基于模型认知的高二电化学复习

冯莹

摘 要：在高中化学的学习过程中，学生对于基础知识的掌握通常是死记硬背，而在遇到特殊情境题时又是浅尝辄止，同时教师往往也是简单地传递知识，没有深入开发教材。文章基于模型认知的高二电化学复习，以“氯碱工业”为背景，让学生自主探究，通过学习任务的完成，进一步理解电化学的模型认知，促进学生化学学科核心素养的落实。

关键词：模型认知；氯碱工业；电化学

一、基于模型认知的问题提出

在鲁科版教材《电能转化为化学能——电解》的授课中，很多教师重点分析电解原理及其应用。在教学目标落实中，以传统的知识讲授搭配相应的巩固练习为主，并没有充分挖掘教材的作用，引导学生自主建立认知模型，实现知识的结构化。如何打破常规的复习方法，在已有的认知模型下，让学生在快乐学习并学有所得？

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出高中化学学科核心素养是化学学科育人价值的体现，“证据推理与模型认知”就是化学学科核心素养的一个方面，在“模型认知”的内容中提道：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，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律[1]。化学模型应该包括实物模型、理论模型、知识模型和思维模型，每一种模型都不是孤立存在的。建构认知模型是一个动态、复杂的过程，需要以具体的化学知识为基础，在问题的解决过程中，逐步建立知识关联和思维框架[2]。笔者认为：模型认知的教学设计可以在真实情境下，利用学生已学知识和生活经验来分析问题、解决问题，优化已有的认知模型，提高学生的化学知识结构水平。

二、基于模型认知的教学与评价目标

1.通过氯碱工业发展史，体会电解的发展和价值，判断并提高学生对化学价值的认识水平。

2.通过氯碱工业装置的探究，建构电渗析的模型，判断并提高学生认知水平和解决实际问题的能力。

3.通过探究双池的应用，建构双池模型，判断并提高学生电化学知识的关联水平。

4.通过探究氢气的利用，培养可持续发展意识，强化社会责任感。

三、基于模型认知的教学与评价思路

基于氯碱工业的认知模型，以情境线、知识线、任务线、活动线和素养线为脉络，发展化学学科核心素养，构建“教、学、评”一体化的高效课堂，制订教学与评价思路。大体设计路线如下：

1.以氯碱工业发展史为情境，复习电解原理，通过再探究电解饱和食盐水，建构氯碱工业初模型，发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知和社会责任。

2.以问题为情境，通过探究氯碱工业的裝置、探究离子交换膜的应用、探究电渗析法制取NaOH，建构电解池模型，发展微观探析、模型认知、证据推理、科学态度。

3.以“碳中和、碳达峰”为情境，通过讨论氯碱工业产物H2的利用，探究双池的应用，建构双池模型、绿色化学思想，发展微观探析、模型认知、社会责任。

四、基于模型认知的教学设计

第1课时

教学环节1：创设情境，初建认知模型

展示资料卡片：氯碱工业发展史。

从发展史中学生感受到氯碱工业的发展与变化，这个过程需要科学家们不断地研究探索，认知化学学科的价值和责任。

【任务一】建构氯碱工业初模型

【活动1】探究电解饱和食盐水

利用石墨电极电解氯化钠溶液的简单装置出发，通过设计问题串复习已知的电化学知识。学生积极交流，互相补充，查缺补漏，进一步巩固基础。

【问题一】1.判断装置是原电池还是电解池？

2.该电解池阴极和阳极的怎么确定，判断方法有哪些？

3.电子的移动方向？

4.阴阳离子的移动方向？

【学生】（在装置图中补充电子移动方向和阴阳离子移动方向。）电子从负极经导线移向阴极，从阳极经导线移向正极。Cl-、OH-移向阳极，H+、Na+移向阴极。

引导学生关注电极附近微粒的变化，写出阴阳极的电极反应式和总反应，并判断电解滴加酚酞的饱和食盐水的实验现象。在合作交流的过程中发现部分同学电极反应式相同，而总反应和实验现象却不同，在生生互助合作中找到原因，得知在阴极电子的H+，来自水的电离。当水电离的H+被消耗，溶液中剩下水电离的OH-离子。在书写总反应时要写出水分子而不是酸。因为OH-的产生，使溶液显碱性，所以酚酞溶液变成红色。

【学生】总结电解池模型认知

设计意图：利用氯碱工业发展史的真实情境，感受氯碱工业在历史长河中的不断发展，同时引出氯碱工业的基础原理电解饱和氯化钠溶液。应用宏观现象和微观粒子变化分析电解饱和氯化钠溶液的原理，教学中通过不断追问复习电解池的工作原理，建立氯碱工业的初模型，为氯碱工业的进一步探究埋下伏笔。

教学环节2：深度学习，提升认知模型

【任务二】探究氯碱工业装置

【问题二】若将石墨电极电解氯化钠溶液的简单装置用于工业生产Cl2和NaOH，可能会遇到哪些问题？

【学生活动】可能遇到的问题：

1.Cl2和NaOH可能发生反应，导致产品减少。

2.产品NaOH溶液中含有氯化钠。

3.Cl2和H2可能相遇，发生反应。

4.Na+和OH-移动方向相反，不利于产物NaOH的富集。

学生在分析问题时可能不全面，通过小组讨论可以激发学生思维，形成缜密的思考逻辑。教师通过提供信息，帮助学生形成全方位思维。

【教师】在氯碱工业中电解法耗能大，产品通常只要Cl2和NaOH，只有少量的H2得到利用，绝大部分H2都被排放到大气中，造成H2资源的严重浪费，所以在氯碱工业中还可能遇到这些问题：

1.工业能耗大。

2.氢气的处理和利用。

【活动2】设计氯碱工业的装置

【思考】1.如何隔开Cl2和H2？2.如何隔开Cl2和NaOH？3.如何减少产品NaOH溶液中的氯化钠？4.Na+和OH-移动方向相反，如何利于NaOH的富集？

针对学生发现问题、提出问题到提升自我认识，更新认知模型来解决问题。大胆放手让学生完成装置图的分析，采用学生自评和生生互评，在相互切磋的过程中，逐步完成新的认知模型构建，最后获得意想不到的成果。

【学生活动】设计氯碱工业装置。

主要思路：利用阳离子交换膜，将阴阳极隔开，达到隔开Cl2和H2的目的；在电流作用下Na+移动到阴极而产生的OH-不能移动到阳极，达到隔开Cl2和NaOH、有利于NaOH的富集的目的；要减少产品NaOH溶液中的氯化钠，阴极直接加水而不加氯化钠溶液，提高产品纯度；装置阴极加入氢氧化钠溶液增强导电能力，提高产率。

【活动3】探究离子交换膜的应用

离子交换膜在氯碱工业的建模中有着重要作用，熟悉离子交换膜为模型的应用做好充分准备。

【学生】常见的离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜。

离子交换膜能使离子选择性定向迁移，平衡整个电解质溶液的电荷守恒。

设计意图：通过氯碱工业装置设计的模型突破，培养学生针对性思考问题和寻找解决问题的能力，提升氯碱工业的模型认知。从离子交换膜的使用中，进一步理解电解的微粒运动，建立离子交换膜模型认知，为电渗析法在工业上的应用打下基础，判断并提高学生科学探究能力和创新意识。

教学环节3：应用模型，发展核心素养

【迁移应用】利用电解的方法将白磷转化为二氰基磷负离子的锂盐Li[P（CN）2]的装置，学生根据建构的认知模型，可选择正确阳离子交换膜，判断电极反应和总反应，达到教学目标和评价目标。

第2课时

教学环节4：拓展模型，体现化学价值

【任务三】氯碱工业装置变形

【活动3】探究电渗析法制取物质

模拟工业上离子交换膜法制烧碱的方法，利用两个离子交换膜装置电解硫酸钾溶液来制取氢气、氧气、硫酸和氢氧化钾。

【学生】从电解饱和氯化钠溶液的单一离子交换膜到多种离子交换膜，学生根据目的分析装置，确定反应物生成物的进出口和阴阳离子交换膜的选择。在学生巩固离子交换膜的应用的同时，充分发掘离子交换膜在工业生产制备物质时的重要作用。

还可将氯碱工业的认知模型发展到电渗析法制取HCl和NaOH，利用雙极膜和离子交换膜装置实现海水的淡化，让学生在不同的真实问题情境中感受离子交换膜的作用。

设计意图：将氯碱工业的认知模型发展到电渗析法制取KOH和NaOH，让学生感受选择不同的离子交换膜电解相同的溶液可以得到不同的产品，实现电解池模型和离子交换膜模型在工业化生产的迁移，发展学生真实问题解决能力水平，体会化学的学科价值和社会价值。

【任务四】氯碱工业产物氢气的利用

【教师】问题二中发现氯碱工业的能耗大，且产生的氢气没有合理处理和利用。

【资料在线】资料1：习近平主席在第七十五届联合国大会上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和”[3]。

资料2：氢能因其可存储、可发电、可燃烧，且无碳、燃烧热值高的特点，被称为21世纪最具前景的清洁能源之一。从氢气含量方面来看，氯碱工业副产的氢气量很大，每生产1t烧碱可产生约278m3副产氢气[4]。

资料3：各种制氢方式的成本/（元/公斤）。

煤制氢：9-11；天然气制氢：20-24；甲醇制氢：23-25；电解水制氢：40-50；工业副产氢：12-18。

【学生】从资料分析，工业副产氢的制氢成本较低，且氯碱工业副产的氢气量大。如果能够充分利用氯碱工业副产氢气，合理开发氢气利用途径，不仅能提高资源有效利用率和经济效益，也能减少碳排放，相对于现阶段电解水制氢和化石能源制氢具有相对优势。

【教师】如何有效地开发氯碱工业副产氢气的利用？

【学生】与Cl2反应生成盐酸，用于工业合成氨，冶炼金属，作为燃料，发展燃料电池。

【教师】结合我国资源分配不均衡和氯碱工业耗能大，优先选择发展燃料电池模型进行分析。

【活动4】探究双池的应用

将氢气燃料电池装置与电解饱和氯和钠溶液装置串联创建双池，将化学知识融于真实问题情境，从氢气的利用（燃料电池），自然迁移到双池的复习。在电解池和原电池串联池的认知模型建立过程中，利用电子守恒建立桥梁，让学生将原电池和电解池有机地结合。

【学生】构建双池模型

首先确定原电池——确定正负极；其次确定电解池——确定阴阳极；再次分析电子和离子移动方向，书写电极反应式，利用电子守恒分析两池的相关计算。

【迁移应用】利用膜技术原理和电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5的装置，学生根据建构的双池模型，分析电极反应，并进行相关计算，做到学以致用。

设计意图：在“双碳”背景下，如何有效地开发能源、利用能源成为全球性的问题。在学习中培养可持续发展和人类命运共同体意识。通过氢气的开发分析，培养学生发散思维，集思广益，运用所学知识分析讨论实际的化学问题，选择较优的方法解决实际问题。在探究双池应用的过程中，能够将所学的认知模型进行关联和转化，使所学知识结构化、系统化，提升化学学科核心素养。

五、基于模型认知的教学反思

1.以氯碱工业发展史的真实问题情境，启发学生对模型的认知。

从氯碱工业发展史激发学生的探究兴趣，吸引学生关注化学学科发展，建立电解饱和食盐水的认知模型。展开一系列关于电解饱和食盐水的探究，在解决问题的过程中发挥学科的育人功能。

2.以“教、学、评”一体化的教与学，落实模型认知。

结合提问、点评、练习等化学日常学习评价方式，利用学生自评、生生互评和教师评价，以教辅学，以学促教，让课堂更有饱和度和色彩度。在活跃的课堂氛围中，有效地利用认知模型，完成教学目标和评价目标。

3.以自主探究的深度学习方式，促进模型认知。

在已有认知模型上，通过驱动性问题层次递进，让学生自主合作探究氯碱工业装置，以问题的解决促进电解池模型和离子交换膜模型的建构，体现学生的知识能力进阶。学生在学的过程中有很大的自主探究的空間，体现学生学习的个性化和多样化，使不同程度学生都能产生真正的思维碰撞，培养学生的合作探究精神。

4.以“双碳”目标为导向，发展化学学科核心素养。

高中生是我国未来的接班人。引导学生关注与化学有关的环境问题和社会问题，运用所学知识综合解决问题，提高学生的责任感和使命感。实现“双碳”目标，合理利用氯碱工业副产氢，培养学生的主人翁参与意识，彰显化学学科的价值。

结束语

复习课不是简单的化学知识的复习，而是要帮助已具备一定的电化学知识和认知规律的学生，在解决问题的过程中，产生认知冲突，突破问题关键，使不同层次学生都得到发展，落实素养为本的教与学。教师在教学过程中不仅要传授知识，更应该注意学生能力的培养，“授人以鱼不如授人以渔”，掌握科学的方法，可将学生熟悉的背景知识和材料题型，经过深度加工构建模块的认知模型，建立化学知识框架，帮助学生在复习整理过程中优化已有知识结构，提升自我评价和反思能力。氯碱工业认知模型作为电解池的基础模型，学生在自主设计氯碱工业装置的过程中重构电化学模型，结合化工流程物质利用和绿色化学的思想，将生成性的问题在活跃的课堂氛围中得到解决。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]唐琛，王慧，于少华，等.建构认知模型提升“宏微结合”素养：以“离子反应”教学为例[J].上海：化学教学，2022（10）：50-54.

[3]习近平.在第七十五届联合国大会上一般性辩论上的讲话[N].人民日报，2020-9-30（3）.

[4]宋小云，白子为，张高群，等.适于PEM燃料电池的工业副产氢气纯化技术及其在电网的应用前

景[J].北京：全球能源互联网，2021，4（10）：447-453.