基于模型認(rèn)知的電化學(xué)素養(yǎng)測評設(shè)計(jì)及教學(xué)啟示

楊健宇 黃都

【摘要】本文根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)建構(gòu)電化學(xué)領(lǐng)域認(rèn)知及問題解決能力測評結(jié)構(gòu)，分析2016—2021年高考全國卷化學(xué)電化學(xué)基礎(chǔ)題，認(rèn)為電化學(xué)素養(yǎng)是基于學(xué)習(xí)者電化學(xué)思維模型，對原電池或電解池結(jié)構(gòu)進(jìn)行要素辨識、系統(tǒng)分析、科學(xué)推理和方法創(chuàng)新等的領(lǐng)域特殊性知識及能力，高考電化學(xué)基礎(chǔ)題主要考查電化學(xué)裝置解析的基本能力，對辨識創(chuàng)新、參與創(chuàng)新、獨(dú)立創(chuàng)新等更高水平層次的考查仍具有很高的潛在育人價(jià)值，教師在教學(xué)中應(yīng)關(guān)注模型建構(gòu)、模型遷移和模型創(chuàng)新等親歷性學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)與組織實(shí)施。

【關(guān)鍵詞】模型認(rèn)知 電化學(xué)素養(yǎng) 測評設(shè)計(jì) 化學(xué)教學(xué)

【中圖分類號】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）23-0105-05

電化學(xué)是基于氧化還原反應(yīng)原理的“化學(xué)能—電能”互轉(zhuǎn)技術(shù)探索、開發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域，與人類可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。該領(lǐng)域知識學(xué)習(xí)及有關(guān)問題解決，有助于發(fā)展學(xué)生的變化觀念、證據(jù)推理、模型認(rèn)知、創(chuàng)新意識和社會責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，因此，電化學(xué)試題是化學(xué)高考必考的領(lǐng)域特殊性試題。電化學(xué)試題常以新型電源和光電設(shè)備等電化學(xué)研究的新成果作為素材，展示電化學(xué)工作原理模型，以簡單的電化學(xué)裝置圖或文字描述來呈現(xiàn)題干信息，這不僅有利于考查電化學(xué)模型、氧化還原反應(yīng)、離子移動、電極方程式的書寫等電化學(xué)必備知識，還能更好地體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的實(shí)用價(jià)值和創(chuàng)新本色，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)領(lǐng)域特殊性研究志趣，從而達(dá)到立德樹人的高考測評功能目標(biāo)。

一、電化學(xué)素養(yǎng)測評模型的建構(gòu)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中對電化學(xué)領(lǐng)域認(rèn)知及問題解決能力標(biāo)準(zhǔn)的描述如表1所示。

認(rèn)知要求主要是從知識及其認(rèn)知水平視角對學(xué)生必備知識掌握水平予以界定，必備知識主要包括原電池反應(yīng)、原電池結(jié)構(gòu)、電解池結(jié)構(gòu)、釋能原理、儲能原理、電鍍應(yīng)用、防腐應(yīng)用等基礎(chǔ)知識，對這些知識的認(rèn)知只要求了解，不要求深究這些知識的本源性、科學(xué)性和再生產(chǎn)性。單元學(xué)業(yè)要求則是對必備知識的遷移運(yùn)用作出系統(tǒng)要求，既包括分析、解釋、評價(jià)、改進(jìn)現(xiàn)有的電化學(xué)裝置或電化學(xué)過程，也包括利用必備知識和相關(guān)資源創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)有關(guān)電化學(xué)裝置從而解決有關(guān)實(shí)際問題。素養(yǎng)類別及其水平相關(guān)要求則是從模型建構(gòu)、模型遷移、模型優(yōu)化、證據(jù)探究、社會責(zé)任等更高的能力層次，對同類學(xué)科思維的單元學(xué)業(yè)要求進(jìn)行更上位的概括。學(xué)業(yè)質(zhì)量水平及其相關(guān)要求則是從多個(gè)素養(yǎng)類別視角，聚焦能量儲存和能量釋放，對高中生完成化學(xué)課程學(xué)習(xí)之后應(yīng)具備的綜合素養(yǎng)予以系統(tǒng)界定。

基于上述分析，可建構(gòu)如圖1所示的電化學(xué)領(lǐng)域認(rèn)知及問題解決能力測評結(jié)構(gòu)。

從新能源研發(fā)領(lǐng)域的未來人才需求看，通過改變試題結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生探尋風(fēng)力、核能、太陽能、火力、水力等發(fā)電方式之外的未來新能源創(chuàng)新技術(shù)，使其加入高水平儲能設(shè)備、釋電設(shè)備的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，并在實(shí)踐探索中發(fā)現(xiàn)更多的電化學(xué)新規(guī)律、新知識和新方法，將是未來電化學(xué)領(lǐng)域認(rèn)知及問題解決能力測評內(nèi)容改革的主要方向。

電化學(xué)領(lǐng)域的素養(yǎng)考查，其對應(yīng)的必備知識為電池模型與電解裝置模型，要求考生超越原模型建構(gòu)一般模型（如圖2所示），并能夠在特定新情境中實(shí)現(xiàn)一般模型的遷移應(yīng)用。

在建構(gòu)電化學(xué)裝置及工作原理一般模型的基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合氧化還原反應(yīng)的知識，對電化學(xué)裝置的構(gòu)成要素進(jìn)行定義，用概念來構(gòu)建電化學(xué)思維模型（如圖3所示）。這樣，才能真正解決實(shí)際問題。

二、典型試題分析

筆者選取2016—2021年高考全國卷化學(xué)共六道電化學(xué)基礎(chǔ)題作為分析對象，根據(jù)電化學(xué)原理創(chuàng)造性應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃囶}分為以下三類。

（一）還原劑-空氣燃料電池

【例1】（2016年全國Ⅲ卷）11.鋅-空氣燃料電池可用作電動車動力電源，電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，反應(yīng)為2Zn+O2+4OH–+2H2O=2Zn（OH）[2-4]。下列說法正確的是

A.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中K+向陽極移動

B.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中c（OH–）逐漸減小

C.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為：Zn+4OH–-2e–=Zn（OH）[2-4]

D.放電時(shí)，電路中通過2 mol電子，消耗氧氣22.4 L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

正確答案是C。試題情境未向考生提供原電池圖示模型，主要考查基于氧化還原反應(yīng)（總反應(yīng)）的原電池充放電工作原理模型建構(gòu)。若考生不具備模型建構(gòu)潛在能力，則無法正確回答有關(guān)問題。在正確建構(gòu)電極材料及其名稱、電解質(zhì)溶液，以及充放電時(shí)的電極反應(yīng)、電子移動方向、電流方向、離子移動方向之后，需要再從定性表征和定量計(jì)算的視角分析原電池工作原理。有關(guān)測試表明，三個(gè)干擾選項(xiàng)中，B選項(xiàng)的干擾性最強(qiáng)，反映了考生對充電時(shí)整體思維（直接觀察總反應(yīng)的逆過程）和分析思維（陽極、陰極區(qū)各自發(fā)生的反應(yīng)）的選擇存在內(nèi)在沖突，這說明選擇怎樣的思維方式（或算法模型）對問題解決的成功率和效率影響極大。

【例2】（2018年全國Ⅲ卷）11.一種可充電鋰-空氣電池如圖4所示。當(dāng)電池放電時(shí)，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是

A.放電時(shí)，多孔碳材料電極為負(fù)極

B.放電時(shí)，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移

D.充電時(shí)，電池總反應(yīng)為Li2O2-x=2Li+（1-[x2]）O2

正確答案是D。題目考查的素養(yǎng)為原電池結(jié)構(gòu)名稱、電子流向、離子流向、反應(yīng)表征等，考生只需要調(diào)用已知的模型認(rèn)知框架即可成功作答?？忌鷮Τ潆姇r(shí)的微觀過程判斷失誤率比較高，原因是他們對充電過程的研究與分析不夠深入。

【例3】（2020全國Ⅲ卷）12.一種高性能的堿性硼化釩（VB2）-空氣電池如圖5所示，其中該電池工作時(shí)在VB2電極發(fā)生反應(yīng)：VB2+16OH--11e-=[VO3-4]+2B（OH）[-4]+4H2O，下列說法錯(cuò)誤的是

A.負(fù)載通過0.04 mol電子時(shí)，有0.224 L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）O2參與反應(yīng)

B.正極區(qū)溶液的pH降低，負(fù)極區(qū)溶液的pH升高

C.電池總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B（OH）[-4]+4[VO3-4]

D.電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極

正確答案是B。選項(xiàng)D是考生始料未及的，并且很多教師也存在同樣的疑惑：電流在電解質(zhì)溶液中以何種形式存在？帶電粒子定向移動即形成電流，在電解質(zhì)溶液中，陰陽離子定向移動，在外電路，電子定向移動，兩者協(xié)同形成電流。若平時(shí)對這一考點(diǎn)研究得不夠深入，考生很容易誤選。可見，電化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)概念，要從本質(zhì)上建立其邏輯含義，才能建立科學(xué)信念，從而幫助考生在特定情境中做出準(zhǔn)確而明晰的判斷。

（二）全固態(tài)電池

【例4】（2017年全國Ⅲ卷）11.全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖6所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應(yīng)為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列說法錯(cuò)誤的是

A.電池工作時(shí)，正極可發(fā)生反應(yīng)：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4

B.電池工作時(shí)，外電路中流過0.02 mol電子，負(fù)極材料減重0.14 g

C.石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性

D.電池充電時(shí)間越長，電池中Li2S2的量越多

正確答案是D。有關(guān)測試表明，選項(xiàng)B誤選率高，原因是考生在計(jì)算簡單的負(fù)極電量與物料比時(shí)，受到陌生信息多硫化鋰的干擾較大，說明考生的分析思維能力以及物質(zhì)的量算法模型建構(gòu)能力欠缺。此題對創(chuàng)新點(diǎn)的考查體現(xiàn)在選項(xiàng)C，對解決實(shí)際問題的考查體現(xiàn)在選項(xiàng)D。但對考生創(chuàng)新素養(yǎng)的考查僅停留在解析創(chuàng)新水平層次，未到達(dá)參與創(chuàng)新或獨(dú)立創(chuàng)新水平層次。

【例5】（2019年全國Ⅲ卷）13.為提升電池循環(huán)效率和穩(wěn)定性，科學(xué)家近期利用三維多孔海綿狀Zn（3D-Zn）可以高效沉積ZnO的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用強(qiáng)堿性電解質(zhì)的3D-Zn-NiOOH二次電池，結(jié)構(gòu)如圖7所示。電池反應(yīng)為Zn（s）+2NiOOH（s）+H2O（l）[放電充電]ZnO（s）+2Ni（OH）2（s）。以下說法錯(cuò)誤的是

A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高

B.充電時(shí)陽極反應(yīng)為Ni（OH）2（s）+OH-（aq）-e-=NiOOH（s）+H2O（l）

C.放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為Zn（s）+2OH-（aq）-2e-=ZnO（s）+H2O（l）

D.放電過程中OH-通過隔膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)

正確答案是D。有關(guān)測試表明，本題得分率較高的原因是考生對類似問題的模型認(rèn)知技能已經(jīng)達(dá)到精熟水平。試題對考生準(zhǔn)確調(diào)用題干支持性信息的能力要求比較高。

（三）電化學(xué)生產(chǎn)工藝

【例6】（2021年全國甲卷）13.乙醛酸是一種重要的化工中間體，可利用如圖8所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-，并在直流電場作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是

A.KBr在上述電化學(xué)合成過程中只起電解質(zhì)的作用

B.陽極上的反應(yīng)式為：? ? ? +2H++2e-=

+H2O

C.制得2 mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了 1 mol電子

D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移

正確答案是D。本題涉及電化學(xué)原理在有機(jī)物制備中的創(chuàng)造性應(yīng)用研究，研究者巧妙地借助外加電源，使乙二酸發(fā)生失氧（得e-）而還原生成乙醛酸，使Br-失e-而生成Br2，Br2的水溶液進(jìn)一步將乙二醛氧化為乙醛酸。根據(jù)電化學(xué)思維模型可知，鉛電極為陰極，石墨電極為陽極。從理論上看，若電源提供2 mol電子，鉛電極區(qū)還原制得1 mol乙醛酸，同時(shí)石墨電極區(qū)氧化制得1 mol乙醛酸，總共2 mol。因此，A、B、C選項(xiàng)的說法均是錯(cuò)誤的，只有D選項(xiàng)是正確的。從試題設(shè)計(jì)上看，若想要考查考生參與創(chuàng)新素養(yǎng)水平，可將應(yīng)答任務(wù)設(shè)計(jì)為雙極膜中應(yīng)加入什么物質(zhì)。

從上述歷年典型試題分析可知，電化學(xué)領(lǐng)域特殊性試題突出了對電化學(xué)裝置的一般結(jié)構(gòu)及工作原理模型、電化學(xué)思維模型的綜合考查，體現(xiàn)為模型遷移的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性。在以選擇題為測評方式的基礎(chǔ)素養(yǎng)測評中，無法真正測量到綜合性、創(chuàng)新性能力。若要全面實(shí)現(xiàn)電化學(xué)研究計(jì)劃的基礎(chǔ)人才培育和選拔目的，應(yīng)在主觀題中增加開放性任務(wù)，引導(dǎo)考生參與創(chuàng)新、獨(dú)立創(chuàng)新。

三、教學(xué)啟示

就現(xiàn)行教材而言，電化學(xué)知識是基于銅鋅原電池、電解氯化銅溶液及鋼鐵的腐蝕建立知識體系的，學(xué)生學(xué)習(xí)難度不大，但是所得到的結(jié)論也較為簡單或者固定，學(xué)生如果在學(xué)習(xí)過程中不注意知識的轉(zhuǎn)化和積累，將導(dǎo)致在面對高考中各種各樣新型化學(xué)電源、電化學(xué)工藝時(shí)不知所措，而模型建構(gòu)則能比較好地解決這個(gè)問題。

（一）構(gòu)建以建模為核心的“追蹤電化學(xué)歷史與前沿”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)任務(wù)，促成有意義的電化學(xué)模型認(rèn)知與實(shí)踐創(chuàng)新學(xué)習(xí)歷程

電化學(xué)建模學(xué)習(xí)的主要方法是繪制原電池或電解池微觀過程模型，繪制者一定是學(xué)生，繪制結(jié)果正誤判斷的方法是實(shí)驗(yàn)法和邏輯分析，基于繪制的展示交流活動，應(yīng)聚焦電化學(xué)裝置設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)、環(huán)保點(diǎn)、局限性和技術(shù)瓶頸分析。通過查閱文獻(xiàn)，構(gòu)建電化學(xué)史、新型電池、電解生產(chǎn)工藝、電催化等建模學(xué)習(xí)資料庫，從時(shí)空觀念、史料實(shí)證、歷史解釋、前沿追蹤、參與創(chuàng)新、獨(dú)立創(chuàng)新、交流展評、關(guān)鍵技術(shù)研討、重要理論創(chuàng)新等視角，開發(fā)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)工作單，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)施實(shí)體解構(gòu)、自主建模、交互建模、模型遷移、模型創(chuàng)新、實(shí)踐體驗(yàn)等學(xué)習(xí)活動，使學(xué)生在復(fù)雜而有意義的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)任務(wù)中建構(gòu)認(rèn)知信念、抽提確定性知識、掌握電化學(xué)領(lǐng)域思維方法。

（二）聚焦電化學(xué)研究及應(yīng)用創(chuàng)新，開發(fā)體現(xiàn)基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性的能力訓(xùn)練任務(wù)與素養(yǎng)評測試題

體現(xiàn)基礎(chǔ)性的認(rèn)知任務(wù)通常涉及電化學(xué)過程的本源性動因和系統(tǒng)性工作機(jī)制，需要調(diào)用該領(lǐng)域相關(guān)的微粒觀、變化觀、守恒觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、宏微結(jié)合觀。例如，1.電化學(xué)裝置中電子流的源頭在哪兒，即誰提供了電子？2.以怎樣的方式創(chuàng)生電子流？是還原劑自發(fā)失電子還是外部電源誘導(dǎo)失電子？若為還原劑自發(fā)失電子，則為原電池裝置且裝置中陽極（負(fù)極）失電子，或?yàn)榻饘俜栏g中“犧牲陽極的陰極保護(hù)法”;若為外部電源誘導(dǎo)失電子，則為電解裝置且裝置中陰極得電子。3.電解過程中有機(jī)物得失氧與得失電子的關(guān)系是怎樣的？考生可借助“得氧氧化，升失氧化還原劑”“失氧還原，降得還原氧化劑”等氧化還原辨識模型來分析電解過程中的電子得失情況，進(jìn)而判斷電解裝置中的陰陽極。

體現(xiàn)綜合性的認(rèn)知任務(wù)通常涉及“多點(diǎn)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)”的心智過程，如書寫電池的總反應(yīng)式、計(jì)算電量與物料的關(guān)系、判斷電極名稱、分析電解質(zhì)的作用等，均考查了學(xué)生的綜合思維。

體現(xiàn)應(yīng)用性的問題解決任務(wù)通常直接調(diào)用已有認(rèn)知模型就能解決當(dāng)下問題的任務(wù)。例如，運(yùn)用離子放電順序等知識選擇恰當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)用于增強(qiáng)電解水過程中的電導(dǎo)率、運(yùn)用電解原理設(shè)計(jì)電鍍裝置、運(yùn)用原電池原理解釋電熱水器中鎂棒的作用、運(yùn)用原電池反應(yīng)過程中的熱效應(yīng)解釋“暖寶寶”的工作原理等。

體現(xiàn)創(chuàng)新性的問題解決任務(wù)通常為基于已有知識和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)新的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)或解決特定電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)中的技術(shù)瓶頸問題。例如，基于所給信息及開放性問題，學(xué)生能夠想到從電化學(xué)視角，建構(gòu)電化學(xué)裝置來解決實(shí)驗(yàn)或工業(yè)生產(chǎn)中的局部問題;針對特定電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)中的問題與不足，學(xué)生能創(chuàng)造性地提出解決方案。

電化學(xué)基礎(chǔ)源于人類對氧化還原反應(yīng)的創(chuàng)造性應(yīng)用，發(fā)展于化學(xué)研究工作者致力于解決實(shí)際問題，著眼于未來的“碳達(dá)峰”“碳中和”之路，在電極材料、電解質(zhì)材料、電解原理應(yīng)用等方面開展日益深入且有實(shí)效的開創(chuàng)性工作。例如，在鈉離子電池研究領(lǐng)域，如何通過優(yōu)化制備工藝和電解質(zhì)體系匹配正負(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)大容量、長壽命、高功率、低成本、高安全性鈉離子成品電池的構(gòu)筑，使其切實(shí)在大規(guī)模儲能中發(fā)揮作用，是一個(gè)重要的研究方向。深入研究高能量密度、高功率電池模塊，是電動汽車研發(fā)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈升級及轉(zhuǎn)型的重要保障。

電化學(xué)素養(yǎng)評測與教學(xué)促進(jìn)，不應(yīng)停留于答題模板的傳授、使考生多拿幾分，而應(yīng)從領(lǐng)域基礎(chǔ)人才培育的角度，改變傳統(tǒng)的固有的試題設(shè)問方式，使試題更貼近研發(fā)實(shí)際，使應(yīng)答及研究過程更能激發(fā)青少年進(jìn)軍領(lǐng)域探索的理想和信心。教師在教學(xué)中亦應(yīng)向?qū)W生系統(tǒng)介紹試題情境背后的創(chuàng)新故事，為學(xué)生打開通往領(lǐng)域研究的門窗。

參考文獻(xiàn)

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注：本文系廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度廣西考試招生研究專項(xiàng)課題“基于樣卷研發(fā)的等級性學(xué)考科目命題團(tuán)隊(duì)建設(shè)實(shí)踐研究”（2019ZJY032）、廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度廣西考試招生研究專項(xiàng)課題“普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試命題素材管理系統(tǒng)優(yōu)化研究”（2020ZJY190）、廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度考試招生研究專項(xiàng)課題“普通高中學(xué)業(yè)水平考試的審題程序、規(guī)范和技術(shù)研究”（2020ZJY221）的研究成果。

作者簡介：楊健宇（1980— ），江西贛州人，高級教師，主要研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)學(xué)科整合;黃都（1973— ），通訊作者，廣西都安人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻虒W(xué)評整體設(shè)計(jì)。

（責(zé)編 劉小瑗）