基于模型认知的电化学素养测评设计及教学启示

杨健宇 黄都

【摘要】本文根据课程标准建构电化学领域认知及问题解决能力测评结构，分析2016—2021年高考全国卷化学电化学基础题，认为电化学素养是基于学习者电化学思维模型，对原电池或电解池结构进行要素辨识、系统分析、科学推理和方法创新等的领域特殊性知识及能力，高考电化学基础题主要考查电化学装置解析的基本能力，对辨识创新、参与创新、独立创新等更高水平层次的考查仍具有很高的潜在育人价值，教师在教学中应关注模型建构、模型迁移和模型创新等亲历性学习过程的设计与组织实施。

【关键词】模型认知 电化学素养 测评设计 化学教学

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）23-0105-05

电化学是基于氧化还原反应原理的“化学能—电能”互转技术探索、开发与应用领域，与人类可持续发展息息相关。该领域知识学习及有关问题解决，有助于发展学生的变化观念、证据推理、模型认知、创新意识和社会责任等化学学科核心素养，因此，电化学试题是化学高考必考的领域特殊性试题。电化学试题常以新型电源和光电设备等电化学研究的新成果作为素材，展示电化学工作原理模型，以简单的电化学装置图或文字描述来呈现题干信息，这不仅有利于考查电化学模型、氧化还原反应、离子移动、电极方程式的书写等电化学必备知识，还能更好地体现化学学科的实用价值和创新本色，促进学生建构领域特殊性研究志趣，从而达到立德树人的高考测评功能目标。

一、电化学素养测评模型的建构

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中对电化学领域认知及问题解决能力标准的描述如表1所示。

认知要求主要是从知识及其认知水平视角对学生必备知识掌握水平予以界定，必备知识主要包括原电池反应、原电池结构、电解池结构、释能原理、储能原理、电镀应用、防腐应用等基础知识，对这些知识的认知只要求了解，不要求深究这些知识的本源性、科学性和再生产性。单元学业要求则是对必备知识的迁移运用作出系统要求，既包括分析、解释、评价、改进现有的电化学装置或电化学过程，也包括利用必备知识和相关资源创造性地设计有关电化学装置从而解决有关实际问题。素养类别及其水平相关要求则是从模型建构、模型迁移、模型优化、证据探究、社会责任等更高的能力层次，对同类学科思维的单元学业要求进行更上位的概括。学业质量水平及其相关要求则是从多个素养类别视角，聚焦能量储存和能量释放，对高中生完成化学课程学习之后应具备的综合素养予以系统界定。

基于上述分析，可建构如图1所示的电化学领域认知及问题解决能力测评结构。

从新能源研发领域的未来人才需求看，通过改变试题结构，引导学生探寻风力、核能、太阳能、火力、水力等发电方式之外的未来新能源创新技术，使其加入高水平储能设备、释电设备的微观结构设计研究，并在实践探索中发现更多的电化学新规律、新知识和新方法，将是未来电化学领域认知及问题解决能力测评内容改革的主要方向。

电化学领域的素养考查，其对应的必备知识为电池模型与电解装置模型，要求考生超越原模型建构一般模型（如图2所示），并能够在特定新情境中实现一般模型的迁移应用。

在建构电化学装置及工作原理一般模型的基础上，还需要结合氧化还原反应的知识，对电化学装置的构成要素进行定义，用概念来构建电化学思维模型（如图3所示）。這样，才能真正解决实际问题。

二、典型试题分析

笔者选取2016—2021年高考全国卷化学共六道电化学基础题作为分析对象，根据电化学原理创造性应用领域将试题分为以下三类。

（一）还原剂-空气燃料电池

【例1】（2016年全国Ⅲ卷）11.锌-空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn+O2+4OH–+2H2O=2Zn（OH）[2-4]。下列说法正确的是

A.充电时，电解质溶液中K+向阳极移动

B.充电时，电解质溶液中c（OH–）逐渐减小

C.放电时，负极反应为：Zn+4OH–-2e–=Zn（OH）[2-4]

D.放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L（标准状况）

正确答案是C。试题情境未向考生提供原电池图示模型，主要考查基于氧化还原反应（总反应）的原电池充放电工作原理模型建构。若考生不具备模型建构潜在能力，则无法正确回答有关问题。在正确建构电极材料及其名称、电解质溶液，以及充放电时的电极反应、电子移动方向、电流方向、离子移动方向之后，需要再从定性表征和定量计算的视角分析原电池工作原理。有关测试表明，三个干扰选项中，B选项的干扰性最强，反映了考生对充电时整体思维（直接观察总反应的逆过程）和分析思维（阳极、阴极区各自发生的反应）的选择存在内在冲突，这说明选择怎样的思维方式（或算法模型）对问题解决的成功率和效率影响极大。

【例2】（2018年全国Ⅲ卷）11.一种可充电锂-空气电池如图4所示。当电池放电时，O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x（x=0或1）。下列说法正确的是

A.放电时，多孔碳材料电极为负极

B.放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极

C.充电时，电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移

D.充电时，电池总反应为Li2O2-x=2Li+（1-[x2]）O2

正确答案是D。题目考查的素养为原电池结构名称、电子流向、离子流向、反应表征等，考生只需要调用已知的模型认知框架即可成功作答。考生对充电时的微观过程判断失误率比较高，原因是他们对充电过程的研究与分析不够深入。

【例3】（2020全国Ⅲ卷）12.一种高性能的碱性硼化钒（VB2）-空气电池如图5所示，其中该电池工作时在VB2电极发生反应：VB2+16OH--11e-=[VO3-4]+2B（OH）[-4]+4H2O，下列说法错误的是

A.负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L（标准状况）O2参与反应

B.正极区溶液的pH降低，负极区溶液的pH升高

C.电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B（OH）[-4]+4[VO3-4]

D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

正确答案是B。选项D是考生始料未及的，并且很多教师也存在同样的疑惑：电流在电解质溶液中以何种形式存在？带电粒子定向移动即形成电流，在电解质溶液中，阴阳离子定向移动，在外电路，电子定向移动，两者协同形成电流。若平时对这一考点研究得不够深入，考生很容易误选。可见，电化学领域的科学概念，要从本质上建立其逻辑含义，才能建立科学信念，从而帮助考生在特定情境中做出准确而明晰的判断。

（二）全固态电池

【例4】（2017年全国Ⅲ卷）11.全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图6所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列说法错误的是

A.电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4

B.电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g

C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性

D.电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多

正确答案是D。有关测试表明，选项B误选率高，原因是考生在计算简单的负极电量与物料比时，受到陌生信息多硫化锂的干扰较大，说明考生的分析思维能力以及物质的量算法模型建构能力欠缺。此题对创新点的考查体现在选项C，对解决实际问题的考查体现在选项D。但对考生创新素养的考查仅停留在解析创新水平层次，未到达参与创新或独立创新水平层次。

【例5】（2019年全国Ⅲ卷）13.为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn（3D-Zn）可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池，结构如图7所示。电池反应为Zn（s）+2NiOOH（s）+H2O（l）[放电充电]ZnO（s）+2Ni（OH）2（s）。以下说法错误的是

A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高

B.充电时阳极反应为Ni（OH）2（s）+OH-（aq）-e-=NiOOH（s）+H2O（l）

C.放电时负极反应为Zn（s）+2OH-（aq）-2e-=ZnO（s）+H2O（l）

D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区

正确答案是D。有关测试表明，本题得分率较高的原因是考生对类似问题的模型认知技能已经达到精熟水平。试题对考生准确调用题干支持性信息的能力要求比较高。

（三）电化学生产工艺

【例6】（2021年全国甲卷）13.乙醛酸是一种重要的化工中间体，可利用如图8所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是

A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用

B.阳极上的反应式为：      +2H++2e-=

+H2O

C.制得2 mol乙醛酸，理論上外电路中迁移了 1 mol电子

D.双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移

正确答案是D。本题涉及电化学原理在有机物制备中的创造性应用研究，研究者巧妙地借助外加电源，使乙二酸发生失氧（得e-）而还原生成乙醛酸，使Br-失e-而生成Br2，Br2的水溶液进一步将乙二醛氧化为乙醛酸。根据电化学思维模型可知，铅电极为阴极，石墨电极为阳极。从理论上看，若电源提供2 mol电子，铅电极区还原制得1 mol乙醛酸，同时石墨电极区氧化制得1 mol乙醛酸，总共2 mol。因此，A、B、C选项的说法均是错误的，只有D选项是正确的。从试题设计上看，若想要考查考生参与创新素养水平，可将应答任务设计为双极膜中应加入什么物质。

从上述历年典型试题分析可知，电化学领域特殊性试题突出了对电化学装置的一般结构及工作原理模型、电化学思维模型的综合考查，体现为模型迁移的基础性和应用性。在以选择题为测评方式的基础素养测评中，无法真正测量到综合性、创新性能力。若要全面实现电化学研究计划的基础人才培育和选拔目的，应在主观题中增加开放性任务，引导考生参与创新、独立创新。

三、教学启示

就现行教材而言，电化学知识是基于铜锌原电池、电解氯化铜溶液及钢铁的腐蚀建立知识体系的，学生学习难度不大，但是所得到的结论也较为简单或者固定，学生如果在学习过程中不注意知识的转化和积累，将导致在面对高考中各种各样新型化学电源、电化学工艺时不知所措，而模型建构则能比较好地解决这个问题。

（一）构建以建模为核心的“追踪电化学历史与前沿”项目式学习任务，促成有意义的电化学模型认知与实践创新学习历程

电化学建模学习的主要方法是绘制原电池或电解池微观过程模型，绘制者一定是学生，绘制结果正误判断的方法是实验法和逻辑分析，基于绘制的展示交流活动，应聚焦电化学装置设计的创新点、环保点、局限性和技术瓶颈分析。通过查阅文献，构建电化学史、新型电池、电解生产工艺、电催化等建模学习资料库，从时空观念、史料实证、历史解释、前沿追踪、参与创新、独立创新、交流展评、关键技术研讨、重要理论创新等视角，开发项目式学习工作单，引导学生实施实体解构、自主建模、交互建模、模型迁移、模型创新、实践体验等学习活动，使学生在复杂而有意义的项目式学习任务中建构认知信念、抽提确定性知识、掌握电化学领域思维方法。

（二）聚焦电化学研究及应用创新，开发体现基础性、综合性、应用性和创新性的能力训练任务与素养评测试题

体现基础性的认知任务通常涉及电化学过程的本源性动因和系统性工作机制，需要调用该领域相关的微粒观、变化观、守恒观、结构与功能观、宏微结合观。例如，1.电化学装置中电子流的源头在哪儿，即谁提供了电子？2.以怎样的方式创生电子流？是还原剂自发失电子还是外部电源诱导失电子？若为还原剂自发失电子，则为原电池装置且装置中阳极（负极）失电子，或为金属防腐蚀中“牺牲阳极的阴极保护法”;若为外部电源诱导失电子，则为电解装置且装置中阴极得电子。3.电解过程中有机物得失氧与得失电子的关系是怎样的？考生可借助“得氧氧化，升失氧化还原剂”“失氧还原，降得还原氧化剂”等氧化还原辨识模型来分析电解过程中的电子得失情况，进而判断电解装置中的阴阳极。

体现综合性的认知任务通常涉及“多点关联结构”的心智过程，如书写电池的总反应式、计算电量与物料的关系、判断电极名称、分析电解质的作用等，均考查了学生的综合思维。

体现应用性的问题解决任务通常直接调用已有认知模型就能解决当下问题的任务。例如，运用离子放电顺序等知识选择恰当的电解质用于增强电解水过程中的电导率、运用电解原理设计电镀装置、运用原电池原理解释电热水器中镁棒的作用、运用原电池反应过程中的热效应解释“暖宝宝”的工作原理等。

体现创新性的问题解决任务通常为基于已有知识和经验，设计新的电化学装置结构或解决特定电化学装置结构中的技术瓶颈问题。例如，基于所给信息及开放性问题，学生能够想到从电化学视角，建构电化学装置来解决实验或工业生产中的局部问题;针对特定电化学装置结构中的问题与不足，学生能创造性地提出解决方案。

电化学基础源于人类对氧化还原反应的创造性应用，发展于化学研究工作者致力于解决实际问题，着眼于未来的“碳达峰”“碳中和”之路，在电极材料、电解质材料、电解原理应用等方面开展日益深入且有实效的开创性工作。例如，在钠离子电池研究领域，如何通过优化制备工艺和电解质体系匹配正负极材料，实现大容量、长寿命、高功率、低成本、高安全性钠离子成品电池的构筑，使其切实在大规模储能中发挥作用，是一个重要的研究方向。深入研究高能量密度、高功率电池模块，是电动汽车研发领域产业链升级及转型的重要保障。

电化学素养评测与教学促进，不应停留于答题模板的传授、使考生多拿几分，而应从领域基础人才培育的角度，改变传统的固有的试题设问方式，使试题更贴近研发实际，使应答及研究过程更能激发青少年进军领域探索的理想和信心。教师在教学中亦应向学生系统介绍试题情境背后的创新故事，为学生打开通往领域研究的门窗。

参考文献

[1]杨明全.核心素养时代的项目式学习：内涵重塑与价值重建[J].课程·教材·教法，2021（2）.

[2]梅雨，陈军，邓文韬，等.高熵电化学储能材料的研究进展与新机遇[J].硅酸盐学报，2022（1）.

[3]许志海.我国新能源汽车产业现状及发展趋势的研究[J].科技与创新，2018（4）.

注：本文系广西教育科学“十三五”规划2019年度广西考试招生研究专项课题“基于样卷研发的等级性学考科目命题团队建设实践研究”（2019ZJY032）、广西教育科学“十三五”规划2020年度广西考试招生研究专项课题“普通高中学业水平选择性考试命题素材管理系统优化研究”（2020ZJY190）、广西教育科学“十三五”规划2020年度考试招生研究专项课题“普通高中学业水平考试的审题程序、规范和技术研究”（2020ZJY221）的研究成果。

作者簡介：杨健宇（1980— ），江西赣州人，高级教师，主要研究方向为信息技术学科整合;黄都（1973— ），通讯作者，广西都安人，博士，教授，主要研究方向为教学评整体设计。

（责编 刘小瑗）