基于化学学科核心素养的高三电化学复习教学研究

邵倩

高三作为学生高中生涯的最后一年，也是学生核心素养培养和发展的重要一年。高三教学需要一线教师进行深入的研究，努力摆脱以“解题”为主的传统高三复习模式，寻求能使学生核心素养得以提高和升华的教学方式。

2014年教育部印发《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》，其中首次提出“教育部将组织研究提出各学段学生发展核心素养体系，明确学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力”。高中化学学科核心素养是学生核心素养的重要组成部分，是学生在化学认知活动中发展起来并在解决与化学相关问题中表现出来的关键素养，反映学生从化学视角认识客观事物的方式与结果的水平。化学学科核心素养包含“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”“实验探究与创新意识”“科学精神与社会责任”五个方面，充分体现了化学学科的独特性，凸显了化学是从微观层面认识物质、以符号形式描述物质、在不同层面创造物质的特征。

电化学作为化学学科的重要分支，在化学电源、物质合成等领域具有非常广泛的应用。电化学知识作为培养学生化学学科核心素养的重要载体，得到了国内学者和一线教师的关注。王秀红等围绕“小车为什么会跑起来”的真实问题，利用铜-锌原电池驱动小车的实验现象，引导学生分析原电池的工作原理，探究原电池的构成条件。徐健将单元教学设计作为学科核心素养有效落实的着力点，以“电解池的工作原理和应用”为例，设计单元教学设计思路，实践并反思单元教学设计的几个环节。目前的研究成果大多致力于新授课的教学，关于电化学复习课的研究尚少。经过高一、高二两年的化学学习，学生的化学学科核心素养已经得到了一定程度的培养，高三作為学生高中生涯的最后一年，也是关键一年，需要一线教师进行深入的教学研究，努力摆脱以解题为主的传统高三复习模式，寻求能使学生核心素养得以提高和升华的教学方式。本文以“电化学原理在物质合成中的应用”教学设计为例，初探高三电化学复习课教学中学生化学学科核心素养的培养。

一、教学分析

电化学知识的学习较为抽象，且认知要求较高，学生在学习过程中会遇到一些问题和困难，如电极的判断、外电路中的电子或者电流流向、内电路中阴阳离子的移动方向、电极反应式的书写、原电池和电解池的混淆等。而随着年级的升高和学习的深入，学生面对的不再是教材中的经典实例，如铜-锌双液原电池、电解饱和食盐水等，而是一些更为复杂的实际问题，如甲酸燃料电池、电解法制备双氧水等。学生基于死记硬背或者解题经验很难解决实际生产生活中的问题，这就需要学生在电化学复习过程中寻找正确认识问题的角度和合理分析问题的思路，提高认知水平，发展核心素养。

二、设计思路

本节课电化学知识的复习旨在引导学生建立电化学的认识模型和思维模型，培养和发展学生的化学学科核心素养。电化学原理应用广泛，案例繁多，为兼顾原电池原理和电解池原理的复习，加强两部分内容间的辨析，本节课选取“电化学原理在物质合成中的应用”为主线开展电化学复习，重点是物质的电化学合成，从基本电极反应出发到物质的合成，优化学生活动，使学生知微知彰。精选电化学合成实例，如选择美国莱斯大学汪淏田教授团队利用固体电解质直接电化学合成质量分数可高达20%的H2O2溶液这一实例进行首尾呼应，注重教学过程的连续性和完整性，在引导学生形成解决电化学问题的认识角度和思维方法的同时，提升其化学学科核心素养。

三、教学过程

（一）引入

关于双氧水，学生对其物理化学性质比较了解，但对其制备方法并不了解。目前主流制备过氧化氢的工艺是2-乙基蒽醌工艺。该工艺存在的最大问题在于：过氧化氢要集中化生产，为了尽可能降低存储和运输成本，会将过氧化氢溶液浓缩后进行存储和运输，而高浓度的过氧化氢会带来严重的安全隐患。为解决这一问题，科学家进行了广泛而深入的研究，如美国莱斯大学的汪淏田教授团队利用固体电解质直接电化学合成质量分数可高达20%的H2O2溶液，引导学生思考过氧化氢的电化学合成，引出电化学原理在物质合成中的应用。

设计意图：创设情境，抛出“过氧化氢的电化学合成”这一问题引发思考，激发学生兴趣，为后续课程渗透化学学科核心素养做准备。

（二）建构认识模型，基础知识结构化

基于王磊等提出的电化学认识模型，从原理维度和装置维度对原电池和电解池基本知识进行复习，实现知识的结构化。原理维度以氧化还原反应为基础，主要复习电极反应物和产物、反应过程中电子及阴阳离子移动方向、反应现象;装置维度主要复习在原电池或电解池装置中得失电子的场所、电子导体、离子导体。

设计意图：在以往的电化学学习中，学生多多少少会运用某些方法或者模型，但并不自知。高三电化学复习课需要通过分析、推理等方法，使学生将之前所学的零散知识结构化，建立系统的电化学认识模型，促进“模型认知”这一核心素养的发展。

（三）探求思维模型，分析问题逻辑化

1.建构思维模型

物质的电化学合成是基于电极反应实现的，因此电极反应式的书写是探究物质电化学合成的基础。

例题1：（2018·江苏卷）用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，电解该混合溶液可获得较浓的硝酸。写出电解时阳极的电极反应式：___。

通过该例题的分析与讲解探求电极反应式书写的思维模型：

①明电极：明确目标电极

②知特征：知道目标电极反应特征

③列物质：列出电极反应物、生成物

④标得失：标出化合价存在变化的元素，写出得失电子的数目

⑤看环境：明确环境信息（酸性、碱性或中性）

⑥配守恒：根据电荷守恒和原子守恒进行配平

⑦再验证：对标已知条件，进行验证

2.运用思维模型

例题2：（2019·江苏卷）电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。电解CO2制HCOOH的原理示意图略。①写出阴极CO2还原为HCOO-的电极反应式：

____。②电解一段时间后，阳极区的KHCO3溶液浓度降低，其原因是_________。

设计意图：以电化学认识模型为基础，培养学生正确认识问题的角度和合理分析问题的思路，从而建立解决电化学问题的思维模型，并熟练应用思维模型解决问题。电化学思維模型的建立，不但有利于提高学生的学习效率，而且可以引导学生以此为基点，尝试建立其他知识模块的思维模型，如建立氧化还原反应、化学平衡等知识模块的经典思维模型，进而建立完整的思维模型体系，使学生解决化学问题思路化，从而提高学科核心素养和探究能力。

（四）直击实际问题，物质合成清晰化

通过以上教学过程，学生对不同电极上发生的反应已具有较深入的理解。在实际问题中，两极反应最终是如何合成目标产物的是需要进一步解决的问题。

例题3：（2019·全国卷I）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图略。下列说法错误的是（  ）

A.相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

B.阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+=2H++2MV+

C.正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3

D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

设计意图：将已建构的电化学认识模型和思维模型运用于实际问题——合成氨，训练学生运用电化学模型解决实际问题的能力，真正实现对电化学原理的理解与运用，同时引导学生将此方法与传统合成氨相比，使学生认识到电化学在物质合成领域的优势和前景，激发学生学习化学的兴趣，从而培养学生的科学态度。

（五）不忘社会责任，学习成果外显化

在上述学习的基础上，注重课堂的延续性，研究课堂引入部分提出的过氧化氢的电化学合成。精选电解池原理（例题4）和原电池原理（例题5）合成过氧化氢的方法开展学生活动，引导学生多角度（反应原理、反应物、生产成本等）分析两种方法的异同点。

例题4：（2020·山东卷）采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图1所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是（  ）

A.阳极反应为2H2O-4e-=4H++O2↑

B.电解过程中，H+由a极区向b极区迁移

C.电解一段时间后，阳极室的pH未变

D.电解一段时间后，a极生成的O2与b极反应的O2等量

例题5：汪淏田教授团队直接电化学合成过氧化氢的装置如图2所示，请仔细读图，写出电极反应和总反应。

设计意图：通过对电解池和原电池原理合成过氧化氢的学习，培养学生理论联系实际的观念和将化学知识应用于生产生活的意识。引导学生分析两种合成方法的异同点，不仅能强化学生对原电池和电解池原理的辨析，更有助于学生形成节约生产成本、注重环境保护等理念，提高学生运用科学理论分析相关化学问题、权衡利弊、提出合理决策的能力，使学生的科学态度与社会责任得到培养和发展。

四、教学反思

本节课主要进行电化学复习课教学设计，将基础知识结构化，通过建构电化学思维模型，使学生分析问题逻辑化，通过对实际问题的探究实现理论模型与生产实际的衔接。整个教学过程不停留于电化学知识层面的复习，而是注重学生认识模型和思维模型的建立，关注理论知识的实际运用，真正实现从“双基”教学到“核心素养”教学的转变。

参考文献：

[1]王秀红，李志航. 发展学生化学学科核心素养的“化学能与电能”教学：小车为什么会跑起来[J].化学教育，2020，41（3）：27-32.

[2]徐健. 基于学科核心素养的单元教学设计：以“电解池的工作原理和应用”为例[J]. 实验教学研究， 2020（7/8）：22-25.

[3]王维臻，王磊. 电化学认识模型及其在高三原电池复习教学中的应用[J].化学教育，2014（1）：34-40.

[4]Chuan Xia，Yang Xia，Peng Zhu，etc. Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte[J].Science，2019（366）：226-231.

（作者单位：无锡市市北高级中学）

编辑：赵飞飞