譚源

(中國人民大學 教育學院, 北京, 100872)

高三的電化學學習對于學生模型的建構要求較高, 而大部分研究集中在對建模能力的測查評價[1]、認識模型的教學設計和教學策略[2]、迷思概念測查評價[3]等方面,針對學生記憶力不佳、缺乏概括能力和思考角度等問題進行模型建構的研究較少。本文將原電池和電解池看作一個系統[4]探討解題的直觀模型建構, 以期為學生和教師提供可用的直觀模型建構和教學參考。

1 高三學生在構建電化學解題模型方面存在的問題

高三學生普遍認為電化學模塊學習偏難, 在模型建構方面會出現一些問題。例如氧化劑還原劑的判定不清晰, 較少總結記憶口訣; 極少總結自己的電化學解題模型; 部分同學對電化學知識認識零散化,對于模型建構一般只有文字總結和經驗總結, 圖形關鍵詞類型的非常少; 也有能對單一原電池或者電解池進行建模的, 但缺乏整體聯系和多重角度的分析總結。

2 電化學解題直觀模型的形成過程

2.1 將氧化還原反應原理與電池構成原理歸納總結, 形成記憶口訣

高三復習階段有許多基本概念知識較為抽象, 學生理解起來不深刻, 不太容易記憶準確, 尤其是電化學內容, 不僅有氧化還原反應原理的概念, 還有電池基本構造和基本原理。若利用口訣法將抽象概念總結為少數關鍵字詞, 并排列成為口訣, 將會大大減輕記憶負擔[5]。

根據氧化還原反應的相關規(guī)律, 把元素發(fā)生的化合價變化、電子得失情況、物質類別歸屬、所在電極名稱結合起來, 提取關鍵詞形成口訣?！吧笔巧? “失”是失去電子, “還”是還原劑, “負”是原電池的負極, “陽”是電解池的陽極。對于口訣關鍵詞的記憶可以采用諧音法、聯想記憶法進行理解, 以達到聯系記憶的效果。應用該口訣有幾點好處： 一是口訣信息全面。不管題目的突破口是從化合價變化出發(fā)還是從其他任意一方面出發(fā), 都可以利用口訣迅速找到對應信息。二是還原劑或氧化劑的判定能直接對接電池反應原理。高永華提出“陽—氧”諧音記憶[6], 即將陽極與氧化反應對應。這樣的口訣對于氧化還原反應結合電池裝置的判定是非常好的, 而在高考電化學題中往往需要從題中所給物質變化來判定發(fā)生電池反應的還原劑或氧化劑, 如果口訣直接指向還原劑或氧化劑則更方便分析電池的物質變化, 書寫電極反應式也變得更容易。電化學口訣記憶法見表1。

表1 電化學口訣記憶法

2.2 電化學解題直觀模型圖的構造

電化學原理包括原電池原理、電解池原理,其構成條件均有3個。原電池的為電極材料、離子導體、自發(fā)氧化還原反應; 電解池的為電極材料、離子導體、電源。這兩部分原理有相同之處,一是都有氧化還原反應, 二是都具備電極、導線等導電的裝置, 三是形成閉合回路?？偨Y這些原理知識, 理清各部分之間的邏輯關系僅僅靠文字是不夠的[7], 可以借鑒思維導圖的相關特點來畫電池裝置圖形, 用關鍵詞把主要概念連接起來,各部分文字或圖形用不同色彩進行渲染, 形成一個完整的電化學原理的邏輯模型圖, 融入絕大部分電化學原理信息。學生可以根據自身喜好和記憶特點進行自我改進, 形成一個適合自己的個性化的解題直觀模型工具。電化學解題直觀模型圖見圖1。

圖1 電化學解題直觀模型

該模型具有 3個特點： 一是利用口訣可以直接判定出在兩極附近物質發(fā)生電池反應的一系列變化; 二是具有直觀化的電池裝置結構并用不同顏色標注電子流向、離子遷移方向來顯示外電路和內電路的區(qū)別, 指示電流的形成; 三是包含能量變化、是否有自發(fā)氧化還原反應能讓電池類型判定更快捷[8]。

3 電化學解題直觀模型的運用

培養(yǎng)學生在電化學復習中模型認知的核心素養(yǎng), 需要對不同類型電池進行歸納總結, 提煉出核心知識模型用于解決更多更復雜而陌生的電池情景, 選取3道不同類型的近3年高考全國卷的電化學題,剖析解題模型的獲得和運用。

3.1 負極材料與參與電池反應的還原劑相同

例題1(2018年)

題干信息： 可充電鋰—空氣電池的放電過程是氧氣與鋰離子生成Li2O2-x(x=0或1), 場所是多孔碳材料(圖2)。

選項信息： (1) 判斷放電時的電極和電子流向; (2) 判定充電時離子移動方向和電池總反應。

可充電說明可以是原電池, 也可以是電解池, 故判定各選項要從判定物質變化屬于放電還是充電, 這一點判定要形成一個模型即自發(fā)氧化還原反應是放電過程, 非自發(fā)氧化還原反應是充電過程。需要關注氧氣在放電時的變化, 由氧元素的化合價降低知氧氣做氧化劑, 故多孔碳材料是正極, 金屬鋰是負極材料, 同時是還原劑, 這一點與銅鋅原電池相同, 屬于還原劑就是電極材料的情況。放電時, 電子從外電路由負極(鋰)流向正極(多孔碳材料); 充電時為電解池, 陽離子固定向陰極(鋰)遷移, 將電子和離子的定向遷移歸納在一起, 形成完整的粒子流向模型, 使用時只需要從題中得到電極名、陰陽離子名的信息即可判定。

圖2 可充電鋰—空氣電池

3.2 兩極材料均不參與電池反應

例題2(2019年)

題干信息： 以合成氨為目標的生物燃料電池, 用 MV2+與 MV+的轉化實現傳導電子(圖 3)。

選項信息： (1) 能量角度看合成方法比較;(2) 在什么電極區(qū)氫氣與 MV2+反應, 正極區(qū)發(fā)生什么反應; (3) 質子流動的方向。

此題中的電池電極并不是參與反應的,學生會對電極上的反應難以理解, 可能會將氮氣與氫氣在酶的作用下反應當成電極反應, 故要對物質得失電子場所進行總結。左室電極為燃料電池的負極, 從MV+生成MV2+判斷MV+化合價升高在負極失電子發(fā)生氧化反應, 并不是電極材料參與了反應; 氧化產物 MV2+進一步與氫氣反應生成氫離子、MV+, 這屬于離子導體內部發(fā)生的反應, 要與電極反應區(qū)別開, 而學生也會因為這一點難以閱讀清楚電池的原理, 所以直觀模型中通過“在”和“鄰”的關鍵詞總結能夠提示學生注意這一點。另外電池工作時, 氫離子通過交換膜由負極向正極移動這個考點用模型就很快能找出答案。

圖3 生物燃料電池

3.3 電化學解題模型運用于電化學防腐

例題3(2017年)

題干信息： 外加電流的陰極保護法進行防腐的實例, 高硅鑄鐵是惰性輔助陽極(圖4)。

選項信息： (1) 鋼管樁的電流大小, 直流電源的電流可調整; (2)電子流向, 高硅鑄鐵的作用分析。

圖4 鋼管樁防腐工作原理

通過解題直觀模型發(fā)現直流電源判定此題的電池屬于電解池原理, 鋼管樁接電源負極則為陰極,是受電流保護的, 腐蝕電流接近于零。高硅鑄鐵為陽極, 在模型中強調還原劑不一定是陽極材料, 故還需關注題給信息, 高硅鑄鐵為惰性電極, 因而推導高硅鑄鐵不會成為還原劑失電子, 參加電池反應的物質需要從離子導體中尋找。

總結起來就是, 使用電化學解題直觀模型能對電池原理有較為徹底的認識, 同時提升解題速度和對陌生電池的適用程度。

4 解題直觀模型對學生復習和教師教學的啟示與不足

4.1 高三學生如何建立自己的解題直觀模型

高三復習階段時間緊迫, 電化學內容需要氧化還原反應的基礎和融會貫通, 加持對電池裝置的深刻理解, 學生可以從3個方面入手。一是回顧氧化還原基礎知識, 電池構成基礎知識。任何高水平的技能都需要扎實的理論基礎知識, 逐步搜索自己在兩本必修課本和選修四中還存在什么問題, 多采用聯想記憶法、口訣法來解決記憶力水平不夠的問題。二是增加對電化學題的閱讀量。從不同類型的題中仔細體會不同電池所具有的共同特點, 與簡單電池進行對照, 思考自己的認識缺陷。三是聯系看問題,形成系統化的解題模型。減少盲目的刷題, 多思考經常用到的知識或考點間的聯系, 將其整理成為一個用圖形圖像或表格曲線等形態(tài)的模型圖, 把所有電池的迷思概念盡可能融入其中, 形成自己的解題套路, 增強信心。

4.2 基于電化學解題直觀模型建構的教學啟示

(1) 以閱讀型任務為主的教學設計, 訓練學生文字閱讀能力和分析解決問題的能力。

新高考對于學生的閱讀能力要求提升, 不僅是文字閱讀能力, 還有圖像圖表等閱讀分析能力。電化學解題直觀模型的建構過程能反映這種分析總結、解決問題的能力素養(yǎng)。引導學生進行陌生情景電池的閱讀和分析, 提煉共同的核心原理, 發(fā)展學生模型認知的素養(yǎng)。

(2) 引導學生自主體會解題模型的探究過程, 關注建構思路的形成。

模型如果是從教師口中說出來的就還不是學生的, 故需要一些自主活動為載體, 讓學生體會探究電池形成的思維過程, 深刻理解原理, 對最后的解題模型建立大有好處。王維臻等[2]在北京某校高三2個班進行同課異構, 通過Fe3+與I一反應的原電池教學設計, 挑戰(zhàn)學生對電化學的系統認識。這是一種對形成電化學知識模型建立的有效教學形式, 學生自主參與度高, 思維訓練程度也高, 教師在課堂引導學生利用知識、補充知識、形成科學的思考方式, 達到自主建模的能力要求。

4.3 不足之處

盡管電化學解題直觀模型能包含絕大部分電化學知識內容, 但仍有一些電池本質認識未能涵蓋,如電極電勢。如何更直觀地展現以及如何進行教學設計提高學生的認識和素養(yǎng), 還需要進一步研究如何將知識融入模型。