原理模型在高中电化学教学中的探索与实践

2018-02-18王爱丽

理科考试研究·高中 2018年12期

王爱丽

摘要：电化学知识是高中化学原理教学内容的重要组成部分，在生产生活中应用广泛，也是近几年高考的高频考点.电化学知识涉及了众多的化学原理，是学生学习过程中难度较大的一个部分.将电化学原理模型应用在高中化学原理教学中，对提高教学效率，提升学生思维能力，帮助学生有效解决电化学问题起着重要的作用.

关键词：电化学;思维模型;有效教学;化学原理

一、提出问题

1.电化学知识的特点及地位

电化学知识是氧化还原反应知识的应用，是能量转化的具体体现，是有关金属性质和用途等教学内容的丰富和延伸.电化学知识在生产生活和科学研究中有着重要的应用价值.《高中新课程标准》及《高考考试大纲》中对电化学知识也提出了明确的要求，回顾近5年高考题，电化学知识无一例外地出现在全国各地高考理综卷中，因此电化学知识在考试中也是相当重要的知识点，是学生必会的高频考点.根据学习和考试的要求，学生需具备很强的分析和解决化学问题的能力，对学生的学习能力提出很高的要求.教材设计时将电化学知识分两个阶段完成，《化学2》中侧重简单原电池及电解池的工作原理，选修《化学反应原理》中侧重在原理的深入理解及各种应用方面，分阶段完成，降低学生学习的难度.

2.目前教学现状

原电池原理教学时，教师们往往是从教材中“铜锌原电池”实验探究入手，观察实验现象并分析产生现象的原因，探究原电池构成的条件;借助“原电池的工作原理”微观动画分析原电池的工作原理.并在后面教学中列举常见的化学电源，逐一分析每个电源的反应原理，写出电极反应式.

电解池原理教学时，教师们常以电解氯化铜溶液为例，由电解氯化铜溶液实验探究出发，分析装置中得失电子情况，给出离子的放电顺序，写出装置的反应，分析出装置的工作原理.

以上常规教学方法没有将新知识的关键点联系起来，缺少原理、规律知识的总体构建，从而导致知识都是孤立的，很快会被遗忘，学生无法对知识深入地应用.

3.学生存在的问题

通过调查学生在学习电化学知识时存在的问题发现：大多学生过分受到“铜锌原电池”影响，只能根据“活泼金属做负极”来确定原电池的正负极;并且只能分析“有两种活动性不同的金属（或石墨）作电极”的原电池装置;对于电解池装置，学生只能分析惰性电极电解CuCl2溶液这样“电解质被电解”的装置，不能理解电解池装置的反应原理;有些学生只局限于掌握老师讲过的化学电源或电解池，在遇到陌生情境下的电化学装置时：如有交换膜的电解池、新型的化学电源等，就无法理解其构造及原理;部分学生会依靠“阳氧阴还、负氧正还”等口诀判断电极、分析原理、解决问题，造成混淆和误判.

二、电化学原理模型在教学中的实际应用

建构解决复杂化学问题的思维模型是化学学习和化学研究中必不可少的方法.“化学核心素养‘模型认知要求学生通过认知研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型;运用模型解释化学现象、揭示现象的本质和规律，属于高阶思维和深度学习的范畴[1].”在电化学教学中，笔者尝试建构电化学原理模型——从数种熟悉的事实出发，经过类比推理，舍去次要的细节材料，找出主要的构成要素，突出主要特征，确立相互关系而建构的一种原理模型[2].

1.初试锋芒，开“模型”之旅

基于以上的思路，在《化学2》“原电池及电解池”教学时初步建构简单的原电池及电解池原理模型.

教学设计如下：

环节一：[引入新课]展示一系列电池的图片及学生课前收集的电池，提出问题：

（1）这些电池是如何发电的？

（2）哪些化学反应可以产生电流，能将化学能转化为电能？

驱动性问题创设，让学生认识到氧化还原反应可以产生电流，可以将化学能转化为电能;

环节二：[学生实验]锌片插入到稀硫酸中，锌板用导线接电流计.学生通过观察现象：无电流;分析原因：没有形成闭合回路;推理出化学能转化为电能的条件是氧化还原反应发生在特定的装置中.

环节三：[演示实验]图1

观察实验现象——分析原因，在分析装置原理的过程中形成如下图2：

环节四：提供更多简单原电池装置，如：Fe-Cu-CuSO4溶液原电池，水果电池，简易燃料电池等，学生画图分析所列原电池装置的原理.（学生画出的图与图2相同）

教师解释说明：众多化学电源，所用的电极材料可能不同，电解质溶液可能不同，电源发生的反应也可能更复杂，但舍去这些问题，构成原电池的三个主要要素都相同，即正极、负极、电解质溶液，其中电子的移动方向与阴离子的移动方向相同，进而确定三要素之间的关系，得出原电池的原理模型如上图2.

模拟以上原电池原理模型教学设计环节，建构如下图3电解池的原理模型.

2.精益求精，创“模型”之优

学生在经过《化学2》的学习和大量的练习后已经储备了相应的电化学知识，能够运用电化学原理模型解决简单的电化学问题.《化学反应原理》中为解决“普通铜锌原电池”放电的可持续性差，且存在能量损失的问题，又出现了“双液锌铜原电池”，中间用盐桥连接，不仅能连通内电路，形成闭合回路，还能平衡电荷，保持溶液的电中性.这样“双液原电池”能量转化率高，能提供持续稳定的电流.实验室做实验研究时可以使用“双液原電池”，但是生产生活实际中，“双液原电池”因含有盐桥造成携带不方便等因素，于是又出现了各种“交换膜电池”.在对这三种电池的工作原理理解的基础上，对《化学2》提出的电化学原理模型进行相应的补充和完善.如下图4、图5：

3.出神入化，享“模型”之乐

科技日新月异，电化学知识有着广阔的发展前景，这部分知识越来越生活化，情景越来越复杂，学生在应用时往往瞻前顾后、顾此失彼.应用建构的电化学原理模型解决问题，可以将重点知识系统化、抽象问题直观化、复杂问题简单化，有效帮助学生掌握和应用电化学知识.

（1）重点知识系统化

原电池、电解池知识涉及众多的化学原理，学生往往被动接受，机械记忆，知识体系零散，容易混淆.建构了电化学原理模型，将电化学重点知识在模型中一一体现，例如原电池、电解池构成的主要要素，电极得失电子的情况及反应的类型，溶液中阴阳离子的移动等.学生脑海中形成这样一个系统有序的认知模型，便于学生深度理解电化学的原理，帮助学生消化吸收重点知识.

（2）抽象问题直观化

电化学知识中有像简单原电池、化学电源、电解池等这些直观知识，这些知识都能让学生直观感受到电流产生或电流应用，直观理解电化学的工作原理.但也有很多抽象的电化学知识，例如金属铁的吸氧腐蚀，学生看到的只是铁的锈蚀，很难感受电化学原理呈现其中.这时候可以利用原理模型，将铁生锈的知识转化成微小的原电池问题，引导学生发现：生活中的铁含有碳，铁变为铁锈，Fe失电子，作为原电池的负极，铁生锈需要氧气，O2得电子成OH-，在正极（碳）反应，提炼出原电池的原理模型.将看似抽象的、与电化学无关的腐蚀知识转化为直观的原电池原理问题，帮助学生更好地理解金属的电化学腐蚀问题.

（3）复杂问题简单化

电化学原理模型不仅可以解决电化学知识中的简单问题，对于生活中各种复杂的化学电源，也可以尝试运用原理模型化繁为简.

例（2015·新课标Ⅰ卷11题）微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图6所示.下列有关微生物电池的说法错误的是（）

A.正极反应中有CO2生成

B.微生物促进了反应中电子的转移

C.质子通过交换膜从负极区移向正极区

D.电池总反应为C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O

学生从题目所给信息提取判断出O2得电子在正极反应，而C6H12O6在负极反应产生CO2，提炼出原电池模型的主要要素，将此复杂问题简化成原理模型，明确该装置的工作原理，便能快速地解答此题.

可见，在复杂、抽象、综合性比较强的电化学知识中应用了原理模型后，学生可以非常直观地理解，并且可以举一反三，乐在其中.

三、教学效果与建议

笔者在所教的班级中开展试验，其中一个班级（非试验班）用常规的电化学教学方式，另外一个班级（试验班）用建构电化学原理模型的方式开展教学.

1.问卷调查