基于模型認(rèn)知的高三電化學(xué)復(fù)習(xí)課

◇ 北京 李書霞

1 教學(xué)背景

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包含“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一內(nèi)容,在解讀中提到“可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及相互關(guān)系,建立認(rèn)知模型,并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”.基于高中化學(xué)核心素養(yǎng)的“模型認(rèn)知”,是引導(dǎo)高中生有效解決化學(xué)問題的思維機(jī)制,從屬于科學(xué)思維方法,具有一定的抽象性.該能力建立在證據(jù)推理的基礎(chǔ)之上,建構(gòu)模型的路徑一般為:獲取學(xué)科知識(shí)→習(xí)得學(xué)習(xí)方法→建構(gòu)思維模型.

其實(shí),學(xué)生在學(xué)習(xí)中始終會(huì)伴隨著對(duì)某種方法和模型的應(yīng)用,只不過自己沒有明確意識(shí)到這一點(diǎn)而已,但是能否建立系統(tǒng)完善的模型以及熟練應(yīng)用模型解決問題,在很大程度上影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和效果.所以教師要引領(lǐng)學(xué)生有意識(shí)地進(jìn)行模型認(rèn)知,協(xié)助學(xué)生將零散的知識(shí)和要素關(guān)聯(lián)起來,建構(gòu)有序的思維模型,從而厘清解決問題的程序和脈絡(luò),為應(yīng)對(duì)復(fù)雜、陌生的變式難題奠定基礎(chǔ),找到方法.筆者在高三一輪復(fù)習(xí)階段有意識(shí)地利用“模型認(rèn)知”的教學(xué)模式設(shè)計(jì)和實(shí)施了電化學(xué)專題的復(fù)習(xí),歷時(shí)兩節(jié)課,收到了良好的教學(xué)效果.

2 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情確定教學(xué)目標(biāo)

1)內(nèi)容分析

電化學(xué)是研究電能與化學(xué)能之間互相轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)化過程中相關(guān)規(guī)律的科學(xué).電化學(xué)工作原理是化學(xué)反應(yīng)原理的重要組成部分,對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力要求比較高.這部分內(nèi)容也是高考中的高頻考點(diǎn),?？汲Ｐ?通常會(huì)選取與生產(chǎn)生活實(shí)際相關(guān)的素材作為背景,且能夠和其他板塊如實(shí)驗(yàn)探究、元素化合物、工業(yè)流程等內(nèi)容實(shí)現(xiàn)跨主題融合.題目的呈現(xiàn)形式多樣化,陌生度和難度均比較高,可以充分體現(xiàn)“能力立意”的高考命題思想.

2)學(xué)情分析

學(xué)生通過高一高二的新課學(xué)習(xí)已經(jīng)掌握了電化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),體驗(yàn)了化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的過程,了解了常見原電池和電解池的工作原理,可以寫出簡(jiǎn)單電池的電極反應(yīng)和總反應(yīng)方程式.然而,之前的學(xué)習(xí)因課時(shí)和學(xué)生認(rèn)知水平所限,一般只要求理解常見原電池的構(gòu)成要素和工作原理,學(xué)生接觸到的復(fù)雜又綜合的電池類型較少,對(duì)電化學(xué)裝置和原理存在較多迷思概念,在面對(duì)陌生的電化學(xué)問題時(shí)缺乏系統(tǒng)有序的分析思路,只能回答一部分最基礎(chǔ)的問題.所以,進(jìn)入高三后的一輪復(fù)習(xí),教師要引導(dǎo)學(xué)生從熟悉的電化學(xué)案例入手,基于整體分析,將各個(gè)要素有機(jī)關(guān)聯(lián),從裝置和原理兩個(gè)角度提煉出認(rèn)知模型,再設(shè)置一些變式訓(xùn)練,比如改變反應(yīng)類型、電極材料、電解質(zhì)溶液、離子導(dǎo)體等要素,提升多角度系統(tǒng)微觀動(dòng)態(tài)分析電化學(xué)問題的能力.

3)教學(xué)目標(biāo)

a)通過對(duì)典型電化學(xué)案例的再回顧,加深對(duì)電化學(xué)原理和本質(zhì)的理解.

b)通過整體分析原電池和電解池的構(gòu)成要素,建構(gòu)電化學(xué)的認(rèn)知模型并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化.

c)通過對(duì)變式電池的系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì),學(xué)會(huì)應(yīng)用認(rèn)知模型分析和解決復(fù)雜的電化學(xué)問題.

2.2 基于模型認(rèn)知的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

教學(xué)設(shè)計(jì)主要分為圖1所示的3個(gè)環(huán)節(jié).

圖1

環(huán)節(jié)1電化學(xué)認(rèn)知模型的建構(gòu)

【教學(xué)活動(dòng)1】分析3個(gè)典型的原電池和電解池案例,繪制原電池和電解池的工作原理示意圖,包含:構(gòu)成要素及功能;微粒的變化和移動(dòng)方向.

【原電池案例】原理示意圖如圖2所示.

圖2

【電解池案例】原理示意圖如圖3所示.

【設(shè)計(jì)意圖】從回顧舊知出發(fā),讓學(xué)生在熟悉的情境下重溫原電池和電解池的工作原理,案例雖然熟悉,但是類型有所區(qū)別,旨在引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原本質(zhì)上理解電化學(xué)過程,透過現(xiàn)象追溯本質(zhì),尋找共性,真正提取到原電池和電解質(zhì)的構(gòu)成要素,具有廣泛代表性,而不是基于某一特例.

圖3

【效果反饋】大部分學(xué)生能從電極名稱、電極反應(yīng)、電荷移動(dòng)方向等角度展開分析(如圖4),但對(duì)裝置要素中的電極、導(dǎo)線、電解質(zhì)的本質(zhì)功能認(rèn)識(shí)不足,對(duì)溶解在溶液中的氧氣作為電極反應(yīng)物尚有疑惑,對(duì)原電池和電解池存在的共性有了一定認(rèn)識(shí).在師生一起交流和思想碰撞中分別提取出兩類電池的構(gòu)成要素(如圖5所示).

圖4

圖5

【教學(xué)活動(dòng)2】分析兩類電池構(gòu)成要素和工作原理的異同,提取原電池和電解池的共同構(gòu)成要素,用圖示表達(dá).

【設(shè)計(jì)意圖】從裝置和原理兩個(gè)角度引導(dǎo)學(xué)生提煉原電池和電解池的共同要素及功能,與學(xué)生一起建構(gòu)分析電化學(xué)體系的系統(tǒng)模型,獲取統(tǒng)一認(rèn)識(shí)電化學(xué)體系的思路方法.

【課堂效果】在上一環(huán)節(jié)中,學(xué)生在繪制兩種電池構(gòu)成時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了二者的相通之處,所以就有意識(shí)地匯總到了一副圖示中,為了將電極反應(yīng)更加明確和凸顯,在教師引導(dǎo)下強(qiáng)化了原理部分的要素(如兩極得失電子的氧化還原反應(yīng)),得到了如圖6所示認(rèn)知模型.

圖6

環(huán)節(jié)2電化學(xué)認(rèn)知模型的優(yōu)化

【教學(xué)活動(dòng)】思考兩個(gè)問題:① 在Zn－Cu－Cu SO4原電池體系中,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,鋅電極上附著一層紅色物質(zhì),電流迅速衰減,溶液溫度明顯上升,其原因是什么?如何避免?②在氯堿工業(yè)中,為了防止兩極產(chǎn)物Cl2與燒堿反應(yīng)影響Na OH純度,要如何改進(jìn)裝置?根據(jù)學(xué)生的回答展示單液原電池和雙液原電池,展示電解飽和食鹽水的電解池和電解槽,再對(duì)比分析,如圖7所示.

圖7

【設(shè)計(jì)意圖】通過以上兩種變式的對(duì)比分析,重溫鹽橋和離子交換膜在電池中的作用,參透其離子導(dǎo)體的本質(zhì),豐富學(xué)生對(duì)離子導(dǎo)體的認(rèn)識(shí),將電化學(xué)認(rèn)知模型進(jìn)一步完善和優(yōu)化.

圖8

【課堂效果】在問題驅(qū)動(dòng)下,學(xué)生很快回憶起了雙液原電池的知識(shí),對(duì)鹽橋能夠平衡電荷的功能也能理解,但是并不能認(rèn)識(shí)到其離子導(dǎo)體的本質(zhì),需要教師啟發(fā);對(duì)電解槽中離子交換膜的認(rèn)識(shí)比鹽橋要淺薄一些,也需要教師提示.針對(duì)承載特殊功能的離子導(dǎo)體,有必要在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充,加入鹽橋或離子交換膜(如圖8),實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化.

環(huán)節(jié)3應(yīng)用電化學(xué)認(rèn)知模型解決實(shí)際問題

在這個(gè)環(huán)節(jié)中,要精心選取一些不同類型的電池,應(yīng)用模型分析其工作原理或設(shè)計(jì)電池以達(dá)成目標(biāo),在變式訓(xùn)練中打破思維定式,理清迷思概念,真正體會(huì)到認(rèn)知模型的功能和價(jià)值.案例的選取盡可能貼近生產(chǎn)生活實(shí)際,在情感態(tài)度上體會(huì)化學(xué)在解決能源危機(jī)中的重要作用,贊賞化學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的重大貢獻(xiàn).

【教學(xué)活動(dòng)1】人工光合作用能夠借助太陽能,用CO2和H2O制備HCOOH(如圖9所示),請(qǐng)利用電化學(xué)認(rèn)知模型分析其工作原理.

圖9

【設(shè)計(jì)意圖】這是一個(gè)非典型原電池的例子,利用光能驅(qū)動(dòng)電化學(xué)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)制備甲酸的目的.利用認(rèn)知模型的原理要素進(jìn)行分析最是適合,依據(jù)模型能夠迅速辨識(shí)兩極的反應(yīng)類型.然而,此氧化還原反應(yīng)對(duì)于學(xué)生來講是很陌生的,所以要總結(jié)依托模型分析電極反應(yīng)的思路方法.

【課堂效果】將模型(圖8)和圖示(圖9)對(duì)照后,學(xué)生能很快推斷出催化劑a表面發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),但是可能對(duì)甲酸中碳的化合價(jià)判斷有障礙,而且短時(shí)間內(nèi)無法推測(cè)出另一種產(chǎn)物,所以問題的解決并不順暢.教師可以組織小組展開討論,提醒學(xué)生關(guān)注題干中“光合作用”這一關(guān)鍵詞.這兩個(gè)難點(diǎn)突破之后,學(xué)生便能對(duì)照模型比較完整地分析出此電池的工作原理.在教師給出高考試題中的四個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行正誤判斷時(shí),學(xué)生能順利做出正確的選擇.

結(jié)合這個(gè)分析型任務(wù),教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出分析電極反應(yīng)的思路方法(如圖10),結(jié)合認(rèn)知模型一起使用,以實(shí)現(xiàn)對(duì)陌生電池的系統(tǒng)整體分析,助力解決復(fù)雜綜合性問題.

圖10

【教學(xué)活動(dòng)2】用圖11所示裝置可從海水(含Na HCO3)中提取CO2,請(qǐng)利用電化學(xué)認(rèn)知模型分析其工作原理.

圖11

【設(shè)計(jì)意圖】這是一個(gè)電解池案例,從題干看并不涉及氧化還原反應(yīng),所以利用認(rèn)知模型和思路方法進(jìn)行分析時(shí),要探查其裝置外形下的微觀反應(yīng)本質(zhì),要特別關(guān)注電極反應(yīng)后的離子遷移以及后續(xù)反應(yīng),有序且完整地揭示其工作原理.

【效果反饋】學(xué)生將模型和題給裝置對(duì)照后,能較快地判斷出a室發(fā)生了H2O失電子的氧化反應(yīng),得到O2和H＋,H＋通過陽離子膜進(jìn)入b室與海水中的Na HCO3反應(yīng)得到CO2,有一部分學(xué)生的分析就此止步了,所以不能很快回答出c室的產(chǎn)品是什么,教師要引導(dǎo)他們進(jìn)行完整系統(tǒng)的分析,方可進(jìn)一步推知,Na＋通過陽離子膜進(jìn)入c室,與c室中水放電產(chǎn)生的OH－結(jié)合為Na OH.

【教學(xué)活動(dòng)3】請(qǐng)根據(jù)Fe3＋＋Ag?Fe2＋＋Ag＋反應(yīng)設(shè)計(jì)原電池,畫出示意圖并進(jìn)行展示,說出設(shè)計(jì)思路,分析工作原理,并思考證明該反應(yīng)為可逆反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案.

【設(shè)計(jì)意圖】給出一個(gè)設(shè)計(jì)型任務(wù),以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)程度,在學(xué)生分享其作品后(如圖12),再展示高考題中的電池示意圖(如圖13),引導(dǎo)學(xué)生見識(shí)不同形式的鹽橋,認(rèn)識(shí)到鹽橋?yàn)殡x子導(dǎo)體的本質(zhì),在驗(yàn)證該反應(yīng)為可逆反應(yīng)的過程中,體會(huì)到濃度對(duì)物質(zhì)氧化還原性強(qiáng)弱和平衡移動(dòng)的影響,同時(shí)習(xí)得一種實(shí)驗(yàn)探究的方法.

圖12

圖13

【效果反饋】在認(rèn)知模型的指導(dǎo)下,學(xué)生較快繪制出了示意圖(圖12),也能完整描述其工作原理,但是在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明其為可逆反應(yīng)時(shí),部分學(xué)生拋開電池去想別的方法,比如證明4種微粒都共存于同一體系中,或者在銀單質(zhì)過量的情況下,依然能檢測(cè)到Fe3＋等,尚不能充分意識(shí)到電池的價(jià)值.然后教師提示“若采取措施后電流表指針能反方向偏轉(zhuǎn),能說明什么?”學(xué)生方才意識(shí)到利用雙液原電池來驗(yàn)證可逆反應(yīng)是個(gè)特別好的方案.

【課后作業(yè)】展示一款生活中應(yīng)用最廣泛的鋰離子電池(如圖14),結(jié)合圖示和工作原理編寫一道選擇題,課后交上來.

圖14

【設(shè)計(jì)意圖】以可充電的鋰離子電池為例,將原電池和電解池結(jié)合起來,讓學(xué)生站在出題者的角度看待電化學(xué)問題,并在命題時(shí)有意識(shí)地將認(rèn)知模型和問題設(shè)置結(jié)合起來.

【效果反饋】從提交作業(yè)的情況來看,學(xué)生的思路很開闊,涉及的內(nèi)容也比較豐富,如電池反應(yīng)、電極反應(yīng)、Co元素的化合價(jià)變化、離子和電子流向、充電時(shí)電源正負(fù)極與電池的連接方式等.總體來看都是比較常規(guī)的問題,但是在這一個(gè)過程中鍛煉了學(xué)生的自主性,加深了對(duì)反應(yīng)原理及認(rèn)知模型的印象,讓學(xué)生在充滿挑戰(zhàn)性和不確定性的思維活動(dòng)中深入理解電化學(xué)的本質(zhì).

3 教學(xué)反思

在建構(gòu)模型和應(yīng)用模型的過程中,筆者發(fā)現(xiàn)此認(rèn)知模型能切實(shí)幫助學(xué)生較快抓住電化學(xué)的關(guān)鍵構(gòu)成要素,不至于見到“奇形怪狀”的電池時(shí)毫無頭緒,在應(yīng)用中逐漸習(xí)得系統(tǒng)分析電化學(xué)工作原理的思路方法,能以此作為支點(diǎn)找到解決電化學(xué)問題的路徑,充實(shí)思維,提升能力.

電化學(xué)認(rèn)知模型就像是支撐電化學(xué)的“骨架”,而化學(xué)反應(yīng)與微粒行為則是用來充實(shí)骨架的“血肉”.在教學(xué)中我們會(huì)發(fā)現(xiàn),學(xué)生掌握了“骨架”,但是仍然不能很好地解決問題,原因在于電化學(xué)依托的具體反應(yīng)千變?nèi)f化,要想深入其中解決所有難題,僅有認(rèn)知模型是不夠的,還要有扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)(元素化合物、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等)作為支撐,在此基礎(chǔ)之上才能更好地應(yīng)用模型解決問題,也才能體會(huì)到模型的好處.此外,教師要在教學(xué)過程中細(xì)心探查學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),找到普遍存在的迷思概念,組織課堂討論、精選變式練習(xí),助力學(xué)生清除學(xué)習(xí)之路上的障礙.