基于模型認知的高二電化學復習

馮瑩

摘 要：在高中化學的學習過程中，學生對于基礎知識的掌握通常是死記硬背，而在遇到特殊情境題時又是淺嘗輒止，同時教師往往也是簡單地傳遞知識，沒有深入開發教材。文章基于模型認知的高二電化學復習，以“氯堿工業”為背景，讓學生自主探究，通過學習任務的完成，進一步理解電化學的模型認知，促進學生化學學科核心素養的落實。

關鍵詞：模型認知；氯堿工業；電化學

一、基于模型認知的問題提出

在魯科版教材《電能轉化為化學能——電解》的授課中，很多教師重點分析電解原理及其應用。在教學目標落實中，以傳統的知識講授搭配相應的鞏固練習為主，并沒有充分挖掘教材的作用，引導學生自主建立認知模型，實現知識的結構化。如何打破常規的復習方法，在已有的認知模型下，讓學生在快樂學習并學有所得？

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出高中化學學科核心素養是化學學科育人價值的體現，“證據推理與模型認知”就是化學學科核心素養的一個方面，在“模型認知”的內容中提道：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[1]。化學模型應該包括實物模型、理論模型、知識模型和思維模型，每一種模型都不是孤立存在的。建構認知模型是一個動態、復雜的過程，需要以具體的化學知識為基礎，在問題的解決過程中，逐步建立知識關聯和思維框架[2]。筆者認為：模型認知的教學設計可以在真實情境下，利用學生已學知識和生活經驗來分析問題、解決問題，優化已有的認知模型，提高學生的化學知識結構水平。

二、基于模型認知的教學與評價目標

1.通過氯堿工業發展史，體會電解的發展和價值，判斷并提高學生對化學價值的認識水平。

2.通過氯堿工業裝置的探究，建構電滲析的模型，判斷并提高學生認知水平和解決實際問題的能力。

3.通過探究雙池的應用，建構雙池模型，判斷并提高學生電化學知識的關聯水平。

4.通過探究氫氣的利用，培養可持續發展意識，強化社會責任感。

三、基于模型認知的教學與評價思路

基于氯堿工業的認知模型，以情境線、知識線、任務線、活動線和素養線為脈絡，發展化學學科核心素養，構建“教、學、評”一體化的高效課堂，制訂教學與評價思路。大體設計路線如下：

1.以氯堿工業發展史為情境，復習電解原理，通過再探究電解飽和食鹽水，建構氯堿工業初模型，發展宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知和社會責任。

2.以問題為情境，通過探究氯堿工業的裝置、探究離子交換膜的應用、探究電滲析法制取NaOH，建構電解池模型，發展微觀探析、模型認知、證據推理、科學態度。

3.以“碳中和、碳達峰”為情境，通過討論氯堿工業產物H2的利用，探究雙池的應用，建構雙池模型、綠色化學思想，發展微觀探析、模型認知、社會責任。

四、基于模型認知的教學設計

第1課時

教學環節1：創設情境，初建認知模型

展示資料卡片：氯堿工業發展史。

從發展史中學生感受到氯堿工業的發展與變化，這個過程需要科學家們不斷地研究探索，認知化學學科的價值和責任。

【任務一】建構氯堿工業初模型

【活動1】探究電解飽和食鹽水

利用石墨電極電解氯化鈉溶液的簡單裝置出發，通過設計問題串復習已知的電化學知識。學生積極交流，互相補充，查缺補漏，進一步鞏固基礎。

【問題一】1.判斷裝置是原電池還是電解池？

2.該電解池陰極和陽極的怎么確定，判斷方法有哪些？

3.電子的移動方向？

4.陰陽離子的移動方向？

【學生】（在裝置圖中補充電子移動方向和陰陽離子移動方向。）電子從負極經導線移向陰極，從陽極經導線移向正極。Cl-、OH-移向陽極，H+、Na+移向陰極。

引導學生關注電極附近微粒的變化，寫出陰陽極的電極反應式和總反應，并判斷電解滴加酚酞的飽和食鹽水的實驗現象。在合作交流的過程中發現部分同學電極反應式相同，而總反應和實驗現象卻不同，在生生互助合作中找到原因，得知在陰極電子的H+，來自水的電離。當水電離的H+被消耗，溶液中剩下水電離的OH-離子。在書寫總反應時要寫出水分子而不是酸。因為OH-的產生，使溶液顯堿性，所以酚酞溶液變成紅色。

【學生】總結電解池模型認知

設計意圖：利用氯堿工業發展史的真實情境，感受氯堿工業在歷史長河中的不斷發展，同時引出氯堿工業的基礎原理電解飽和氯化鈉溶液。應用宏觀現象和微觀粒子變化分析電解飽和氯化鈉溶液的原理，教學中通過不斷追問復習電解池的工作原理，建立氯堿工業的初模型，為氯堿工業的進一步探究埋下伏筆。

教學環節2：深度學習，提升認知模型

【任務二】探究氯堿工業裝置

【問題二】若將石墨電極電解氯化鈉溶液的簡單裝置用于工業生產Cl2和NaOH，可能會遇到哪些問題？

【學生活動】可能遇到的問題：

1.Cl2和NaOH可能發生反應，導致產品減少。

2.產品NaOH溶液中含有氯化鈉。

3.Cl2和H2可能相遇，發生反應。

4.Na+和OH-移動方向相反，不利于產物NaOH的富集。

學生在分析問題時可能不全面，通過小組討論可以激發學生思維，形成縝密的思考邏輯。教師通過提供信息，幫助學生形成全方位思維。

【教師】在氯堿工業中電解法耗能大，產品通常只要Cl2和NaOH，只有少量的H2得到利用，絕大部分H2都被排放到大氣中，造成H2資源的嚴重浪費，所以在氯堿工業中還可能遇到這些問題：

1.工業能耗大。

2.氫氣的處理和利用。

【活動2】設計氯堿工業的裝置

【思考】1.如何隔開Cl2和H2？2.如何隔開Cl2和NaOH？3.如何減少產品NaOH溶液中的氯化鈉？4.Na+和OH-移動方向相反，如何利于NaOH的富集？

針對學生發現問題、提出問題到提升自我認識，更新認知模型來解決問題。大膽放手讓學生完成裝置圖的分析，采用學生自評和生生互評，在相互切磋的過程中，逐步完成新的認知模型構建，最后獲得意想不到的成果。

【學生活動】設計氯堿工業裝置。

主要思路：利用陽離子交換膜，將陰陽極隔開，達到隔開Cl2和H2的目的；在電流作用下Na+移動到陰極而產生的OH-不能移動到陽極，達到隔開Cl2和NaOH、有利于NaOH的富集的目的；要減少產品NaOH溶液中的氯化鈉，陰極直接加水而不加氯化鈉溶液，提高產品純度；裝置陰極加入氫氧化鈉溶液增強導電能力，提高產率。

【活動3】探究離子交換膜的應用

離子交換膜在氯堿工業的建模中有著重要作用，熟悉離子交換膜為模型的應用做好充分準備。

【學生】常見的離子交換膜：陽離子交換膜、陰離子交換膜和質子交換膜。

離子交換膜能使離子選擇性定向遷移，平衡整個電解質溶液的電荷守恒。

設計意圖：通過氯堿工業裝置設計的模型突破，培養學生針對性思考問題和尋找解決問題的能力，提升氯堿工業的模型認知。從離子交換膜的使用中，進一步理解電解的微粒運動，建立離子交換膜模型認知，為電滲析法在工業上的應用打下基礎，判斷并提高學生科學探究能力和創新意識。

教學環節3：應用模型，發展核心素養

【遷移應用】利用電解的方法將白磷轉化為二氰基磷負離子的鋰鹽Li[P（CN）2]的裝置，學生根據建構的認知模型，可選擇正確陽離子交換膜，判斷電極反應和總反應，達到教學目標和評價目標。

第2課時

教學環節4：拓展模型，體現化學價值

【任務三】氯堿工業裝置變形

【活動3】探究電滲析法制取物質

模擬工業上離子交換膜法制燒堿的方法，利用兩個離子交換膜裝置電解硫酸鉀溶液來制取氫氣、氧氣、硫酸和氫氧化鉀。

【學生】從電解飽和氯化鈉溶液的單一離子交換膜到多種離子交換膜，學生根據目的分析裝置，確定反應物生成物的進出口和陰陽離子交換膜的選擇。在學生鞏固離子交換膜的應用的同時，充分發掘離子交換膜在工業生產制備物質時的重要作用。

還可將氯堿工業的認知模型發展到電滲析法制取HCl和NaOH，利用雙極膜和離子交換膜裝置實現海水的淡化，讓學生在不同的真實問題情境中感受離子交換膜的作用。

設計意圖：將氯堿工業的認知模型發展到電滲析法制取KOH和NaOH，讓學生感受選擇不同的離子交換膜電解相同的溶液可以得到不同的產品，實現電解池模型和離子交換膜模型在工業化生產的遷移，發展學生真實問題解決能力水平，體會化學的學科價值和社會價值。

【任務四】氯堿工業產物氫氣的利用

【教師】問題二中發現氯堿工業的能耗大，且產生的氫氣沒有合理處理和利用。

【資料在線】資料1：習近平主席在第七十五屆聯合國大會上表示：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現碳中和”[3]。

資料2：氫能因其可存儲、可發電、可燃燒，且無碳、燃燒熱值高的特點，被稱為21世紀最具前景的清潔能源之一。從氫氣含量方面來看，氯堿工業副產的氫氣量很大，每生產1t燒堿可產生約278m3副產氫氣[4]。

資料3：各種制氫方式的成本/（元/公斤）。

煤制氫：9-11；天然氣制氫：20-24；甲醇制氫：23-25；電解水制氫：40-50；工業副產氫：12-18。

【學生】從資料分析，工業副產氫的制氫成本較低，且氯堿工業副產的氫氣量大。如果能夠充分利用氯堿工業副產氫氣，合理開發氫氣利用途徑，不僅能提高資源有效利用率和經濟效益，也能減少碳排放，相對于現階段電解水制氫和化石能源制氫具有相對優勢。

【教師】如何有效地開發氯堿工業副產氫氣的利用？

【學生】與Cl2反應生成鹽酸，用于工業合成氨，冶煉金屬，作為燃料，發展燃料電池。

【教師】結合我國資源分配不均衡和氯堿工業耗能大，優先選擇發展燃料電池模型進行分析。

【活動4】探究雙池的應用

將氫氣燃料電池裝置與電解飽和氯和鈉溶液裝置串聯創建雙池，將化學知識融于真實問題情境，從氫氣的利用（燃料電池），自然遷移到雙池的復習。在電解池和原電池串聯池的認知模型建立過程中，利用電子守恒建立橋梁，讓學生將原電池和電解池有機地結合。

【學生】構建雙池模型

首先確定原電池——確定正負極；其次確定電解池——確定陰陽極；再次分析電子和離子移動方向，書寫電極反應式，利用電子守恒分析兩池的相關計算。

【遷移應用】利用膜技術原理和電化學原理制備少量硫酸和綠色硝化劑N2O5的裝置，學生根據建構的雙池模型，分析電極反應，并進行相關計算，做到學以致用。

設計意圖：在“雙碳”背景下，如何有效地開發能源、利用能源成為全球性的問題。在學習中培養可持續發展和人類命運共同體意識。通過氫氣的開發分析，培養學生發散思維，集思廣益，運用所學知識分析討論實際的化學問題，選擇較優的方法解決實際問題。在探究雙池應用的過程中，能夠將所學的認知模型進行關聯和轉化，使所學知識結構化、系統化，提升化學學科核心素養。

五、基于模型認知的教學反思

1.以氯堿工業發展史的真實問題情境，啟發學生對模型的認知。

從氯堿工業發展史激發學生的探究興趣，吸引學生關注化學學科發展，建立電解飽和食鹽水的認知模型。展開一系列關于電解飽和食鹽水的探究，在解決問題的過程中發揮學科的育人功能。

2.以“教、學、評”一體化的教與學，落實模型認知。

結合提問、點評、練習等化學日常學習評價方式，利用學生自評、生生互評和教師評價，以教輔學，以學促教，讓課堂更有飽和度和色彩度。在活躍的課堂氛圍中，有效地利用認知模型，完成教學目標和評價目標。

3.以自主探究的深度學習方式，促進模型認知。

在已有認知模型上，通過驅動性問題層次遞進，讓學生自主合作探究氯堿工業裝置，以問題的解決促進電解池模型和離子交換膜模型的建構，體現學生的知識能力進階。學生在學的過程中有很大的自主探究的空間，體現學生學習的個性化和多樣化，使不同程度學生都能產生真正的思維碰撞，培養學生的合作探究精神。

4.以“雙碳”目標為導向，發展化學學科核心素養。

高中生是我國未來的接班人。引導學生關注與化學有關的環境問題和社會問題，運用所學知識綜合解決問題，提高學生的責任感和使命感。實現“雙碳”目標，合理利用氯堿工業副產氫，培養學生的主人翁參與意識，彰顯化學學科的價值。

結束語

復習課不是簡單的化學知識的復習，而是要幫助已具備一定的電化學知識和認知規律的學生，在解決問題的過程中，產生認知沖突，突破問題關鍵，使不同層次學生都得到發展，落實素養為本的教與學。教師在教學過程中不僅要傳授知識，更應該注意學生能力的培養，“授人以魚不如授人以漁”，掌握科學的方法，可將學生熟悉的背景知識和材料題型，經過深度加工構建模塊的認知模型，建立化學知識框架，幫助學生在復習整理過程中優化已有知識結構，提升自我評價和反思能力。氯堿工業認知模型作為電解池的基礎模型，學生在自主設計氯堿工業裝置的過程中重構電化學模型，結合化工流程物質利用和綠色化學的思想，將生成性的問題在活躍的課堂氛圍中得到解決。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]唐琛，王慧，于少華，等.建構認知模型提升“宏微結合”素養：以“離子反應”教學為例[J].上海：化學教學，2022（10）：50-54.

[3]習近平.在第七十五屆聯合國大會上一般性辯論上的講話[N].人民日報，2020-9-30（3）.

[4]宋小云，白子為，張高群，等.適于PEM燃料電池的工業副產氫氣純化技術及其在電網的應用前

景[J].北京：全球能源互聯網，2021，4（10）：447-453.