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      基于模型認知的電化學(xué)試題解析及復(fù)習(xí)教學(xué)思考

      2019-03-20 00:37陳繼華
      關(guān)鍵詞:模型認知電化學(xué)

      陳繼華

      摘? ? 要:探究基于模型認知的化學(xué)試題解析,通過將解題思維方法顯化為相應(yīng)的模型,使學(xué)生重視對信息的獲取和提煉,培養(yǎng)和形成分析、解決問題的一般思維模型。并引發(fā)教師思考運用“模型認知”的教學(xué)方式進行高三基礎(chǔ)知識復(fù)習(xí)和解題方法指導(dǎo),從而使學(xué)生形成系統(tǒng)、有序、多層的認知結(jié)構(gòu),促進學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)與能力提升。

      關(guān)鍵詞:電化學(xué);學(xué)科思想;建構(gòu)模型;模型認知

      高中化學(xué)課程標準(征求意見稿)提出“宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)精神與社會責任”五個要素的高中化學(xué)核心素養(yǎng)。基于核心素養(yǎng)的“教、學(xué)、評”一致性,測試作為評的重要形式,那試題中如何考查化學(xué)核心素養(yǎng)及教師通過試題為載體如何培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)?本文就核心素養(yǎng)中“模型認知”為對象進行探索分析?!澳P驼J知”作為核心素養(yǎng)之一,要求“能認識化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系,能運用多種認知模型來描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化,預(yù)測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果;能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型,建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架”。

      一、電化學(xué)試題在加試題中的命題規(guī)律

      浙江省高考化學(xué)進入選考模式,選考卷由學(xué)考+選考組成,比重分別占70%和30%。其中占30%的選考題由三道加試題組成,加試題第一題為反應(yīng)原理題,此題由反應(yīng)原理各知識點拼盤而成,從2015年10月至2018年4月共6份選考試題卷,6份試卷中加試題反應(yīng)原理題(30題)都出現(xiàn)了電化學(xué)知識的考查??疾榈男问揭詴鴮戨姌O反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式為主。

      書寫電極反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式是電化學(xué)知識重要考查點,不僅在浙江省,在其他各地高考卷中高頻出現(xiàn)??此坪唵蔚囊恍☆},但當考題出現(xiàn)信息紛繁復(fù)雜,電極反應(yīng)出現(xiàn)陌生物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化時,學(xué)生答題就容易思路混亂,不知從何入手。這是高三復(fù)習(xí)過程中學(xué)生經(jīng)常會出現(xiàn)“一聽就會、一用就亂、一考就忘”現(xiàn)象。建模則是解決此問題的有效路徑。通過建立模型來獲取知識和解決問題?;瘜W(xué)模型這一認知工具恰好把化學(xué)問題或知識有序編碼,有利于知識的結(jié)構(gòu)化和組織化,使知識或問題以結(jié)構(gòu)或形象表達的形式在人腦中有序編碼[1]

      二、對于電化學(xué)試題的解題策略——模型認知

      (一)建構(gòu)解題思維模型及運用

      【例1】(浙江選考2017.4) 30題節(jié)選 據(jù)文獻報道,CO2可以在堿性水溶液中電解生成甲烷,寫出生成甲烷的電極反應(yīng)式。

      分析:電極反應(yīng)式書寫前:1.明確是原電池還是電解池;2.確定是原電池的正、負極還是電解池的陰、陽極,從而確定電極是氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)。

      審清題干信息,找出關(guān)鍵信息1:碳元素化合價發(fā)生變化,由 CO2(+4)得8個電子降低到CH4(-4)。關(guān)鍵信息2:反應(yīng)在堿性環(huán)境。

      關(guān)鍵信息2:反應(yīng)在堿性環(huán)境。應(yīng)該是OH-,電極式右邊補 8OH-,反應(yīng)前后電荷守恒。

      最后一步,原子守恒。觀察反應(yīng)前后原子個數(shù),發(fā)現(xiàn)電極式左邊需補6H2O。

      書寫時需要考慮反應(yīng)所處環(huán)境(酸、堿、熔融鹽或氧化物),酸性介質(zhì)用H+配平電荷,堿性介質(zhì)用OH-配平電荷,熔融鹽或氧化物用具體離子配平電荷。

      針對電化學(xué)考題中電極反應(yīng)式的書寫,建立解題思維模型:

      (二)運用解題思維模型,解答同類型試題

      【例2】(浙江選考2017.11) 30題節(jié)選 科學(xué)發(fā)現(xiàn):以H2O和N2為原料,熔融NaOH-KOH 為電解質(zhì),納米 Fe2O3作催化劑,在250℃和常溫下可實現(xiàn)電化學(xué)合成氨,陰極區(qū)發(fā)生的變化可視為按兩步進行,請補充完整:電極反應(yīng)式? ? ? ? ? ? ? ? ?和 2Fe +3H2O +N2? ? ? = 2NH3+Fe2O3。

      分析:此題信息量大,對學(xué)生分析信息能力的要求更高。

      由信息a可知:總反應(yīng)物質(zhì)變化H2O+N2→NH3,其中N元素由0價降低到-3。N2→NH3 還原反應(yīng)發(fā)生在陰極。

      由信息d可知:陰極反應(yīng)式第2步2Fe + 3H2O +N2 =2 NH3 + Fe2O3,完成N2→NH3轉(zhuǎn)變。

      由信息c和d可知:Fe2O3作催化劑,催化劑特點反應(yīng)始末自身物質(zhì)不發(fā)生變化。簡單講:1式和2式加和達到N2→NH3轉(zhuǎn)變,作為催化劑的Fe2O3在加和中可以消去。

      確定第1步反應(yīng)物和生成物: Fe2O3? →Fe

      ③守恒

      前面提到運用電荷守恒、原子守恒應(yīng)注意介質(zhì)環(huán)境,特殊介質(zhì)環(huán)境如何處理如例3。

      【例3】(2017.2溫州市選考模擬)N2O5是一種新型硝化劑。工業(yè)上可用N2O4通過電解制備N2O5,陰、陽室之間用質(zhì)子交換膜隔開,兩極電解液分別為稀硝酸溶液和溶有N2O4的無水硝酸。用惰性電極電解時,生成N2O5極室的電極反應(yīng)式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

      解析:

      ①審

      N2O5在陽極室生成,即在溶有N2O4的無水硝酸中生成

      質(zhì)子交換膜

      溶有N2O4的無水硝酸

      ②判

      反應(yīng)物與生成物N2O4→N2O5

      用H+使電荷守恒

      用硝酸使原子守恒

      此題學(xué)生出錯關(guān)鍵點在原子守恒使用時思維定式用H2O,題中“溶有N2O4的無水硝酸”沒有水,而且硝酸不能拆成離子形式。電極反應(yīng)式應(yīng)為N2O4 -2e- + 2HNO3=2N2O5 + 2H+。

      (三)源于教材認知模型進行遷移應(yīng)用

      把教材中的教學(xué)模型向試題中新信息靈活遷移,抓住信息特點,實現(xiàn)在新情境下與原有的認知模型進行類比、聯(lián)想、推理等方法解決問題。

      【例4】(浙江選考2018.4) 30題節(jié)選? ?以四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]水溶液為原料,通過電解法可以制備四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH],裝置如圖1所示。

      (1)收集到(CH3)4NOH的區(qū)域是(填a、b、c或d)。

      (2)寫出電池總反應(yīng)方程式。

      分析:物質(zhì)由(CH3)4NCl→(CH3)4NOH轉(zhuǎn)變,原子團(CH3)4N保持不變,真正發(fā)生變化Cl→OH。關(guān)聯(lián)的知識NaCl→NaOH。此題是建立在電解飽和食鹽水模型基礎(chǔ)上的變形,如圖2所示收集到(CH3)4NOH的區(qū)域就是電解飽和食鹽水收集到NaOH的陰極d,總反應(yīng)式以2NaCl+ 2H2O<Y:\教學(xué)月刊中學(xué)版教學(xué)參考\教學(xué)參考2019-1·2\教學(xué)參考2019第1·2期內(nèi)芯\Image\image6_1.pdf>? 2NaOH+ H2↑+ Cl2↑為原型,寫出2(CH3)4NCl+ 2H2O <Y:\教學(xué)月刊中學(xué)版教學(xué)參考\教學(xué)參考2019-1·2\教學(xué)參考2019第1·2期內(nèi)芯\Image\image6_1.pdf> 2(CH3)4NOH + H2↑+ Cl2↑。

      三、試題引發(fā)的高三復(fù)習(xí)教學(xué)思考

      選考、高考試題關(guān)注化學(xué)核心素養(yǎng)和能力的考查。核心素養(yǎng)不是先天遺傳的,而是經(jīng)過后天教育習(xí)得的[1]。素養(yǎng)在教師平時實際的教學(xué)行為中才能加以落實。高三復(fù)習(xí)教學(xué)中“模型認知”素養(yǎng)的落實,教師可幫助學(xué)生建構(gòu)認知模型,建立起宏觀現(xiàn)象、微觀原因、符號表征之間的聯(lián)系,梳理概念和原理,實現(xiàn)知識從無序到有序,培養(yǎng)學(xué)生整體、系統(tǒng)地思考。

      (一)整合知識建構(gòu)模型

      在高三復(fù)習(xí)教學(xué)中應(yīng)做好知識的補缺補漏、關(guān)聯(lián)整合工作。整合過程要體現(xiàn)學(xué)習(xí)、研究思路,知識的因果邏輯等。將知識整合與思維建構(gòu)相融合構(gòu)建成模型進行復(fù)習(xí)教學(xué),使學(xué)科知識、學(xué)科方法、思維方法融合,讓學(xué)生在鞏固知識的同時掌握相應(yīng)的學(xué)科方法和思維方法。

      如電化學(xué)知識復(fù)習(xí)可采用王維臻、王磊等從電化學(xué)的本體維度、認識維度和任務(wù)維度,構(gòu)建適用于高中階段的電化學(xué)認知模型(見圖3)[2]。

      (二)同類試題建構(gòu)問題解決思維模型

      在復(fù)習(xí)過程中,教師要把各種題目加工整理、分類突破,構(gòu)建解決每類問題的一般模型。熟練掌握了常見問題的特征和解法,就可以從復(fù)雜題目中分離出這些基本問題,全面、有序地獲取題目的有效信息[3],進而進行分析和解決問題。上述例1、2兩題的析題→解題→建?!\用模型活動,建立“一審,二判,三守恒”模型,將解題思維方法顯化相應(yīng)的模型。讓學(xué)生通過領(lǐng)略知識內(nèi)在縝密的邏輯關(guān)聯(lián)而更接近知識的本質(zhì),形成系統(tǒng)、有序、多層的認知結(jié)構(gòu)[4]。做到舉一反三,觸類旁通。同時模型的建立著眼于提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)和應(yīng)用化學(xué)知識解決實際問題能力。

      在高三復(fù)習(xí)中踐行“模型認知”的“教、學(xué)、評”,幫助學(xué)生完善理性思考問題的基本方法,能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型,建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。學(xué)生就能體會到模型在學(xué)習(xí)活動中的應(yīng)用價值,能否熟練地建立或運用模型直接影響著學(xué)習(xí)效率,逐漸樹立起模型意識,并將“模型認知”固化為自己學(xué)習(xí)的一種方法。促使學(xué)生主動用學(xué)科知識、學(xué)科思想、思維方法來建構(gòu)模型。掌握解決問題的“套路”,培養(yǎng)舉一反三的能力,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和核心素養(yǎng)。

      [1]鐘啟泉.核心素養(yǎng)的“核心”在哪里[N].中國教育報,2015-4-1(7) .

      [2]王維臻,王磊,支瑤,等.化學(xué)教育[J].2014 (1):34-40.

      [3]李代明.例析高三化學(xué)培養(yǎng)審題能力的策略[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2016(4):55-57.

      [4]解慕宗,林建芬,寇輝,劉文婷.基于模型認知的高三化學(xué)深度復(fù)習(xí)研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2017(10):25-28.

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