廣東 胡凱威 湯俊杰

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》)對(duì)于電化學(xué)的內(nèi)容要求是認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用，了解原電池及常見(jiàn)化學(xué)電源的工作原理，了解電解池的工作原理，了解防止金屬腐蝕的措施等。筆者通過(guò)統(tǒng)計(jì)近兩年的部分高考數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)的考查主要圍繞原電池、電解池和二次電池的工作原理展開(kāi)，以最新的電池技術(shù)(特別是2022年高考)和電池、電解在生產(chǎn)生活中的運(yùn)用作為試題情境，考點(diǎn)主要分布在電極反應(yīng)和電池總反應(yīng)、離子的移動(dòng)方向、轉(zhuǎn)移電子數(shù)與反應(yīng)物、產(chǎn)物的量之間的計(jì)算，電解質(zhì)溶液的變化等。考查的題型主要為選擇題，其次是原理綜合題的最后一問(wèn)，但2022年高考化學(xué)試題中出現(xiàn)后者的頻率大大下降，教師在下一輪備考過(guò)程中可適當(dāng)弱化較難的電極方程式書(shū)寫(xiě)。

表1 2021—2022年高考電化學(xué)選擇題考查內(nèi)容統(tǒng)計(jì)

2021年，廣東省進(jìn)入新高考，“3+1+2”的模式讓學(xué)生有了更多的選擇權(quán)。筆者所在學(xué)校2022屆有481名學(xué)生選考化學(xué)，選科組合主要包含物化生、物化地。多媒體的發(fā)展、教學(xué)環(huán)境的改善為教師統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提供了便利，利用統(tǒng)計(jì)得出的數(shù)據(jù)可以提高高三復(fù)習(xí)課、評(píng)講課的有效性和指向性。表2是選取筆者所在學(xué)校2022屆備考一年來(lái)，較為重要的20次測(cè)試中電化學(xué)選擇題的反饋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 2022屆學(xué)生電化學(xué)選擇題測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

由表2可知，電化學(xué)的平均正確率約為68%，得分率較高，原因在于電化學(xué)的知識(shí)易于結(jié)構(gòu)化，規(guī)律性強(qiáng)，不同裝置之間存在緊密的聯(lián)系，考點(diǎn)分布較為集中。電解池的平均正確率約為66%，原電池的平均正確率約為71%，說(shuō)明學(xué)生對(duì)于電解工作原理的理解與運(yùn)用能力要差于原電池。二次電池考查較少，但2022年高考題中二次電池考頻較高，數(shù)據(jù)意義不大。筆者通過(guò)與學(xué)生的溝通交流發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于二次電池的工作原理存在混亂不清，無(wú)法正確認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)換正負(fù)極、陰陽(yáng)極的情況。雖然電化學(xué)整體得分率較高，但在電極反應(yīng)、計(jì)算等方面仍然存在較多的問(wèn)題。綜上數(shù)據(jù)分析，以史為鑒，筆者建議高三電化學(xué)復(fù)習(xí)的策略是厘清原理，掌握技巧，錘煉真題。具體策略如下敘述。

一、以大概念為統(tǒng)領(lǐng)，梳理核心概念、基本概念之間的關(guān)系

高考題中的試題情境新穎、復(fù)雜，貼近日常生產(chǎn)生活，學(xué)生需要將所學(xué)的化學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通才能解決實(shí)際問(wèn)題。目前存在的現(xiàn)象是學(xué)生對(duì)于學(xué)科概念含糊不清，教師在復(fù)習(xí)中應(yīng)該注重大概念的抽提，在教學(xué)內(nèi)容的選擇和組織上，突出強(qiáng)調(diào)大概念的引領(lǐng)作用。化學(xué)反應(yīng)必然伴隨著能量的變化，該能量可能是熱能、光能、電能和聲能等，因此化學(xué)反應(yīng)與能量屬于化學(xué)學(xué)科大概念?；瘜W(xué)反應(yīng)與電能主要是研究電能和化學(xué)能之間的互相轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)化過(guò)程中相關(guān)規(guī)律的科學(xué)，是高中化學(xué)的一個(gè)核心概念。而能量的轉(zhuǎn)變需要一定的條件，即要提供一定的裝置和介質(zhì)，由此衍生出原電池、電解池和二次電池等基本概念，它們之間的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電化學(xué)相關(guān)概念的層級(jí)關(guān)系

通過(guò)圖1所示的層級(jí)關(guān)系可知，教師教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以大概念化學(xué)反應(yīng)與能量作為教學(xué)設(shè)計(jì)的頂層架構(gòu)，不能割裂化學(xué)反應(yīng)與電能、熱能之間的關(guān)系。同時(shí)要突出化學(xué)反應(yīng)與電能的核心概念，是化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化。最后教師在課堂教學(xué)中，要具體落實(shí)原電池、電解池、二次電池等基本概念。

二、自主建構(gòu)電化學(xué)認(rèn)知模型，提升學(xué)生核心素養(yǎng)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》的頒布，預(yù)示著新時(shí)代中國(guó)基礎(chǔ)化學(xué)教育改革的大幕正式開(kāi)啟。發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，成為這次改革的方向和目標(biāo)。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是一種解決陌生情境下的化學(xué)問(wèn)題的綜合素質(zhì)，而對(duì)于電化學(xué)，學(xué)生建立相應(yīng)的認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解析化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，是其中的一種能力。當(dāng)前教學(xué)存在的問(wèn)題之一是部分學(xué)生被動(dòng)地接受所謂的認(rèn)知、解題模型，原因可能是由于教師在設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)課時(shí)，為了節(jié)約時(shí)間，或者高估了學(xué)生掌握、運(yùn)用和遷移知識(shí)的能力，忽略了設(shè)計(jì)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，沒(méi)有達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生高階思維的目的。

筆者選擇教材中經(jīng)典的電化學(xué)裝置，設(shè)置系列驅(qū)動(dòng)性的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生梳理電極、電極反應(yīng)、電子、電流和離子的移動(dòng)方向之間的關(guān)系、規(guī)律，如表3所示，幫助學(xué)生自主建構(gòu)三種電化學(xué)裝置認(rèn)知模型。

表3 模型建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)

圖2 原電池認(rèn)知模型

圖3 電解池認(rèn)知模型

圖4 二次電池認(rèn)知模型

解題過(guò)程中，使用模型認(rèn)知策略，能夠賦予學(xué)生“火眼金睛”，褪去經(jīng)過(guò)包裝的、復(fù)雜的試題情境外表，還原電化學(xué)裝置的本真，將問(wèn)題回歸到學(xué)生所學(xué)的知識(shí)范疇，從而提高作答速率和正確率。

三、掌握判斷、書(shū)寫(xiě)電極方程式及電化學(xué)相關(guān)計(jì)算的技巧

1.判斷電極方程式正誤技巧

筆者經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)、研究發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)選擇題中電極方程式的正誤判斷，往往只需要從兩方面入手，一是看電子得失是否正確，即電極方程式的“+”“-”使用是否正確。二是電極方程式的介質(zhì)類(lèi)型是否正確，例如酸性條件出現(xiàn)“OH-”或堿性條件出現(xiàn)“H+”，這些都是錯(cuò)誤的。假如這兩方面都正確，則電極方程式正確的概率就非常大，如例4中的C選項(xiàng)和例5中的D選項(xiàng)所示。

【例1】(2021·全國(guó)甲卷·13節(jié)選)題干略

【解析】陽(yáng)極是失去電子的一極，電極方程式中應(yīng)該使用“-”，故此選項(xiàng)錯(cuò)誤。若學(xué)生采用常規(guī)思維，先分析反應(yīng)物和生成物，再標(biāo)變價(jià)等，則會(huì)浪費(fèi)寶貴的解題時(shí)間。站在出題者的角度去思考，特定題型采用特定技巧，能夠幫助書(shū)寫(xiě)電極方程式能力較弱的同學(xué)找到另外一種高效的判斷方法。

2.有序書(shū)寫(xiě)電極方程式

【例2】(2021·河北卷·16節(jié)選)題干略

(4)②Ⅰ.CO2在堿性介質(zhì)中電還原為正丙醇(CH3CH2CH2OH)的電極反應(yīng)方程式為_(kāi)___________________________________________。

3.巧用電子守恒解決電化學(xué)的相關(guān)計(jì)算

利用轉(zhuǎn)移電子數(shù)、移動(dòng)的離子數(shù)與反應(yīng)物、產(chǎn)物之間的關(guān)系進(jìn)行定量計(jì)算是高考中電化學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是發(fā)生氧化還原反應(yīng)，而得失電子是氧化還原的本質(zhì)。以電子為橋梁，利用放電、充電過(guò)程中得失電子守恒在反應(yīng)物、產(chǎn)物之間建立比例關(guān)系式，可以避免書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)或者總反應(yīng)，快速得出答案。

【例3】(2021·山東卷·10節(jié)選)題干略

D.消耗1 mol O2時(shí)，理論上N2H4-O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為11.2 L。

【解析】消耗1 mol O2，轉(zhuǎn)移了4 mol電子。而生成1 mol N2轉(zhuǎn)移4 mol電子，故兩者的比例關(guān)系為O2～4e-～N2，1 mol O2的消耗對(duì)應(yīng)1 mol N2的生成，則標(biāo)況下氣體產(chǎn)物的體積應(yīng)為22.4 L，此選項(xiàng)錯(cuò)誤。

四、錘煉真題，舉一反三

如果說(shuō)概念、認(rèn)知和解題模型的建構(gòu)是“學(xué)本事”，那解決真實(shí)化學(xué)問(wèn)題的活動(dòng)、舉一反三的過(guò)程就是“用本事”。“舉一”代表學(xué)生能夠熟練掌握概念、模型，“反三”則是成功解決高考真題，它是學(xué)生知識(shí)、能力遷移的必經(jīng)之路。

圖5

( )

A.Ⅱ區(qū)的K+通過(guò)隔膜向Ⅲ區(qū)遷移

【參考答案】A

選項(xiàng)A、B均考查了離子的移動(dòng)方向，學(xué)生需要建立化學(xué)微粒觀，正確理解離子移動(dòng)背后的深層次原因，結(jié)合平時(shí)做過(guò)的訓(xùn)練，快速作出判斷。選項(xiàng)C、D考查了電極、總反應(yīng)的方程式的書(shū)寫(xiě)，學(xué)生需要運(yùn)用氧化還原的知識(shí)解決問(wèn)題，教師要培養(yǎng)學(xué)生標(biāo)變價(jià)的習(xí)慣，強(qiáng)化電荷守恒、原子守恒等配平技巧，能熟練處理正、負(fù)極電極方程式與總反應(yīng)之間的關(guān)系。

圖6

( )

B.充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)

C.放電時(shí)，Li+從正極穿過(guò)離子交換膜向負(fù)極移動(dòng)

【參考答案】C

選項(xiàng)A、B考查的是電解池，C、D是原電池，學(xué)生需要借助已有的二次電池模型在充、放電之間靈活切換，并能推理正極與陽(yáng)極、負(fù)極與陰極之間的關(guān)系。

圖7

( )

A.充電時(shí)，電極b是陰極

B.放電時(shí)NaCl溶液的pH減小

C.放電時(shí)NaCl溶液的濃度增大

D.每生成1 mol Cl2，電極a質(zhì)量理論上增加23 g

【參考答案】C

A選項(xiàng)考查電極名稱(chēng)的判斷，B、C選項(xiàng)考查溶液的pH、電解質(zhì)濃度的變化，題目中給出的充電時(shí)電極a的方程式是突破口。D選項(xiàng)需要以電子作為橋梁，建立Cl2與增加質(zhì)量的比例關(guān)系式，即可得增加的質(zhì)量關(guān)系為Cl2～2e-～2Na+。

我們生活在一個(gè)幸福的年代，祖國(guó)的日益繁榮，科技的不斷進(jìn)步，為教師的教、學(xué)生的學(xué)提供了各種便利。作為一線教師，要主動(dòng)、勇敢地追逐時(shí)代的潮流，掌握數(shù)據(jù)背后隱藏的寶貴的教學(xué)資源，為新時(shí)代的育人事業(yè)添磚加瓦。

本文系廣東教育學(xué)會(huì)化學(xué)教學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)攻關(guān)課題“深化中學(xué)化學(xué)整體教學(xué)研究與設(shè)計(jì)——以《化學(xué)反應(yīng)與電能》為例”[課題編號(hào)：(攻)2021HX05)]、廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題《中學(xué)化學(xué)深度學(xué)習(xí)的課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施》(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：20GDJY—B019)的階段性研究成果。