指向思维培养 发展模型认知

摘 要 在高三专题复习中，存在知识点浅层回顾、过度依赖教辅、机械刷题等问题，针对这些问题提出了设计任务驱动、指向思维培养、发展模型认知的高三专题复习模式。以高三“电化学专题”第一轮复习为例，分析了“电化学”促进学生思维发展的功能价值，阐述了电化学教学的重点和难点，指出了学生主要的思维障碍点，提出了促进学生电化学思维模型建构的策略。

关键词 思维培养 模型认知 电化学专题 教学设计

一、问题的提出

素养为本的教学已提出多年，在高三复习中，“教师讲、学生听”的满堂灌现象已有较大转变。但是，高三复习仍存在以下问题：（1）知识点浅层回顾，未指向思维培养。教师在复习各个知识点时，虽有设问引导，但知识点仍然零散无序，没有对知识点进行加工整合，这不利于学生思维培养。（2）过度依赖教辅，未实现教学设计校本化。教师没有将教辅中的考题进行改编、增设情境，这不利于提升学生关键能力。（3）机械刷题现象普遍，未建构模型认知。教师主要采用讲练结合的复习方式，学生机械训练，缺少反思、建模过程，这不利于发展学生的模型认知。

如何帮助学生对知识的应用价值进行深度的思考，并对零散的知识点进行结构化的整合呢？如何借助情境化问题实现知识的思维建构，并形成解决一类真实问题的思维模型呢？这是高三复习急需解决的“痛点”问题。本文以高三“电化学专题”第一轮复习为例，从如何设计任务驱动、指向思维培养、发展模型认知等角度对高三化学复习教学的实效性进行探讨。

二、电化学知识的功能价值及学情分析

电化学知识在必修学段和选择性必修学段均有涉及，是重要的化学反应原理知识。电化学知识是氧化还原反应知识在生产生活中的实际运用，它蕴含能量转化观、微粒运动观、电荷守恒观、绿色化学观等化学观念。它不仅与现实生活密切相关，也与新材料、新能源等科技发展息息相关，还涉及物理等其他学科知识。通过本章的学习，可发展学生“证据推理与模型认知”素养，培养学生“科学探究与创新意识”[1]，帮助学生树立“化学造福人类、科技改变生活”的理念。

工作原理、陌生电极反应式书写、电化学计算是电化学的重点、难点内容。在复习电化学之前，学生已经复习了氧化还原反应和离子反应等知识，掌握了简单的原电池、电解池知识。但是，电化学涵盖多组概念、多种装置、多种反应，学生普遍认为电化学知识繁、难、杂，考题情境新颖，装置千变万化，难以建立解题模型。目前，学生存在的解题障碍主要有：装置和电极判定不准，较少运用归纳方法帮助记忆；电子、离子移动方向存在困惑，没有建立微粒移动的认知模型；只对单一原电池或电解池进行建模分析，缺乏多角度、整体性的模型建构[2]；零散化地记忆电化学概念，没有建立图表、图形等结构化的认知模型。

三、促进学生电化学思维模型建构的策略

“模型认知”是高中化学学科核心素养的重要组成部分[3]，是指学生通过对事物的宏观感知，进行分析推理、归纳概括，进而理解事物的本质和规律，构建思维模型并建立解决真实问题的基本方法与框架。根据核心素养培养的规律，探索“情境引导—考情分析—任务驱动—思维建构—模型运用—真实问题解决”的复习模式，引导学生领悟学科知识的功能价值、理解学科知识的本质规律、建立学科知识的核心观念、构建学科知识的模型认知，最终内化为学科核心素养。

四、指向思维培养、发展模型认知的电化学复习教学设计

（一）电化学复习课的教学流程

本节课设计旨在摆脱题海，通过“中国自主研发的磷酸铁锂电池应用到深海载人潜水器”的视频情境，自然引出新型电池的课题。引导学生回顾以往考题，自主梳理出电化学的高频考点。进而引导学生自我剖析，交流得出普遍的解题障碍。针对高频考点和解题障碍，紧紧围绕高考真题中新型电池的两个装置图，设计了层层递进的驱动任务，通过学生的讨论、归纳、自主建构“装置判断模型”“电极反应式书写模型”“电化学计算模型”，进而通过自主建构思维导图形成解决电化学问题的思维模型。再通过学生发散思维，自主设计题目，对比分析与高考真题的异同，使学生深刻体会高考电化学的命题特点。最后，通过建立的思维模型解决真实问题，巩固思维模型，最终促进化学学科核心素养发展。

（二）“电化学专题”复习课的教学过程设计

1.情境设置

【播放视频】播放“中国自主研发的磷酸铁锂电池用于深海载人潜水器（深海勇士号）进行科考”的相关视频。

【设疑引导】磷酸铁锂电池究竟是什么装置？它为什么有如此优良的性能呢？

设计意图：增强自豪感、激发学习兴趣，留下疑问，自然引出新型电池的课题。

2.考情分析

【设疑引导】磷酸铁锂电池是新型二次电池。据统计，近五年高考新型化学电池占到了60%，成为电化学考题的热点。为什么新型电池会成为高考热点？新型电池的考点主要是什么？你解题主要障碍又是什么呢？

【问题分析】（1）新型电池成为高考热点的主要原因：新型电池体现化学学科价值和科技进步，符合“绿色化学”思想的时代需求；命题情境新颖、陌生度高；命题角度丰富，便于同时考查原电池和电解池工作原理，综合性强。（2）新型电池的考点主要有：电极名称判断、电极反应式书写、电子和离子移动方向判断、离子交换膜的判断、电子转移的相关计算等。（3）解题的主要障碍有：陌生装置的识别、未知交换膜的判断、陌生电极反应式书写、相关计算等。

设计意图：引导学生自主梳理考点，了解学生的解题障碍，确立课堂突破的重点、难点。

3.任务驱动

驱动任务一：装置、电极、隔膜的判断

（1）装置的判断

明确装置类型是进行电池解题的第一步，以2021年河北省高考第9题和2021年全国甲卷第7题为例，其装置图分别如图2、图3所示。

【设疑引导】上面两幅图中两个新型电池装置是原电池还是电解池？判断的依据是什么？判断装置类型还有其他方法吗？

【问题分析】连接电流表的为原电池，连接电源的为电解池。

【总结归纳】

表1 电池装置类型的判断方法

[判断角度 原电池 电解池 连接装置 无外接电源（常连A表、G表、V表或用电器） 外接电源 给电方式 放电 充电 反应类型 自发氧化还原反应 多为非自发氧化还原反应 电极材料 两极不同（燃料电池除外） 两极可相同，可不同 串联电路 燃料电池（电势高） 负载（电势低） ]

（2）电极的判断

【设疑引导】图2、图3中，电池装置的电极名称分别是什么？判断的依据是什么？判断电极还有哪些其他方法？

【问题分析】图2中，b极发生还原反应，为正极，a极发生氧化反应，为负极；图3中，铅电极乙二酸到乙醛酸脱氧发生还原反应，为阴极，石墨电极Br－被氧化为Br2，为阳极。

【总结归纳】借助物理电路图，得出电极判断方法为：

原电池中，正极—得电子—化合价降低—发生还原反应—因得电子带负电则吸引阳离子。

电解池中，阳极—失电子—化合价升高—发生氧化反应—因失电子带正电则吸引阴离子。

（3）隔膜的判断

【设疑引导】装置2中，隔膜类型是什么？装置3中，双极膜左右两侧隔膜分别是什么类型？判断的依据是什么？

【问题分析】装置2中，a极生成的K+需要通过隔膜移向b极，故为阳离子交换膜。装置3中，阳离子H+移向阴极（铅电极），故双极膜的左侧为阳离子交换膜或质子交换膜，右侧为阴离子交换膜。

【总结归纳】隔膜判断方法：阳离子能通过的为阳离子交换膜、阴离子能通过的为阴离子交换膜、H+能通过的为质子交换膜。离子通过交换膜的作用是平衡电荷。

驱动任务二：电极反应式的书写

【设疑引导】上图两个装置的电极反应式如何书写呢？电极反应的书写有怎样的程序与方法？

【问题分析】正极：O2 + e－ + K+ = KO2；负极： K － e－ = K+。

阳极：2 Br－ － 2 e－ = Br2； 阴极：HOOC－COOH + 2 H+ + 2 e－ = HOOC－CHO + H2O。

【总结归纳】电极反应式书写可分为四个步骤。①定电极、找物质：明确反应物、产物；②标变价、明得失：分析得失电子数；③析介质、配补项：结合溶液酸碱性；④查守恒、定系数：配平各物质系数。

驱动任务三：电化学计算

【设疑引导】用装置2中K－O2电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9 g钾时，铅酸蓄电池消耗了多少克水？装置2中，制得2 mol乙醛酸，理论上外电路迁移多少摩尔电子？你能归纳出电化学计算的解题思路吗？

【问题分析】根据得失电子守恒可得，2 K－2 H2O关系式，求得水的质量；要制得2 mol乙醛酸，阴阳两极各制得1 mol乙醛酸，依据电极反应式得出迁移电子数为2 mol。

【总结归纳】计算题解题思路：每个电极通过的电量相等，转移电子数相等。

设计意图：通过层层递进的驱动任务，培养学生反思总结和建立思维模型能力，发展学生“模型认知”核心素养。

4.思维建构

【设疑引导】如何用思维导图形式呈现电化学的思考程序与方法？

【总结归纳】预期电化学的思维程序与方法模型，如图4所示。

从电化学思维程序与方法模型可以看出，思维程序是学生解决电化学问题的思考步骤。首先判断装置、电极、隔膜，再书写电极反应式，最后依据电极反应式计算转移电子数，这些程序反映了思维层层递进的顺序。思维方法是学生思考问题的角度，通过思维方法，检索题中相关信息，可完成对应程序的分析。该模型让学生的思维有步骤、有方法、有抓手。

设计意图：培养学生思维的有序性、严谨性，建构思维认知模型。

5.模型运用

【呼应问题】磷酸铁锂电池用于深海载人潜水器，电池总反应式为

LixC6 + Li1-xFePO4 [放电充电] LiFePO4 + 6 C

电池结构如图5所示。分析磷酸铁锂电池放电时电极类型、隔膜类型，书写电极反应式，思考磷酸铁锂电池性能优越的原因。磷酸铁锂电池思考流程如图6所示。

从图6可以看出，学生运用电化学思维程序与方法模型来思考磷酸铁锂电池的相关问题，流程中展示了学生思考的步骤与方法，以及得出的结论。

设计意图：呼应导课问题，学以致用，在解决真实情境问题中体会模型建构的价值。

五、教学反思及启示

本教学设计跳出了高三第一轮复习“以题讲题”“机械强化”的误区。教学设计通过高考真题素材，设置情境引导和任务驱动，引导学生将解决问题的内在思维过程外显，呈现思维建构的过程，在交流讨论中学生最终自主建构起解决这类问题的思维模型。该教学设计对高三的专题复习有以下几点启示：

（一）创设真实情境，将化学问题转化为育人素材

将“中国自主研发的磷酸铁锂电池应用到深海载人潜水器”设计成一个有意义的情境，增强学生的民族自豪感，深刻体会学科知识的应用价值，帮助学生树立学好化学知识、服务社会的情感态度和价值观。同时，设置了磷酸铁锂电池为什么寿命长、稳定性好的疑问，激发学生的学习兴趣，为后续装置的分析作了良好的铺垫。

（二）设计驱动任务，让化学问题转化为求知思路

高三复习教学应该区别于新授课教学，应从重点关注教师的“引领示范”转化为关注学生的“自主建构”[4]。精心设计层层递进的驱动任务，设计步步推进的引导问题，让学生自主讨论、归纳，让建构思路方法成为复习教学的引领。根据学生的思维障碍，精心设计了以下几个驱动任务：陌生装置类型判断、电极判断、隔膜判断、微观粒子移动方向判断、电极反应式书写、电化学相关计算。这些问题是有思维逻辑顺序的，学生逐步展开讨论，问题层层递进、解题思路步步明晰。这些问题的解决步骤正是学生思路显性化的体现。

（三）建构思维模型，让零散知识转化为系统认知

高三复习教学离不开知识点的归纳，但绝不能是简单的重复回顾，而是需要将看似零散的知识点进行归类、串联，厘清它们的内在逻辑关系，进行结构化理解。建立认识思路，建构认知模型，并运用思维模型解释原理，揭示内在的本质和规律。电化学知识理论性强，装置新颖独特，具有微观粒子移动、隔膜分析等诸多抽象难点问题，导致学生在复习过程中存在较多思维障碍。该教学设计将抽象问题具象化，复杂内容分解化，每个任务都设置了学生自由讨论、分析归纳的环节，设计了生生汇报、生生补充、生生评价、教师评价，在不断的交流讨论中，实现学生方法建构、模型完善。

（四）运用思维模型，让结构化知识转化为核心素养

该教学设计让学生思维发散。自主设计考题，再对照高考真题分析差异。在设计、对比中，学生深刻理解学科知识的价值，形成系统的结构知识，深刻理解高考电化学考题的命题特点、命题规律。最后，呼应情境前置问题，运用构建的思维模型，解决真实情境中磷酸铁锂电池的系列问题，让学生感悟思维模型的价值，实现学生情感、知识和方法的统一建构，最终发展模型认知、平衡思想等化学学科核心素养。

高三复习课不仅要重视情境导入、设计任务驱动，还要重视指向思维的问题引导、学生自主建构思维模型。更要在真实情境、真实问题的解决中，体会思维模型的价值，形成模型认知，最终内化为学生的核心素养[5]。

[参 考 文 献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社， 2020：3.

[2]谭源.高三电化学解题直观模型的建构与应用[J].湖南文理学院学报（自然科学版），2020，32（2）：49-52.

[3]单旭峰.对“模型认知”学科核心素养的认识与思考[J].化学教学，2019（3）：8-12.

[4]张玉娟.“情境创设，任务驱动”的高三化学专题复习课教学设计：以“化学平衡常数”为例[J].化学教与学， 2021（17）：61-64.

[5]冯桂明，陈珏姝.新高考背景下基于“模型认知”的高三电化学复习研究：以“电解原理的综合应用”为例[J].化学教与学，2022（9）：66-72.

（责任编辑：姜显光）