國卷電化學(xué)試題情境創(chuàng)新點分析

1.1 精選素材情境，考查關(guān)鍵能力

縱觀2022年高考化學(xué)試卷，部分試卷的主體情境以文本、數(shù)據(jù)、表格等多種形式表達(dá)，其中情境分為生活情境、學(xué)術(shù)探索情境、生產(chǎn)環(huán)保情境、實驗探究情境、化學(xué)歷史情境五大內(nèi)容.在試題命制和設(shè)問上，著眼學(xué)生未來的長遠(yuǎn)發(fā)展，重點考查考生的理解與分析能力、歸納與論證能力、探究與創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了對化學(xué)學(xué)科思想方法和學(xué)科關(guān)鍵能力的考查.

2022年全國甲卷化學(xué)第4題（Zn-MnO₂離子選擇雙隔膜電池）和2022年全國乙卷化學(xué)第6題（科學(xué)家研究了一種光照充電Li-O₂電池）均屬于學(xué)術(shù)探索情境.通過學(xué)術(shù)情境考查了電化學(xué)的有關(guān)基礎(chǔ)知識，突出了基礎(chǔ)知識系統(tǒng)在學(xué)生養(yǎng)成關(guān)鍵能力、化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)等方面的基礎(chǔ)地位與支撐作用，有助于為學(xué)生的繼續(xù)深造打下堅實的基石.

1.2 引入大學(xué)教材中的相關(guān)知識創(chuàng)新命題，淡化必考與選考界限

電極、電化學(xué)隔膜種類進(jìn)一步豐富化.如2022全國甲卷化學(xué)第4題在電化學(xué)中考查了離子選擇雙隔膜，2022年高考全國乙卷化學(xué)第6題將鋰電池、光催化電極、離子交換膜、協(xié)同反應(yīng)融合進(jìn)行了考查.

2 前沿科技情境的認(rèn)知模型構(gòu)建

2.1 模型建構(gòu)思路

以前沿科技情境為原點，結(jié)合情境的特點，判斷所給的情境中是否存在原型本身就涵蓋了對客觀事物的描述模型^[2].若存在原型，可采用簡化方式提煉有用信息，使其上升到認(rèn)知模型，深化對原型本質(zhì)的理解，擴(kuò)大其使用領(lǐng)域.最后用建構(gòu)的模型來處理實際情境問題（如圖1所示）.

2.2 高考模型建構(gòu)舉例

例1 （2022年高考全國乙卷化學(xué)試題6）Li-O₂電池比能量高，在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景.近年來科學(xué)家研究了一種光照充電Li-O₂電池（如圖２所示）.光照時，光催化電極產(chǎn)生電子e-和空穴h+，驅(qū)動陰極反應(yīng)Li++e-===Li和陽極反應(yīng)（Li₂O₂+2h+===2Li++O₂）對電池進(jìn)行充電.下列錯誤的是（ ）.

A．充電時，電池的總反應(yīng)為Li₂O₂===2Li+O₂

B．充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)

C．放電時，Li+從正極穿過離子交換膜向負(fù)極遷移

D．放電時，正極發(fā)生反應(yīng)O₂+2Li++2e-===Li₂O₂

情境素材評析 本題屬于學(xué)術(shù)探索情境.2022年，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院李福軍研究員等撰寫了光誘導(dǎo) Li-O₂電池綜述文章.系統(tǒng)介紹和討論了Li-O₂電池充放電過程中的O₂電化學(xué)和光電化學(xué)反應(yīng)，重點介紹了光誘導(dǎo) Li-O₂電池中的光電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；概述了在電極材料設(shè)計、電池結(jié)構(gòu)和電池穩(wěn)定性等方面的最新進(jìn)展；提出了光誘導(dǎo) Li-O₂電池所面臨的主要挑戰(zhàn)和發(fā)展前景.該綜述將加深人們對光誘導(dǎo) Li-O₂電池的認(rèn)識，并促進(jìn)光能在電化學(xué)器件中的應(yīng)用研究.2022年該成果以“Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li-O₂" batteries”為題發(fā)表于Chem. Soc. Rev.并被選為期刊封面文章（Front Inside Cover）.題給的一種光照充電Li-O₂電池，考查了離子交換膜、離子的移動方向和電極方程式的書寫，這就要求學(xué)生要及時在大腦里搜索所學(xué)的認(rèn)知模型.學(xué)生經(jīng)歷了“情境信息解讀→原型提煉→模型建構(gòu)→模型應(yīng)用”這一模型建構(gòu)，體現(xiàn)了對宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查.

認(rèn)知模型建構(gòu) 根據(jù)題給“科學(xué)家研究了一種光照充電Li-O₂電池”科技情境，提取有用信息，建構(gòu)原電池、電解池模型如圖3、圖4所示.再運(yùn)用建構(gòu)模型去解決新情境所提出的問題，那該題就迎刃而解.

本題將鋰電池、光催化電極、離子交換膜、協(xié)同反應(yīng)融合進(jìn)行了考查，結(jié)合圖示和以上兩種模型可得，充電時總反應(yīng)式為Li₂O₂2Li+O₂，金屬Li電極為陰極，光催化電極為陽極；則放電時金屬Li電極為原電池負(fù)極，光催化電極為正極.綜合以上分析本題選C.

例2 （2022年高考全國甲卷化學(xué)試題4）一種水性電解液Zn-MnO₂離子選擇雙隔膜電池如圖5所示[KOH溶液中，Zn²⁺以Zn（OH）^2-₄存在].電池放電時，下列敘述錯誤的是（ ）.

A．Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移

B．Ⅰ區(qū)的SO^2-₄通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移

C． MnO₂電極反應(yīng)：

MnO₂+2e-+4H+===Mn²⁺+2H₂O

D．電池總反應(yīng)：Zn+4OH-+MnO₂+4H+===Zn（OH）^2-₄+Mn²⁺+2H₂O

情境素材評析 本題屬于學(xué)術(shù)探索情境.2022年，深圳大學(xué)在水系電解型MnO₂-Zn電池研究取得突破.深圳大學(xué)材料學(xué)院新能源材料與器件課題組楊金龍助理教授取得重要進(jìn)展，在《Advanced Energy Materials》上發(fā)表題為“A Proton-Barrier Separator Induced via Hofmeister Effect for High-Performance Electrolytic MnO₂-Zn Batteries”的研究論文.這項工作通過霍夫邁斯特效應(yīng)制造了一種成本效益高的基于聚乙烯醇（PVA）的質(zhì)子屏蔽隔膜（PBS）來防止析氫，從而穩(wěn)定電解MnO₂-Zn電池的新途徑.本題以最新電化學(xué)研究成果為載體，主要考查原電池的基本原理，具體考查電極反應(yīng)式的書寫、離子選擇雙隔膜及離子遷移方向等知識，意在考查考生分析、整合新信息的能力，培養(yǎng)模型認(rèn)知的核心素養(yǎng).

認(rèn)知模型建構(gòu) 本題應(yīng)用的是原電池的工作原理模型.根據(jù)題給“水性電解液Zn-MnO₂離子選擇雙隔膜電池”科技情境，提取有用信息，建構(gòu)原電池模型.學(xué)生經(jīng)歷了“情境信息解讀→原型提煉→模型建構(gòu)→模型應(yīng)用”這一模型建構(gòu)，結(jié)合原電池的工作原理模型，再運(yùn)用所建構(gòu)模型去解決新情境所提出的問題，那該題就迎刃而解.

根據(jù)圖5的電池結(jié)構(gòu)和題目所給信息可知，Ⅲ區(qū)Zn為電池的負(fù)極，電極反應(yīng)為Zn-2e-+4OH-===Zn（OH）^2-₄，Ⅰ區(qū)MnO₂為電池的正極，電極反應(yīng)為MnO₂+2e-+4H+===Mn²⁺+2H₂O；電池在工作過程中Ⅰ區(qū)消耗H+，生成Mn²⁺，Ⅱ區(qū)的K+向Ⅰ區(qū)移動或Ⅰ區(qū)的SO^2-₄向Ⅱ區(qū)移動，Ⅲ區(qū)消耗OH-，生成Zn（OH）^2-₄，Ⅱ區(qū)的SO^2-₄向Ⅲ區(qū)移動或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動.綜合以上分析本題選A.

3.3 電化學(xué)原創(chuàng)試題賞析

在平時課堂教學(xué)中，需創(chuàng)設(shè)真實問題情境，開展項目式學(xué)習(xí)，調(diào)動學(xué)生的積極性和合作探究能力.以下是教師給學(xué)生提供新學(xué)術(shù)情境信息，學(xué)生以小組形式展開項目式學(xué)習(xí)，最終形成的試題，供大家賞析.

原創(chuàng) 近日，南開大學(xué)科研團(tuán)隊以KSn合金為負(fù)極，含羧基多壁碳納米管（MWCNTs-COOH）為正極催化劑構(gòu)建了可充電K-CO₂電池，電池反應(yīng)為4KSn+3CO₂放電充電2K₂CO₃+C+4Sn，生成的K₂CO₃附著在正極上，該成果對緩解能源問題有巨大潛力.下列說法正確的是（ ）.

A.電解質(zhì)換成KOH溶液可更好的吸收CO₂

B. 放電時，電池每吸收134.4 L CO₂（標(biāo)況下），電路中轉(zhuǎn)移8 mol e-

C.充電時，陰極電極反應(yīng)式為：

C-4e-+2K₂CO₃3CO₂↑+4K+

D. 充電時，電子由KSn合金經(jīng)酯基電解質(zhì)流向MWCNTs—COOH

情境素材評析 本題屬于學(xué)術(shù)探索情境.2021年，南開大學(xué)的陳軍院士團(tuán)隊通過對鉀-二氧化碳電池正負(fù)極同時改進(jìn)，雙管齊下，實現(xiàn)了穩(wěn)定高效且可逆循環(huán)的鉀-二氧化碳電池，并詳細(xì)揭示了該電池體系的反應(yīng)機(jī)理，文章第一作者是博士后盧勇和博士生蔡毅超，近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上.本題以最新電化學(xué)研究成果為載體，主要考查可充電電池的基本原理，具體考查電極反應(yīng)式的書寫、電解質(zhì)溶液的選擇、離子移動等知識，意在考查考生分析新信息的能力，培養(yǎng)學(xué)生模型認(rèn)知的核心素養(yǎng).

認(rèn)知模型建構(gòu) 根據(jù)題給“南開大學(xué)科研團(tuán)隊以KSn合金為負(fù)極，含羧基多壁碳納米管（MWCNTs—COOH）為正極催化劑構(gòu)建了可充電K-CO₂電池”科技情境，提取有用信息，建構(gòu)原電池、電解池模型.學(xué)生經(jīng)歷了“情境信息解讀→原型提煉→模型建構(gòu)→模型應(yīng)用”這一模型建構(gòu)，結(jié)合例①原電池的工作原理模型和電解池的構(gòu)成工作原理模型，再運(yùn)用所建模型去解決新情境中提出的問題，那該題就迎刃而解.

本題的情境以南開大學(xué)科研團(tuán)隊構(gòu)建的新型可充電K-CO₂電池為載體，該成果對緩解能源問題有巨大潛力，在陌生電池的原理分析中體現(xiàn)對電化學(xué)相關(guān)知識的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性的考查.如果用KOH溶液代替酯基電解質(zhì)，二氧化碳能與KOH反應(yīng)，降低電池效率，故A錯誤；B.放電時，正極發(fā)生的電極反應(yīng)為3CO₂↑+4K++4e-C+2K₂CO₃，標(biāo)況下每吸收134.4 L CO₂，電路中轉(zhuǎn)移8 mol e-，故B正確；C.充電時，多壁碳納米管（MWCNTs-COOH）為陽極，電極反應(yīng)式為C-4e-+2K₂CO₃3CO₂↑+4K+，故C錯誤；D.充電時，電子不經(jīng)過電解質(zhì)，故D錯誤.綜合以上分析本題選B.[BP）]

3 基于化學(xué)前沿科技情境的認(rèn)知模型構(gòu)建的備考策略

3.1 課堂教學(xué)創(chuàng)設(shè)真實問題情境，開展項目式學(xué)習(xí)

在平時教學(xué)過程中需要注重創(chuàng)設(shè)真實問題情境來開展項目式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生積極開展建模學(xué)習(xí)、合作探究學(xué)習(xí)和問題探索學(xué)習(xí)，以推動他們對學(xué)習(xí)化學(xué)知識方法的改進(jìn).

3.2 深刻領(lǐng)會化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)涵，準(zhǔn)確把握中國高考評價體系，科學(xué)制訂教學(xué)目標(biāo)

教師應(yīng)依據(jù)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及其發(fā)展水平、高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和高考評價體系要求，結(jié)合學(xué)情進(jìn)行課堂教學(xué)設(shè)計.

3.3 回歸教材，注重認(rèn)知模型的構(gòu)建

不論多么復(fù)雜陌生的情境，多么復(fù)雜新穎的裝置，都離不開教材中的基本模型.對于電化學(xué)的考查，離不開教材中原電池與電解池的基本模型，所以要狠抓理論基礎(chǔ)的掌握，并可以通過實際情況加以轉(zhuǎn)化運(yùn)用.運(yùn)用建模思想有助于簡化化學(xué)核心知識，幫助學(xué)生解決化學(xué)實際情境問題.

3.4 關(guān)注前沿科技情境、時事熱點，熟悉從復(fù)雜、陌生的信息中提取有效信息的方法

高考試題中多數(shù)情境均為陌生的、復(fù)雜的，要求學(xué)生能夠從眾多信息中提煉有效信息.為了提高陌生文本的閱讀能力，提高有效信息的提取能力，平時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)尼槍π杂?xùn)練，形成正確的解題思路和方法，不過于糾結(jié)題給信息的新穎性和熟悉程度.

參考文獻(xiàn)：

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[2] 鐘輝生，謝名軍.基于化學(xué)科技前沿情境的認(rèn)知模型建構(gòu)：以2019年全國Ⅰ卷理科綜合化學(xué)試題為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（10）：66-69.

[責(zé)任編輯：季春陽]