基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的高三電化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)研究

邵倩

高三作為學(xué)生高中生涯的最后一年，也是學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)和發(fā)展的重要一年。高三教學(xué)需要一線教師進(jìn)行深入的研究，努力擺脫以“解題”為主的傳統(tǒng)高三復(fù)習(xí)模式，尋求能使學(xué)生核心素養(yǎng)得以提高和升華的教學(xué)方式。

2014年教育部印發(fā)《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》，其中首次提出“教育部將組織研究提出各學(xué)段學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系，明確學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生在化學(xué)認(rèn)知活動(dòng)中發(fā)展起來(lái)并在解決與化學(xué)相關(guān)問(wèn)題中表現(xiàn)出來(lái)的關(guān)鍵素養(yǎng)，反映學(xué)生從化學(xué)視角認(rèn)識(shí)客觀事物的方式與結(jié)果的水平。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包含“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)方面，充分體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的獨(dú)特性，凸顯了化學(xué)是從微觀層面認(rèn)識(shí)物質(zhì)、以符號(hào)形式描述物質(zhì)、在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)的特征。

電化學(xué)作為化學(xué)學(xué)科的重要分支，在化學(xué)電源、物質(zhì)合成等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。電化學(xué)知識(shí)作為培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體，得到了國(guó)內(nèi)學(xué)者和一線教師的關(guān)注。王秀紅等圍繞“小車為什么會(huì)跑起來(lái)”的真實(shí)問(wèn)題，利用銅-鋅原電池驅(qū)動(dòng)小車的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生分析原電池的工作原理，探究原電池的構(gòu)成條件。徐健將單元教學(xué)設(shè)計(jì)作為學(xué)科核心素養(yǎng)有效落實(shí)的著力點(diǎn)，以“電解池的工作原理和應(yīng)用”為例，設(shè)計(jì)單元教學(xué)設(shè)計(jì)思路，實(shí)踐并反思單元教學(xué)設(shè)計(jì)的幾個(gè)環(huán)節(jié)。目前的研究成果大多致力于新授課的教學(xué)，關(guān)于電化學(xué)復(fù)習(xí)課的研究尚少。經(jīng)過(guò)高一、高二兩年的化學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)已經(jīng)得到了一定程度的培養(yǎng)，高三作為學(xué)生高中生涯的最后一年，也是關(guān)鍵一年，需要一線教師進(jìn)行深入的教學(xué)研究，努力擺脫以解題為主的傳統(tǒng)高三復(fù)習(xí)模式，尋求能使學(xué)生核心素養(yǎng)得以提高和升華的教學(xué)方式。本文以“電化學(xué)原理在物質(zhì)合成中的應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，初探高三電化學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)中學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、教學(xué)分析

電化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)較為抽象，且認(rèn)知要求較高，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)遇到一些問(wèn)題和困難，如電極的判斷、外電路中的電子或者電流流向、內(nèi)電路中陰陽(yáng)離子的移動(dòng)方向、電極反應(yīng)式的書寫、原電池和電解池的混淆等。而隨著年級(jí)的升高和學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生面對(duì)的不再是教材中的經(jīng)典實(shí)例，如銅-鋅雙液原電池、電解飽和食鹽水等，而是一些更為復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，如甲酸燃料電池、電解法制備雙氧水等。學(xué)生基于死記硬背或者解題經(jīng)驗(yàn)很難解決實(shí)際生產(chǎn)生活中的問(wèn)題，這就需要學(xué)生在電化學(xué)復(fù)習(xí)過(guò)程中尋找正確認(rèn)識(shí)問(wèn)題的角度和合理分析問(wèn)題的思路，提高認(rèn)知水平，發(fā)展核心素養(yǎng)。

二、設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課電化學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)旨在引導(dǎo)學(xué)生建立電化學(xué)的認(rèn)識(shí)模型和思維模型，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。電化學(xué)原理應(yīng)用廣泛，案例繁多，為兼顧原電池原理和電解池原理的復(fù)習(xí)，加強(qiáng)兩部分內(nèi)容間的辨析，本節(jié)課選取“電化學(xué)原理在物質(zhì)合成中的應(yīng)用”為主線開展電化學(xué)復(fù)習(xí)，重點(diǎn)是物質(zhì)的電化學(xué)合成，從基本電極反應(yīng)出發(fā)到物質(zhì)的合成，優(yōu)化學(xué)生活動(dòng)，使學(xué)生知微知彰。精選電化學(xué)合成實(shí)例，如選擇美國(guó)萊斯大學(xué)汪淏田教授團(tuán)隊(duì)利用固體電解質(zhì)直接電化學(xué)合成質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)20%的H2O2溶液這一實(shí)例進(jìn)行首尾呼應(yīng)，注重教學(xué)過(guò)程的連續(xù)性和完整性，在引導(dǎo)學(xué)生形成解決電化學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)角度和思維方法的同時(shí)，提升其化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)過(guò)程

（一）引入

關(guān)于雙氧水，學(xué)生對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)比較了解，但對(duì)其制備方法并不了解。目前主流制備過(guò)氧化氫的工藝是2-乙基蒽醌工藝。該工藝存在的最大問(wèn)題在于：過(guò)氧化氫要集中化生產(chǎn)，為了盡可能降低存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本，會(huì)將過(guò)氧化氫溶液濃縮后進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)輸，而高濃度的過(guò)氧化氫會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。為解決這一問(wèn)題，科學(xué)家進(jìn)行了廣泛而深入的研究，如美國(guó)萊斯大學(xué)的汪淏田教授團(tuán)隊(duì)利用固體電解質(zhì)直接電化學(xué)合成質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)20%的H2O2溶液，引導(dǎo)學(xué)生思考過(guò)氧化氫的電化學(xué)合成，引出電化學(xué)原理在物質(zhì)合成中的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)情境，拋出“過(guò)氧化氫的電化學(xué)合成”這一問(wèn)題引發(fā)思考，激發(fā)學(xué)生興趣，為后續(xù)課程滲透化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)做準(zhǔn)備。

（二）建構(gòu)認(rèn)識(shí)模型，基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)化

基于王磊等提出的電化學(xué)認(rèn)識(shí)模型，從原理維度和裝置維度對(duì)原電池和電解池基本知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。原理維度以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)，主要復(fù)習(xí)電極反應(yīng)物和產(chǎn)物、反應(yīng)過(guò)程中電子及陰陽(yáng)離子移動(dòng)方向、反應(yīng)現(xiàn)象;裝置維度主要復(fù)習(xí)在原電池或電解池裝置中得失電子的場(chǎng)所、電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體。

設(shè)計(jì)意圖：在以往的電化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生多多少少會(huì)運(yùn)用某些方法或者模型，但并不自知。高三電化學(xué)復(fù)習(xí)課需要通過(guò)分析、推理等方法，使學(xué)生將之前所學(xué)的零散知識(shí)結(jié)構(gòu)化，建立系統(tǒng)的電化學(xué)認(rèn)識(shí)模型，促進(jìn)“模型認(rèn)知”這一核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（三）探求思維模型，分析問(wèn)題邏輯化

1.建構(gòu)思維模型

物質(zhì)的電化學(xué)合成是基于電極反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，因此電極反應(yīng)式的書寫是探究物質(zhì)電化學(xué)合成的基礎(chǔ)。

例題1：（2018·江蘇卷）用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，電解該混合溶液可獲得較濃的硝酸。寫出電解時(shí)陽(yáng)極的電極反應(yīng)式：___。

通過(guò)該例題的分析與講解探求電極反應(yīng)式書寫的思維模型：

①明電極：明確目標(biāo)電極

②知特征：知道目標(biāo)電極反應(yīng)特征

③列物質(zhì)：列出電極反應(yīng)物、生成物

④標(biāo)得失：標(biāo)出化合價(jià)存在變化的元素，寫出得失電子的數(shù)目

⑤看環(huán)境：明確環(huán)境信息（酸性、堿性或中性）

⑥配守恒：根據(jù)電荷守恒和原子守恒進(jìn)行配平

⑦再驗(yàn)證：對(duì)標(biāo)已知條件，進(jìn)行驗(yàn)證

2.運(yùn)用思維模型

例題2：（2019·江蘇卷）電解法轉(zhuǎn)化CO2可實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用。電解CO2制HCOOH的原理示意圖略。①寫出陰極CO2還原為HCOO-的電極反應(yīng)式：

____。②電解一段時(shí)間后，陽(yáng)極區(qū)的KHCO3溶液濃度降低，其原因是_________。

設(shè)計(jì)意圖：以電化學(xué)認(rèn)識(shí)模型為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問(wèn)題的角度和合理分析問(wèn)題的思路，從而建立解決電化學(xué)問(wèn)題的思維模型，并熟練應(yīng)用思維模型解決問(wèn)題。電化學(xué)思維模型的建立，不但有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，而且可以引導(dǎo)學(xué)生以此為基點(diǎn)，嘗試建立其他知識(shí)模塊的思維模型，如建立氧化還原反應(yīng)、化學(xué)平衡等知識(shí)模塊的經(jīng)典思維模型，進(jìn)而建立完整的思維模型體系，使學(xué)生解決化學(xué)問(wèn)題思路化，從而提高學(xué)科核心素養(yǎng)和探究能力。

（四）直擊實(shí)際問(wèn)題，物質(zhì)合成清晰化

通過(guò)以上教學(xué)過(guò)程，學(xué)生對(duì)不同電極上發(fā)生的反應(yīng)已具有較深入的理解。在實(shí)際問(wèn)題中，兩極反應(yīng)最終是如何合成目標(biāo)產(chǎn)物的是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

例題3：（2019·全國(guó)卷I）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖略。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（? ）

A.相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時(shí)還可提供電能

B.陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應(yīng)H2+2MV2+=2H++2MV+

C.正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3

D.電池工作時(shí)質(zhì)子通過(guò)交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)

設(shè)計(jì)意圖：將已建構(gòu)的電化學(xué)認(rèn)識(shí)模型和思維模型運(yùn)用于實(shí)際問(wèn)題——合成氨，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用電化學(xué)模型解決實(shí)際問(wèn)題的能力，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)電化學(xué)原理的理解與運(yùn)用，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生將此方法與傳統(tǒng)合成氨相比，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到電化學(xué)在物質(zhì)合成領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和前景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

（五）不忘社會(huì)責(zé)任，學(xué)習(xí)成果外顯化

在上述學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，注重課堂的延續(xù)性，研究課堂引入部分提出的過(guò)氧化氫的電化學(xué)合成。精選電解池原理（例題4）和原電池原理（例題5）合成過(guò)氧化氫的方法開展學(xué)生活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生多角度（反應(yīng)原理、反應(yīng)物、生產(chǎn)成本等）分析兩種方法的異同點(diǎn)。

例題4：（2020·山東卷）采用惰性電極，以去離子水和氧氣為原料通過(guò)電解法制備雙氧水的裝置如圖1所示。忽略溫度變化的影響，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（? ）

A.陽(yáng)極反應(yīng)為2H2O-4e-=4H++O2↑

B.電解過(guò)程中，H+由a極區(qū)向b極區(qū)遷移

C.電解一段時(shí)間后，陽(yáng)極室的pH未變

D.電解一段時(shí)間后，a極生成的O2與b極反應(yīng)的O2等量

例題5：汪淏田教授團(tuán)隊(duì)直接電化學(xué)合成過(guò)氧化氫的裝置如圖2所示，請(qǐng)仔細(xì)讀圖，寫出電極反應(yīng)和總反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)電解池和原電池原理合成過(guò)氧化氫的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的觀念和將化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)生活的意識(shí)。引導(dǎo)學(xué)生分析兩種合成方法的異同點(diǎn)，不僅能強(qiáng)化學(xué)生對(duì)原電池和電解池原理的辨析，更有助于學(xué)生形成節(jié)約生產(chǎn)成本、注重環(huán)境保護(hù)等理念，提高學(xué)生運(yùn)用科學(xué)理論分析相關(guān)化學(xué)問(wèn)題、權(quán)衡利弊、提出合理決策的能力，使學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任得到培養(yǎng)和發(fā)展。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課主要進(jìn)行電化學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)，將基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)化，通過(guò)建構(gòu)電化學(xué)思維模型，使學(xué)生分析問(wèn)題邏輯化，通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的探究實(shí)現(xiàn)理論模型與生產(chǎn)實(shí)際的銜接。整個(gè)教學(xué)過(guò)程不停留于電化學(xué)知識(shí)層面的復(fù)習(xí)，而是注重學(xué)生認(rèn)識(shí)模型和思維模型的建立，關(guān)注理論知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用，真正實(shí)現(xiàn)從“雙基”教學(xué)到“核心素養(yǎng)”教學(xué)的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：無(wú)錫市市北高級(jí)中學(xué)）

編輯：趙飛飛