基于化學前沿科技情境的認知模型構建

摘 要：在分析2022年全國高考卷理科綜合化學試題電化學的情境特點基礎上，提煉出基于科技情境試題的解答流程和認知模型建構模式.文章以2022年全國高考甲卷理科綜合化學第4題和乙卷理科綜合化學第6題為例，探討基于前沿科技情境認知模型的建構思路、方法和備考策略.

關鍵詞：科技情境；認知模型；高中化學

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）30-0128-03

收稿日期：2023-07-25

作者簡介：何德波（1991.3-），男，貴州省遵義人，本科，中學一級教師，從事高中化學教學研究.

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中第一次把“模型認知”寫進了普通高中化學的課程目標中^[1]，從此化學教師開始更加重視模型理解、模型建立和與建模有關的教學設計和實施.模型作為一種重要的科學研究手段，在科學技術發展中起著關鍵性的作用.高中化學核心素養將“證據推理與模型認知”作為一個維度專門描述，以闡明模型認知對高中化學課程的重要作用.“證據推理與模型認知”是學生獲得科學知識的關鍵方式，也是學生處理實踐問題中所體現出的的關鍵素養.

1 2022年高考全國卷電化學試題情境創新點分析

1.1 精選素材情境，考查關鍵能力

縱觀2022年高考化學試卷，部分試卷的主體情境以文本、數據、表格等多種形式表達，其中情境分為生活情境、學術探索情境、生產環保情境、實驗探究情境、化學歷史情境五大內容.在試題命制和設問上，著眼學生未來的長遠發展，重點考查考生的理解與分析能力、歸納與論證能力、探究與創新能力，體現了對化學學科思想方法和學科關鍵能力的考查.

2022年全國甲卷化學第4題（Zn-MnO₂離子選擇雙隔膜電池）和2022年全國乙卷化學第6題（科學家研究了一種光照充電Li-O₂電池）均屬于學術探索情境.通過學術情境考查了電化學的有關基礎知識，突出了基礎知識系統在學生養成關鍵能力、化學學科素養等方面的基礎地位與支撐作用，有助于為學生的繼續深造打下堅實的基石.

1.2 引入大學教材中的相關知識創新命題，淡化必考與選考界限

電極、電化學隔膜種類進一步豐富化.如2022全國甲卷化學第4題在電化學中考查了離子選擇雙隔膜，2022年高考全國乙卷化學第6題將鋰電池、光催化電極、離子交換膜、協同反應融合進行了考查.

2 前沿科技情境的認知模型構建

2.1 模型建構思路

以前沿科技情境為原點，結合情境的特點，判斷所給的情境中是否存在原型本身就涵蓋了對客觀事物的描述模型^[2].若存在原型，可采用簡化方式提煉有用信息，使其上升到認知模型，深化對原型本質的理解，擴大其使用領域.最后用建構的模型來處理實際情境問題（如圖1所示）.

2.2 高考模型建構舉例

例1 （2022年高考全國乙卷化學試題6）Li-O₂電池比能量高，在汽車、航天等領域具有良好的應用前景.近年來科學家研究了一種光照充電Li-O₂電池（如圖２所示）.光照時，光催化電極產生電子e-和空穴h+，驅動陰極反應Li++e-===Li和陽極反應（Li₂O₂+2h+===2Li++O₂）對電池進行充電.下列錯誤的是（ ）.

A．充電時，電池的總反應為Li₂O₂===2Li+O₂

B．充電效率與光照產生的電子和空穴量有關

C．放電時，Li+從正極穿過離子交換膜向負極遷移

D．放電時，正極發生反應O₂+2Li++2e-===Li₂O₂

情境素材評析 本題屬于學術探索情境.2022年，南開大學化學學院李福軍研究員等撰寫了光誘導 Li-O₂電池綜述文章.系統介紹和討論了Li-O₂電池充放電過程中的O₂電化學和光電化學反應，重點介紹了光誘導 Li-O₂電池中的光電化學反應機理；概述了在電極材料設計、電池結構和電池穩定性等方面的最新進展；提出了光誘導 Li-O₂電池所面臨的主要挑戰和發展前景.該綜述將加深人們對光誘導 Li-O₂電池的認識，并促進光能在電化學器件中的應用研究.2022年該成果以“Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li-O₂" batteries”為題發表于Chem. Soc. Rev.并被選為期刊封面文章（Front Inside Cover）.題給的一種光照充電Li-O₂電池，考查了離子交換膜、離子的移動方向和電極方程式的書寫，這就要求學生要及時在大腦里搜索所學的認知模型.學生經歷了“情境信息解讀→原型提煉→模型建構→模型應用”這一模型建構，體現了對宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等化學學科核心素養的考查.

認知模型建構 根據題給“科學家研究了一種光照充電Li-O₂電池”科技情境，提取有用信息，建構原電池、電解池模型如圖3、圖4所示.再運用建構模型去解決新情境所提出的問題，那該題就迎刃而解.

本題將鋰電池、光催化電極、離子交換膜、協同反應融合進行了考查，結合圖示和以上兩種模型可得，充電時總反應式為Li₂O₂2Li+O₂，金屬Li電極為陰極，光催化電極為陽極；則放電時金屬Li電極為原電池負極，光催化電極為正極.綜合以上分析本題選C.

例2 （2022年高考全國甲卷化學試題4）一種水性電解液Zn-MnO₂離子選擇雙隔膜電池如圖5所示[KOH溶液中，Zn²⁺以Zn（OH）^2-₄存在].電池放電時，下列敘述錯誤的是（ ）.

A．Ⅱ區的K+通過隔膜向Ⅲ區遷移

B．Ⅰ區的SO^2-₄通過隔膜向Ⅱ區遷移

C． MnO₂電極反應：

MnO₂+2e-+4H+===Mn²⁺+2H₂O

D．電池總反應：Zn+4OH-+MnO₂+4H+===Zn（OH）^2-₄+Mn²⁺+2H₂O

情境素材評析 本題屬于學術探索情境.2022年，深圳大學在水系電解型MnO₂-Zn電池研究取得突破.深圳大學材料學院新能源材料與器件課題組楊金龍助理教授取得重要進展，在《Advanced Energy Materials》上發表題為“A Proton-Barrier Separator Induced via Hofmeister Effect for High-Performance Electrolytic MnO₂-Zn Batteries”的研究論文.這項工作通過霍夫邁斯特效應制造了一種成本效益高的基于聚乙烯醇（PVA）的質子屏蔽隔膜（PBS）來防止析氫，從而穩定電解MnO₂-Zn電池的新途徑.本題以最新電化學研究成果為載體，主要考查原電池的基本原理，具體考查電極反應式的書寫、離子選擇雙隔膜及離子遷移方向等知識，意在考查考生分析、整合新信息的能力，培養模型認知的核心素養.

認知模型建構 本題應用的是原電池的工作原理模型.根據題給“水性電解液Zn-MnO₂離子選擇雙隔膜電池”科技情境，提取有用信息，建構原電池模型.學生經歷了“情境信息解讀→原型提煉→模型建構→模型應用”這一模型建構，結合原電池的工作原理模型，再運用所建構模型去解決新情境所提出的問題，那該題就迎刃而解.

根據圖5的電池結構和題目所給信息可知，Ⅲ區Zn為電池的負極，電極反應為Zn-2e-+4OH-===Zn（OH）^2-₄，Ⅰ區MnO₂為電池的正極，電極反應為MnO₂+2e-+4H+===Mn²⁺+2H₂O；電池在工作過程中Ⅰ區消耗H+，生成Mn²⁺，Ⅱ區的K+向Ⅰ區移動或Ⅰ區的SO^2-₄向Ⅱ區移動，Ⅲ區消耗OH-，生成Zn（OH）^2-₄，Ⅱ區的SO^2-₄向Ⅲ區移動或Ⅲ區的K+向Ⅱ區移動.綜合以上分析本題選A.

3.3 電化學原創試題賞析

在平時課堂教學中，需創設真實問題情境，開展項目式學習，調動學生的積極性和合作探究能力.以下是教師給學生提供新學術情境信息，學生以小組形式展開項目式學習，最終形成的試題，供大家賞析.

原創 近日，南開大學科研團隊以KSn合金為負極，含羧基多壁碳納米管（MWCNTs-COOH）為正極催化劑構建了可充電K-CO₂電池，電池反應為4KSn+3CO₂放電充電2K₂CO₃+C+4Sn，生成的K₂CO₃附著在正極上，該成果對緩解能源問題有巨大潛力.下列說法正確的是（ ）.

A.電解質換成KOH溶液可更好的吸收CO₂

B. 放電時，電池每吸收134.4 L CO₂（標況下），電路中轉移8 mol e-

C.充電時，陰極電極反應式為：

C-4e-+2K₂CO₃3CO₂↑+4K+

D. 充電時，電子由KSn合金經酯基電解質流向MWCNTs—COOH

情境素材評析 本題屬于學術探索情境.2021年，南開大學的陳軍院士團隊通過對鉀-二氧化碳電池正負極同時改進，雙管齊下，實現了穩定高效且可逆循環的鉀-二氧化碳電池，并詳細揭示了該電池體系的反應機理，文章第一作者是博士后盧勇和博士生蔡毅超，近期發表在Angewandte Chemie International Edition上.本題以最新電化學研究成果為載體，主要考查可充電電池的基本原理，具體考查電極反應式的書寫、電解質溶液的選擇、離子移動等知識，意在考查考生分析新信息的能力，培養學生模型認知的核心素養.

認知模型建構 根據題給“南開大學科研團隊以KSn合金為負極，含羧基多壁碳納米管（MWCNTs—COOH）為正極催化劑構建了可充電K-CO₂電池”科技情境，提取有用信息，建構原電池、電解池模型.學生經歷了“情境信息解讀→原型提煉→模型建構→模型應用”這一模型建構，結合例①原電池的工作原理模型和電解池的構成工作原理模型，再運用所建模型去解決新情境中提出的問題，那該題就迎刃而解.

本題的情境以南開大學科研團隊構建的新型可充電K-CO₂電池為載體，該成果對緩解能源問題有巨大潛力，在陌生電池的原理分析中體現對電化學相關知識的基礎性、綜合性、應用性的考查.如果用KOH溶液代替酯基電解質，二氧化碳能與KOH反應，降低電池效率，故A錯誤；B.放電時，正極發生的電極反應為3CO₂↑+4K++4e-C+2K₂CO₃，標況下每吸收134.4 L CO₂，電路中轉移8 mol e-，故B正確；C.充電時，多壁碳納米管（MWCNTs-COOH）為陽極，電極反應式為C-4e-+2K₂CO₃3CO₂↑+4K+，故C錯誤；D.充電時，電子不經過電解質，故D錯誤.綜合以上分析本題選B.[BP）]

3 基于化學前沿科技情境的認知模型構建的備考策略

3.1 課堂教學創設真實問題情境，開展項目式學習

在平時教學過程中需要注重創設真實問題情境來開展項目式學習，引導學生積極開展建模學習、合作探究學習和問題探索學習，以推動他們對學習化學知識方法的改進.

3.2 深刻領會化學學科核心素養內涵，準確把握中國高考評價體系，科學制訂教學目標

教師應依據化學學科核心素養的內涵及其發展水平、高中化學課程標準和高考評價體系要求，結合學情進行課堂教學設計.

3.3 回歸教材，注重認知模型的構建

不論多么復雜陌生的情境，多么復雜新穎的裝置，都離不開教材中的基本模型.對于電化學的考查，離不開教材中原電池與電解池的基本模型，所以要狠抓理論基礎的掌握，并可以通過實際情況加以轉化運用.運用建模思想有助于簡化化學核心知識，幫助學生解決化學實際情境問題.

3.4 關注前沿科技情境、時事熱點，熟悉從復雜、陌生的信息中提取有效信息的方法

高考試題中多數情境均為陌生的、復雜的，要求學生能夠從眾多信息中提煉有效信息.為了提高陌生文本的閱讀能力，提高有效信息的提取能力，平時應當進行適當的針對性訓練，形成正確的解題思路和方法，不過于糾結題給信息的新穎性和熟悉程度.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 鐘輝生，謝名軍.基于化學科技前沿情境的認知模型建構：以2019年全國Ⅰ卷理科綜合化學試題為例[J].中學化學教學參考，2019（10）：66-69.

[責任編輯：季春陽]