基于思维建模的化学核心概念深度教学

黄一文

摘要：核心概念是化学的灵魂，是支撑化学知识的骨架。文章以“电解池”教学为例，对思维过程建立模型，使繁复的思维形态或方法外显并简约化，再运用这些思维模型以达到深度学习化学概念知识和解决化学实际问题的目的。

关键词：思维建模;核心概念;教学设计;深度教学

文章编号：1008-0546（2019）12-0018-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.006

一、问题的提出

思维建模的概念最是由美国学者D·H·乔纳森系统提出来的，他认为建模是一种建构性学习方式，深度学习的目标就是通过模型构建，让学生思考视觉化，解决问题程序化，促进核心概念的转变与发展模型，促进学生对知识的深层理解和灵活应用。化学建模教学包括帮助学生理解物质模型，形成思维模型，并在分析和解决问题时，随着新问题的不断出现，对原有的模型进行强化或修正，从而得到较完整的认知模型。高中化学学科核心素养中明确包含了模型认知能力，并要求能应用模型建构能力解决具体问题。本文以人教版选修4第四章第三节第1课时中“电解池”的教学为例，基于思维建模的化学核心概念深度教学进行一些教学实践。

二、基于思维建模的核心概念内容和教学方法分析

《普通高中化学课程标准（2017年版）》将“模型认知”作为化学核心素养的重要组成部分，在教学中要引导学生构建自己的知识体系和深度学习模式，构建思维模型，促进学生建模思维和建模能力的提升。电解原理部分包括的知识点有：电解的含义、电解过程中的能量转化关系、电解池（电解池的构成、电解过程中粒子运动和变化），其中电解是核心概念。通过氯化铜具体的情境及实例，促进电解概念的构建及其原理、规律的理解;通过归纳总结，构建思维模型后，电解饱和食盐水是电解知识及思维模型的迁移、巩固和深化。最后运用思维模型分析陌生电解池的具体工作原理、产物和现象，解决自制消毒液、解决海水淡化实际问题，体会化学知识的应用价值，巩固本节重点，起到承前启后的作用。

根据本节课核心概念内容及教学方法，培养学生核心素养，确定基于思维建模的教学目标如图1所示。

三、基于思维建模的教学设计

本节课教学设计着重强化应用氧化还原理论分析实验现象的微观本质，以问题为抓手，通过思考讨论、总结归纳、设计评价等项目任务，驱动学生积极主动参与到教学中，建立宏观现象、微观原因、符号表征之间的联系，构建认识模型，自己梳理概念和原理，建构思维模型，能够用思维模型及电解原理分析、解决具体问题。

1.创设情境、构建电解概念

[设问]按图3连接好装置，这与前面所学原电池装置有何异同？会发生什么反应呢？

[设疑]问题能唤起思维，激发其内驱力，是保证学生深层次认知参与的核心。本节课设置了较多有梯度、有针对性、有启发性、有创造性的问题，任务驱动积极参与学习过程，使学生进入问题探索者的角色，自主构建知识体系和思维模型，并在新情境中灵活运用，促进核心概念深度教学。

问题1：通电前，CuCl2溶液中存在哪些离子？你的依据是什么？

问题2：通电后，溶液中的离子的运动情况有什么改变？与同学交流，说说你的理由？

问题3：当离子定向移动到电极表面時，根据实验现象如何写出有关电极反应式？判断发生了怎样的反应？

问题4：构成电解池的条件是什么？

[投影]播放FLASH动画课件，模拟电解CUEl2溶液的微观运动及变化。

[讲解]cuCl2在水溶液中完全电离生成cu²⁺和c1^-，通电前，Cu²⁺和Cl一在溶液里做无规则运动;通电后，在电场的作用下，带负电的cr^-移向阳极，并失去电子被氧化成氯原子，进而结合成Cl2放出，带正电的Cu²⁺移向阴极，并得到电子被还原成铜原子，覆盖在阴极上。

[展示]学生书写的电解CUEl2溶液的电极反应及化学反应方程式。

[构建电解概念]1.电解池的定义：电解池是将电能转化为化学能的一个装置（构成：外加电源、电解质溶液、阴阳电极），使电流通过电解质溶液或熔融电解质而在阴、阳两极引起非自发的还原、氧化反应的过程。

设计意图：本实验是理解电解原理的突破口，也是本节核心概念教学的重心。为了促进电解、电解池等核心概念的深度教学，由学生探究电解氯化铜溶液的实验现象，分析电解过程，归纳分析的方法，理解电解池宏观现象背后的微观原理，并能用化学用语进行表征，促进学生内化电解原理，引导思维模型构建。

2.归纳总结、思维建模

为了帮助学生建构电解池认识模型，形成系统的电解池知识体系，在学习中融会贯通电解池工作原理、掌握电极反应方程式的书写等问题，可以构建起符合学生认知水平的“定微粒、定电极、定流向、定顺序、巧用守恒（电子守恒、电荷守恒、原子守恒）”解题思维模型。

（1）“定微粒”。就是在方程式中先选择好相应的微粒，根据其中元素化合价的变化判断各物质发生反应的类型或根据各种离子得失电子的能力不同来定放电顺序（“定顺序”）。

（2）“定电极”。根据物质发生反应的类型标出电池工作时电子的流向和电流的流向，并根据电子或电流的流向确定电极的名称。

（3）“定流向”。根据电子流向标出电解质溶液中阴、阳离子的运动方向。

（4）巧用守恒（电子守恒、电荷守恒、原子守恒）写电极反应式及相关计算。

【定流向】电解池中电子及离子的移动方向：电源负极一电解池阴极一电解液中的阳离子移向阴极并得到电子被还原。电解池中阴离子移向阳极并失去电子被氧化一电解池阳极一电源正极

【定顺序】由于各种离子得失电子的能力不同，因此，电解时离子放电要遵循强弱有序。

①阳离子放电能力与金属活动性顺序有关，越不活泼的金属，其离子氧化性强越先得电子。

[板书]阳极（与正极相连）：氧化反应

若惰性电极阴离子放电：S^2->I^->Br^->CI^->OH^->含氧酸根>F^-

若活性电极：电极自身失电子

②阴离子放电能力与其还原性有关，离子的还原性越强越易先失电子。

[板书]阴极（与负极相连）：还原反应

阳离子放电：Ag⁺>Fe³⁺>Cu²⁺>H⁺>Fe²⁺>Zn²⁺>AI³⁺>Mg²⁺>Na⁺>Ca²⁺>K⁺

3.应用模型、拓展延伸

为了帮助学生理解并内化电解这个核心概念，教师通过创设问题情境，应用思维模型来探究、分析电解饱和食盐水的产物，深度理解氯碱工业的生产原理。

[设疑]

问题1：两电极上产生的气体可能是什么物质？你的判断依据是什么？如何检验生成的气体？

问题2：如何利用思维模型，解释有关现象？写出相关的电极反应式和电解方程式

问题3：若溶液中Cl⁺全部转化为Cl2逸出，此时溶液中大量存在的溶质微粒是什么？如何检验？

问题4：NaOH在哪极生成？如何从平衡及变化的观点解释？

问题5：这套装置有什么不足？如何改进？

设计意图：学生利用“定微粒、定电极、定流向、定顺序、巧用守恒（电子守恒、电荷守恒、原子守恒）”解题思维模型及电解的原理不难进行类比迁移解析上述问题。师生共同总结，得出本装置的不足：有毒的氯气会扩散到空气中，引起中毒;会与向阳极迁移的OH^-极产生的氢气发生反应，降低“氯碱”的产量、可能发生爆炸。可以使用阳离子交换膜阻止OH^-向阳极迁移，将电解反应器中两极产物分隔。

[展示]石棉隔膜法、离子膜法电解饱和食盐水原理。

4.应用模型、学以致用

教师：科学技术的迅猛发展，使化学成为与人们生活息息相关的学科。每年都有多种与人们生活密切相关的化工产品问世。淘宝有卖一种能除菌消毒的“家庭卫士”，请看产品的介绍图片。

[设疑]预测这种产品用除菌消毒是应用了什么化学原理？能不能通过所学过电解原理设计一种类似的简易装置呢？

[师生互动]学生讨论设计实验方案，交流评价最佳方案，并指导学生实施。

[作品展示]

[释疑]共同分析简易装置的电解原理。

[设疑]本装置还存在的安全隐患是什么？使用需要注意什么？

[交流讨论]阴极产生的H2从上方导管口出来，易燃易爆，要避免明火以防火灾爆炸事故。

[拓展遷移]某地海水中主要离子的含量如表2。现利用“电渗析法”进行淡化，技术原理如图9所示（两端为惰性电极，阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过）。下列有关说法错误的是

A.甲室的电极反应式为：2Cl^--2e^-=Cl2↑

B.淡化过程中易在戊室形成水垢

C.L室和丁室中部分离子的浓度增大，淡水的出口为b

D.当戊室收集到22.4L（标准状况）气体时，通过甲室阳膜的离子的物质的量一定为2mol

[交流讨论]“电渗析法”进行海水淡化的原理。

设计意图：目的在于让学生在陌生情境中利用任务驱动，师生、生生间的交流讨论、评价方案等活动，并利用思维模型将所学电解原理、电极反应、离子移向、离子反应等知识综合起来解决实际问题，思维过程外显并产生激烈碰撞，帮助学生内化电解有关概念、原理，自主构建电解概念体系，提升学生的科学探究意识和创新精神。

5.点拨提升、构建体系

（1）电解：使电流通过电解质而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫电解。

（2）电解池的原理;构成电解池的条件：直流电源，两个与直流电源连接的电极（阴极、阳极），电解质溶液。

（3）电能和化学能之间相互转化的规律：原电池——化学能转化为电能，氧化还原反应自发进行;电解池——电能转化为化学能，氧化还原反应非自发进行。

（4）思维建模：“定微粒、定电极、定流向、定顺序、巧用守恒（电子守恒、电荷守恒、原子守恒）”解题思维模型。

设计意图：设计知识点回归操作，意在引导学生归纳、构建电解池的知识系统及思维建模，帮助学生梳理概念和原理。

四、结语

电解是高中化学的核心知识之一，概念、原理集中，情境陌生且注重模型构建，较为抽象，是学习的难点。以往的教学中往往过多关注电极反应的书写、离子放电顺序等知识的识记，而未引导学生形成分析和解决相关问题的思路与方法。本节课围绕模型建构培养学生化学核心素养进行教学设计，有助于了解不同学习能力的学生在化学核心概念学习中思维建模的差异，构建通过提高思维建模能力，增强学生学习核心概念能力的学习模式，也为化学核心概念学习状况和效果的反馈和检测提供新的手段。借助化学教学中核心概念的思维建模，在教学中建立宏观现象、微观原因、符号表征之间的联系，构建思维模型，就能帮助学生梳理概念和原理，实现知识从无序到有序。