基于模型認知的高三電化學復習課

◇ 北京 李書霞

1 教學背景

化學學科核心素養包含“證據推理與模型認知”這一內容,在解讀中提到“可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及相互關系,建立認知模型,并能運用模型解釋化學現象,揭示現象的本質和規律”.基于高中化學核心素養的“模型認知”,是引導高中生有效解決化學問題的思維機制,從屬于科學思維方法,具有一定的抽象性.該能力建立在證據推理的基礎之上,建構模型的路徑一般為:獲取學科知識→習得學習方法→建構思維模型.

其實,學生在學習中始終會伴隨著對某種方法和模型的應用,只不過自己沒有明確意識到這一點而已,但是能否建立系統完善的模型以及熟練應用模型解決問題,在很大程度上影響著學生的學習效率和效果.所以教師要引領學生有意識地進行模型認知,協助學生將零散的知識和要素關聯起來,建構有序的思維模型,從而厘清解決問題的程序和脈絡,為應對復雜、陌生的變式難題奠定基礎,找到方法.筆者在高三一輪復習階段有意識地利用“模型認知”的教學模式設計和實施了電化學專題的復習,歷時兩節課,收到了良好的教學效果.

2 教學設計與實施

2.1 依據教學內容和學情確定教學目標

1)內容分析

電化學是研究電能與化學能之間互相轉化以及轉化過程中相關規律的科學.電化學工作原理是化學反應原理的重要組成部分,對學生的邏輯思維能力要求比較高.這部分內容也是高考中的高頻考點,常考常新,通常會選取與生產生活實際相關的素材作為背景,且能夠和其他板塊如實驗探究、元素化合物、工業流程等內容實現跨主題融合.題目的呈現形式多樣化,陌生度和難度均比較高,可以充分體現“能力立意”的高考命題思想.

2)學情分析

學生通過高一高二的新課學習已經掌握了電化學的基礎知識,體驗了化學能與電能相互轉化的過程,了解了常見原電池和電解池的工作原理,可以寫出簡單電池的電極反應和總反應方程式.然而,之前的學習因課時和學生認知水平所限,一般只要求理解常見原電池的構成要素和工作原理,學生接觸到的復雜又綜合的電池類型較少,對電化學裝置和原理存在較多迷思概念,在面對陌生的電化學問題時缺乏系統有序的分析思路,只能回答一部分最基礎的問題.所以,進入高三后的一輪復習,教師要引導學生從熟悉的電化學案例入手,基于整體分析,將各個要素有機關聯,從裝置和原理兩個角度提煉出認知模型,再設置一些變式訓練,比如改變反應類型、電極材料、電解質溶液、離子導體等要素,提升多角度系統微觀動態分析電化學問題的能力.

3)教學目標

a)通過對典型電化學案例的再回顧,加深對電化學原理和本質的理解.

b)通過整體分析原電池和電解池的構成要素,建構電化學的認知模型并對模型進行優化.

c)通過對變式電池的系統分析及設計,學會應用認知模型分析和解決復雜的電化學問題.

2.2 基于模型認知的教學活動設計與實施

教學設計主要分為圖1所示的3個環節.

圖1

環節1電化學認知模型的建構

【教學活動1】分析3個典型的原電池和電解池案例,繪制原電池和電解池的工作原理示意圖,包含:構成要素及功能;微粒的變化和移動方向.

【原電池案例】原理示意圖如圖2所示.

圖2

【電解池案例】原理示意圖如圖3所示.

【設計意圖】從回顧舊知出發,讓學生在熟悉的情境下重溫原電池和電解池的工作原理,案例雖然熟悉,但是類型有所區別,旨在引導學生從氧化還原本質上理解電化學過程,透過現象追溯本質,尋找共性,真正提取到原電池和電解質的構成要素,具有廣泛代表性,而不是基于某一特例.

圖3

【效果反饋】大部分學生能從電極名稱、電極反應、電荷移動方向等角度展開分析(如圖4),但對裝置要素中的電極、導線、電解質的本質功能認識不足,對溶解在溶液中的氧氣作為電極反應物尚有疑惑,對原電池和電解池存在的共性有了一定認識.在師生一起交流和思想碰撞中分別提取出兩類電池的構成要素(如圖5所示).

圖4

圖5

【教學活動2】分析兩類電池構成要素和工作原理的異同,提取原電池和電解池的共同構成要素,用圖示表達.

【設計意圖】從裝置和原理兩個角度引導學生提煉原電池和電解池的共同要素及功能,與學生一起建構分析電化學體系的系統模型,獲取統一認識電化學體系的思路方法.

【課堂效果】在上一環節中,學生在繪制兩種電池構成時已經發現了二者的相通之處,所以就有意識地匯總到了一副圖示中,為了將電極反應更加明確和凸顯,在教師引導下強化了原理部分的要素(如兩極得失電子的氧化還原反應),得到了如圖6所示認知模型.

圖6

環節2電化學認知模型的優化

【教學活動】思考兩個問題:① 在Zn－Cu－Cu SO4原電池體系中,隨著反應的進行,鋅電極上附著一層紅色物質,電流迅速衰減,溶液溫度明顯上升,其原因是什么?如何避免?②在氯堿工業中,為了防止兩極產物Cl2與燒堿反應影響Na OH純度,要如何改進裝置?根據學生的回答展示單液原電池和雙液原電池,展示電解飽和食鹽水的電解池和電解槽,再對比分析,如圖7所示.

圖7

【設計意圖】通過以上兩種變式的對比分析,重溫鹽橋和離子交換膜在電池中的作用,參透其離子導體的本質,豐富學生對離子導體的認識,將電化學認知模型進一步完善和優化.

圖8

【課堂效果】在問題驅動下,學生很快回憶起了雙液原電池的知識,對鹽橋能夠平衡電荷的功能也能理解,但是并不能認識到其離子導體的本質,需要教師啟發;對電解槽中離子交換膜的認識比鹽橋要淺薄一些,也需要教師提示.針對承載特殊功能的離子導體,有必要在原有模型的基礎上進行補充,加入鹽橋或離子交換膜(如圖8),實現模型的優化.

環節3應用電化學認知模型解決實際問題

在這個環節中,要精心選取一些不同類型的電池,應用模型分析其工作原理或設計電池以達成目標,在變式訓練中打破思維定式,理清迷思概念,真正體會到認知模型的功能和價值.案例的選取盡可能貼近生產生活實際,在情感態度上體會化學在解決能源危機中的重要作用,贊賞化學對社會發展的重大貢獻.

【教學活動1】人工光合作用能夠借助太陽能,用CO2和H2O制備HCOOH(如圖9所示),請利用電化學認知模型分析其工作原理.

圖9

【設計意圖】這是一個非典型原電池的例子,利用光能驅動電化學反應,實現制備甲酸的目的.利用認知模型的原理要素進行分析最是適合,依據模型能夠迅速辨識兩極的反應類型.然而,此氧化還原反應對于學生來講是很陌生的,所以要總結依托模型分析電極反應的思路方法.

【課堂效果】將模型(圖8)和圖示(圖9)對照后,學生能很快推斷出催化劑a表面發生失電子的氧化反應,但是可能對甲酸中碳的化合價判斷有障礙,而且短時間內無法推測出另一種產物,所以問題的解決并不順暢.教師可以組織小組展開討論,提醒學生關注題干中“光合作用”這一關鍵詞.這兩個難點突破之后,學生便能對照模型比較完整地分析出此電池的工作原理.在教師給出高考試題中的四個選項進行正誤判斷時,學生能順利做出正確的選擇.

結合這個分析型任務,教師引導學生總結出分析電極反應的思路方法(如圖10),結合認知模型一起使用,以實現對陌生電池的系統整體分析,助力解決復雜綜合性問題.

圖10

【教學活動2】用圖11所示裝置可從海水(含Na HCO3)中提取CO2,請利用電化學認知模型分析其工作原理.

圖11

【設計意圖】這是一個電解池案例,從題干看并不涉及氧化還原反應,所以利用認知模型和思路方法進行分析時,要探查其裝置外形下的微觀反應本質,要特別關注電極反應后的離子遷移以及后續反應,有序且完整地揭示其工作原理.

【效果反饋】學生將模型和題給裝置對照后,能較快地判斷出a室發生了H2O失電子的氧化反應,得到O2和H＋,H＋通過陽離子膜進入b室與海水中的Na HCO3反應得到CO2,有一部分學生的分析就此止步了,所以不能很快回答出c室的產品是什么,教師要引導他們進行完整系統的分析,方可進一步推知,Na＋通過陽離子膜進入c室,與c室中水放電產生的OH－結合為Na OH.

【教學活動3】請根據Fe3＋＋Ag?Fe2＋＋Ag＋反應設計原電池,畫出示意圖并進行展示,說出設計思路,分析工作原理,并思考證明該反應為可逆反應的實驗方案.

【設計意圖】給出一個設計型任務,以檢驗學生對電化學本質的認識程度,在學生分享其作品后(如圖12),再展示高考題中的電池示意圖(如圖13),引導學生見識不同形式的鹽橋,認識到鹽橋為離子導體的本質,在驗證該反應為可逆反應的過程中,體會到濃度對物質氧化還原性強弱和平衡移動的影響,同時習得一種實驗探究的方法.

圖12

圖13

【效果反饋】在認知模型的指導下,學生較快繪制出了示意圖(圖12),也能完整描述其工作原理,但是在設計實驗證明其為可逆反應時,部分學生拋開電池去想別的方法,比如證明4種微粒都共存于同一體系中,或者在銀單質過量的情況下,依然能檢測到Fe3＋等,尚不能充分意識到電池的價值.然后教師提示“若采取措施后電流表指針能反方向偏轉,能說明什么?”學生方才意識到利用雙液原電池來驗證可逆反應是個特別好的方案.

【課后作業】展示一款生活中應用最廣泛的鋰離子電池(如圖14),結合圖示和工作原理編寫一道選擇題,課后交上來.

圖14

【設計意圖】以可充電的鋰離子電池為例,將原電池和電解池結合起來,讓學生站在出題者的角度看待電化學問題,并在命題時有意識地將認知模型和問題設置結合起來.

【效果反饋】從提交作業的情況來看,學生的思路很開闊,涉及的內容也比較豐富,如電池反應、電極反應、Co元素的化合價變化、離子和電子流向、充電時電源正負極與電池的連接方式等.總體來看都是比較常規的問題,但是在這一個過程中鍛煉了學生的自主性,加深了對反應原理及認知模型的印象,讓學生在充滿挑戰性和不確定性的思維活動中深入理解電化學的本質.

3 教學反思

在建構模型和應用模型的過程中,筆者發現此認知模型能切實幫助學生較快抓住電化學的關鍵構成要素,不至于見到“奇形怪狀”的電池時毫無頭緒,在應用中逐漸習得系統分析電化學工作原理的思路方法,能以此作為支點找到解決電化學問題的路徑,充實思維,提升能力.

電化學認知模型就像是支撐電化學的“骨架”,而化學反應與微粒行為則是用來充實骨架的“血肉”.在教學中我們會發現,學生掌握了“骨架”,但是仍然不能很好地解決問題,原因在于電化學依托的具體反應千變萬化,要想深入其中解決所有難題,僅有認知模型是不夠的,還要有扎實的知識基礎(元素化合物、離子反應、氧化還原反應等)作為支撐,在此基礎之上才能更好地應用模型解決問題,也才能體會到模型的好處.此外,教師要在教學過程中細心探查學生的最近發展區,找到普遍存在的迷思概念,組織課堂討論、精選變式練習,助力學生清除學習之路上的障礙.