基于模型認知的高中化學復習教學實踐與探索
——以“電化學三個基礎考點的復習”教學為例

廣西師范大學附屬中學（541213）劉達富

一、問題的提出

高考是選拔性考試，能力考查是高考永恒的主題。認真分析高考試題不難發現，無論是全國卷還是地方卷，在突出學科核心素養考查和選拔性功能的同時，保持了基礎性、穩定性和能力性的特點，一些典型的基礎性試題更是頻繁出現在高考試題中，年年考查但常考常新。針對這些高考化學的典型試題，如何讓學生能夠快速并正確規范地答題，是每一位高中化學教師需要思考的問題。在一些高三復習教學中，囿于復習方式方法的陳舊以及個人能力不足或是對復習教學的不重視，教師多是就題論題，對知識和解題方法沒有拓展和延伸，也沒有歸納和總結。這樣的復習教學帶來的后果是學生在課堂上似乎聽懂了，也掌握了知識，但當問題稍作變通就不會應對了，學生不能形成良好的認知結構，學科核心素養也得不到發展。

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》在描述化學學科核心素養時指出：“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，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。”“能運用多種認知模型來描述和解釋物質的結構、性質和變化，預測物質及其變化的可能結果；能依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題思維框架。”［1］本教學研究正是基于模型認知建構問題解決模型，旨在幫助學生對“大概念”建立系統認識，發展學生的系統思維，更好地提升學生的化學認知水平。只有在復習教學中積極引導學生建構問題解決模型，使學生掌握的知識系統化、條理化，并相互關聯形成有機整體，才能提升學生在新情境中的知識遷移能力。因此，教師在高中化學復習教學中要高度重視典型試題的答題建模，充分認識答題建模對于發展學生化學學科核心素養的重要性。

本文以“電化學三個基礎考點的復習”教學為例，探討如何基于典型高考試題進行答題建模教學設計并加以實施。

二、電化學的定位、考查方式

（一）電化學在課程標準中的定位

在高中化學中，“電化學”的有關內容主要分布在必修課程主題3“物質結構基礎與化學反應規律”［2］和選擇性必修課程模塊1“化學反應原理”［3］。必修課程主題3 只簡單要求“以原電池為例認識化學能可以轉化為電能，并能從氧化還原反應角度初步認識原電池的工作原理”。選擇性必修課程模塊1 中的主題1“化學反應與能量”是對必修課程相應內容的深化與拓展。《普通高中化學課程標準（2017年版2020 年修訂）》要求：“認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。了解原電池及常見化學電源的工作原理。了解電解池的工作原理，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用。”［1］選擇性必修課程是升學考試要求選擇修習的課程，因此高三復習教學目標的制訂應基于課程標準對“選擇性必修”的要求之上。

（二）電化學在高考中的考查方式

有關“電化學”方面的考題是現行高考中的高頻題型，即典型題。高考試題中關于“電化學”的考查主要有如下幾個方面：原電池和電解池的構成、電子（流）和離子的運動方向、電極的判斷、電極上的反應類型判斷、電解質溶液組成變化判斷、電極方程式和電池總方程式的書寫、簡單的原電池與電解池的設計、二次電池和新型電池的認識與應用、電解的應用和簡單計算、電解的規律和離子交換膜的作用等。試題呈現的方式多為選擇題或填空題。

三、本教學研究的根本任務

高中化學中的“電化學”內容從必修課程螺旋式上升至選擇性必修課程，涉及各類判斷、各種書寫、設計應用和簡單計算，概念多、規律復雜，且原電池與電解池的工作原理容易相互混淆。學生要理解電化學核心知識的內涵，就應圍繞核心知識建立知識體系，形成系統的認知模型。設計基于學生模型認知核心素養的典型題答題建模教學可提高課堂教學的有效性，發展學生的學科核心素養。因此，本教學研究的根本任務是：（1）構建電化學各概念之間相互關系的認知模型和書寫電極方程式的方法模型；（2）通過電化學典型題的答題建模進一步發展學生的模型認知核心素養；（3）設計與實施基于模型認知的電化學典型題答題建模教學，并檢驗應用模型解題的效果。

四、教學設計

（一）教學流程

根據上述教學任務設計如下教學流程（見表1）。

表1 教學流程

續表

（二）建構認知模型

電化學裝置是建立在氧化還原反應基礎上的能量轉換裝置，其中有很多概念之間看似相互矛盾，實則相互依存、互有聯系。因此，首先建構概念之間相互聯系的認知模型，有助于學生理解電化學裝置的工作原理，提高學生的解題能力。圖1 把電化學的兩個分支“原電池”和“電解池”總結在一個模型圖中，按照“離子流向→電極名稱→反應物質→電子得失→反應類型→電極產物”的順序連成兩條概念關系鏈，幫助學生建立概念之間的系統認識。該模型（模型1）不僅體現了概念之間的關系，還有助于電極方程式的書寫：負極（陽極）的電極方程式是“還原劑”與“氧化產物”之間的相互轉化關系；正極（陰極）的電極方程式是“氧化劑”與“還原產物”之間的相互轉化關系，只要找到相應物質，再結合有關信息配平就能得出電極方程式。

圖1 電化學裝置工作原理認知模型

對于可充電的二次電池，其充電與放電時電極反應之間存在的相互關系如圖2 所示（二次電池電極反應關系模型，即模型2）。二次電池放電時負極反應與充電時的陰極反應雖然不是可逆反應，但兩反應式互為“可逆”，由此可快速書寫電極方程式和總方程式，強化學生對電極方程式的書寫能力。

圖2 二次電池電極反應關系模型

五、教學過程

［展示高考題］請看學案，電化學裝置圖及相關信息如下：

（1）（2020 年高考全國Ⅰ卷第12 題改編）圖3為一種新型Zn?CO2水介質電池，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸。

圖3 Zn-CO2水介質電池

（2）（2021 年高考全國甲卷第13 題改編）圖4為合成乙醛酸電化學裝置，圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH?，并在直流電場的作用下分別向兩極遷移。

圖4 合成乙醛酸的電化學裝置

（3）（2018 年高考全國Ⅲ卷第11 題改編）圖5為一種可充電鋰?空氣電池，當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2?x（x=0或1）。

圖5 可充電鋰-空氣電池

教師：這些是高考中常見的電化學考題的部分題干。題中提到的裝置各屬于電化學中的哪一類裝置？各電極名稱是什么？涉及哪些電化學原理？如何書寫電極方程式和總方程式？

學生讀題析圖，相互分析、討論和交流。

設計意圖：開門見山，直奔復習主題；通過高考真題創設問題情境，激發學生的學習興趣和欲望。

［復習任務1］電化學裝置類型和電極的判斷。

教師：上述考題中的各裝置分別屬于原電池和電解池中的哪一類？

學生：圖3和圖5屬于原電池，圖4屬于電解池。

教師：圖3和圖5屬于一次電池還是二次電池？圖4為什么是電解池？

學生：圖3和圖5都屬于二次電池；圖4有外接電源，因此是電解池。

教師：如果圖4 中沒有外接電源，會構成原電池嗎？

學生：不會，因為相關反應不能自發進行。

教師：判斷電化學裝置類型的依據還有什么？兩類裝置有什么共同點和不同點？類比圖1 和圖2，你能否以電池構成特點為基礎建構判斷電化學裝置類型的認知模型，以便于理解和記憶呢？

學生小組討論分析，建構判斷電化學裝置類型的認知模型（見圖6）。

圖6 判斷電化學裝置類型的認知模型

教師：根據圖1 的認知模型，能得出電化學裝置中各電極材料與電極名稱有怎樣的對應關系？

學生：由圖1 的認知模型和圖2 的關系模型可知發生氧化反應的電極為負極或陽極，由此得出圖3 中的鋅電極和圖5 中的鋰電極放電時為負極（充電時為陰極），圖4 中的石墨電極為陽極；同時可知發生還原反應的電極為正極或陰極，由此得出圖3中的選擇性催化材料和圖5 中的多孔碳材料放電時為正極（充電時為陽極），圖4 中的鉛電極為陰極。

教師：請大家根據討論填寫學案上的裝置類型與電極材料表。

學生填寫學案上的裝置類型與電極材料表。

教師展示部分學生的填寫結果，指出存在的問題并展示正確答案（見表2）。

表2 裝置類型與電極材料

設計意圖：通過對高考真題中的電化學裝置圖的分析，讓學生應用認知模型來快速判斷電化學裝置中的電極，體會認知模型的重要性，強化認知模型在解題中的應用；創設思維活動，讓學生自己建構判斷電化學裝置類型的認知模型，培養學生的模型認知核心素養。

教師：你能判斷圖7 裝置的類型和說出各電極的名稱嗎？

圖7 電化學裝置圖

學生：根據圖6 的認知模型中“有自發進行的氧化還原反應”可知，裝置的前兩個部分構成了帶鹽橋的原電池，最后的部分為電解池；Al 電極為負極，Cu電極從左到右分別為正極、陽極、陰極。

教師：如果把“雙液”原電池中的“鹽橋”換成“鋁條”，又該如何判斷？

學生：中間部分為原電池，另兩個部分構成電解池；整套裝置從左到右電極分別為陽極、陰極、負極、正極、陽極、陰極。

設計意圖：對于沒有明顯外接電源的串聯裝置，必須綜合分析找出電源，才能判斷其裝置類型并確定電極名稱。讓學生在應用中熟練掌握認知模型并進一步強化模型的應用。

［復習任務2］電化學裝置的工作原理。

電化學裝置的工作原理涉及電子的流向、電流的流向、陰陽離子的運動方向和各電極的反應類型等。對于如何快速做出正確判斷，建構認知模型是解決這一問題的有效方法。

教師：電化學裝置的工作原理如何？各微粒的運動方向怎樣？各電極上的反應類型是什么？請根據圖1 的認知模型填寫學案上的電化學裝置的工作原理表。

學生分組討論，填寫學案上的電化學裝置的工作原理表并展示填寫結果（見表3）。

表3 電化學裝置的工作原理

教師：請根據認知模型和所填表格，小結電化學裝置的工作原理。

學生1：外電路中電子的流動方向與電流的方向相反。

學生2：電解質溶液中陽離子移向正極或陰極，陰離子移向負極或陽極。

學生3：電子只走外電路，離子只在內電路遷移。

學生4：氧化性強的微粒在正極或陰極獲得電子，生成還原產物；還原性強的物質在負極或陽極失去電子，生成氧化產物。

設計意圖：通過討論交流和表格填寫，使學生對電化學裝置的工作原理有更深入的理解，厘清電化學原理中各概念之間的相互關系。

［復習任務3］電極方程式和電池總方程式的書寫。

教師：知道了各電極上發生反應的物質，那電極方程式和電池總方程式該如何書寫呢？

學生分組討論，填寫學案上的電極方程式和電池總方程式表并展示填寫結果（見表4）。

表4 電極方程式和電池總方程式

教師：大家是如何快速書寫電極方程式和電池總方程式的？

學生1：負極（陽極）的電極方程式是“還原劑”與“氧化產物”之間的相互轉化關系；正極（陰極）的電極方程式是“氧化劑”與“還原產物”之間的相互轉化關系，只要找到相應物質，再結合有關信息配平就可得出電極方程式。

學生2：根據電子得失守恒、電荷守恒、元素守恒和電解質環境等綜合因素進行配平。

學生3：電池總方程式可根據負極（陽極）的電極方程式與正極（陰極）的電極方程式在電子得失數相等的情況下相加得到。

教師：根據“二次電池電極反應關系模型”可以更加快速地書寫充放電時的電極方程式和電池總方程式，由例題中圖5 在充放電時的電極方程式和總方程式可得出什么？

學生4：負極與陰極互為“可逆”，正極與陽極互為“可逆”，充電與放電的總反應也互為“可逆”，與模型描述的一致。

教師：再看看大家所寫的例題中圖3 在充放電時的電極方程式和總方程式，從中可發現什么？

學生5：負極與陰極互為“可逆”，正極與陽極、充放電時的總反應不再互為“可逆”。

學生6：例題圖3 中選擇性催化材料電極上放電時是CO2變為HCOOH，充電時是H2O 變為O2，這是實驗事實，我們必須尊重實驗事實。

教師：這說明我們建立的認知模型存在不完善的地方，它適用于大部分的二次電池電極方程式的快速書寫，但特殊情況下必須尊重實驗事實。

設計意圖：通過電極方程式和電池總方程式的書寫，使學生掌握書寫電化學方程式的步驟、配平的方法和書寫過程中的注意事項，特別要強化學生應用模型快速書寫電極方程式和電池總方程式的思維認知，提高學生的解題能力。

［課堂小結］歸納小結所學內容（見圖8）。

圖8 課堂小結

六、教學反思

高三復習教學不同于新課教學，其目的在于讓學生鞏固知識、掌握方法和提升能力。本教學設計立足于高三化學復習教學，以高考真題為情境素材，聚焦高考真題的三大基礎考點來創設學習任務，通過歸納、小結和提煉，在鞏固學生基礎知識的同時引導學生建構認知模型，使學生對知識的結構和問題的本質產生深刻認識，形成分析問題和解決問題的思維模型。

本教學設計中的三大復習任務是電化學中最為基礎的內容，也是最常見的考點。教學中系列問題逐級遞進，為模型的建構和應用搭建了較好的平臺，而模型的建構和應用有力地促進了學生認知思維模式的形成，提升了學生的模型認知核心素養。整個教學過程充分尊重學生的主體地位，學生參與度高；不僅教會學生化學學習的方法，還培養了學生的關鍵能力。

當然，本教學設計還有需要進一步改進的地方。一是可以嘗試完全由學生自己建構模型。如果在典型題的解題過程中完全由學生自己提煉和建構解題思維模型，也許教學效果會更好。二是試題設計的設問深度或真題變式廣度有待進一步提高，以便強化優秀生的思維訓練。如對高考真題情境素材進行改編，融入更多的新型電池、特殊電池和電解池，以提高試題的靈活性和深廣度。三是模型的建構需要完善，題后小結與診斷還有待進一步加強。這些將在后續教學中不斷地改進和完善。