基于化學(xué)前沿科技情境的認(rèn)知模型構(gòu)建
——以2022年全國卷電化學(xué)試題情境為例

何德波

(貴州省遵義市南白中學(xué),貴州 遵義 563199)

《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(jì)和實(shí)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(gè)維度專門描述,以闡明模型認(rèn)知對(duì)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(shí)的關(guān)鍵方式,也是學(xué)生處理實(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(duì)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(shí),突出了基礎(chǔ)知識(shí)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(jiān)實(shí)的基石.

1.2 引入大學(xué)教材中的相關(guān)知識(shí)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(diǎn),結(jié)合情境的特點(diǎn),判斷所給的情境中是否存在原型本身就涵蓋了對(duì)客觀事物的描述模型[2].若存在原型,可采用簡(jiǎn)化方式提煉有用信息,使其上升到認(rèn)知模型,深化對(duì)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(shí)際情境問題(如圖1所示).

圖1 模型建構(gòu)思路

2.2 高考模型建構(gòu)舉例

圖2 Li-O2電池

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(shí),Li+從正極穿過離子交換膜向負(fù)極遷移

情境素材評(píng)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(diǎn)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(jì)、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(duì)光誘導(dǎo) Li-O2電池的認(rèn)識(shí),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-O2batteries”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(dòng)方向和電極方程式的書寫,這就要求學(xué)生要及時(shí)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(duì)宏觀辨識(shí)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.

圖3 原電池的工作原理模型

圖4 電解池的工作原理模型(陽極為惰性電極)

圖5 Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池

A．Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移

C． MnO2電極反應(yīng):

情境素材評(píng)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(xiàng)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(shí),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.

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(shí)問題情境,開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

在平時(shí)教學(xué)過程中需要注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境來開展項(xiàng)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(dòng)他們對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)方法的改進(jìn).

3.2 深刻領(lǐng)會(huì)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)涵,準(zhǔn)確把握中國高考評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)體系要求,結(jié)合學(xué)情進(jìn)行課堂教學(xué)設(shè)計(jì).

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(duì)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(shí)際情況加以轉(zhuǎn)化運(yùn)用.運(yùn)用建模思想有助于簡(jiǎn)化化學(xué)核心知識(shí),幫助學(xué)生解決化學(xué)實(shí)際情境問題.

3.4 關(guān)注前沿科技情境、時(shí)事熱點(diǎn),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(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)尼槍?duì)性訓(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.