高三电化学解题直观模型的建构与应用

谭源

(中国人民大学 教育学院, 北京, 100872)

高三的电化学学习对于学生模型的建构要求较高, 而大部分研究集中在对建模能力的测查评价[1]、认识模型的教学设计和教学策略[2]、迷思概念测查评价[3]等方面,针对学生记忆力不佳、缺乏概括能力和思考角度等问题进行模型建构的研究较少。本文将原电池和电解池看作一个系统[4]探讨解题的直观模型建构, 以期为学生和教师提供可用的直观模型建构和教学参考。

1 高三学生在构建电化学解题模型方面存在的问题

高三学生普遍认为电化学模块学习偏难, 在模型建构方面会出现一些问题。例如氧化剂还原剂的判定不清晰, 较少总结记忆口诀; 极少总结自己的电化学解题模型; 部分同学对电化学知识认识零散化,对于模型建构一般只有文字总结和经验总结, 图形关键词类型的非常少; 也有能对单一原电池或者电解池进行建模的, 但缺乏整体联系和多重角度的分析总结。

2 电化学解题直观模型的形成过程

2.1 将氧化还原反应原理与电池构成原理归纳总结, 形成记忆口诀

高三复习阶段有许多基本概念知识较为抽象, 学生理解起来不深刻, 不太容易记忆准确, 尤其是电化学内容, 不仅有氧化还原反应原理的概念, 还有电池基本构造和基本原理。若利用口诀法将抽象概念总结为少数关键字词, 并排列成为口诀, 将会大大减轻记忆负担[5]。

根据氧化还原反应的相关规律, 把元素发生的化合价变化、电子得失情况、物质类别归属、所在电极名称结合起来, 提取关键词形成口诀。“升”是升高, “失”是失去电子, “还”是还原剂, “负”是原电池的负极, “阳”是电解池的阳极。对于口诀关键词的记忆可以采用谐音法、联想记忆法进行理解, 以达到联系记忆的效果。应用该口诀有几点好处： 一是口诀信息全面。不管题目的突破口是从化合价变化出发还是从其他任意一方面出发, 都可以利用口诀迅速找到对应信息。二是还原剂或氧化剂的判定能直接对接电池反应原理。高永华提出“阳—氧”谐音记忆[6], 即将阳极与氧化反应对应。这样的口诀对于氧化还原反应结合电池装置的判定是非常好的, 而在高考电化学题中往往需要从题中所给物质变化来判定发生电池反应的还原剂或氧化剂, 如果口诀直接指向还原剂或氧化剂则更方便分析电池的物质变化, 书写电极反应式也变得更容易。电化学口诀记忆法见表1。

表1 电化学口诀记忆法

2.2 电化学解题直观模型图的构造

电化学原理包括原电池原理、电解池原理,其构成条件均有3个。原电池的为电极材料、离子导体、自发氧化还原反应; 电解池的为电极材料、离子导体、电源。这两部分原理有相同之处,一是都有氧化还原反应, 二是都具备电极、导线等导电的装置, 三是形成闭合回路。总结这些原理知识, 理清各部分之间的逻辑关系仅仅靠文字是不够的[7], 可以借鉴思维导图的相关特点来画电池装置图形, 用关键词把主要概念连接起来,各部分文字或图形用不同色彩进行渲染, 形成一个完整的电化学原理的逻辑模型图, 融入绝大部分电化学原理信息。学生可以根据自身喜好和记忆特点进行自我改进, 形成一个适合自己的个性化的解题直观模型工具。电化学解题直观模型图见图1。

图1 电化学解题直观模型

该模型具有 3个特点： 一是利用口诀可以直接判定出在两极附近物质发生电池反应的一系列变化; 二是具有直观化的电池装置结构并用不同颜色标注电子流向、离子迁移方向来显示外电路和内电路的区别, 指示电流的形成; 三是包含能量变化、是否有自发氧化还原反应能让电池类型判定更快捷[8]。

3 电化学解题直观模型的运用

培养学生在电化学复习中模型认知的核心素养, 需要对不同类型电池进行归纳总结, 提炼出核心知识模型用于解决更多更复杂而陌生的电池情景, 选取3道不同类型的近3年高考全国卷的电化学题,剖析解题模型的获得和运用。

3.1 负极材料与参与电池反应的还原剂相同

例题1(2018年)

题干信息： 可充电锂—空气电池的放电过程是氧气与锂离子生成Li2O2-x(x=0或1), 场所是多孔碳材料(图2)。

选项信息： (1) 判断放电时的电极和电子流向; (2) 判定充电时离子移动方向和电池总反应。

可充电说明可以是原电池, 也可以是电解池, 故判定各选项要从判定物质变化属于放电还是充电, 这一点判定要形成一个模型即自发氧化还原反应是放电过程, 非自发氧化还原反应是充电过程。需要关注氧气在放电时的变化, 由氧元素的化合价降低知氧气做氧化剂, 故多孔碳材料是正极, 金属锂是负极材料, 同时是还原剂, 这一点与铜锌原电池相同, 属于还原剂就是电极材料的情况。放电时, 电子从外电路由负极(锂)流向正极(多孔碳材料); 充电时为电解池, 阳离子固定向阴极(锂)迁移, 将电子和离子的定向迁移归纳在一起, 形成完整的粒子流向模型, 使用时只需要从题中得到电极名、阴阳离子名的信息即可判定。

图2 可充电锂—空气电池

3.2 两极材料均不参与电池反应

例题2(2019年)

题干信息： 以合成氨为目标的生物燃料电池, 用 MV2+与 MV+的转化实现传导电子(图 3)。

选项信息： (1) 能量角度看合成方法比较;(2) 在什么电极区氢气与 MV2+反应, 正极区发生什么反应; (3) 质子流动的方向。

此题中的电池电极并不是参与反应的,学生会对电极上的反应难以理解, 可能会将氮气与氢气在酶的作用下反应当成电极反应, 故要对物质得失电子场所进行总结。左室电极为燃料电池的负极, 从MV+生成MV2+判断MV+化合价升高在负极失电子发生氧化反应, 并不是电极材料参与了反应; 氧化产物 MV2+进一步与氢气反应生成氢离子、MV+, 这属于离子导体内部发生的反应, 要与电极反应区别开, 而学生也会因为这一点难以阅读清楚电池的原理, 所以直观模型中通过“在”和“邻”的关键词总结能够提示学生注意这一点。另外电池工作时, 氢离子通过交换膜由负极向正极移动这个考点用模型就很快能找出答案。

图3 生物燃料电池

3.3 电化学解题模型运用于电化学防腐

例题3(2017年)

题干信息： 外加电流的阴极保护法进行防腐的实例, 高硅铸铁是惰性辅助阳极(图4)。

选项信息： (1) 钢管桩的电流大小, 直流电源的电流可调整; (2)电子流向, 高硅铸铁的作用分析。

图4 钢管桩防腐工作原理

通过解题直观模型发现直流电源判定此题的电池属于电解池原理, 钢管桩接电源负极则为阴极,是受电流保护的, 腐蚀电流接近于零。高硅铸铁为阳极, 在模型中强调还原剂不一定是阳极材料, 故还需关注题给信息, 高硅铸铁为惰性电极, 因而推导高硅铸铁不会成为还原剂失电子, 参加电池反应的物质需要从离子导体中寻找。

总结起来就是, 使用电化学解题直观模型能对电池原理有较为彻底的认识, 同时提升解题速度和对陌生电池的适用程度。

4 解题直观模型对学生复习和教师教学的启示与不足

4.1 高三学生如何建立自己的解题直观模型

高三复习阶段时间紧迫, 电化学内容需要氧化还原反应的基础和融会贯通, 加持对电池装置的深刻理解, 学生可以从3个方面入手。一是回顾氧化还原基础知识, 电池构成基础知识。任何高水平的技能都需要扎实的理论基础知识, 逐步搜索自己在两本必修课本和选修四中还存在什么问题, 多采用联想记忆法、口诀法来解决记忆力水平不够的问题。二是增加对电化学题的阅读量。从不同类型的题中仔细体会不同电池所具有的共同特点, 与简单电池进行对照, 思考自己的认识缺陷。三是联系看问题,形成系统化的解题模型。减少盲目的刷题, 多思考经常用到的知识或考点间的联系, 将其整理成为一个用图形图像或表格曲线等形态的模型图, 把所有电池的迷思概念尽可能融入其中, 形成自己的解题套路, 增强信心。

4.2 基于电化学解题直观模型建构的教学启示

(1) 以阅读型任务为主的教学设计, 训练学生文字阅读能力和分析解决问题的能力。

新高考对于学生的阅读能力要求提升, 不仅是文字阅读能力, 还有图像图表等阅读分析能力。电化学解题直观模型的建构过程能反映这种分析总结、解决问题的能力素养。引导学生进行陌生情景电池的阅读和分析, 提炼共同的核心原理, 发展学生模型认知的素养。

(2) 引导学生自主体会解题模型的探究过程, 关注建构思路的形成。

模型如果是从教师口中说出来的就还不是学生的, 故需要一些自主活动为载体, 让学生体会探究电池形成的思维过程, 深刻理解原理, 对最后的解题模型建立大有好处。王维臻等[2]在北京某校高三2个班进行同课异构, 通过Fe3+与I一反应的原电池教学设计, 挑战学生对电化学的系统认识。这是一种对形成电化学知识模型建立的有效教学形式, 学生自主参与度高, 思维训练程度也高, 教师在课堂引导学生利用知识、补充知识、形成科学的思考方式, 达到自主建模的能力要求。

4.3 不足之处

尽管电化学解题直观模型能包含绝大部分电化学知识内容, 但仍有一些电池本质认识未能涵盖,如电极电势。如何更直观地展现以及如何进行教学设计提高学生的认识和素养, 还需要进一步研究如何将知识融入模型。