基于模型建構(gòu)的電化學(xué)單元教學(xué)策略

賀陽(yáng) 許文新

摘要：基于模型建構(gòu)的單元教學(xué)可實(shí)現(xiàn)電化學(xué)模塊的系統(tǒng)思維建構(gòu)，通過(guò)化學(xué)電源的科學(xué)發(fā)展史認(rèn)識(shí)電池的構(gòu)成要素，建構(gòu)原電池認(rèn)識(shí)模型及電解池的認(rèn)識(shí)模型，并統(tǒng)一電化學(xué)系統(tǒng)認(rèn)知模型，尋找其共同的認(rèn)識(shí)視角，將電化學(xué)的認(rèn)識(shí)思路轉(zhuǎn)化為電化學(xué)問(wèn)題的解決思路，從裝置維度和原理維度二維視角分析問(wèn)題，進(jìn)而解決復(fù)雜的電化學(xué)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；電化學(xué)；單元教學(xué)；系統(tǒng)認(rèn)知；模型建構(gòu)

電化學(xué)高考題往往跨主題融合，與實(shí)驗(yàn)、水溶液中離子平衡、氧化還原反應(yīng)、化學(xué)平衡等知識(shí)綜合考查。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)一般陌生度高、情境復(fù)雜，學(xué)生難以建立知識(shí)間的關(guān)聯(lián)，缺乏解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。因此，在選擇性必修階段可以采用大單元教學(xué)模式，整合必修和選擇性必修的學(xué)習(xí)單元，通過(guò)電化學(xué)系統(tǒng)分析方法，尋找電化學(xué)認(rèn)識(shí)視角，建立電化學(xué)認(rèn)識(shí)模型以解決不同情境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)和能力的進(jìn)階。

一、整合課標(biāo)和教材，構(gòu)建單元教學(xué)框架

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱為新課標(biāo)）中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的素養(yǎng)水平4明確指出：能對(duì)復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題情境中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題；能指出所建模型的局限性，探尋模型優(yōu)化需要的證據(jù)[1]。電化學(xué)在必修第二冊(cè)的教學(xué)功能是從能量角度初步認(rèn)識(shí)原電池，而選擇性必修一的教學(xué)價(jià)值主要體現(xiàn)在理解物質(zhì)變化、理解能量轉(zhuǎn)化、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展和促進(jìn)社會(huì)發(fā)展這四個(gè)方面。

電池的歷史沿革，不僅僅是技術(shù)和科學(xué)的發(fā)展，不斷對(duì)電池進(jìn)行改良和創(chuàng)新，對(duì)發(fā)展學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)具有重要作用，學(xué)生在認(rèn)識(shí)化學(xué)史的過(guò)程中逐步形成對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。結(jié)合新課標(biāo)和教材安排，確定本單元大概念為電化學(xué)的本質(zhì)為氧化還原反應(yīng)，從能量變化和物質(zhì)變化兩個(gè)角度引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的意義。

二、任務(wù)進(jìn)階，建立電化學(xué)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)模型

（一）完善原電池思維模型

化學(xué)電源的發(fā)展直觀體現(xiàn)了原電池認(rèn)識(shí)模型的發(fā)展，即單液原電池→雙液原電池→膜電池。學(xué)生在必修第二冊(cè)對(duì)單液原電池組成的認(rèn)識(shí)包括：活潑性不同的兩極、電解質(zhì)溶液、閉合回路、自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。但是由于部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，電流有衰減趨勢(shì)。為消除液接電勢(shì)，進(jìn)而改進(jìn)為雙液原電池，將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開在兩個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行，用鹽橋作為離子導(dǎo)體，平衡電荷。雙液原電池雖然能量損失少，但由于鹽橋內(nèi)阻太大，電流卻始終很小。

生活中化學(xué)電源主要為膜電池，大至火箭、人造衛(wèi)星，小至電腦、心臟起搏器等。它體積小、內(nèi)阻小、電流大、產(chǎn)熱少。另外，通過(guò)認(rèn)識(shí)燃料電池工作原理，氫氣和氧氣分別在兩極反應(yīng)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)兩極是得失電子的場(chǎng)所。

綜上構(gòu)建原電池的認(rèn)識(shí)模型。裝置維度包括得失電子的場(chǎng)所、電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體。電解質(zhì)溶液、鹽橋、離子交換膜等都是離子導(dǎo)體。在整體電路中，通過(guò)電子和離子定向移動(dòng)形成閉合回路，電子和陰離子都帶負(fù)電，它們的移動(dòng)方向相同，陽(yáng)離子的移動(dòng)方向與陰離子相反。原理維度的核心思想是氧化還原反應(yīng)，負(fù)極是還原劑失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極是氧化劑得電子發(fā)生還原反應(yīng)（見圖1）。

（二）建構(gòu)電解池思維模型

對(duì)比電解池和原電池，能量轉(zhuǎn)化方向與反應(yīng)方向不同，電解池是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，原理都是氧化還原反應(yīng)。裝置維度上包括外接電源、得失電子的場(chǎng)所、電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體。陽(yáng)極是失電子的場(chǎng)所，發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極是得電子的場(chǎng)所，發(fā)生還原反應(yīng)（見圖2）。

（三）統(tǒng)一電化學(xué)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)模型

原電池和電解池的構(gòu)成要素相同：電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體、電極材料、電極反應(yīng)。二者從本質(zhì)上是統(tǒng)一的，負(fù)極和陽(yáng)極都是失電子的場(chǎng)所，正極和陰極是得電子的場(chǎng)所[2]。裝置維度核心思想是閉合回路，原理維度是氧化還原反應(yīng)（見圖3）。

三、模型解讀與應(yīng)用

將電化學(xué)的認(rèn)識(shí)思路轉(zhuǎn)化為電化學(xué)問(wèn)題解決的思路，是發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。如何運(yùn)用系統(tǒng)分析法，高效找到切入系統(tǒng)的角度呢？可從題中獲取信息，包括物質(zhì)變化、離子或電子移動(dòng)、現(xiàn)象等。

（一）裝置維度———閉合回路

試題經(jīng)?？疾殡娮雍碗x子的遷移方向，通過(guò)離子交換膜的離子數(shù)目等，可以通過(guò)裝置維度切入。

例：2016年高考北京卷第12題：用石墨電極完成下列電解實(shí)驗(yàn)（見圖4）。

本題是復(fù)雜的串聯(lián)電路問(wèn)題。我們從裝置維度分析構(gòu)成電化學(xué)裝置的要素，導(dǎo)線是電子導(dǎo)體，電極是得失電子的場(chǎng)所，處于電場(chǎng)中的鐵絲既是電子導(dǎo)體也是得失電子的場(chǎng)所，電解質(zhì)溶液是離子導(dǎo)體。在外接電源的電場(chǎng)作用下，電子和陰離子的移動(dòng)方向相同，與陽(yáng)離子的移動(dòng)方向相反，繪制粒子移動(dòng)圖，便可直觀分析出a處和d處，是水得電子生成氫氣和氫氧根離子，所以pH試紙變紅；b處氯離子失去電子變成氯原子，生成氯氣分子導(dǎo)致pH試紙局部褪色；c處鐵絲中的鐵原子失電子，無(wú)明顯現(xiàn)象。同理，分析實(shí)驗(yàn)二，銅珠也是電子導(dǎo)體，繪制在外電場(chǎng)作用下的粒子移動(dòng)圖。

（二）原理維度———氧化還原

如果電化學(xué)試題裝置圖突出標(biāo)記了物質(zhì)的變化，便可以通過(guò)原理維度切入，分析兩極的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。

例：2019年新課標(biāo)Ⅲ化學(xué)第28題（4）：在傳統(tǒng)的電解氯化氫回收氯氣技術(shù)的基礎(chǔ)上，科學(xué)家最近采用碳基電極材料設(shè)計(jì)了一種新的工藝方案，主要包括電化學(xué)過(guò)程和化學(xué)過(guò)程。如圖5所示：負(fù)極區(qū)的電極反應(yīng)式為。

四、反思與評(píng)價(jià)

模型建構(gòu)思想是突破復(fù)雜問(wèn)題變?yōu)楹?jiǎn)單問(wèn)題的有效手段，在本單元的學(xué)習(xí)中，學(xué)生經(jīng)歷了建構(gòu)模型、完善模型、統(tǒng)一模型，并運(yùn)用模型解釋現(xiàn)象的過(guò)程，最終揭示電化學(xué)知識(shí)的學(xué)科本質(zhì)。例如：學(xué)生自主調(diào)用電化學(xué)模型對(duì)陌生復(fù)雜裝置進(jìn)行分析；能書寫陌生復(fù)雜電極反應(yīng)式；能系統(tǒng)分析復(fù)雜電化學(xué)過(guò)程（電極反應(yīng)、電解質(zhì)溶液變化、帶電微粒的定向移動(dòng)等）。在平時(shí)的練習(xí)中要注重與其他模塊知識(shí)間綜合考查，注重聯(lián)系電化學(xué)原理在化學(xué)工藝、科技、生活中的應(yīng)用，突出理論聯(lián)系實(shí)際的考核理念。

“模型認(rèn)知”這一化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育不可能一蹴而就，需要在平時(shí)的教學(xué)中以典型教學(xué)內(nèi)容為載體，幫助學(xué)生建立模型，并使模型認(rèn)知內(nèi)化到學(xué)生的知識(shí)體系中，發(fā)展化學(xué)學(xué)科思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：91.

[2] 王維臻，王磊，支瑤，等.電化學(xué)認(rèn)識(shí)模型及其在高三原電池復(fù)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2014，35（1）.

課題項(xiàng)目：黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃辦專項(xiàng)重點(diǎn)課題“指向深度學(xué)習(xí)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐”（JYB1422295）

編輯/趙卓然