基于思維建模的化學核心概念深度教學

黃一文

摘要：核心概念是化學的靈魂，是支撐化學知識的骨架。文章以“電解池”教學為例，對思維過程建立模型，使繁復的思維形態(tài)或方法外顯并簡約化，再運用這些思維模型以達到深度學習化學概念知識和解決化學實際問題的目的。

關鍵詞：思維建模;核心概念;教學設計;深度教學

文章編號：1008-0546（2019）12-0018-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.006

一、問題的提出

思維建模的概念最是由美國學者D·H·喬納森系統(tǒng)提出來的，他認為建模是一種建構性學習方式，深度學習的目標就是通過模型構建，讓學生思考視覺化，解決問題程序化，促進核心概念的轉變與發(fā)展模型，促進學生對知識的深層理解和靈活應用。化學建模教學包括幫助學生理解物質模型，形成思維模型，并在分析和解決問題時，隨著新問題的不斷出現，對原有的模型進行強化或修正，從而得到較完整的認知模型。高中化學學科核心素養(yǎng)中明確包含了模型認知能力，并要求能應用模型建構能力解決具體問題。本文以人教版選修4第四章第三節(jié)第1課時中“電解池”的教學為例，基于思維建模的化學核心概念深度教學進行一些教學實踐。

二、基于思維建模的核心概念內容和教學方法分析

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將“模型認知”作為化學核心素養(yǎng)的重要組成部分，在教學中要引導學生構建自己的知識體系和深度學習模式，構建思維模型，促進學生建模思維和建模能力的提升。電解原理部分包括的知識點有：電解的含義、電解過程中的能量轉化關系、電解池（電解池的構成、電解過程中粒子運動和變化），其中電解是核心概念。通過氯化銅具體的情境及實例，促進電解概念的構建及其原理、規(guī)律的理解;通過歸納總結，構建思維模型后，電解飽和食鹽水是電解知識及思維模型的遷移、鞏固和深化。最后運用思維模型分析陌生電解池的具體工作原理、產物和現象，解決自制消毒液、解決海水淡化實際問題，體會化學知識的應用價值，鞏固本節(jié)重點，起到承前啟后的作用。

根據本節(jié)課核心概念內容及教學方法，培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)，確定基于思維建模的教學目標如圖1所示。

三、基于思維建模的教學設計

本節(jié)課教學設計著重強化應用氧化還原理論分析實驗現象的微觀本質，以問題為抓手，通過思考討論、總結歸納、設計評價等項目任務，驅動學生積極主動參與到教學中，建立宏觀現象、微觀原因、符號表征之間的聯系，構建認識模型，自己梳理概念和原理，建構思維模型，能夠用思維模型及電解原理分析、解決具體問題。

1.創(chuàng)設情境、構建電解概念

[設問]按圖3連接好裝置，這與前面所學原電池裝置有何異同？會發(fā)生什么反應呢？

[設疑]問題能喚起思維，激發(fā)其內驅力，是保證學生深層次認知參與的核心。本節(jié)課設置了較多有梯度、有針對性、有啟發(fā)性、有創(chuàng)造性的問題，任務驅動積極參與學習過程，使學生進入問題探索者的角色，自主構建知識體系和思維模型，并在新情境中靈活運用，促進核心概念深度教學。

問題1：通電前，CuCl2溶液中存在哪些離子？你的依據是什么？

問題2：通電后，溶液中的離子的運動情況有什么改變？與同學交流，說說你的理由？

問題3：當離子定向移動到電極表面時，根據實驗現象如何寫出有關電極反應式？判斷發(fā)生了怎樣的反應？

問題4：構成電解池的條件是什么？

[投影]播放FLASH動畫課件，模擬電解CUEl2溶液的微觀運動及變化。

[講解]cuCl2在水溶液中完全電離生成cu²⁺和c1^-，通電前，Cu²⁺和Cl一在溶液里做無規(guī)則運動;通電后，在電場的作用下，帶負電的cr^-移向陽極，并失去電子被氧化成氯原子，進而結合成Cl2放出，帶正電的Cu²⁺移向陰極，并得到電子被還原成銅原子，覆蓋在陰極上。

[展示]學生書寫的電解CUEl2溶液的電極反應及化學反應方程式。

[構建電解概念]1.電解池的定義：電解池是將電能轉化為化學能的一個裝置（構成：外加電源、電解質溶液、陰陽電極），使電流通過電解質溶液或熔融電解質而在陰、陽兩極引起非自發(fā)的還原、氧化反應的過程。

設計意圖：本實驗是理解電解原理的突破口，也是本節(jié)核心概念教學的重心。為了促進電解、電解池等核心概念的深度教學，由學生探究電解氯化銅溶液的實驗現象，分析電解過程，歸納分析的方法，理解電解池宏觀現象背后的微觀原理，并能用化學用語進行表征，促進學生內化電解原理，引導思維模型構建。

2.歸納總結、思維建模

為了幫助學生建構電解池認識模型，形成系統(tǒng)的電解池知識體系，在學習中融會貫通電解池工作原理、掌握電極反應方程式的書寫等問題，可以構建起符合學生認知水平的“定微粒、定電極、定流向、定順序、巧用守恒（電子守恒、電荷守恒、原子守恒）”解題思維模型。

（1）“定微粒”。就是在方程式中先選擇好相應的微粒，根據其中元素化合價的變化判斷各物質發(fā)生反應的類型或根據各種離子得失電子的能力不同來定放電順序（“定順序”）。

（2）“定電極”。根據物質發(fā)生反應的類型標出電池工作時電子的流向和電流的流向，并根據電子或電流的流向確定電極的名稱。

（3）“定流向”。根據電子流向標出電解質溶液中陰、陽離子的運動方向。

（4）巧用守恒（電子守恒、電荷守恒、原子守恒）寫電極反應式及相關計算。

【定流向】電解池中電子及離子的移動方向：電源負極一電解池陰極一電解液中的陽離子移向陰極并得到電子被還原。電解池中陰離子移向陽極并失去電子被氧化一電解池陽極一電源正極

【定順序】由于各種離子得失電子的能力不同，因此，電解時離子放電要遵循強弱有序。

①陽離子放電能力與金屬活動性順序有關，越不活潑的金屬，其離子氧化性強越先得電子。

[板書]陽極（與正極相連）：氧化反應

若惰性電極陰離子放電：S^2->I^->Br^->CI^->OH^->含氧酸根>F^-

若活性電極：電極自身失電子

②陰離子放電能力與其還原性有關，離子的還原性越強越易先失電子。

[板書]陰極（與負極相連）：還原反應

陽離子放電：Ag⁺>Fe³⁺>Cu²⁺>H⁺>Fe²⁺>Zn²⁺>AI³⁺>Mg²⁺>Na⁺>Ca²⁺>K⁺

3.應用模型、拓展延伸

為了幫助學生理解并內化電解這個核心概念，教師通過創(chuàng)設問題情境，應用思維模型來探究、分析電解飽和食鹽水的產物，深度理解氯堿工業(yè)的生產原理。

[設疑]

問題1：兩電極上產生的氣體可能是什么物質？你的判斷依據是什么？如何檢驗生成的氣體？

問題2：如何利用思維模型，解釋有關現象？寫出相關的電極反應式和電解方程式

問題3：若溶液中Cl⁺全部轉化為Cl2逸出，此時溶液中大量存在的溶質微粒是什么？如何檢驗？

問題4：NaOH在哪極生成？如何從平衡及變化的觀點解釋？

問題5：這套裝置有什么不足？如何改進？

設計意圖：學生利用“定微粒、定電極、定流向、定順序、巧用守恒（電子守恒、電荷守恒、原子守恒）”解題思維模型及電解的原理不難進行類比遷移解析上述問題。師生共同總結，得出本裝置的不足：有毒的氯氣會擴散到空氣中，引起中毒;會與向陽極遷移的OH^-極產生的氫氣發(fā)生反應，降低“氯堿”的產量、可能發(fā)生爆炸。可以使用陽離子交換膜阻止OH^-向陽極遷移，將電解反應器中兩極產物分隔。

[展示]石棉隔膜法、離子膜法電解飽和食鹽水原理。

4.應用模型、學以致用

教師：科學技術的迅猛發(fā)展，使化學成為與人們生活息息相關的學科。每年都有多種與人們生活密切相關的化工產品問世。淘寶有賣一種能除菌消毒的“家庭衛(wèi)士”，請看產品的介紹圖片。

[設疑]預測這種產品用除菌消毒是應用了什么化學原理？能不能通過所學過電解原理設計一種類似的簡易裝置呢？

[師生互動]學生討論設計實驗方案，交流評價最佳方案，并指導學生實施。

[作品展示]

[釋疑]共同分析簡易裝置的電解原理。

[設疑]本裝置還存在的安全隱患是什么？使用需要注意什么？

[交流討論]陰極產生的H2從上方導管口出來，易燃易爆，要避免明火以防火災爆炸事故。

[拓展遷移]某地海水中主要離子的含量如表2。現利用“電滲析法”進行淡化，技術原理如圖9所示（兩端為惰性電極，陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過）。下列有關說法錯誤的是

A.甲室的電極反應式為：2Cl^--2e^-=Cl2↑

B.淡化過程中易在戊室形成水垢

C.L室和丁室中部分離子的濃度增大，淡水的出口為b

D.當戊室收集到22.4L（標準狀況）氣體時，通過甲室陽膜的離子的物質的量一定為2mol

[交流討論]“電滲析法”進行海水淡化的原理。

設計意圖：目的在于讓學生在陌生情境中利用任務驅動，師生、生生間的交流討論、評價方案等活動，并利用思維模型將所學電解原理、電極反應、離子移向、離子反應等知識綜合起來解決實際問題，思維過程外顯并產生激烈碰撞，幫助學生內化電解有關概念、原理，自主構建電解概念體系，提升學生的科學探究意識和創(chuàng)新精神。

5.點撥提升、構建體系

（1）電解：使電流通過電解質而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程叫電解。

（2）電解池的原理;構成電解池的條件：直流電源，兩個與直流電源連接的電極（陰極、陽極），電解質溶液。

（3）電能和化學能之間相互轉化的規(guī)律：原電池——化學能轉化為電能，氧化還原反應自發(fā)進行;電解池——電能轉化為化學能，氧化還原反應非自發(fā)進行。

（4）思維建模：“定微粒、定電極、定流向、定順序、巧用守恒（電子守恒、電荷守恒、原子守恒）”解題思維模型。

設計意圖：設計知識點回歸操作，意在引導學生歸納、構建電解池的知識系統(tǒng)及思維建模，幫助學生梳理概念和原理。

四、結語

電解是高中化學的核心知識之一，概念、原理集中，情境陌生且注重模型構建，較為抽象，是學習的難點。以往的教學中往往過多關注電極反應的書寫、離子放電順序等知識的識記，而未引導學生形成分析和解決相關問題的思路與方法。本節(jié)課圍繞模型建構培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)進行教學設計，有助于了解不同學習能力的學生在化學核心概念學習中思維建模的差異，構建通過提高思維建模能力，增強學生學習核心概念能力的學習模式，也為化學核心概念學習狀況和效果的反饋和檢測提供新的手段。借助化學教學中核心概念的思維建模，在教學中建立宏觀現象、微觀原因、符號表征之間的聯系，構建思維模型，就能幫助學生梳理概念和原理，實現知識從無序到有序。