基于模型建構的電化學單元教學策略

賀陽 許文新

摘要：基于模型建構的單元教學可實現電化學模塊的系統思維建構，通過化學電源的科學發展史認識電池的構成要素，建構原電池認識模型及電解池的認識模型，并統一電化學系統認知模型，尋找其共同的認識視角，將電化學的認識思路轉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。

關鍵詞：高中化學；電化學；單元教學；系統認知；模型建構

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聯，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，實現核心素養和能力的進階。

一、整合課標和教材，構建單元教學框架

《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“證據推理與模型認知”的素養水平4明確指出：能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析以建構相應的模型，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，探尋模型優化需要的證據[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在理解物質變化、理解能量轉化、促進學生發展和促進社會發展這四個方面。

電池的歷史沿革，不僅僅是技術和科學的發展，不斷對電池進行改良和創新，對發展學生“科學態度與社會責任”素養具有重要作用，學生在認識化學史的過程中逐步形成對科學本質的理解。結合新課標和教材安排，確定本單元大概念為電化學的本質為氧化還原反應，從能量變化和物質變化兩個角度引導學生認識化學能與電能相互轉化的意義。

二、任務進階，建立電化學系統認識模型

（一）完善原電池思維模型

化學電源的發展直觀體現了原電池認識模型的發展，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、電解質溶液、閉合回路、自發的氧化還原反應。但是由于部分化學能轉化為熱能，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、人造衛星，小至電腦、心臟起搏器等。它體積小、內阻小、電流大、產熱少。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生氧化反應，正極是氧化劑得電子發生還原反應（見圖1）。

（二）建構電解池思維模型

對比電解池和原電池，能量轉化方向與反應方向不同，電解池是電能轉化為化學能，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，發生氧化反應，陰極是得電子的場所，發生還原反應（見圖2）。

（三）統一電化學系統認識模型

原電池和電解池的構成要素相同：電子導體、離子導體、電極材料、電極反應。二者從本質上是統一的，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化為電化學問題解決的思路，是發展化學學科核心素養的重要途徑。如何運用系統分析法，高效找到切入系統的角度呢？可從題中獲取信息，包括物質變化、離子或電子移動、現象等。

（一）裝置維度———閉合回路

試題經?？疾殡娮雍碗x子的遷移方向，通過離子交換膜的離子數目等，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）。

本題是復雜的串聯電路問題。我們從裝置維度分析構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）：在傳統的電解氯化氫回收氯氣技術的基礎上，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：負極區的電極反應式為。

四、反思與評價

模型建構思想是突破復雜問題變為簡單問題的有效手段，在本單元的學習中，學生經歷了建構模型、完善模型、統一模型，并運用模型解釋現象的過程，最終揭示電化學知識的學科本質。例如：學生自主調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；能系統分析復雜電化學過程（電極反應、電解質溶液變化、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，注重聯系電化學原理在化學工藝、科技、生活中的應用，突出理論聯系實際的考核理念。

“模型認知”這一化學學科核心素養的培育不可能一蹴而就，需要在平時的教學中以典型教學內容為載體，幫助學生建立模型，并使模型認知內化到學生的知識體系中，發展化學學科思維能力。

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，2020：91.

[2] 王維臻，王磊，支瑤，等.電化學認識模型及其在高三原電池復習教學中的應用[J].化學教育，2014，35（1）.

課題項目：黑龍江省教育科學規劃辦專項重點課題“指向深度學習的單元教學設計實踐”（JYB1422295）

編輯/趙卓然