以史為鑒，數(shù)據(jù)導向下的高三電化學復(fù)習策略

廣東 胡凱威 湯俊杰

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)對于電化學的內(nèi)容要求是認識化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應(yīng)用，了解原電池及常見化學電源的工作原理，了解電解池的工作原理，了解防止金屬腐蝕的措施等。筆者通過統(tǒng)計近兩年的部分高考數(shù)據(jù)(見表1)發(fā)現(xiàn)，電化學的考查主要圍繞原電池、電解池和二次電池的工作原理展開，以最新的電池技術(shù)(特別是2022年高考)和電池、電解在生產(chǎn)生活中的運用作為試題情境，考點主要分布在電極反應(yīng)和電池總反應(yīng)、離子的移動方向、轉(zhuǎn)移電子數(shù)與反應(yīng)物、產(chǎn)物的量之間的計算，電解質(zhì)溶液的變化等。考查的題型主要為選擇題，其次是原理綜合題的最后一問，但2022年高考化學試題中出現(xiàn)后者的頻率大大下降，教師在下一輪備考過程中可適當弱化較難的電極方程式書寫。

表1 2021—2022年高考電化學選擇題考查內(nèi)容統(tǒng)計

2021年，廣東省進入新高考，“3+1+2”的模式讓學生有了更多的選擇權(quán)。筆者所在學校2022屆有481名學生選考化學，選科組合主要包含物化生、物化地。多媒體的發(fā)展、教學環(huán)境的改善為教師統(tǒng)計數(shù)據(jù)提供了便利，利用統(tǒng)計得出的數(shù)據(jù)可以提高高三復(fù)習課、評講課的有效性和指向性。表2是選取筆者所在學校2022屆備考一年來，較為重要的20次測試中電化學選擇題的反饋數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。

表2 2022屆學生電化學選擇題測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

續(xù)表

由表2可知，電化學的平均正確率約為68%，得分率較高，原因在于電化學的知識易于結(jié)構(gòu)化，規(guī)律性強，不同裝置之間存在緊密的聯(lián)系，考點分布較為集中。電解池的平均正確率約為66%，原電池的平均正確率約為71%，說明學生對于電解工作原理的理解與運用能力要差于原電池。二次電池考查較少，但2022年高考題中二次電池考頻較高，數(shù)據(jù)意義不大。筆者通過與學生的溝通交流發(fā)現(xiàn)，學生對于二次電池的工作原理存在混亂不清，無法正確認識轉(zhuǎn)換正負極、陰陽極的情況。雖然電化學整體得分率較高，但在電極反應(yīng)、計算等方面仍然存在較多的問題。綜上數(shù)據(jù)分析，以史為鑒，筆者建議高三電化學復(fù)習的策略是厘清原理，掌握技巧，錘煉真題。具體策略如下敘述。

一、以大概念為統(tǒng)領(lǐng)，梳理核心概念、基本概念之間的關(guān)系

高考題中的試題情境新穎、復(fù)雜，貼近日常生產(chǎn)生活，學生需要將所學的化學知識融會貫通才能解決實際問題。目前存在的現(xiàn)象是學生對于學科概念含糊不清，教師在復(fù)習中應(yīng)該注重大概念的抽提，在教學內(nèi)容的選擇和組織上，突出強調(diào)大概念的引領(lǐng)作用?；瘜W反應(yīng)必然伴隨著能量的變化，該能量可能是熱能、光能、電能和聲能等，因此化學反應(yīng)與能量屬于化學學科大概念?；瘜W反應(yīng)與電能主要是研究電能和化學能之間的互相轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)化過程中相關(guān)規(guī)律的科學，是高中化學的一個核心概念。而能量的轉(zhuǎn)變需要一定的條件，即要提供一定的裝置和介質(zhì)，由此衍生出原電池、電解池和二次電池等基本概念，它們之間的層級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電化學相關(guān)概念的層級關(guān)系

通過圖1所示的層級關(guān)系可知，教師教學設(shè)計時，應(yīng)以大概念化學反應(yīng)與能量作為教學設(shè)計的頂層架構(gòu)，不能割裂化學反應(yīng)與電能、熱能之間的關(guān)系。同時要突出化學反應(yīng)與電能的核心概念，是化學能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化。最后教師在課堂教學中，要具體落實原電池、電解池、二次電池等基本概念。

二、自主建構(gòu)電化學認知模型，提升學生核心素養(yǎng)

《課程標準》的頒布，預(yù)示著新時代中國基礎(chǔ)化學教育改革的大幕正式開啟。發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)，成為這次改革的方向和目標?；瘜W學科核心素養(yǎng)是一種解決陌生情境下的化學問題的綜合素質(zhì)，而對于電化學，學生建立相應(yīng)的認知模型，并能運用模型解析化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，是其中的一種能力。當前教學存在的問題之一是部分學生被動地接受所謂的認知、解題模型，原因可能是由于教師在設(shè)計復(fù)習課時，為了節(jié)約時間，或者高估了學生掌握、運用和遷移知識的能力，忽略了設(shè)計學生深度學習的環(huán)節(jié)，沒有達到培養(yǎng)學生高階思維的目的。

筆者選擇教材中經(jīng)典的電化學裝置，設(shè)置系列驅(qū)動性的問題，引導學生梳理電極、電極反應(yīng)、電子、電流和離子的移動方向之間的關(guān)系、規(guī)律，如表3所示，幫助學生自主建構(gòu)三種電化學裝置認知模型。

表3 模型建構(gòu)的教學設(shè)計

圖2 原電池認知模型

圖3 電解池認知模型

圖4 二次電池認知模型

解題過程中，使用模型認知策略，能夠賦予學生“火眼金睛”，褪去經(jīng)過包裝的、復(fù)雜的試題情境外表，還原電化學裝置的本真，將問題回歸到學生所學的知識范疇，從而提高作答速率和正確率。

三、掌握判斷、書寫電極方程式及電化學相關(guān)計算的技巧

1.判斷電極方程式正誤技巧

筆者經(jīng)過統(tǒng)計、研究發(fā)現(xiàn)，電化學選擇題中電極方程式的正誤判斷，往往只需要從兩方面入手，一是看電子得失是否正確，即電極方程式的“+”“-”使用是否正確。二是電極方程式的介質(zhì)類型是否正確，例如酸性條件出現(xiàn)“OH-”或堿性條件出現(xiàn)“H+”，這些都是錯誤的。假如這兩方面都正確，則電極方程式正確的概率就非常大，如例4中的C選項和例5中的D選項所示。

【例1】(2021·全國甲卷·13節(jié)選)題干略

【解析】陽極是失去電子的一極，電極方程式中應(yīng)該使用“-”，故此選項錯誤。若學生采用常規(guī)思維，先分析反應(yīng)物和生成物，再標變價等，則會浪費寶貴的解題時間。站在出題者的角度去思考，特定題型采用特定技巧，能夠幫助書寫電極方程式能力較弱的同學找到另外一種高效的判斷方法。

2.有序書寫電極方程式

【例2】(2021·河北卷·16節(jié)選)題干略

(4)②Ⅰ.CO2在堿性介質(zhì)中電還原為正丙醇(CH3CH2CH2OH)的電極反應(yīng)方程式為____________________________________________。

3.巧用電子守恒解決電化學的相關(guān)計算

利用轉(zhuǎn)移電子數(shù)、移動的離子數(shù)與反應(yīng)物、產(chǎn)物之間的關(guān)系進行定量計算是高考中電化學的一個難點。電化學反應(yīng)的實質(zhì)是發(fā)生氧化還原反應(yīng)，而得失電子是氧化還原的本質(zhì)。以電子為橋梁，利用放電、充電過程中得失電子守恒在反應(yīng)物、產(chǎn)物之間建立比例關(guān)系式，可以避免書寫電極反應(yīng)或者總反應(yīng)，快速得出答案。

【例3】(2021·山東卷·10節(jié)選)題干略

D.消耗1 mol O2時，理論上N2H4-O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2 L。

【解析】消耗1 mol O2，轉(zhuǎn)移了4 mol電子。而生成1 mol N2轉(zhuǎn)移4 mol電子，故兩者的比例關(guān)系為O2～4e-～N2，1 mol O2的消耗對應(yīng)1 mol N2的生成，則標況下氣體產(chǎn)物的體積應(yīng)為22.4 L，此選項錯誤。

四、錘煉真題，舉一反三

如果說概念、認知和解題模型的建構(gòu)是“學本事”，那解決真實化學問題的活動、舉一反三的過程就是“用本事”?！芭e一”代表學生能夠熟練掌握概念、模型，“反三”則是成功解決高考真題，它是學生知識、能力遷移的必經(jīng)之路。

圖5

( )

A.Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移

【參考答案】A

選項A、B均考查了離子的移動方向，學生需要建立化學微粒觀，正確理解離子移動背后的深層次原因，結(jié)合平時做過的訓練，快速作出判斷。選項C、D考查了電極、總反應(yīng)的方程式的書寫，學生需要運用氧化還原的知識解決問題，教師要培養(yǎng)學生標變價的習慣，強化電荷守恒、原子守恒等配平技巧，能熟練處理正、負極電極方程式與總反應(yīng)之間的關(guān)系。

圖6

( )

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極移動

【參考答案】C

選項A、B考查的是電解池，C、D是原電池，學生需要借助已有的二次電池模型在充、放電之間靈活切換，并能推理正極與陽極、負極與陰極之間的關(guān)系。

圖7

( )

A.充電時，電極b是陰極

B.放電時NaCl溶液的pH減小

C.放電時NaCl溶液的濃度增大

D.每生成1 mol Cl2，電極a質(zhì)量理論上增加23 g

【參考答案】C

A選項考查電極名稱的判斷，B、C選項考查溶液的pH、電解質(zhì)濃度的變化，題目中給出的充電時電極a的方程式是突破口。D選項需要以電子作為橋梁，建立Cl2與增加質(zhì)量的比例關(guān)系式，即可得增加的質(zhì)量關(guān)系為Cl2～2e-～2Na+。

我們生活在一個幸福的年代，祖國的日益繁榮，科技的不斷進步，為教師的教、學生的學提供了各種便利。作為一線教師，要主動、勇敢地追逐時代的潮流，掌握數(shù)據(jù)背后隱藏的寶貴的教學資源，為新時代的育人事業(yè)添磚加瓦。

本文系廣東教育學會化學教學專業(yè)委員會“十四五”規(guī)劃重點攻關(guān)課題“深化中學化學整體教學研究與設(shè)計——以《化學反應(yīng)與電能》為例”[課題編號：(攻)2021HX05)]、廣東省教育科學規(guī)劃課題《中學化學深度學習的課堂學習活動設(shè)計與實施》(項目批準號：20GDJY—B019)的階段性研究成果。