创设真实情境 发展模型认知素养——以“电化学原理及新型化学电源”高三复习课的教学为例

陈卫英

(厦门外国语学校石狮分校 福建 泉州 362700)

一、问题的提出

电化学知识是普通高中化学核心知识之一，该部分内容概念多，原理抽象。新型电池研究是目前教学的热点，也是高考重点关注的内容。[1]笔者通过调查了解到学生在完成原电池、电解池基础知识复习后，仍对“奇形怪状的电池”“带字母的复杂电极反应式书写”“陌生电池的分析与计算”等问题比较困扰。大部分学生对于陌生且复杂的电池存在恐惧心理。分析原因，在于高三复习课大部分停留在简单的铜锌原电池、电解饱和食盐水、钢铁腐蚀等的教材素材情境，较少设置真实且富有价值的前沿科技情境。简单素材情境的高三复习课堂固守传统的“知识”本位，对电化学认知模型理解比较粗浅，学生面对素材新颖高考试题，容易产生畏惧心理，导致失分。

因此，笔者认为，在高三电化学的复习章节中，创设和运用电池研发前沿科技情境素材，有助于帮助学生构建简约化的电化学认知模型。在陌生情境的电化学装置和原理分析中，要结合新型电池的研究与发展，引导学生理解和运用模型、发展模型认知水平[2]，学会运用认知模型解决陌生问题，促进学生学科知识、能力的进阶及核心素养的培养。

二、相关概念定义及内涵

《普通高中化学课程标准(2017年版)》指出：“教师在教学中应重视情境的‘真实性’设计，促进学生化学学科核心素养的形成和发展。”[2]本节高三电化学复习课，以高考试题背景中真实的新型电源为素材创设真实情境，包括结构性化学学习情境和迁移性化学学习情境。在此基础上，精心设计素养导向的课时目标、驱动性任务、挑战性活动、指向性问题，引发思考与活动。组织学生独立开展自主绘制电化学结构和原理的认知模型图活动，从中获取信息、分析、绘图等；通过已建立的认知模型在迁移性化学学习情境中解决，评价学生应用模型的水平；通过探秘宁德时代最新研发锂电池与钠电池，认识新型电池的发展，体验电池不断更新迭代的研究过程，感受电化学原理与化学产品的不断优化，也不断完善电化学认知模型。此外，学生在探究知识过程中不仅对新科技产生兴趣，而且解决了自己的问题或困惑，有效激发学习动机，从中感受情境学习的价值。

在化学学科素养体系建构中，“证据推理与模型认知”是五大核心素养之一，其中对“模型认知”维度素养的内涵解析是要知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型。[3]依照新课标教学建议，在电化学认知模型复习课教学中，引导学生结合原有的电化学知识结构分析推理，提高对电化学本质的认识，自主构建电极反应、电极材料、离子导体、电子导体四要素模型，能依据电极现象认识原理模型和结构模型，能运用模型来描述和解释两极物质的变化，预测新型化学电源设计的科学性和可行性，发展并形成学科关键能力。[2]此外，应用电化学认识模型分析高考试题中装置的特点及电化学工作原理，训练学生化学用语的书写能力，使学生在电极反应式书写和原理分析纠错过程中完善电化学认识模型，引导学生理解和运用模型、发展模型认知水平。

三、基于真实情境发展模型认知素养的复习教学实践

(一)“教、学、评一体化”视域下的复习目标设计

1.从装置维度和原理维度逐步建立原电池、电解池的认识模型，诊断并发展学生基于认识建立模型的水平[4]；

2.发展“微观探析与模型认知”学科核心素养，通过认识电化学原理与化学产品的过程，培养学生从“宏—微—符”三重表征的视角分析问题，诊断并发展学生基于真实情境利用模型解决实际问题的能力；

3.通过探秘金属化学电源的发展，激发学生科学探究精神和创新意识[5]，培养学生爱国精神和民族自豪感的价值观。

(二)教学流程

本课的教学思路如图1所示。

图1 电化学复习课教学流程图

(三)教学过程

1.环节一：研析高考，把握电化学命题规律，初建简约化认知模型

[感悟高考]近五年高考电化学试题选材大部分源于真实情境中电化学的应用，如：新型化学电源、电化学储能技术、电解电镀工业、电化学防腐、电有机合成、电渗析净化除杂等。

[任务一]选取2018年全国卷Ⅱ第12题“可呼吸”的Na—CO2二次电池，该电池可以理解为简易铜锌原电池、燃料二次电池的衍生，引导学生分析思考，初构模型。

图2 “可呼吸”的Na—CO2二次电池

B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2

[师生活动]学生应用电化学基础知识，分析并与同学们分享解题思路。教师引导学生从二次电池充放电过程中，自主构建电化学知识系统的认知模型，如图3所示。

图3 电化学结构及原理认知模型

[活动评价]总结提升，初建电化学装置和原理模型，总结解题模型，如图4所示。

图4 二次电池解题模型

2.环节二：任务驱动，在真实情境中应用电化学认知模型

[深度探析]在建构简约化结构和原理模型的基础上，应用模型深度探析复杂电极反应式书写的认知模型，以真实情境的锂电池为例展开复习教学，引发思考。

例2.(2021年福建高考真题，9)催化剂TAPP-Mn(II)的应用，使Li-CO2电池的研究取得了新的进展。Li-CO2电池结构和该催化剂作用下正极反应可能的历程如图5所示。下列说法错误的是( )[7]

图5 Li-CO2电池

A．Li-CO2电池可使用有机电解液

B．充电时，Li+由正极向负极迁移

D．*LiCO2、*CO、*LiC2O3和C都是正极反应的中间产物

[任务二]应用电化学模型分析试题中的装置特点及电化学工作原理分析，试着书写正、负极，阴、阳极电极反应式及总反应方程式。

(1)工作原理分析：

(2)正极：________________________________

负极：________________________________

阴极：________________________________

阳极：________________________________

总反应方程式：________________________________

(3)若你是本题的命题教师，你会设置哪些选项呢？

[学生活动]板书电极反应式的书写，并预测可能设置的选项。

[希沃投屏]展示学生电极反应式书写情况并点评。

3.环节3：再应用模型，解决带字母的复杂电极反应式书写

例3.(2021年浙江高考真题)某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图6所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时Li+得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为LiCoO2薄膜；集流体起导电作用。下列说法不正确的是( )[8]

图6 全固态薄膜锂离子电池

A．充电时，集流体A与外接电源的负极相连

B．放电时，外电路通过amol电子时，LiPON薄膜电解质损失amolLi+

[任务三](1)判断充放电时电极名称、判断离子的移动；

(2)正极：________________________________

负极：________________________________

阴极：________________________________

阳极：________________________________

[学生活动]书写电极反应式。

[希沃投屏]展示学生电极反应式书写情况，并点评。

4.环节四：针对训练，在真实情境中完善电化学认知模型

例4：(2021广东6)火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时( )[9]

A.负极上发生还原反应CO2

B.在正极上得电子

C.阳离子由正极移向负极

D.将电能转化为化学能

例5：钠离子电池具有储量丰富、成本较低、充电时间快的特点，有望取代锂离子电池。图7是常温钠离子全固态浓差电池工作示意图。正极材料为层状含钠过渡金属氧化物，负极为钠锡合金(Na15Sn4)。下列说法合理的是( )

图7 钠离子全固态浓差电池

A. 该电池工作时不发生氧化还原反应

C. 充电时，Na+会被吸附进入过渡金属氧化层

D. 充电时，a极接电源的负极，b极接电源的正极

[活动评价]通过环节三电极反应式书写训练，深化电化学认知模型的应用，利用环节四两道例题评价学生应用模型的能力水平。例4针对性原理和结构模型的应用水平，例5检测学生复杂电极反应式书写模型。

5.环节五：探秘新能源电池，了解前沿科技，评价电化学认知模型

[视频观看]复习课以钠、锂电池为情境背景，挖掘福建本土产业潜能，视频播放宁德时代最新研发锂离子电池和钠离子电池。

[师生交流]探秘锂电池与锂离子电池，体验电池的研究过程，应用电化学装置模型解决科学前沿问题，认识锂电的发展，感受电化学原理与化学产品不断优化过程，体会认知模型的深度理解，对电化学产品的更新迭代研究也同样具备真实的价值。

(1)从20世纪50—60年代锂一次电池开始研究到迅速发展，锂是最轻金属，密度低，比能量高，易失电子，放电能力强。

(2)20世纪60—80年代锂二次电池功能齐全，可放可充，充电技术不成熟，锂沉积不规则，穿透隔膜短路易爆炸。

(3)20世纪末—21世纪钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)，规则沉积，体现电极载体的优越性。

(四)教学效果与反思

在复习过程中师生共同赏析，以最新电池技术真实情境为素材的新高考电化学试题，引导学生学会解读题干信息，提取陌生材料中涉及电化学认知模型的关键字眼。精选2021年两道高考试题，让学生感受新高考试题，启发学生在学习生活中多关注与学科相关的前沿科技。通过创设真实情境和挑战性任务，让学生结合真实的素材情境感受高考中电化学试题常见的考点，如电极判断、离子移动方向、电极反应式书写、守恒计算等，把握高频考点，娴熟应用模型，促进了学生的知识进阶和发展模型认知水平。

通过课堂针对性训练，了解学生的答题情况，评价学生应用模型的能力水平，如例1的Na-CO2电池呼应任务一的认知模型，快速判断电极、电子流向、能量变化等试题，让学生在课堂中获得学习的成就感。例2钠离子电池分析引导学生学会知识的迁移，类比锂离子电池，钠离子电池的工作原理是利用钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电，有助于学生逐步完善认知模型，深度掌握模型。

本节课的不足之处在于所选取的试题不够全面，且随着复习任务的不断深入，虽然认知模型从建立、完善、深化、应用，但还不能很好地诊断学生真实情境下利用模型解决实际问题的能力水平。后续的复习中需要再提升学生分析和解决电化学问题的能力，从定性和定量两个角度评价教学效果。