基于化學學科核心素養的高三電化學復習教學研究

邵倩

高三作為學生高中生涯的最后一年，也是學生核心素養培養和發展的重要一年。高三教學需要一線教師進行深入的研究，努力擺脫以“解題”為主的傳統高三復習模式，尋求能使學生核心素養得以提高和升華的教學方式。

2014年教育部印發《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》，其中首次提出“教育部將組織研究提出各學段學生發展核心素養體系，明確學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力”。高中化學學科核心素養是學生核心素養的重要組成部分，是學生在化學認知活動中發展起來并在解決與化學相關問題中表現出來的關鍵素養，反映學生從化學視角認識客觀事物的方式與結果的水平。化學學科核心素養包含“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“實驗探究與創新意識”“科學精神與社會責任”五個方面，充分體現了化學學科的獨特性，凸顯了化學是從微觀層面認識物質、以符號形式描述物質、在不同層面創造物質的特征。

電化學作為化學學科的重要分支，在化學電源、物質合成等領域具有非常廣泛的應用。電化學知識作為培養學生化學學科核心素養的重要載體，得到了國內學者和一線教師的關注。王秀紅等圍繞“小車為什么會跑起來”的真實問題，利用銅-鋅原電池驅動小車的實驗現象，引導學生分析原電池的工作原理，探究原電池的構成條件。徐健將單元教學設計作為學科核心素養有效落實的著力點，以“電解池的工作原理和應用”為例，設計單元教學設計思路，實踐并反思單元教學設計的幾個環節。目前的研究成果大多致力于新授課的教學，關于電化學復習課的研究尚少。經過高一、高二兩年的化學學習，學生的化學學科核心素養已經得到了一定程度的培養，高三作為學生高中生涯的最后一年，也是關鍵一年，需要一線教師進行深入的教學研究，努力擺脫以解題為主的傳統高三復習模式，尋求能使學生核心素養得以提高和升華的教學方式。本文以“電化學原理在物質合成中的應用”教學設計為例，初探高三電化學復習課教學中學生化學學科核心素養的培養。

一、教學分析

電化學知識的學習較為抽象，且認知要求較高，學生在學習過程中會遇到一些問題和困難，如電極的判斷、外電路中的電子或者電流流向、內電路中陰陽離子的移動方向、電極反應式的書寫、原電池和電解池的混淆等。而隨著年級的升高和學習的深入，學生面對的不再是教材中的經典實例，如銅-鋅雙液原電池、電解飽和食鹽水等，而是一些更為復雜的實際問題，如甲酸燃料電池、電解法制備雙氧水等。學生基于死記硬背或者解題經驗很難解決實際生產生活中的問題，這就需要學生在電化學復習過程中尋找正確認識問題的角度和合理分析問題的思路，提高認知水平，發展核心素養。

二、設計思路

本節課電化學知識的復習旨在引導學生建立電化學的認識模型和思維模型，培養和發展學生的化學學科核心素養。電化學原理應用廣泛，案例繁多，為兼顧原電池原理和電解池原理的復習，加強兩部分內容間的辨析，本節課選取“電化學原理在物質合成中的應用”為主線開展電化學復習，重點是物質的電化學合成，從基本電極反應出發到物質的合成，優化學生活動，使學生知微知彰。精選電化學合成實例，如選擇美國萊斯大學汪淏田教授團隊利用固體電解質直接電化學合成質量分數可高達20%的H2O2溶液這一實例進行首尾呼應，注重教學過程的連續性和完整性，在引導學生形成解決電化學問題的認識角度和思維方法的同時，提升其化學學科核心素養。

三、教學過程

（一）引入

關于雙氧水，學生對其物理化學性質比較了解，但對其制備方法并不了解。目前主流制備過氧化氫的工藝是2-乙基蒽醌工藝。該工藝存在的最大問題在于：過氧化氫要集中化生產，為了盡可能降低存儲和運輸成本，會將過氧化氫溶液濃縮后進行存儲和運輸，而高濃度的過氧化氫會帶來嚴重的安全隱患。為解決這一問題，科學家進行了廣泛而深入的研究，如美國萊斯大學的汪淏田教授團隊利用固體電解質直接電化學合成質量分數可高達20%的H2O2溶液，引導學生思考過氧化氫的電化學合成，引出電化學原理在物質合成中的應用。

設計意圖：創設情境，拋出“過氧化氫的電化學合成”這一問題引發思考，激發學生興趣，為后續課程滲透化學學科核心素養做準備。

（二）建構認識模型，基礎知識結構化

基于王磊等提出的電化學認識模型，從原理維度和裝置維度對原電池和電解池基本知識進行復習，實現知識的結構化。原理維度以氧化還原反應為基礎，主要復習電極反應物和產物、反應過程中電子及陰陽離子移動方向、反應現象;裝置維度主要復習在原電池或電解池裝置中得失電子的場所、電子導體、離子導體。

設計意圖：在以往的電化學學習中，學生多多少少會運用某些方法或者模型，但并不自知。高三電化學復習課需要通過分析、推理等方法，使學生將之前所學的零散知識結構化，建立系統的電化學認識模型，促進“模型認知”這一核心素養的發展。

（三）探求思維模型，分析問題邏輯化

1.建構思維模型

物質的電化學合成是基于電極反應實現的，因此電極反應式的書寫是探究物質電化學合成的基礎。

例題1：（2018·江蘇卷）用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，電解該混合溶液可獲得較濃的硝酸。寫出電解時陽極的電極反應式：___。

通過該例題的分析與講解探求電極反應式書寫的思維模型：

①明電極：明確目標電極

②知特征：知道目標電極反應特征

③列物質：列出電極反應物、生成物

④標得失：標出化合價存在變化的元素，寫出得失電子的數目

⑤看環境：明確環境信息（酸性、堿性或中性）

⑥配守恒：根據電荷守恒和原子守恒進行配平

⑦再驗證：對標已知條件，進行驗證

2.運用思維模型

例題2：（2019·江蘇卷）電解法轉化CO2可實現CO2資源化利用。電解CO2制HCOOH的原理示意圖略。①寫出陰極CO2還原為HCOO-的電極反應式：

____。②電解一段時間后，陽極區的KHCO3溶液濃度降低，其原因是_________。

設計意圖：以電化學認識模型為基礎，培養學生正確認識問題的角度和合理分析問題的思路，從而建立解決電化學問題的思維模型，并熟練應用思維模型解決問題。電化學思維模型的建立，不但有利于提高學生的學習效率，而且可以引導學生以此為基點，嘗試建立其他知識模塊的思維模型，如建立氧化還原反應、化學平衡等知識模塊的經典思維模型，進而建立完整的思維模型體系，使學生解決化學問題思路化，從而提高學科核心素養和探究能力。

（四）直擊實際問題，物質合成清晰化

通過以上教學過程，學生對不同電極上發生的反應已具有較深入的理解。在實際問題中，兩極反應最終是如何合成目標產物的是需要進一步解決的問題。

例題3：（2019·全國卷I）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖略。下列說法錯誤的是（? ）

A.相比現有工業合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能

B.陰極區，在氫化酶作用下發生反應H2+2MV2+=2H++2MV+

C.正極區，固氮酶為催化劑，N2發生還原反應生成NH3

D.電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動

設計意圖：將已建構的電化學認識模型和思維模型運用于實際問題——合成氨，訓練學生運用電化學模型解決實際問題的能力，真正實現對電化學原理的理解與運用，同時引導學生將此方法與傳統合成氨相比，使學生認識到電化學在物質合成領域的優勢和前景，激發學生學習化學的興趣，從而培養學生的科學態度。

（五）不忘社會責任，學習成果外顯化

在上述學習的基礎上，注重課堂的延續性，研究課堂引入部分提出的過氧化氫的電化學合成。精選電解池原理（例題4）和原電池原理（例題5）合成過氧化氫的方法開展學生活動，引導學生多角度（反應原理、反應物、生產成本等）分析兩種方法的異同點。

例題4：（2020·山東卷）采用惰性電極，以去離子水和氧氣為原料通過電解法制備雙氧水的裝置如圖1所示。忽略溫度變化的影響，下列說法錯誤的是（? ）

A.陽極反應為2H2O-4e-=4H++O2↑

B.電解過程中，H+由a極區向b極區遷移

C.電解一段時間后，陽極室的pH未變

D.電解一段時間后，a極生成的O2與b極反應的O2等量

例題5：汪淏田教授團隊直接電化學合成過氧化氫的裝置如圖2所示，請仔細讀圖，寫出電極反應和總反應。

設計意圖：通過對電解池和原電池原理合成過氧化氫的學習，培養學生理論聯系實際的觀念和將化學知識應用于生產生活的意識。引導學生分析兩種合成方法的異同點，不僅能強化學生對原電池和電解池原理的辨析，更有助于學生形成節約生產成本、注重環境保護等理念，提高學生運用科學理論分析相關化學問題、權衡利弊、提出合理決策的能力，使學生的科學態度與社會責任得到培養和發展。

四、教學反思

本節課主要進行電化學復習課教學設計，將基礎知識結構化，通過建構電化學思維模型，使學生分析問題邏輯化，通過對實際問題的探究實現理論模型與生產實際的銜接。整個教學過程不停留于電化學知識層面的復習，而是注重學生認識模型和思維模型的建立，關注理論知識的實際運用，真正實現從“雙基”教學到“核心素養”教學的轉變。

參考文獻：

[1]王秀紅，李志航. 發展學生化學學科核心素養的“化學能與電能”教學：小車為什么會跑起來[J].化學教育，2020，41（3）：27-32.

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[3]王維臻，王磊. 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（1）：34-40.

[4]Chuan Xia，Yang Xia，Peng Zhu，etc. Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte[J].Science，2019（366）：226-231.

（作者單位：無錫市市北高級中學）

編輯：趙飛飛