馮瑩

摘 要：在高中化學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握通常是死記硬背，而在遇到特殊情境題時(shí)又是淺嘗輒止，同時(shí)教師往往也是簡(jiǎn)單地傳遞知識(shí)，沒(méi)有深入開(kāi)發(fā)教材。文章基于模型認(rèn)知的高二電化學(xué)復(fù)習(xí)，以“氯堿工業(yè)”為背景，讓學(xué)生自主探究，通過(guò)學(xué)習(xí)任務(wù)的完成，進(jìn)一步理解電化學(xué)的模型認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知；氯堿工業(yè)；電化學(xué)

一、基于模型認(rèn)知的問(wèn)題提出

在魯科版教材《電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能——電解》的授課中，很多教師重點(diǎn)分析電解原理及其應(yīng)用。在教學(xué)目標(biāo)落實(shí)中，以傳統(tǒng)的知識(shí)講授搭配相應(yīng)的鞏固練習(xí)為主，并沒(méi)有充分挖掘教材的作用，引導(dǎo)學(xué)生自主建立認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。如何打破常規(guī)的復(fù)習(xí)方法，在已有的認(rèn)知模型下，讓學(xué)生在快樂(lè)學(xué)習(xí)并學(xué)有所得？

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科育人價(jià)值的體現(xiàn)，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”就是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)方面，在“模型認(rèn)知”的內(nèi)容中提道：知道可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[1]?；瘜W(xué)模型應(yīng)該包括實(shí)物模型、理論模型、知識(shí)模型和思維模型，每一種模型都不是孤立存在的。建構(gòu)認(rèn)知模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的過(guò)程，需要以具體的化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，在問(wèn)題的解決過(guò)程中，逐步建立知識(shí)關(guān)聯(lián)和思維框架[2]。筆者認(rèn)為：模型認(rèn)知的教學(xué)設(shè)計(jì)可以在真實(shí)情境下，利用學(xué)生已學(xué)知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，優(yōu)化已有的認(rèn)知模型，提高學(xué)生的化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)水平。

二、基于模型認(rèn)知的教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

1.通過(guò)氯堿工業(yè)發(fā)展史，體會(huì)電解的發(fā)展和價(jià)值，判斷并提高學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平。

2.通過(guò)氯堿工業(yè)裝置的探究，建構(gòu)電滲析的模型，判斷并提高學(xué)生認(rèn)知水平和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.通過(guò)探究雙池的應(yīng)用，建構(gòu)雙池模型，判斷并提高學(xué)生電化學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)水平。

4.通過(guò)探究氫氣的利用，培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展意識(shí)，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任感。

三、基于模型認(rèn)知的教學(xué)與評(píng)價(jià)思路

基于氯堿工業(yè)的認(rèn)知模型，以情境線、知識(shí)線、任務(wù)線、活動(dòng)線和素養(yǎng)線為脈絡(luò)，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，構(gòu)建“教、學(xué)、評(píng)”一體化的高效課堂，制訂教學(xué)與評(píng)價(jià)思路。大體設(shè)計(jì)路線如下：

1.以氯堿工業(yè)發(fā)展史為情境，復(fù)習(xí)電解原理，通過(guò)再探究電解飽和食鹽水，建構(gòu)氯堿工業(yè)初模型，發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知和社會(huì)責(zé)任。

2.以問(wèn)題為情境，通過(guò)探究氯堿工業(yè)的裝置、探究離子交換膜的應(yīng)用、探究電滲析法制取NaOH，建構(gòu)電解池模型，發(fā)展微觀探析、模型認(rèn)知、證據(jù)推理、科學(xué)態(tài)度。

3.以“碳中和、碳達(dá)峰”為情境，通過(guò)討論氯堿工業(yè)產(chǎn)物H2的利用，探究雙池的應(yīng)用，建構(gòu)雙池模型、綠色化學(xué)思想，發(fā)展微觀探析、模型認(rèn)知、社會(huì)責(zé)任。

四、基于模型認(rèn)知的教學(xué)設(shè)計(jì)

第1課時(shí)

教學(xué)環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設(shè)情境，初建認(rèn)知模型

展示資料卡片：氯堿工業(yè)發(fā)展史。

從發(fā)展史中學(xué)生感受到氯堿工業(yè)的發(fā)展與變化，這個(gè)過(guò)程需要科學(xué)家們不斷地研究探索，認(rèn)知化學(xué)學(xué)科的價(jià)值和責(zé)任。

【任務(wù)一】建構(gòu)氯堿工業(yè)初模型

【活動(dòng)1】探究電解飽和食鹽水

利用石墨電極電解氯化鈉溶液的簡(jiǎn)單裝置出發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題串復(fù)習(xí)已知的電化學(xué)知識(shí)。學(xué)生積極交流，互相補(bǔ)充，查缺補(bǔ)漏，進(jìn)一步鞏固基礎(chǔ)。

【問(wèn)題一】1.判斷裝置是原電池還是電解池？

2.該電解池陰極和陽(yáng)極的怎么確定，判斷方法有哪些？

3.電子的移動(dòng)方向？

4.陰陽(yáng)離子的移動(dòng)方向？

【學(xué)生】（在裝置圖中補(bǔ)充電子移動(dòng)方向和陰陽(yáng)離子移動(dòng)方向。）電子從負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線移向陰極，從陽(yáng)極經(jīng)導(dǎo)線移向正極。Cl-、OH-移向陽(yáng)極，H+、Na+移向陰極。

引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注電極附近微粒的變化，寫(xiě)出陰陽(yáng)極的電極反應(yīng)式和總反應(yīng)，并判斷電解滴加酚酞的飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在合作交流的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分同學(xué)電極反應(yīng)式相同，而總反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象卻不同，在生生互助合作中找到原因，得知在陰極電子的H+，來(lái)自水的電離。當(dāng)水電離的H+被消耗，溶液中剩下水電離的OH-離子。在書(shū)寫(xiě)總反應(yīng)時(shí)要寫(xiě)出水分子而不是酸。因?yàn)镺H-的產(chǎn)生，使溶液顯堿性，所以酚酞溶液變成紅色。

【學(xué)生】總結(jié)電解池模型認(rèn)知

設(shè)計(jì)意圖：利用氯堿工業(yè)發(fā)展史的真實(shí)情境，感受氯堿工業(yè)在歷史長(zhǎng)河中的不斷發(fā)展，同時(shí)引出氯堿工業(yè)的基礎(chǔ)原理電解飽和氯化鈉溶液。應(yīng)用宏觀現(xiàn)象和微觀粒子變化分析電解飽和氯化鈉溶液的原理，教學(xué)中通過(guò)不斷追問(wèn)復(fù)習(xí)電解池的工作原理，建立氯堿工業(yè)的初模型，為氯堿工業(yè)的進(jìn)一步探究埋下伏筆。

教學(xué)環(huán)節(jié)2：深度學(xué)習(xí)，提升認(rèn)知模型

【任務(wù)二】探究氯堿工業(yè)裝置

【問(wèn)題二】若將石墨電極電解氯化鈉溶液的簡(jiǎn)單裝置用于工業(yè)生產(chǎn)Cl2和NaOH，可能會(huì)遇到哪些問(wèn)題？

【學(xué)生活動(dòng)】可能遇到的問(wèn)題：

1.Cl2和NaOH可能發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品減少。

2.產(chǎn)品NaOH溶液中含有氯化鈉。

3.Cl2和H2可能相遇，發(fā)生反應(yīng)。

4.Na+和OH-移動(dòng)方向相反，不利于產(chǎn)物NaOH的富集。

學(xué)生在分析問(wèn)題時(shí)可能不全面，通過(guò)小組討論可以激發(fā)學(xué)生思維，形成縝密的思考邏輯。教師通過(guò)提供信息，幫助學(xué)生形成全方位思維。

【教師】在氯堿工業(yè)中電解法耗能大，產(chǎn)品通常只要Cl2和NaOH，只有少量的H2得到利用，絕大部分H2都被排放到大氣中，造成H2資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，所以在氯堿工業(yè)中還可能遇到這些問(wèn)題：

1.工業(yè)能耗大。

2.氫氣的處理和利用。

【活動(dòng)2】設(shè)計(jì)氯堿工業(yè)的裝置

【思考】1.如何隔開(kāi)Cl2和H2？2.如何隔開(kāi)Cl2和NaOH？3.如何減少產(chǎn)品NaOH溶液中的氯化鈉？4.Na+和OH-移動(dòng)方向相反，如何利于NaOH的富集？

針對(duì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題到提升自我認(rèn)識(shí)，更新認(rèn)知模型來(lái)解決問(wèn)題。大膽放手讓學(xué)生完成裝置圖的分析，采用學(xué)生自評(píng)和生生互評(píng)，在相互切磋的過(guò)程中，逐步完成新的認(rèn)知模型構(gòu)建，最后獲得意想不到的成果。

【學(xué)生活動(dòng)】設(shè)計(jì)氯堿工業(yè)裝置。

主要思路：利用陽(yáng)離子交換膜，將陰陽(yáng)極隔開(kāi)，達(dá)到隔開(kāi)Cl2和H2的目的；在電流作用下Na+移動(dòng)到陰極而產(chǎn)生的OH-不能移動(dòng)到陽(yáng)極，達(dá)到隔開(kāi)Cl2和NaOH、有利于NaOH的富集的目的；要減少產(chǎn)品NaOH溶液中的氯化鈉，陰極直接加水而不加氯化鈉溶液，提高產(chǎn)品純度；裝置陰極加入氫氧化鈉溶液增強(qiáng)導(dǎo)電能力，提高產(chǎn)率。

【活動(dòng)3】探究離子交換膜的應(yīng)用

離子交換膜在氯堿工業(yè)的建模中有著重要作用，熟悉離子交換膜為模型的應(yīng)用做好充分準(zhǔn)備。

【學(xué)生】常見(jiàn)的離子交換膜：陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜。

離子交換膜能使離子選擇性定向遷移，平衡整個(gè)電解質(zhì)溶液的電荷守恒。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)氯堿工業(yè)裝置設(shè)計(jì)的模型突破，培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)性思考問(wèn)題和尋找解決問(wèn)題的能力，提升氯堿工業(yè)的模型認(rèn)知。從離子交換膜的使用中，進(jìn)一步理解電解的微粒運(yùn)動(dòng)，建立離子交換膜模型認(rèn)知，為電滲析法在工業(yè)上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，判斷并提高學(xué)生科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)。

教學(xué)環(huán)節(jié)3：應(yīng)用模型，發(fā)展核心素養(yǎng)

【遷移應(yīng)用】利用電解的方法將白磷轉(zhuǎn)化為二氰基磷負(fù)離子的鋰鹽Li[P（CN）2]的裝置，學(xué)生根據(jù)建構(gòu)的認(rèn)知模型，可選擇正確陽(yáng)離子交換膜，判斷電極反應(yīng)和總反應(yīng)，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)和評(píng)價(jià)目標(biāo)。

第2課時(shí)

教學(xué)環(huán)節(jié)4：拓展模型，體現(xiàn)化學(xué)價(jià)值

【任務(wù)三】氯堿工業(yè)裝置變形

【活動(dòng)3】探究電滲析法制取物質(zhì)

模擬工業(yè)上離子交換膜法制燒堿的方法，利用兩個(gè)離子交換膜裝置電解硫酸鉀溶液來(lái)制取氫氣、氧氣、硫酸和氫氧化鉀。

【學(xué)生】從電解飽和氯化鈉溶液的單一離子交換膜到多種離子交換膜，學(xué)生根據(jù)目的分析裝置，確定反應(yīng)物生成物的進(jìn)出口和陰陽(yáng)離子交換膜的選擇。在學(xué)生鞏固離子交換膜的應(yīng)用的同時(shí)，充分發(fā)掘離子交換膜在工業(yè)生產(chǎn)制備物質(zhì)時(shí)的重要作用。

還可將氯堿工業(yè)的認(rèn)知模型發(fā)展到電滲析法制取HCl和NaOH，利用雙極膜和離子交換膜裝置實(shí)現(xiàn)海水的淡化，讓學(xué)生在不同的真實(shí)問(wèn)題情境中感受離子交換膜的作用。

設(shè)計(jì)意圖：將氯堿工業(yè)的認(rèn)知模型發(fā)展到電滲析法制取KOH和NaOH，讓學(xué)生感受選擇不同的離子交換膜電解相同的溶液可以得到不同的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)電解池模型和離子交換膜模型在工業(yè)化生產(chǎn)的遷移，發(fā)展學(xué)生真實(shí)問(wèn)題解決能力水平，體會(huì)化學(xué)的學(xué)科價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

【任務(wù)四】氯堿工業(yè)產(chǎn)物氫氣的利用

【教師】問(wèn)題二中發(fā)現(xiàn)氯堿工業(yè)的能耗大，且產(chǎn)生的氫氣沒(méi)有合理處理和利用。

【資料在線】資料1：習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上表示：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[3]。

資料2：氫能因其可存儲(chǔ)、可發(fā)電、可燃燒，且無(wú)碳、燃燒熱值高的特點(diǎn)，被稱(chēng)為21世紀(jì)最具前景的清潔能源之一。從氫氣含量方面來(lái)看，氯堿工業(yè)副產(chǎn)的氫氣量很大，每生產(chǎn)1t燒堿可產(chǎn)生約278m3副產(chǎn)氫氣[4]。

資料3：各種制氫方式的成本/（元/公斤）。

煤制氫：9-11；天然氣制氫：20-24；甲醇制氫：23-25；電解水制氫：40-50；工業(yè)副產(chǎn)氫：12-18。

【學(xué)生】從資料分析，工業(yè)副產(chǎn)氫的制氫成本較低，且氯堿工業(yè)副產(chǎn)的氫氣量大。如果能夠充分利用氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫氣，合理開(kāi)發(fā)氫氣利用途徑，不僅能提高資源有效利用率和經(jīng)濟(jì)效益，也能減少碳排放，相對(duì)于現(xiàn)階段電解水制氫和化石能源制氫具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

【教師】如何有效地開(kāi)發(fā)氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫氣的利用？

【學(xué)生】與Cl2反應(yīng)生成鹽酸，用于工業(yè)合成氨，冶煉金屬，作為燃料，發(fā)展燃料電池。

【教師】結(jié)合我國(guó)資源分配不均衡和氯堿工業(yè)耗能大，優(yōu)先選擇發(fā)展燃料電池模型進(jìn)行分析。

【活動(dòng)4】探究雙池的應(yīng)用

將氫氣燃料電池裝置與電解飽和氯和鈉溶液裝置串聯(lián)創(chuàng)建雙池，將化學(xué)知識(shí)融于真實(shí)問(wèn)題情境，從氫氣的利用（燃料電池），自然遷移到雙池的復(fù)習(xí)。在電解池和原電池串聯(lián)池的認(rèn)知模型建立過(guò)程中，利用電子守恒建立橋梁，讓學(xué)生將原電池和電解池有機(jī)地結(jié)合。

【學(xué)生】構(gòu)建雙池模型

首先確定原電池——確定正負(fù)極；其次確定電解池——確定陰陽(yáng)極；再次分析電子和離子移動(dòng)方向，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式，利用電子守恒分析兩池的相關(guān)計(jì)算。

【遷移應(yīng)用】利用膜技術(shù)原理和電化學(xué)原理制備少量硫酸和綠色硝化劑N2O5的裝置，學(xué)生根據(jù)建構(gòu)的雙池模型，分析電極反應(yīng)，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，做到學(xué)以致用。

設(shè)計(jì)意圖：在“雙碳”背景下，如何有效地開(kāi)發(fā)能源、利用能源成為全球性的問(wèn)題。在學(xué)習(xí)中培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)命運(yùn)共同體意識(shí)。通過(guò)氫氣的開(kāi)發(fā)分析，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維，集思廣益，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析討論實(shí)際的化學(xué)問(wèn)題，選擇較優(yōu)的方法解決實(shí)際問(wèn)題。在探究雙池應(yīng)用的過(guò)程中，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的認(rèn)知模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)化，使所學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化，提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

五、基于模型認(rèn)知的教學(xué)反思

1.以氯堿工業(yè)發(fā)展史的真實(shí)問(wèn)題情境，啟發(fā)學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)知。

從氯堿工業(yè)發(fā)展史激發(fā)學(xué)生的探究興趣，吸引學(xué)生關(guān)注化學(xué)學(xué)科發(fā)展，建立電解飽和食鹽水的認(rèn)知模型。展開(kāi)一系列關(guān)于電解飽和食鹽水的探究，在解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)揮學(xué)科的育人功能。

2.以“教、學(xué)、評(píng)”一體化的教與學(xué)，落實(shí)模型認(rèn)知。

結(jié)合提問(wèn)、點(diǎn)評(píng)、練習(xí)等化學(xué)日常學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方式，利用學(xué)生自評(píng)、生生互評(píng)和教師評(píng)價(jià)，以教輔學(xué)，以學(xué)促教，讓課堂更有飽和度和色彩度。在活躍的課堂氛圍中，有效地利用認(rèn)知模型，完成教學(xué)目標(biāo)和評(píng)價(jià)目標(biāo)。

3.以自主探究的深度學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)模型認(rèn)知。

在已有認(rèn)知模型上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題層次遞進(jìn)，讓學(xué)生自主合作探究氯堿工業(yè)裝置，以問(wèn)題的解決促進(jìn)電解池模型和離子交換膜模型的建構(gòu)，體現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)能力進(jìn)階。學(xué)生在學(xué)的過(guò)程中有很大的自主探究的空間，體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)性化和多樣化，使不同程度學(xué)生都能產(chǎn)生真正的思維碰撞，培養(yǎng)學(xué)生的合作探究精神。

4.以“雙碳”目標(biāo)為導(dǎo)向，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

高中生是我國(guó)未來(lái)的接班人。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)綜合解決問(wèn)題，提高學(xué)生的責(zé)任感和使命感。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，合理利用氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫，培養(yǎng)學(xué)生的主人翁參與意識(shí)，彰顯化學(xué)學(xué)科的價(jià)值。

結(jié)束語(yǔ)

復(fù)習(xí)課不是簡(jiǎn)單的化學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)，而是要幫助已具備一定的電化學(xué)知識(shí)和認(rèn)知規(guī)律的學(xué)生，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，突破問(wèn)題關(guān)鍵，使不同層次學(xué)生都得到發(fā)展，落實(shí)素養(yǎng)為本的教與學(xué)。教師在教學(xué)過(guò)程中不僅要傳授知識(shí)，更應(yīng)該注意學(xué)生能力的培養(yǎng)，“授人以魚(yú)不如授人以漁”，掌握科學(xué)的方法，可將學(xué)生熟悉的背景知識(shí)和材料題型，經(jīng)過(guò)深度加工構(gòu)建模塊的認(rèn)知模型，建立化學(xué)知識(shí)框架，幫助學(xué)生在復(fù)習(xí)整理過(guò)程中優(yōu)化已有知識(shí)結(jié)構(gòu)，提升自我評(píng)價(jià)和反思能力。氯堿工業(yè)認(rèn)知模型作為電解池的基礎(chǔ)模型，學(xué)生在自主設(shè)計(jì)氯堿工業(yè)裝置的過(guò)程中重構(gòu)電化學(xué)模型，結(jié)合化工流程物質(zhì)利用和綠色化學(xué)的思想，將生成性的問(wèn)題在活躍的課堂氛圍中得到解決。

參考文獻(xiàn)

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