基于模型認(rèn)知的高考化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)實踐與探索

劉達富

［摘 要］文章立足高三化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)，以高考真題作為情境素材，聚焦高考真題中電化學(xué)裝置類型和電極的判斷、電化學(xué)裝置的工作原理以及電極方程式和電池總方程式的書寫三個基礎(chǔ)考點來創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)任務(wù)，通過對電化學(xué)典型題的答題建模進一步發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知核心素養(yǎng)，強化學(xué)生對知識結(jié)構(gòu)和問題本質(zhì)的認(rèn)識，幫助學(xué)生建構(gòu)分析問題和解決問題的思維模型。

［關(guān)鍵詞］模型認(rèn)知；電化學(xué)；答題建模；教學(xué)設(shè)計；高中化學(xué)

［中圖分類號］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2022）23-0058-06

一、問題的提出

高考是選拔性考試，能力考查是高考永恒的主題。認(rèn)真分析高考試題不難發(fā)現(xiàn)，無論是全國卷還是地方卷，在突出學(xué)科核心素養(yǎng)考查和選拔性功能的同時，保持了基礎(chǔ)性、穩(wěn)定性和能力性的特點，一些典型的基礎(chǔ)性試題更是頻繁出現(xiàn)在高考試題中，年年考查但?？汲Ｐ隆ａ槍@些高考化學(xué)的典型試題，如何讓學(xué)生能夠快速并正確規(guī)范地答題，是每一位高中化學(xué)教師需要思考的問題。在一些高三復(fù)習(xí)教學(xué)中，囿于復(fù)習(xí)方式方法的陳舊以及個人能力不足或是對復(fù)習(xí)教學(xué)的不重視，教師多是就題論題，對知識和解題方法沒有拓展和延伸，也沒有歸納和總結(jié)。這樣的復(fù)習(xí)教學(xué)帶來的后果是學(xué)生在課堂上似乎聽懂了，也掌握了知識，但當(dāng)問題稍作變通就不會應(yīng)對了，學(xué)生不能形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，學(xué)科核心素養(yǎng)也得不到發(fā)展。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在描述化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)時指出：“知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律?！薄澳苓\用多種認(rèn)知模型來描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，預(yù)測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果；能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題思維框架?！保?］本教學(xué)研究正是基于模型認(rèn)知建構(gòu)問題解決模型，旨在幫助學(xué)生對“大概念”建立系統(tǒng)認(rèn)識，發(fā)展學(xué)生的系統(tǒng)思維，更好地提升學(xué)生的化學(xué)認(rèn)知水平。只有在復(fù)習(xí)教學(xué)中積極引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)問題解決模型，使學(xué)生掌握的知識系統(tǒng)化、條理化，并相互關(guān)聯(lián)形成有機整體，才能提升學(xué)生在新情境中的知識遷移能力。因此，教師在高中化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)中要高度重視典型試題的答題建模，充分認(rèn)識答題建模對于發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要性。

本文以“電化學(xué)三個基礎(chǔ)考點的復(fù)習(xí)”教學(xué)為例，探討如何基于典型高考試題進行答題建模教學(xué)設(shè)計并加以實施。

二、電化學(xué)的定位、考查方式

（一）電化學(xué)在課程標(biāo)準(zhǔn)中的定位

在高中化學(xué)中，“電化學(xué)”的有關(guān)內(nèi)容主要分布在必修課程主題3“物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與化學(xué)反應(yīng)規(guī)律”［2］和選擇性必修課程模塊1“化學(xué)反應(yīng)原理”［3］。必修課程主題3只簡單要求“以原電池為例認(rèn)識化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，并能從氧化還原反應(yīng)角度初步認(rèn)識原電池的工作原理”。選擇性必修課程模塊1中的主題1“化學(xué)反應(yīng)與能量”是對必修課程相應(yīng)內(nèi)容的深化與拓展?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求：“認(rèn)識化學(xué)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(xué)電源的工作原理。了解電解池的工作原理，認(rèn)識電解在實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲存能量中的具體應(yīng)用?！保?］選擇性必修課程是升學(xué)考試要求選擇修習(xí)的課程，因此高三復(fù)習(xí)教學(xué)目標(biāo)的制訂應(yīng)基于課程標(biāo)準(zhǔn)對“選擇性必修”的要求之上。

（二）電化學(xué)在高考中的考查方式

有關(guān)“電化學(xué)”方面的考題是現(xiàn)行高考中的高頻題型，即典型題。高考試題中關(guān)于“電化學(xué)”的考查主要有如下幾個方面：原電池和電解池的構(gòu)成、電子（流）和離子的運動方向、電極的判斷、電極上的反應(yīng)類型判斷、電解質(zhì)溶液組成變化判斷、電極方程式和電池總方程式的書寫、簡單的原電池與電解池的設(shè)計、二次電池和新型電池的認(rèn)識與應(yīng)用、電解的應(yīng)用和簡單計算、電解的規(guī)律和離子交換膜的作用等。試題呈現(xiàn)的方式多為選擇題或填空題。

三、本教學(xué)研究的根本任務(wù)

高中化學(xué)中的“電化學(xué)”內(nèi)容從必修課程螺旋式上升至選擇性必修課程，涉及各類判斷、各種書寫、設(shè)計應(yīng)用和簡單計算，概念多、規(guī)律復(fù)雜，且原電池與電解池的工作原理容易相互混淆。學(xué)生要理解電化學(xué)核心知識的內(nèi)涵，就應(yīng)圍繞核心知識建立知識體系，形成系統(tǒng)的認(rèn)知模型。設(shè)計基于學(xué)生模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的典型題答題建模教學(xué)可提高課堂教學(xué)的有效性，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，本教學(xué)研究的根本任務(wù)是：（1）構(gòu)建電化學(xué)各概念之間相互關(guān)系的認(rèn)知模型和書寫電極方程式的方法模型；（2）通過電化學(xué)典型題的答題建模進一步發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知核心素養(yǎng)；（3）設(shè)計與實施基于模型認(rèn)知的電化學(xué)典型題答題建模教學(xué)，并檢驗應(yīng)用模型解題的效果。

四、教學(xué)設(shè)計

（一）教學(xué)流程

根據(jù)上述教學(xué)任務(wù)設(shè)計如下教學(xué)流程（見表1）。

（二）建構(gòu)認(rèn)知模型

電化學(xué)裝置是建立在氧化還原反應(yīng)基礎(chǔ)上的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中有很多概念之間看似相互矛盾，實則相互依存、互有聯(lián)系。因此，首先建構(gòu)概念之間相互聯(lián)系的認(rèn)知模型，有助于學(xué)生理解電化學(xué)裝置的工作原理，提高學(xué)生的解題能力。圖1把電化學(xué)的兩個分支“原電池”和“電解池”總結(jié)在一個模型圖中，按照“離子流向→電極名稱→反應(yīng)物質(zhì)→電子得失→反應(yīng)類型→電極產(chǎn)物”的順序連成兩條概念關(guān)系鏈，幫助學(xué)生建立概念之間的系統(tǒng)認(rèn)識。該模型（模型1）不僅體現(xiàn)了概念之間的關(guān)系，還有助于電極方程式的書寫：負極（陽極）的電極方程式是“還原劑”與“氧化產(chǎn)物”之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系；正極（陰極）的電極方程式是“氧化劑”與“還原產(chǎn)物”之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，只要找到相應(yīng)物質(zhì)，再結(jié)合有關(guān)信息配平就能得出電極方程式。

對于可充電的二次電池，其充電與放電時電極反應(yīng)之間存在的相互關(guān)系如圖2所示（二次電池電極反應(yīng)關(guān)系模型，即模型2）。二次電池放電時負極反應(yīng)與充電時的陰極反應(yīng)雖然不是可逆反應(yīng)，但兩反應(yīng)式互為“可逆”，由此可快速書寫電極方程式和總方程式，強化學(xué)生對電極方程式的書寫能力。

五、教學(xué)過程

［展示高考題］請看學(xué)案，電化學(xué)裝置圖及相關(guān)信息如下：

（1）（2020年高考全國Ⅰ卷第12題改編）圖3為一種新型Zn?CO2水介質(zhì)電池，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸。

（2）（2021年高考全國甲卷第13題改編）圖4為合成乙醛酸電化學(xué)裝置，圖中的雙極膜中間層中的 H2O解離為H+和OH-，并在直流電場的作用下分別向兩極遷移。

（3）（2018年高考全國Ⅲ卷第11題改編）圖5為一種可充電鋰-空氣電池，當(dāng)電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（[x=0]或1）。

教師：這些是高考中常見的電化學(xué)考題的部分題干。題中提到的裝置各屬于電化學(xué)中的哪一類裝置？各電極名稱是什么？涉及哪些電化學(xué)原理？如何書寫電極方程式和總方程式？

學(xué)生讀題析圖，相互分析、討論和交流。

設(shè)計意圖：開門見山，直奔復(fù)習(xí)主題；通過高考真題創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和欲望。

［復(fù)習(xí)任務(wù)1］電化學(xué)裝置類型和電極的判斷。

教師：上述考題中的各裝置分別屬于原電池和電解池中的哪一類？

學(xué)生：圖3和圖5屬于原電池，圖4屬于電解池。

教師：圖3和圖5屬于一次電池還是二次電池？圖4為什么是電解池？

學(xué)生：圖3和圖5都屬于二次電池；圖4有外接電源，因此是電解池。

教師：如果圖4中沒有外接電源，會構(gòu)成原電池嗎？

學(xué)生：不會，因為相關(guān)反應(yīng)不能自發(fā)進行。

教師：判斷電化學(xué)裝置類型的依據(jù)還有什么？兩類裝置有什么共同點和不同點？類比圖1和圖2，你能否以電池構(gòu)成特點為基礎(chǔ)建構(gòu)判斷電化學(xué)裝置類型的認(rèn)知模型，以便于理解和記憶呢？

學(xué)生小組討論分析，建構(gòu)判斷電化學(xué)裝置類型的認(rèn)知模型（見圖6）。

教師：根據(jù)圖1的認(rèn)知模型，能得出電化學(xué)裝置中各電極材料與電極名稱有怎樣的對應(yīng)關(guān)系？

學(xué)生：由圖1的認(rèn)知模型和圖2的關(guān)系模型可知發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為負極或陽極，由此得出圖3中的鋅電極和圖5中的鋰電極放電時為負極（充電時為陰極），圖4中的石墨電極為陽極；同時可知發(fā)生還原反應(yīng)的電極為正極或陰極，由此得出圖3中的選擇性催化材料和圖5中的多孔碳材料放電時為正極（充電時為陽極），圖4中的鉛電極為陰極。

教師：請大家根據(jù)討論填寫學(xué)案上的裝置類型與電極材料表。

學(xué)生填寫學(xué)案上的裝置類型與電極材料表。

教師展示部分學(xué)生的填寫結(jié)果，指出存在的問題并展示正確答案（見表2）。

設(shè)計意圖：通過對高考真題中的電化學(xué)裝置圖的分析，讓學(xué)生應(yīng)用認(rèn)知模型來快速判斷電化學(xué)裝置中的電極，體會認(rèn)知模型的重要性，強化認(rèn)知模型在解題中的應(yīng)用；創(chuàng)設(shè)思維活動，讓學(xué)生自己建構(gòu)判斷電化學(xué)裝置類型的認(rèn)知模型，培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。

教師：你能判斷圖7裝置的類型和說出各電極的名稱嗎？

學(xué)生：根據(jù)圖6的認(rèn)知模型中“有自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)”可知，裝置的前兩個部分構(gòu)成了帶鹽橋的原電池，最后的部分為電解池；Al電極為負極，Cu電極從左到右分別為正極、陽極、陰極。

教師：如果把“雙液”原電池中的“鹽橋”換成“鋁條”，又該如何判斷？

學(xué)生：中間部分為原電池，另兩個部分構(gòu)成電解池；整套裝置從左到右電極分別為陽極、陰極、負極、正極、陽極、陰極。

設(shè)計意圖：對于沒有明顯外接電源的串聯(lián)裝置，必須綜合分析找出電源，才能判斷其裝置類型并確定電極名稱。讓學(xué)生在應(yīng)用中熟練掌握認(rèn)知模型并進一步強化模型的應(yīng)用。

［復(fù)習(xí)任務(wù)2］電化學(xué)裝置的工作原理。

電化學(xué)裝置的工作原理涉及電子的流向、電流的流向、陰陽離子的運動方向和各電極的反應(yīng)類型等。對于如何快速做出正確判斷，建構(gòu)認(rèn)知模型是解決這一問題的有效方法。

教師：電化學(xué)裝置的工作原理如何？各微粒的運動方向怎樣？各電極上的反應(yīng)類型是什么？請根據(jù)圖1的認(rèn)知模型填寫學(xué)案上的電化學(xué)裝置的工作原理表。

學(xué)生分組討論，填寫學(xué)案上的電化學(xué)裝置的工作原理表并展示填寫結(jié)果（見表3）。

教師：請根據(jù)認(rèn)知模型和所填表格，小結(jié)電化學(xué)裝置的工作原理。

學(xué)生1：外電路中電子的流動方向與電流的方向相反。

學(xué)生2：電解質(zhì)溶液中陽離子移向正極或陰極，陰離子移向負極或陽極。

學(xué)生3：電子只走外電路，離子只在內(nèi)電路遷移。

學(xué)生4：氧化性強的微粒在正極或陰極獲得電子，生成還原產(chǎn)物；還原性強的物質(zhì)在負極或陽極失去電子，生成氧化產(chǎn)物。

設(shè)計意圖：通過討論交流和表格填寫，使學(xué)生對電化學(xué)裝置的工作原理有更深入的理解，厘清電化學(xué)原理中各概念之間的相互關(guān)系。

［復(fù)習(xí)任務(wù)3］電極方程式和電池總方程式的書寫。

教師：知道了各電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，那電極方程式和電池總方程式該如何書寫呢？

學(xué)生分組討論，填寫學(xué)案上的電極方程式和電池總方程式表并展示填寫結(jié)果（見表4）。

充電時：[Li2O2-x=2Li+1-x2O2] ]

教師：大家是如何快速書寫電極方程式和電池總方程式的？

學(xué)生1：負極（陽極）的電極方程式是“還原劑”與“氧化產(chǎn)物”之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系；正極（陰極）的電極方程式是“氧化劑”與“還原產(chǎn)物”之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，只要找到相應(yīng)物質(zhì)，再結(jié)合有關(guān)信息配平就可得出電極方程式。

學(xué)生2：根據(jù)電子得失守恒、電荷守恒、元素守恒和電解質(zhì)環(huán)境等綜合因素進行配平。

學(xué)生3：電池總方程式可根據(jù)負極（陽極）的電極方程式與正極（陰極）的電極方程式在電子得失數(shù)相等的情況下相加得到。

教師：根據(jù)“二次電池電極反應(yīng)關(guān)系模型”可以更加快速地書寫充放電時的電極方程式和電池總方程式，由例題中圖5在充放電時的電極方程式和總方程式可得出什么？

學(xué)生4：負極與陰極互為“可逆”，正極與陽極互為“可逆”，充電與放電的總反應(yīng)也互為“可逆”，與模型描述的一致。

教師：再看看大家所寫的例題中圖3在充放電時的電極方程式和總方程式，從中可發(fā)現(xiàn)什么？

學(xué)生5：負極與陰極互為“可逆”，正極與陽極、充放電時的總反應(yīng)不再互為“可逆”。

學(xué)生6：例題圖3中選擇性催化材料電極上放電時是CO2變?yōu)镠COOH，充電時是H2O變?yōu)镺2，這是實驗事實，我們必須尊重實驗事實。

教師：這說明我們建立的認(rèn)知模型存在不完善的地方，它適用于大部分的二次電池電極方程式的快速書寫，但特殊情況下必須尊重實驗事實。

設(shè)計意圖：通過電極方程式和電池總方程式的書寫，使學(xué)生掌握書寫電化學(xué)方程式的步驟、配平的方法和書寫過程中的注意事項，特別要強化學(xué)生應(yīng)用模型快速書寫電極方程式和電池總方程式的思維認(rèn)知，提高學(xué)生的解題能力。

六、教學(xué)反思

高三復(fù)習(xí)教學(xué)不同于新課教學(xué)，其目的在于讓學(xué)生鞏固知識、掌握方法和提升能力。本教學(xué)設(shè)計立足于高三化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)，以高考真題為情境素材，聚焦高考真題的三大基礎(chǔ)考點來創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)任務(wù)，通過歸納、小結(jié)和提煉，在鞏固學(xué)生基礎(chǔ)知識的同時引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)認(rèn)知模型，使學(xué)生對知識的結(jié)構(gòu)和問題的本質(zhì)產(chǎn)生深刻認(rèn)識，形成分析問題和解決問題的思維模型。

本教學(xué)設(shè)計中的三大復(fù)習(xí)任務(wù)是電化學(xué)中最為基礎(chǔ)的內(nèi)容，也是最常見的考點。教學(xué)中系列問題逐級遞進，為模型的建構(gòu)和應(yīng)用搭建了較好的平臺，而模型的建構(gòu)和應(yīng)用有力地促進了學(xué)生認(rèn)知思維模式的形成，提升了學(xué)生的模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。整個教學(xué)過程充分尊重學(xué)生的主體地位，學(xué)生參與度高；不僅教會學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的方法，還培養(yǎng)了學(xué)生的關(guān)鍵能力。

當(dāng)然，本教學(xué)設(shè)計還有需要進一步改進的地方。一是可以嘗試完全由學(xué)生自己建構(gòu)模型。如果在典型題的解題過程中完全由學(xué)生自己提煉和建構(gòu)解題思維模型，也許教學(xué)效果會更好。二是試題設(shè)計的設(shè)問深度或真題變式廣度有待進一步提高，以便強化優(yōu)秀生的思維訓(xùn)練。如對高考真題情境素材進行改編，融入更多的新型電池、特殊電池和電解池，以提高試題的靈活性和深廣度。三是模型的建構(gòu)需要完善，題后小結(jié)與診斷還有待進一步加強。這些將在后續(xù)教學(xué)中不斷地改進和完善。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.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.

［2］ ?人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書化學(xué)必修第二冊［M］. 北京：人民教育出版社，2019.

［3］ ?人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書化學(xué)選擇性必修1：化學(xué)反應(yīng)原理［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（責(zé)任編輯 羅艷）