基于模型建构的电化学单元教学策略

摘要：基于模型建构的单元教学可实现电化学模块的系统思维建构，通过化学电源的科学发展史认识电池的构成要素，建构原电池认识模型及电解池的认识模型，并统一电化学系统认知模型，寻找其共同的认识视角，将电化学的认识思路转化为电化学问题的解决思路，从装置维度和原理维度二维视角分析问题，进而解决复杂的电化学问题。关键词：高中化学；电化学；单元教学；系统认知；模型建构电化学高考题往往跨主题融合，与实验、水溶液中离子平衡、氧化还原反应、化学平衡等知识综合考查。对于学生来说一般陌生度高、情境复杂，学生难以建立知识间的关联，缺乏解决复杂问题的能力。因此，在选择性必修阶段可以采用大单元教学模式，整合必修和选择性必修的学习单元，通过电化学系统分析方法，寻找电化学认识视角，建立电化学认识模型以解决不同情境问题，实现核心素养和能力的进阶。一、整合课标和教材，构建单元教学框架《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称为新课标）中“证据推理与模型认知”的素养水平4明确指出：能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题；能指出所建模型的局限性，探寻模型优化需要的证据[1]。电化学在必修第二册的教学功能是从能量角度初步认识原电池，而选择性必修一的教学价值主要体现在理解物质变化、理解能量转化、促进学生发展和促进社会发展这四个方面。电池的历史沿革，不仅仅是技术和科学的发展，不断对电池进行改良和创新，对发展学生“科学态度与社会责任”素养具有重要作用，学生在认识化学史的过程中逐步形成对科学本质的理解。结合新课标和教材安排，确定本单元大概念为电化学的本质为氧化还原反应，从能量變化和物质变化两个角度引导学生认识化学能与电能相互转化的意义。二、任务进阶，建立电化学系统认识模型（一）完善原电池思维模型化学电源的发展直观体现了原电池认识模型的发展，即单液原电池→双液原电池→膜电池。学生在必修第二册对单液原电池组成的认识包括：活泼性不同的两极、电解质溶液、闭合回路、自发的氧化还原反应。但是由于部分化学能转化为热能，电流有衰减趋势。为消除液接电势，进而改进为双液原电池，将氧化反应和还原反应分开在两个不同的区域进行，用盐桥作为离子导体，平衡电荷。双液原电池虽然能量损失少，但由于盐桥内阻太大，电流却始终很小。生活中化学电源主要为膜电池，大至火箭、人造卫星，小至电脑、心脏起搏器等。它体积小、内阻小、电流大、产热少。另外，通过认识燃料电池工作原理，氢气和氧气分别在两极反应，进一步认识两极是得失电子的场所。综上构建原电池的认识模型。装置维度包括得失电子的场所、电子导体、离子导体。电解质溶液、盐桥、离子交换膜等都是离子导体。在整体电路中，通过电子和离子定向移动形成闭合回路，电子和阴离子都带负电，它们的移动方向相同，阳离子的移动方向与阴离子相反。原理维度的核心思想是氧化还原反应，负极是还原剂失去电子发生氧化反应，正极是氧化剂得电子发生还原反应（见图1）。（二）建构电解池思维模型对比电解池和原电池，能量转化方向与反应方向不同，电解池是电能转化为化学能，原理都是氧化还原反应。装置维度上包括外接电源、得失电子的场所、电子导体、离子导体。阳极是失电子的场所，发生氧化反应，阴极是得电子的场所，发生还原反应（见图2）。（三）统一电化学系统认识模型原电池和电解池的构成要素相同：电子导体、离子导体、电极材料、电极反应。二者从本质上是统一的，负极和阳极都是失电子的场所，正极和阴极是得电子的场所[2]。装置维度核心思想是闭合回路，原理维度是氧化还原反应（见图3）。三、模型解读与应用将电化学的认识思路转化为电化学问题解决的思路，是发展化学学科核心素养的重要途径。如何运用系统分析法，高效找到切入系统的角度呢？可从题中获取信息，包括物质变化、离子或电子移动、现象等。（一）装置维度———闭合回路试题经常考查电子和离子的迁移方向，通过离子交换膜的离子数目等，可以通过装置维度切入。例：2016年高考北京卷第12题：用石墨电极完成下列电解实验（见图4）。本题是复杂的串联电路问题。我们从装置维度分析构成电化学装置的要素，导线是电子导体，电极是得失电子的场所，处于电场中的铁丝既是电子导体也是得失电子的场所，电解质溶液是离子导体。在外接电源的电场作用下，电子和阴离子的移动方向相同，与阳离子的移动方向相反，绘制粒子移动图，便可直观分析出a处和d处，是水得电子生成氢气和氢氧根离子，所以pH试纸变红；b处氯离子失去电子变成氯原子，生成氯气分子导致pH试纸局部褪色；c处铁丝中的铁原子失电子，无明显现象。同理，分析实验二，铜珠也是电子导体，绘制在外电场作用下的粒子移动图。（二）原理维度———氧化还原如果电化学试题装置图突出标记了物质的变化，便可以通过原理维度切入，分析两极的氧化反应和还原反应。例：2019年新课标Ⅲ化学第28题（4）：在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程。如图5所示：负极区的电极反应式为。四、反思与评价模型建构思想是突破复杂问题变为简单问题的有效手段，在本单元的学习中，学生经历了建构模型、完善模型、统一模型，并运用模型解释现象的过程，最终揭示电化学知识的学科本质。例如：学生自主调用电化学模型对陌生复杂装置进行分析；能书写陌生复杂电极反应式；能系统分析复杂电化学过程（电极反应、电解质溶液变化、带电微粒的定向移动等）。在平时的练习中要注重与其他模块知识间综合考查，注重联