原理模型在高中電化學教學中的探索與實踐

王愛麗

摘 要：電化學知識是高中化學原理教學內容的重要組成部分，在生產生活中應用廣泛，也是近幾年高考的高頻考點.電化學知識涉及了眾多的化學原理，是學生學習過程中難度較大的一個部分.將電化學原理模型應用在高中化學原理教學中，對提高教學效率，提升學生思維能力，幫助學生有效解決電化學問題起著重要的作用.

關鍵詞：電化學;思維模型;有效教學;化學原理

一、提出問題

1.電化學知識的特點及地位

電化學知識是氧化還原反應知識的應用，是能量轉化的具體體現，是有關金屬性質和用途等教學內容的豐富和延伸.電化學知識在生產生活和科學研究中有著重要的應用價值.《高中新課程標準》及《高考考試大綱》中對電化學知識也提出了明確的要求，回顧近5年高考題，電化學知識無一例外地出現在全國各地高考理綜卷中，因此電化學知識在考試中也是相當重要的知識點，是學生必會的高頻考點.根據學習和考試的要求，學生需具備很強的分析和解決化學問題的能力，對學生的學習能力提出很高的要求.教材設計時將電化學知識分兩個階段完成，《化學2》中側重簡單原電池及電解池的工作原理，選修《化學反應原理》中側重在原理的深入理解及各種應用方面，分階段完成，降低學生學習的難度.

2.目前教學現狀

原電池原理教學時，教師們往往是從教材中“銅鋅原電池”實驗探究入手，觀察實驗現象并分析產生現象的原因，探究原電池構成的條件;借助“原電池的工作原理”微觀動畫分析原電池的工作原理.并在后面教學中列舉常見的化學電源，逐一分析每個電源的反應原理，寫出電極反應式.

電解池原理教學時，教師們常以電解氯化銅溶液為例，由電解氯化銅溶液實驗探究出發，分析裝置中得失電子情況，給出離子的放電順序，寫出裝置的反應，分析出裝置的工作原理.

以上常規教學方法沒有將新知識的關鍵點聯系起來，缺少原理、規律知識的總體構建，從而導致知識都是孤立的，很快會被遺忘，學生無法對知識深入地應用.

3.學生存在的問題

通過調查學生在學習電化學知識時存在的問題發現：大多學生過分受到“銅鋅原電池”影響，只能根據“活潑金屬做負極”來確定原電池的正負極;并且只能分析“有兩種活動性不同的金屬（或石墨）作電極”的原電池裝置;對于電解池裝置，學生只能分析惰性電極電解CuCl2溶液這樣“電解質被電解”的裝置，不能理解電解池裝置的反應原理;有些學生只局限于掌握老師講過的化學電源或電解池，在遇到陌生情境下的電化學裝置時：如有交換膜的電解池、新型的化學電源等，就無法理解其構造及原理;部分學生會依靠“陽氧陰還、負氧正還”等口訣判斷電極、分析原理、解決問題，造成混淆和誤判.

二、電化學原理模型在教學中的實際應用

建構解決復雜化學問題的思維模型是化學學習和化學研究中必不可少的方法.“化學核心素養‘模型認知要求學生通過認知研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立模型;運用模型解釋化學現象、揭示現象的本質和規律，屬于高階思維和深度學習的范疇[1].”在電化學教學中，筆者嘗試建構電化學原理模型——從數種熟悉的事實出發，經過類比推理，舍去次要的細節材料，找出主要的構成要素，突出主要特征，確立相互關系而建構的一種原理模型[2].

1.初試鋒芒，開“模型”之旅

基于以上的思路，在《化學2》“原電池及電解池”教學時初步建構簡單的原電池及電解池原理模型.

教學設計如下：

環節一：[引入新課]展示一系列電池的圖片及學生課前收集的電池，提出問題：

（1）這些電池是如何發電的？

（2）哪些化學反應可以產生電流，能將化學能轉化為電能？

驅動性問題創設，讓學生認識到氧化還原反應可以產生電流，可以將化學能轉化為電能;

環節二：[學生實驗]鋅片插入到稀硫酸中，鋅板用導線接電流計.學生通過觀察現象：無電流;分析原因：沒有形成閉合回路;推理出化學能轉化為電能的條件是氧化還原反應發生在特定的裝置中.

環節三：[演示實驗]圖1

觀察實驗現象——分析原因，在分析裝置原理的過程中形成如下圖2：

環節四：提供更多簡單原電池裝置，如：Fe-Cu-CuSO4溶液原電池，水果電池，簡易燃料電池等，學生畫圖分析所列原電池裝置的原理.（學生畫出的圖與圖2相同）

教師解釋說明：眾多化學電源，所用的電極材料可能不同，電解質溶液可能不同，電源發生的反應也可能更復雜，但舍去這些問題，構成原電池的三個主要要素都相同，即正極、負極、電解質溶液，其中電子的移動方向與陰離子的移動方向相同，進而確定三要素之間的關系，得出原電池的原理模型如上圖2.

模擬以上原電池原理模型教學設計環節，建構如下圖3電解池的原理模型.

2.精益求精，創“模型”之優

學生在經過《化學2》的學習和大量的練習后已經儲備了相應的電化學知識，能夠運用電化學原理模型解決簡單的電化學問題.《化學反應原理》中為解決“普通銅鋅原電池”放電的可持續性差，且存在能量損失的問題，又出現了“雙液鋅銅原電池”，中間用鹽橋連接，不僅能連通內電路，形成閉合回路，還能平衡電荷，保持溶液的電中性.這樣“雙液原電池”能量轉化率高，能提供持續穩定的電流.實驗室做實驗研究時可以使用“雙液原電池”，但是生產生活實際中，“雙液原電池”因含有鹽橋造成攜帶不方便等因素，于是又出現了各種“交換膜電池”.在對這三種電池的工作原理理解的基礎上，對《化學2》提出的電化學原理模型進行相應的補充和完善.如下圖4、圖5：

3.出神入化，享“模型”之樂

科技日新月異，電化學知識有著廣闊的發展前景，這部分知識越來越生活化，情景越來越復雜，學生在應用時往往瞻前顧后、顧此失彼.應用建構的電化學原理模型解決問題，可以將重點知識系統化、抽象問題直觀化、復雜問題簡單化，有效幫助學生掌握和應用電化學知識.

（1）重點知識系統化

原電池、電解池知識涉及眾多的化學原理，學生往往被動接受，機械記憶，知識體系零散，容易混淆.建構了電化學原理模型，將電化學重點知識在模型中一一體現，例如原電池、電解池構成的主要要素，電極得失電子的情況及反應的類型，溶液中陰陽離子的移動等.學生腦海中形成這樣一個系統有序的認知模型，便于學生深度理解電化學的原理，幫助學生消化吸收重點知識.

（2）抽象問題直觀化

電化學知識中有像簡單原電池、化學電源、電解池等這些直觀知識，這些知識都能讓學生直觀感受到電流產生或電流應用，直觀理解電化學的工作原理.但也有很多抽象的電化學知識，例如金屬鐵的吸氧腐蝕，學生看到的只是鐵的銹蝕，很難感受電化學原理呈現其中.這時候可以利用原理模型，將鐵生銹的知識轉化成微小的原電池問題，引導學生發現：生活中的鐵含有碳，鐵變為鐵銹，Fe失電子，作為原電池的負極，鐵生銹需要氧氣，O2得電子成OH-，在正極（碳）反應，提煉出原電池的原理模型.將看似抽象的、與電化學無關的腐蝕知識轉化為直觀的原電池原理問題，幫助學生更好地理解金屬的電化學腐蝕問題.

（3）復雜問題簡單化

電化學原理模型不僅可以解決電化學知識中的簡單問題，對于生活中各種復雜的化學電源，也可以嘗試運用原理模型化繁為簡.

例 （2015·新課標Ⅰ卷11題）微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉化為電能的裝置，其工作原理如圖6所示.下列有關微生物電池的說法錯誤的是（ ?）

A.正極反應中有CO2生成

B.微生物促進了反應中電子的轉移

C.質子通過交換膜從負極區移向正極區

D.電池總反應為C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O

學生從題目所給信息提取判斷出O2得電子在正極反應，而C6H12O6在負極反應產生CO2，提煉出原電池模型的主要要素，將此復雜問題簡化成原理模型，明確該裝置的工作原理，便能快速地解答此題.

可見，在復雜、抽象、綜合性比較強的電化學知識中應用了原理模型后，學生可以非常直觀地理解，并且可以舉一反三，樂在其中.

三、教學效果與建議

筆者在所教的班級中開展試驗，其中一個班級（非試驗班）用常規的電化學教學方式，另外一個班級（試驗班）用建構電化學原理模型的方式開展教學.

1.問卷調查

在高一《必修2》建構原電池原理模型課后，對兩個班級學生進行了問卷調查：

問卷調查表（單選題）

（1）對于《化學能與電能轉化——原電池》這節內容，你的聽課效果如何（ ）

A.當堂聽懂，掌握內容80%-100%

B.能聽懂，掌握內容60-80%

C.聽懂的內容較少，掌握內容50%以下

（2）對于本節課教師的整體教學思路，你的評價是（ ）

A.思路很清晰 B.思路較清晰

C.一般D.思路混亂

（3）對于課堂上同學們的發言表現，你的評價是（ ）

A.很積極 B.較積極

C.一般 ?D.毫無反應

（4）對于本節課的授課方式，你的感覺是（ ）

A.容易接受B.一般 C.很難接受

（5）通過本節課的學習，在后續關于原電池知識的解題中能力是否得到提高（ ）

A.很大B.一般C.幾乎沒有

（6）你希望化學老師課堂上多給予哪方面的指導（ ）

A.學習興趣 B. 學科知識

C.學習觀念、態度 D.方法技巧

調查結果見圖7、圖8：

調查結果顯示：教學中應用建構電化學原理模型，學生更容易聽懂并掌握，很大程度調動了學生上課的積極性，對學生給予了很好的方法技巧指導，學生在后續應對復雜的電化學問題時，解決問題的能力有所提高，解決問題的方向也更明確.

2.教學效果

該年級學生參加2017年4月高三福建省質檢，兩個班級成績對比分析如下.

表1列出了筆者試驗的兩個班級理綜卷化學選擇題的得分情況，其中第12題是電化學題，從數據分析看：其他選擇題兩個班級得分情況不相上下，而試驗班級的電化學題（第12題）得分率明顯高于非試驗班級.

3.教學建議

當然該表格所列數據存在一定的偶然性和客觀性，不一定能完全說明電化學原理模型教學的絕對有效性，并且應用原理模型也并不是毫無缺點，它可能會影響部分學生的發散思維.所以建議教師們在教學時要根據自己學生的特點，因材施教，取其精華，教出自己的風格.

總之，在筆者研究的過程中，體會到運用電化學原理模型教學，能改變學生對電化學知識的認知方式，提高了解決實際問題的能力.原理模型教學，在今后的其他原理教學中也會有很有效的作用，期望更多的教師和學者在今后的教學和實踐中探索發現.

參考文獻：

[1] 解慕宗，林建芬，寇輝.基于模型認知的高三化學深度復習研究——以二輪專題復習“反應原理圖像題”為例[J].中學化學教學參考，2017（10）：25-28.

[2]吳克勇，蔡子華.模型認知釋讀[J].中學化學教學參考，2017（9）：11-14.