基于模型建構(gòu)的電化學單元教學策略

摘要：基于模型建構(gòu)的單元教學可實現(xiàn)電化學模塊的系統(tǒng)思維建構(gòu)，通過化學電源的科學發(fā)展史認識電池的構(gòu)成要素，建構(gòu)原電池認識模型及電解池的認識模型，并統(tǒng)一電化學系統(tǒng)認知模型，尋找其共同的認識視角，將電化學的認識思路轉(zhuǎn)化為電化學問題的解決思路，從裝置維度和原理維度二維視角分析問題，進而解決復雜的電化學問題。關(guān)鍵詞：高中化學；電化學；單元教學；系統(tǒng)認知；模型建構(gòu)電化學高考題往往跨主題融合，與實驗、水溶液中離子平衡、氧化還原反應、化學平衡等知識綜合考查。對于學生來說一般陌生度高、情境復雜，學生難以建立知識間的關(guān)聯(lián)，缺乏解決復雜問題的能力。因此，在選擇性必修階段可以采用大單元教學模式，整合必修和選擇性必修的學習單元，通過電化學系統(tǒng)分析方法，尋找電化學認識視角，建立電化學認識模型以解決不同情境問題，實現(xiàn)核心素養(yǎng)和能力的進階。一、整合課標和教材，構(gòu)建單元教學框架《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱為新課標）中“證據(jù)推理與模型認知”的素養(yǎng)水平4明確指出：能對復雜的化學問題情境中的關(guān)鍵要素進行分析以建構(gòu)相應的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題；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]。電化學在必修第二冊的教學功能是從能量角度初步認識原電池，而選擇性必修一的教學價值主要體現(xiàn)在理解物質(zhì)變化、理解能量轉(zhuǎn)化、促進學生發(fā)展和促進社會發(fā)展這四個方面。電池的歷史沿革，不僅僅是技術(shù)和科學的發(fā)展，不斷對電池進行改良和創(chuàng)新，對發(fā)展學生“科學態(tài)度與社會責任”素養(yǎng)具有重要作用，學生在認識化學史的過程中逐步形成對科學本質(zhì)的理解。結(jié)合新課標和教材安排，確定本單元大概念為電化學的本質(zhì)為氧化還原反應，從能量變化和物質(zhì)變化兩個角度引導學生認識化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的意義。二、任務進階，建立電化學系統(tǒng)認識模型（一）完善原電池思維模型化學電源的發(fā)展直觀體現(xiàn)了原電池認識模型的發(fā)展，即單液原電池→雙液原電池→膜電池。學生在必修第二冊對單液原電池組成的認識包括：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。但是由于部分化學能轉(zhuǎn)化為熱能，電流有衰減趨勢。為消除液接電勢，進而改進為雙液原電池，將氧化反應和還原反應分開在兩個不同的區(qū)域進行，用鹽橋作為離子導體，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，通過認識燃料電池工作原理，氫氣和氧氣分別在兩極反應，進一步認識兩極是得失電子的場所。綜上構(gòu)建原電池的認識模型。裝置維度包括得失電子的場所、電子導體、離子導體。電解質(zhì)溶液、鹽橋、離子交換膜等都是離子導體。在整體電路中，通過電子和離子定向移動形成閉合回路，電子和陰離子都帶負電，它們的移動方向相同，陽離子的移動方向與陰離子相反。原理維度的核心思想是氧化還原反應，負極是還原劑失去電子發(fā)生氧化反應，正極是氧化劑得電子發(fā)生還原反應（見圖1）。（二）建構(gòu)電解池思維模型對比電解池和原電池，能量轉(zhuǎn)化方向與反應方向不同，電解池是電能轉(zhuǎn)化為化學能，原理都是氧化還原反應。裝置維度上包括外接電源、得失電子的場所、電子導體、離子導體。陽極是失電子的場所，發(fā)生氧化反應，陰極是得電子的場所，發(fā)生還原反應（見圖2）。（三）統(tǒng)一電化學系統(tǒng)認識模型原電池和電解池的構(gòu)成要素相同：電子導體、離子導體、電極材料、電極反應。二者從本質(zhì)上是統(tǒng)一的，負極和陽極都是失電子的場所，正極和陰極是得電子的場所[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（見圖3）。三、模型解讀與應用將電化學的認識思路轉(zhuǎn)化為電化學問題解決的思路，是發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)的重要途徑。如何運用系統(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、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，通過離子交換膜的離子數(shù)目等，可以通過裝置維度切入。例：2016年高考北京卷第12題：用石墨電極完成下列電解實驗（見圖4）。本題是復雜的串聯(lián)電路問題。我們從裝置維度分析構(gòu)成電化學裝置的要素，導線是電子導體，電極是得失電子的場所，處于電場中的鐵絲既是電子導體也是得失電子的場所，電解質(zhì)溶液是離子導體。在外接電源的電場作用下，電子和陰離子的移動方向相同，與陽離子的移動方向相反，繪制粒子移動圖，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，生成氯氣分子導致pH試紙局部褪色；c處鐵絲中的鐵原子失電子，無明顯現(xiàn)象。同理，分析實驗二，銅珠也是電子導體，繪制在外電場作用下的粒子移動圖。（二）原理維度———氧化還原如果電化學試題裝置圖突出標記了物質(zhì)的變化，便可以通過原理維度切入，分析兩極的氧化反應和還原反應。例：2019年新課標Ⅲ化學第28題（4）：在傳統(tǒng)的電解氯化氫回收氯氣技術(shù)的基礎上，科學家最近采用碳基電極材料設計了一種新的工藝方案，主要包括電化學過程和化學過程。如圖5所示：負極區(qū)的電極反應式為。四、反思與評價模型建構(gòu)思想是突破復雜問題變?yōu)楹唵螁栴}的有效手段，在本單元的學習中，學生經(jīng)歷了建構(gòu)模型、完善模型、統(tǒng)一模型，并運用模型解釋現(xiàn)象的過程，最終揭示電化學知識的學科本質(zhì)。例如：學生自主調(diào)用電化學模型對陌生復雜裝置進行分析；能書寫陌生復雜電極反應式；能系統(tǒng)分析復雜電化學過程（電極反應、電解質(zhì)溶液變化、帶電微粒的定向移動等）。在平時的練習中要注重與其他模塊知識間綜合考查，注重聯(lián)