基于模型认知的电化学试题解析及复习教学思考

陈继华

摘    要：探究基于模型认知的化学试题解析，通过将解题思维方法显化为相应的模型，使学生重视对信息的获取和提炼，培养和形成分析、解决问题的一般思维模型。并引发教师思考运用“模型认知”的教学方式进行高三基础知识复习和解题方法指导，从而使学生形成系统、有序、多层的认知结构，促进学生学科素养与能力提升。

关键词：电化学;学科思想;建构模型;模型认知

高中化学课程标准（征求意见稿）提出“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学精神与社会责任”五个要素的高中化学核心素养。基于核心素养的“教、学、评”一致性，测试作为评的重要形式，那试题中如何考查化学核心素养及教师通过试题为载体如何培养学生的学科核心素养？本文就核心素养中“模型认知”为对象进行探索分析。“模型认知”作为核心素养之一，要求“能认识化学现象与模型之间的联系，能运用多种认知模型来描述和解释物质的结构、性质和变化，预测物质及其变化的可能结果;能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架”。

一、电化学试题在加试题中的命题规律

浙江省高考化学进入选考模式，选考卷由学考+选考组成，比重分别占70%和30%。其中占30%的选考题由三道加试题组成，加试题第一题为反应原理题，此题由反应原理各知识点拼盘而成，从2015年10月至2018年4月共6份选考试题卷，6份试卷中加试题反应原理题（30题）都出现了电化学知识的考查。考查的形式以书写电极反应式和总反应方程式为主。

书写电极反应式和总反应方程式是电化学知识重要考查点，不仅在浙江省，在其他各地高考卷中高频出现。看似简单的一小题，但当考题出现信息纷繁复杂，电極反应出现陌生物质相互转化时，学生答题就容易思路混乱，不知从何入手。这是高三复习过程中学生经常会出现“一听就会、一用就乱、一考就忘”现象。建模则是解决此问题的有效路径。通过建立模型来获取知识和解决问题。化学模型这一认知工具恰好把化学问题或知识有序编码，有利于知识的结构化和组织化，使知识或问题以结构或形象表达的形式在人脑中有序编码[1]

二、对于电化学试题的解题策略——模型认知

（一）建构解题思维模型及运用

【例1】（浙江选考2017.4） 30题节选 据文献报道，CO2可以在碱性水溶液中电解生成甲烷，写出生成甲烷的电极反应式。

分析：电极反应式书写前：1.明确是原电池还是电解池;2.确定是原电池的正、负极还是电解池的阴、阳极，从而确定电极是氧化反应还是还原反应。

审清题干信息，找出关键信息1：碳元素化合价发生变化，由 CO2（+4）得8个电子降低到CH4（-4）。关键信息2：反应在碱性环境。

关键信息2：反应在碱性环境。应该是OH-，电极式右边补 8OH-，反应前后电荷守恒。

最后一步，原子守恒。观察反应前后原子个数，发现电极式左边需补6H2O。

书写时需要考虑反应所处环境（酸、碱、熔融盐或氧化物），酸性介质用H+配平电荷，碱性介质用OH-配平电荷，熔融盐或氧化物用具体离子配平电荷。

针对电化学考题中电极反应式的书写，建立解题思维模型：

（二）运用解题思维模型，解答同类型试题

【例2】（浙江选考2017.11） 30题节选 科学发现：以H2O和N2为原料，熔融NaOH-KOH 为电解质，纳米 Fe2O3作催化剂，在250℃和常温下可实现电化学合成氨，阴极区发生的变化可视为按两步进行，请补充完整：电极反应式                 和 2Fe +3H2O +N2      = 2NH3+Fe2O3。

分析：此题信息量大，对学生分析信息能力的要求更高。

由信息a可知：总反应物质变化H2O+N2→NH3，其中N元素由0价降低到-3。N2→NH3 还原反应发生在阴极。

由信息d可知：阴极反应式第2步2Fe + 3H2O +N2 =2 NH3 + Fe2O3，完成N2→NH3转变。

由信息c和d可知：Fe2O3作催化剂，催化剂特点反应始末自身物质不发生变化。简单讲：1式和2式加和达到N2→NH3转变，作为催化剂的Fe2O3在加和中可以消去。

确定第1步反应物和生成物： Fe2O3  →Fe

③守恒

前面提到运用电荷守恒、原子守恒应注意介质环境，特殊介质环境如何处理如例3。

【例3】（2017.2温州市选考模拟）N2O5是一种新型硝化剂。工业上可用N2O4通过电解制备N2O5，阴、阳室之间用质子交换膜隔开，两极电解液分别为稀硝酸溶液和溶有N2O4的无水硝酸。用惰性电极电解时，生成N2O5极室的电极反应式为                      。

解析：

①审

N2O5在阳极室生成，即在溶有N2O4的无水硝酸中生成

质子交换膜

溶有N2O4的无水硝酸

②判

反应物与生成物N2O4→N2O5

用H+使电荷守恒

用硝酸使原子守恒

此题学生出错关键点在原子守恒使用时思维定式用H2O，题中“溶有N2O4的无水硝酸”没有水，而且硝酸不能拆成离子形式。电极反应式应为N2O4 -2e- + 2HNO3=2N2O5 + 2H+。

（三）源于教材认知模型进行迁移应用

把教材中的教学模型向试题中新信息灵活迁移，抓住信息特点，实现在新情境下与原有的认知模型进行类比、联想、推理等方法解决问题。

【例4】（浙江选考2018.4） 30题节选   以四甲基氯化铵[（CH3）4NCl]水溶液为原料，通过电解法可以制备四甲基氢氧化铵[（CH3）4NOH]，装置如图1所示。

（1）收集到（CH3）4NOH的区域是（填a、b、c或d）。

（2）写出电池总反应方程式。

分析：物质由（CH3）4NCl→（CH3）4NOH转变，原子团（CH3）4N保持不变，真正发生变化Cl→OH。关联的知识NaCl→NaOH。此题是建立在电解饱和食盐水模型基础上的变形，如图2所示收集到（CH3）4NOH的区域就是电解饱和食盐水收集到NaOH的阴极d，总反应式以2NaCl+ 2H2O<Y：＼教学月刊中学版教学参考＼教学参考2019-1·2＼教学参考2019第1·2期内芯＼Image＼image6_1.pdf>  2NaOH+ H2↑+ Cl2↑为原型，写出2（CH3）4NCl+ 2H2O <Y：＼教学月刊中学版教学參考＼教学参考2019-1·2＼教学参考2019第1·2期内芯＼Image＼image6_1.pdf> 2（CH3）4NOH + H2↑+ Cl2↑。

三、试题引发的高三复习教学思考

选考、高考试题关注化学核心素养和能力的考查。核心素养不是先天遗传的，而是经过后天教育习得的[1]。素养在教师平时实际的教学行为中才能加以落实。高三复习教学中“模型认知”素养的落实，教师可帮助学生建构认知模型，建立起宏观现象、微观原因、符号表征之间的联系，梳理概念和原理，实现知识从无序到有序，培养学生整体、系统地思考。

（一）整合知识建构模型

在高三复习教学中应做好知识的补缺补漏、关联整合工作。整合过程要体现学习、研究思路，知识的因果逻辑等。将知识整合与思维建构相融合构建成模型进行复习教学，使学科知识、学科方法、思维方法融合，让学生在巩固知识的同时掌握相应的学科方法和思维方法。

如电化学知识复习可采用王维臻、王磊等从电化学的本体维度、认识维度和任务维度，构建适用于高中阶段的电化学认知模型（见图3）[2]。

（二）同类试题建构问题解决思维模型

在复习过程中，教师要把各种题目加工整理、分类突破，构建解决每类问题的一般模型。熟练掌握了常见问题的特征和解法，就可以从复杂题目中分离出这些基本问题，全面、有序地获取题目的有效信息[3]，进而进行分析和解决问题。上述例1、2两题的析题→解题→建模→运用模型活动，建立“一审，二判，三守恒”模型，将解题思维方法显化相应的模型。让学生通过领略知识内在缜密的逻辑关联而更接近知识的本质，形成系统、有序、多层的认知结构[4]。做到举一反三，触类旁通。同时模型的建立着眼于提升学生的化学学科素养和应用化学知识解决实际问题能力。

在高三复习中践行“模型认知”的“教、学、评”，帮助学生完善理性思考问题的基本方法，能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架。学生就能体会到模型在学习活动中的应用价值，能否熟练地建立或运用模型直接影响着学习效率，逐渐树立起模型意识，并将“模型认知”固化为自己学习的一种方法。促使学生主动用学科知识、学科思想、思维方法来建构模型。掌握解决问题的“套路”，培养举一反三的能力，提高学生的创新能力和核心素养。

[1]钟启泉.核心素养的“核心”在哪里[N].中国教育报，2015-4-1（7） .

[2]王维臻，王磊，支瑶，等.化学教育[J].2014 （1）：34-40.

[3]李代明.例析高三化学培养审题能力的策略[J].中学化学教学参考，2016（4）：55-57.

[4]解慕宗，林建芬，寇辉，刘文婷.基于模型认知的高三化学深度复习研究[J].中学化学教学参考，2017（10）：25-28.