基于化学前沿科技情境的认知模型构建——以2022年全国卷电化学试题情境为例

何德波

(贵州省遵义市南白中学,贵州 遵义 563199)

《普通高中化学课程标准(2017年版)》中第一次把“模型认知”写进了普通高中化学的课程目标中[1],从此化学教师开始更加重视模型理解、模型建立和与建模有关的教学设计和实施.模型作为一种重要的科学研究手段,在科学技术发展中起着关键性的作用.高中化学核心素养将“证据推理与模型认知”作为一个维度专门描述,以阐明模型认知对高中化学课程的重要作用.“证据推理与模型认知”是学生获得科学知识的关键方式,也是学生处理实践问题中所体现出的的关键素养.

1 2022年高考全国卷电化学试题情境创新点分析

1.1 精选素材情境,考查关键能力

纵观2022年高考化学试卷,部分试卷的主体情境以文本、数据、表格等多种形式表达,其中情境分为生活情境、学术探索情境、生产环保情境、实验探究情境、化学历史情境五大内容.在试题命制和设问上,着眼学生未来的长远发展,重点考查考生的理解与分析能力、归纳与论证能力、探究与创新能力,体现了对化学学科思想方法和学科关键能力的考查.

2022年全国甲卷化学第4题(Zn-MnO2离子选择双隔膜电池)和2022年全国乙卷化学第6题(科学家研究了一种光照充电Li-O2电池)均属于学术探索情境.通过学术情境考查了电化学的有关基础知识,突出了基础知识系统在学生养成关键能力、化学学科素养等方面的基础地位与支撑作用,有助于为学生的继续深造打下坚实的基石.

1.2 引入大学教材中的相关知识创新命题,淡化必考与选考界限

电极、电化学隔膜种类进一步丰富化.如2022全国甲卷化学第4题在电化学中考查了离子选择双隔膜,2022年高考全国乙卷化学第6题将锂电池、光催化电极、离子交换膜、协同反应融合进行了考查.

2 前沿科技情境的认知模型构建

2.1 模型建构思路

以前沿科技情境为原点,结合情境的特点,判断所给的情境中是否存在原型本身就涵盖了对客观事物的描述模型[2].若存在原型,可采用简化方式提炼有用信息,使其上升到认知模型,深化对原型本质的理解,扩大其使用领域.最后用建构的模型来处理实际情境问题(如图1所示).

图1 模型建构思路

2.2 高考模型建构举例

图2 Li-O2电池

B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关

C．放电时,Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移

情境素材评析本题属于学术探索情境.2022年,南开大学化学学院李福军研究员等撰写了光诱导 Li-O2电池综述文章.系统介绍和讨论了Li-O2电池充放电过程中的O2电化学和光电化学反应,重点介绍了光诱导 Li-O2电池中的光电化学反应机理;概述了在电极材料设计、电池结构和电池稳定性等方面的最新进展;提出了光诱导 Li-O2电池所面临的主要挑战和发展前景.该综述将加深人们对光诱导 Li-O2电池的认识,并促进光能在电化学器件中的应用研究.2022年该成果以“Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li-O2batteries”为题发表于Chem. Soc. Rev.并被选为期刊封面文章(Front Inside Cover).题给的一种光照充电Li-O2电池,考查了离子交换膜、离子的移动方向和电极方程式的书写,这就要求学生要及时在大脑里搜索所学的认知模型.学生经历了“情境信息解读→原型提炼→模型建构→模型应用”这一模型建构,体现了对宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等化学学科核心素养的考查.

认知模型建构根据题给“科学家研究了一种光照充电Li-O2电池”科技情境,提取有用信息,建构原电池、电解池模型如图3、图4所示.再运用建构模型去解决新情境所提出的问题,那该题就迎刃而解.

图3 原电池的工作原理模型

图4 电解池的工作原理模型(阳极为惰性电极)

图5 Zn-MnO2离子选择双隔膜电池

A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移

C． MnO2电极反应:

情境素材评析本题属于学术探索情境.2022年,深圳大学在水系电解型MnO2-Zn电池研究取得突破.深圳大学材料学院新能源材料与器件课题组杨金龙助理教授取得重要进展,在《Advanced Energy Materials》上发表题为“A Proton-Barrier Separator Induced via Hofmeister Effect for High-Performance Electrolytic MnO2-Zn Batteries”的研究论文.这项工作通过霍夫迈斯特效应制造了一种成本效益高的基于聚乙烯醇(PVA)的质子屏蔽隔膜(PBS)来防止析氢,从而稳定电解MnO2-Zn电池的新途径.本题以最新电化学研究成果为载体,主要考查原电池的基本原理,具体考查电极反应式的书写、离子选择双隔膜及离子迁移方向等知识,意在考查考生分析、整合新信息的能力,培养模型认知的核心素养.

认知模型建构本题应用的是原电池的工作原理模型.根据题给“水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池”科技情境,提取有用信息,建构原电池模型.学生经历了“情境信息解读→原型提炼→模型建构→模型应用”这一模型建构,结合原电池的工作原理模型,再运用所建构模型去解决新情境所提出的问题,那该题就迎刃而解.

3 基于化学前沿科技情境的认知模型构建的备考策略

3.1 课堂教学创设真实问题情境,开展项目式学习

在平时教学过程中需要注重创设真实问题情境来开展项目式学习,引导学生积极开展建模学习、合作探究学习和问题探索学习,以推动他们对学习化学知识方法的改进.

3.2 深刻领会化学学科核心素养内涵,准确把握中国高考评价体系,科学制订教学目标

教师应依据化学学科核心素养的内涵及其发展水平、高中化学课程标准和高考评价体系要求,结合学情进行课堂教学设计.

3.3 回归教材,注重认知模型的构建

不论多么复杂陌生的情境,多么复杂新颖的装置,都离不开教材中的基本模型.对于电化学的考查,离不开教材中原电池与电解池的基本模型,所以要狠抓理论基础的掌握,并可以通过实际情况加以转化运用.运用建模思想有助于简化化学核心知识,帮助学生解决化学实际情境问题.

3.4 关注前沿科技情境、时事热点,熟悉从复杂、陌生的信息中提取有效信息的方法

高考试题中多数情境均为陌生的、复杂的,要求学生能够从众多信息中提炼有效信息.为了提高陌生文本的阅读能力,提高有效信息的提取能力,平时应当进行适当的针对性训练,形成正确的解题思路和方法,不过于纠结题给信息的新颖性和熟悉程度.