基于模型认知的高三电化学复习课

◇ 北京 李书霞

1 教学背景

化学学科核心素养包含“证据推理与模型认知”这一内容,在解读中提到“可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及相互关系,建立认知模型,并能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律”.基于高中化学核心素养的“模型认知”,是引导高中生有效解决化学问题的思维机制,从属于科学思维方法,具有一定的抽象性.该能力建立在证据推理的基础之上,建构模型的路径一般为:获取学科知识→习得学习方法→建构思维模型.

其实,学生在学习中始终会伴随着对某种方法和模型的应用,只不过自己没有明确意识到这一点而已,但是能否建立系统完善的模型以及熟练应用模型解决问题,在很大程度上影响着学生的学习效率和效果.所以教师要引领学生有意识地进行模型认知,协助学生将零散的知识和要素关联起来,建构有序的思维模型,从而厘清解决问题的程序和脉络,为应对复杂、陌生的变式难题奠定基础,找到方法.笔者在高三一轮复习阶段有意识地利用“模型认知”的教学模式设计和实施了电化学专题的复习,历时两节课,收到了良好的教学效果.

2 教学设计与实施

2.1 依据教学内容和学情确定教学目标

1)内容分析

电化学是研究电能与化学能之间互相转化以及转化过程中相关规律的科学.电化学工作原理是化学反应原理的重要组成部分,对学生的逻辑思维能力要求比较高.这部分内容也是高考中的高频考点,常考常新,通常会选取与生产生活实际相关的素材作为背景,且能够和其他板块如实验探究、元素化合物、工业流程等内容实现跨主题融合.题目的呈现形式多样化,陌生度和难度均比较高,可以充分体现“能力立意”的高考命题思想.

2)学情分析

学生通过高一高二的新课学习已经掌握了电化学的基础知识,体验了化学能与电能相互转化的过程,了解了常见原电池和电解池的工作原理,可以写出简单电池的电极反应和总反应方程式.然而,之前的学习因课时和学生认知水平所限,一般只要求理解常见原电池的构成要素和工作原理,学生接触到的复杂又综合的电池类型较少,对电化学装置和原理存在较多迷思概念,在面对陌生的电化学问题时缺乏系统有序的分析思路,只能回答一部分最基础的问题.所以,进入高三后的一轮复习,教师要引导学生从熟悉的电化学案例入手,基于整体分析,将各个要素有机关联,从装置和原理两个角度提炼出认知模型,再设置一些变式训练,比如改变反应类型、电极材料、电解质溶液、离子导体等要素,提升多角度系统微观动态分析电化学问题的能力.

3)教学目标

a)通过对典型电化学案例的再回顾,加深对电化学原理和本质的理解.

b)通过整体分析原电池和电解池的构成要素,建构电化学的认知模型并对模型进行优化.

c)通过对变式电池的系统分析及设计,学会应用认知模型分析和解决复杂的电化学问题.

2.2 基于模型认知的教学活动设计与实施

教学设计主要分为图1所示的3个环节.

图1

环节1电化学认知模型的建构

【教学活动1】分析3个典型的原电池和电解池案例,绘制原电池和电解池的工作原理示意图,包含:构成要素及功能;微粒的变化和移动方向.

【原电池案例】原理示意图如图2所示.

图2

【电解池案例】原理示意图如图3所示.

【设计意图】从回顾旧知出发,让学生在熟悉的情境下重温原电池和电解池的工作原理,案例虽然熟悉,但是类型有所区别,旨在引导学生从氧化还原本质上理解电化学过程,透过现象追溯本质,寻找共性,真正提取到原电池和电解质的构成要素,具有广泛代表性,而不是基于某一特例.

图3

【效果反馈】大部分学生能从电极名称、电极反应、电荷移动方向等角度展开分析(如图4),但对装置要素中的电极、导线、电解质的本质功能认识不足,对溶解在溶液中的氧气作为电极反应物尚有疑惑,对原电池和电解池存在的共性有了一定认识.在师生一起交流和思想碰撞中分别提取出两类电池的构成要素(如图5所示).

图4

图5

【教学活动2】分析两类电池构成要素和工作原理的异同,提取原电池和电解池的共同构成要素,用图示表达.

【设计意图】从装置和原理两个角度引导学生提炼原电池和电解池的共同要素及功能,与学生一起建构分析电化学体系的系统模型,获取统一认识电化学体系的思路方法.

【课堂效果】在上一环节中,学生在绘制两种电池构成时已经发现了二者的相通之处,所以就有意识地汇总到了一副图示中,为了将电极反应更加明确和凸显,在教师引导下强化了原理部分的要素(如两极得失电子的氧化还原反应),得到了如图6所示认知模型.

图6

环节2电化学认知模型的优化

【教学活动】思考两个问题:① 在Zn－Cu－Cu SO4原电池体系中,随着反应的进行,锌电极上附着一层红色物质,电流迅速衰减,溶液温度明显上升,其原因是什么?如何避免?②在氯碱工业中,为了防止两极产物Cl2与烧碱反应影响Na OH纯度,要如何改进装置?根据学生的回答展示单液原电池和双液原电池,展示电解饱和食盐水的电解池和电解槽,再对比分析,如图7所示.

图7

【设计意图】通过以上两种变式的对比分析,重温盐桥和离子交换膜在电池中的作用,参透其离子导体的本质,丰富学生对离子导体的认识,将电化学认知模型进一步完善和优化.

图8

【课堂效果】在问题驱动下,学生很快回忆起了双液原电池的知识,对盐桥能够平衡电荷的功能也能理解,但是并不能认识到其离子导体的本质,需要教师启发;对电解槽中离子交换膜的认识比盐桥要浅薄一些,也需要教师提示.针对承载特殊功能的离子导体,有必要在原有模型的基础上进行补充,加入盐桥或离子交换膜(如图8),实现模型的优化.

环节3应用电化学认知模型解决实际问题

在这个环节中,要精心选取一些不同类型的电池,应用模型分析其工作原理或设计电池以达成目标,在变式训练中打破思维定式,理清迷思概念,真正体会到认知模型的功能和价值.案例的选取尽可能贴近生产生活实际,在情感态度上体会化学在解决能源危机中的重要作用,赞赏化学对社会发展的重大贡献.

【教学活动1】人工光合作用能够借助太阳能,用CO2和H2O制备HCOOH(如图9所示),请利用电化学认知模型分析其工作原理.

图9

【设计意图】这是一个非典型原电池的例子,利用光能驱动电化学反应,实现制备甲酸的目的.利用认知模型的原理要素进行分析最是适合,依据模型能够迅速辨识两极的反应类型.然而,此氧化还原反应对于学生来讲是很陌生的,所以要总结依托模型分析电极反应的思路方法.

【课堂效果】将模型(图8)和图示(图9)对照后,学生能很快推断出催化剂a表面发生失电子的氧化反应,但是可能对甲酸中碳的化合价判断有障碍,而且短时间内无法推测出另一种产物,所以问题的解决并不顺畅.教师可以组织小组展开讨论,提醒学生关注题干中“光合作用”这一关键词.这两个难点突破之后,学生便能对照模型比较完整地分析出此电池的工作原理.在教师给出高考试题中的四个选项进行正误判断时,学生能顺利做出正确的选择.

结合这个分析型任务,教师引导学生总结出分析电极反应的思路方法(如图10),结合认知模型一起使用,以实现对陌生电池的系统整体分析,助力解决复杂综合性问题.

图10

【教学活动2】用图11所示装置可从海水(含Na HCO3)中提取CO2,请利用电化学认知模型分析其工作原理.

图11

【设计意图】这是一个电解池案例,从题干看并不涉及氧化还原反应,所以利用认知模型和思路方法进行分析时,要探查其装置外形下的微观反应本质,要特别关注电极反应后的离子迁移以及后续反应,有序且完整地揭示其工作原理.

【效果反馈】学生将模型和题给装置对照后,能较快地判断出a室发生了H2O失电子的氧化反应,得到O2和H＋,H＋通过阳离子膜进入b室与海水中的Na HCO3反应得到CO2,有一部分学生的分析就此止步了,所以不能很快回答出c室的产品是什么,教师要引导他们进行完整系统的分析,方可进一步推知,Na＋通过阳离子膜进入c室,与c室中水放电产生的OH－结合为Na OH.

【教学活动3】请根据Fe3＋＋Ag⇌Fe2＋＋Ag＋反应设计原电池,画出示意图并进行展示,说出设计思路,分析工作原理,并思考证明该反应为可逆反应的实验方案.

【设计意图】给出一个设计型任务,以检验学生对电化学本质的认识程度,在学生分享其作品后(如图12),再展示高考题中的电池示意图(如图13),引导学生见识不同形式的盐桥,认识到盐桥为离子导体的本质,在验证该反应为可逆反应的过程中,体会到浓度对物质氧化还原性强弱和平衡移动的影响,同时习得一种实验探究的方法.

图12

图13

【效果反馈】在认知模型的指导下,学生较快绘制出了示意图(图12),也能完整描述其工作原理,但是在设计实验证明其为可逆反应时,部分学生抛开电池去想别的方法,比如证明4种微粒都共存于同一体系中,或者在银单质过量的情况下,依然能检测到Fe3＋等,尚不能充分意识到电池的价值.然后教师提示“若采取措施后电流表指针能反方向偏转,能说明什么?”学生方才意识到利用双液原电池来验证可逆反应是个特别好的方案.

【课后作业】展示一款生活中应用最广泛的锂离子电池(如图14),结合图示和工作原理编写一道选择题,课后交上来.

图14

【设计意图】以可充电的锂离子电池为例,将原电池和电解池结合起来,让学生站在出题者的角度看待电化学问题,并在命题时有意识地将认知模型和问题设置结合起来.

【效果反馈】从提交作业的情况来看,学生的思路很开阔,涉及的内容也比较丰富,如电池反应、电极反应、Co元素的化合价变化、离子和电子流向、充电时电源正负极与电池的连接方式等.总体来看都是比较常规的问题,但是在这一个过程中锻炼了学生的自主性,加深了对反应原理及认知模型的印象,让学生在充满挑战性和不确定性的思维活动中深入理解电化学的本质.

3 教学反思

在建构模型和应用模型的过程中,笔者发现此认知模型能切实帮助学生较快抓住电化学的关键构成要素,不至于见到“奇形怪状”的电池时毫无头绪,在应用中逐渐习得系统分析电化学工作原理的思路方法,能以此作为支点找到解决电化学问题的路径,充实思维,提升能力.

电化学认知模型就像是支撑电化学的“骨架”,而化学反应与微粒行为则是用来充实骨架的“血肉”.在教学中我们会发现,学生掌握了“骨架”,但是仍然不能很好地解决问题,原因在于电化学依托的具体反应千变万化,要想深入其中解决所有难题,仅有认知模型是不够的,还要有扎实的知识基础(元素化合物、离子反应、氧化还原反应等)作为支撑,在此基础之上才能更好地应用模型解决问题,也才能体会到模型的好处.此外,教师要在教学过程中细心探查学生的最近发展区,找到普遍存在的迷思概念,组织课堂讨论、精选变式练习,助力学生清除学习之路上的障碍.