论文部分内容阅读
【摘要】文章以“素养为本”为目标，对高中“电化学原理”一轮复习进行教学设计，目的是为落实“以发展化学学科核心素养为主旨”的课程理念，构建以“素养为本”的高中化学总复习课堂教学设计模型。在“电化学原理”一轮复习课堂教学设计中，通过设计凝练电化学基础知识，提出有高阶思维的系列电化学问题，提炼电化学概念、学科思想和学习方法，培养学生形成远迁移能力的方式，提升学生解决复杂的、陌生的电化学问题的能力。同时也以此教学设计模型为范本，应用到其他化学板块的总复习中。
【关键词】化学总复习;核心素养;电化学;教学设计
【作者简介】覃琦，高级教师，主要研究方向为课堂教学实践，广西优秀中学化学教师，南宁市学科带头人。
【基金项目】2017年度广西教育科学“十三五”规划A类重点课题“基于学科核心素养的高中化学教学单元设计的研究”（2017A003）
纵观近五年高考化学全国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷和北京、上海、浙江等自行命题卷，电化学板块在高考试题中占有较大比重，分值一般为10—15分，由此看出电化学知识在高考中的地位非常重要。随着2017年版新课程标准的提出，电化学知识在高考试题中的呈现方式有了较大变化。试题注重题材的科技化、实用化、情景化、生活化等，同时也加强了化学学科知识内容的渗透与融合，重点突出化学学科核心素养。试题情境新颖，陌生度高。鉴于此，电化学知识板块的复习不能再单纯地以知识结构为主线进行，而应在化学学科核心素养的五个维度下重新整合，创新设计，进而提高高中化学的复习效率。本文以“电化学原理”一轮复习为例，按照“素养为本”的课堂基本要求，从以下几方面进行高考化学一轮复习课堂教学设计。
一、设计凝练电化学原理本源性知识环节，夯实学生电化学知识的储备
化学学科的本源性知识是指化学课堂教学中的本源性问题，它不仅探寻最基本的化学知识，还探寻与化学知识有关的观念、思想和方法。而高考一轮复习的目的就是让学生重现基础知识，通过系列加工后加以巩固贮存。因此在电化学原理复习时，要求学生从教材中、生活中凝练出电化学原理的本源性知识，夯实学生对于电化学板块应掌握的最核心最基础的知识。教师可以通过设计导学案的方式进行，如设计以下导学案，在课堂上要求学生回顾电化学基本知识，并在五分钟内完成（见表1）。
通过设计该环节，既能提炼电化学原理最原始、最真实的本源性知识，也能反映电化学原理知识的实质性和关键性问题。在高考化学一轮复习中这一环节属于基础性环节，是必不可少的，教师在进行课堂教学设计时要加以重视。
二、设计有高阶思维的系列问题，提高学生对电化学原理本质性问题的理解
在指导学生凝练出电化学原理本源性知识后，如何让学生在更高层次理解电化学原理知识，从而运用电化学原理知识去解决系列复杂的问题？这是复习电化学原理知识的关键环节，教师可以通过在课堂上设计有高阶思维的系列问题来实现。高阶思维是一种以高层次认知水平为主的综合性能力。设计有高阶思维的系列问题就是为了培养学生的概括关联、解释说明、推断预测、设计验证和分析评价五大能力。电化學原理知识既有氧化还原反应的理论知识，又有与科技、生产、生活密切相关的实际问题。如果只是设计一般性的问题，学生很难对高考试题中出现的一些新颖性高、陌生度强的新型电池进行认知和分析，更无法解决相关问题。因此，设计有高阶思维的系列问题就显得尤为重要。那么教师在备课时可以如何设计有高阶思维的系列问题呢？本文以高考原题为例做如下设计。
（2016年高考化学浙江卷第11题）金属（M）-空气电池（如图1）具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：4M+nO2+2nH2O4M（OH）n。已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。
A采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面
B比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电池，Al-空气电池的理论比能量最高
CM-空气电池放电过程的正极反应式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne-=4M（OH）n
D在M-空气电池中，为防止负极区沉积Mg（OH）2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜
该题考查的是原电池的工作原理，教师可根据原题设置的四个答案，提出以下具有高阶思维的系列问题（见表2），以帮助学生对原电池的电极正负极判断、能量转换、电极反应式、电子和离子流向、电解质溶液选择、溶液pH变化、电化学计算、电极材料选择等基本常考点的理解和掌握。
问题①和问题③体现了证据推理与模型认知的化学核心素养价值观，目的是使学生能从多种电池装置中了解电池的构造特点，收集科学证据，进而寻找到确立证据的路径，最后建立原电池构造的模型，从而形成解决复杂的化学电池系列问题的思维框架。问题⑤体现了变化观念与平衡思想的化学核心素养价值观，目的是使学生对氧化还原反应的本质有更深刻的理解，有意识地从不同视角对各类氧化还原反应进行归类研究，从而掌握各类变化的特征和规律，逐步形成能够预测在一定条件下某些氧化还原反应可以设计成原电池的能力[1]。问题①②④⑦⑧体现了科学探究与创新意识的化学核心素养价值观，目的是让学生通过实验验证，不断发现、不断探索，能够在尊重事实和科学依据的基础上，对实验方案、材料选择、电解质选择等方面进行创新和优化，从而提升学生解决电化学问题的能力，同时培养学生的创新精神，增强学生的社会责任感。
三、设计提炼形成学科概念、学科思想，建立模型教学环节，促使学生形成良好的思维习惯
经过提炼电化学原理本源性知识和设计系列高阶思维问题后，后续的课堂教学设计要挖掘电化学原理知识中的素养发展价值，将电化学原理所蕴含的核心概念、学科思想、思维方法、认知方式等概括出来，让学生能够通过分析和推理等方法认识电化学原理的本质特征、构成要素及相互关系，最后建立电化学原理知识模型。 首先，教师要引导学生从深度和广度发展教材原有的核心概念。根据教材中的定义，原电池是化学能转化成电能的装置，电解池是电能转化成化学能的装置。如果仅仅从能量转换的角度去理解原电池和电解池，很有局限性，当遇到有多种能量转换的装置时，学生很难判断出是原电池还是电解池。因此教师还要引导学生从电化学反应的本质角度去理解原电池和电解池。能自发发生氧化还原反应的是原电池，需要借助外力才能发生氧化还原反应的是电解池。教师要帮助学生建立“自发发生氧化还原反应——原电池——化学能转化成电能”和“非自发发生氧化还原反应——电解池——电能转化成化学能”的知识链，加深学生对概念的理解，从而达到从深度和广度上发展原有概念，有利于学生甄别原电池和电解池的异同。
其次，教师要引导学生提炼出解决电化学原理问题的相关化学学科思想。所谓化学学科思想是人们在认识化学、发展化学、利用化学的长期实践活动中，运用科学的思想方法，由具体的化学学科知识提炼升华形成的，体现了化学的本质和价值。教师可以引导学生归纳出电化学原理板块主要包含的三个化学学科思想。一是对立统一思想，原电池和电解池发生的氧化反应和还原反应是对立统一的;电极的正极和负极、阴极和阳极，也是对立统一的。二是分类思想，依据氧化还原反应的自发发生和非自发发生，电化学分为原电池和电解池;原电池根据其功能分为一次电池、二次电池、燃料电池等;一次电池分为普通锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌纽扣电池、铝海水电池等;二次电池分为铅蓄电池、锂电池等。所以教师利用分类思想指导电化学原理板块的学习，有利于学生厘清原电池和电解池的区别。三是守恒思想，电化学反应本质应是氧化还原反应，得失电子一定是守恒的;电解质溶液是电中性的，电荷一定是守恒的。所以运用守恒思想有助于学生解决电化学的有关计算、离子移动方向、离子交换膜的选择等问题。
最后，教师要引导学生梳理电化学核心知识链，构建知识模型。所谓知识模型就是将知识进行形式化和结构化的抽象。电化学原理知识比较繁杂，教师可以引导学生从身边最直观的碱性干电池、纽扣电池（一次电池）及贴近生活的车用蓄电池、手机电池（二次电池）进行综合比较，从化学反应本质、电极材料、内部结构等方面分析其原理的异同。可以指导学生先梳理出原电池和电解池的核心知识，然后根据充放电电池（即二次电池）原理，将电化学原理知识模型构建起来。知识模型构建后可以帮助学生运用模型思想去记忆和理解电化学原理的问题。知识建模的方法可以广泛应用在化学学习中，如应用于水溶液中的离子平衡、元素及其化合物、元素周期律等化学知识板块。电化学原理知识模型如图2。
四、设计形成远迁移能力的教学环节，提升学生解决复杂电化学问题的学科能力
化学学科能力是指學生在化学课程学习过程中表现出来的比较稳定的心理特征和行为特征，可概括为实验探究能力、综合分析能力、理解能力和推理论证能力[2]。在“电化学原理”一轮复习的课堂教学设计最后一个环节中，教师可通过列举更多的电化学实例，以历年高考原题为背景，引导学生逐步形成从解决电化学问题的视角切入、推断预测、过程分析、结果呈现等能力，从而提高学生的学习能力和解题能力。如果遇到新颖性强、陌生度高的电化学考题，仅依靠学生现有知识模型是很难解答的，因此教师还要指导学生构建电化学的解题模型，以增强学生解决复杂问题的能力。例如2019年全国统一高考化学试卷（新课标Ⅱ）的第9题第（4）问（题目略），该试题情境完全超出了学生平时的认知水平，但设置的问题还是常规的电化学考查点，属于高起点低落点的试题。针对这样的试题，教师要引导学生从知识模型出发，探索出书写阴（正）阳（负）极反应式的解题模型，最后把两极反应加和得到电池总反应。所以电化学问题的解题模型可用二维坐标系表示（如图3）。
显然在“电化学原理”一轮复习的课堂教学设计中，引导学生构建知识模型和解题模型是极其重要的一个环节，建模后还要努力培养学生证据推理与模型认知能力，使学生能够熟练运用模型去揭示电化学的本质和规律，解释电化学问题，逐步形成解决陌生情境下的复杂电化学问题的远迁移能力。
五、小结
课堂教学改革已进入核心素养新时代，化学教师要全面领会“化学学科核心素养是学生终身发展的重要基础”的意义。以核心素养为主旨的课堂教学模式，正逐步替代以学科知识结构为主的传统课堂，以“素养为本”进行课堂教学设计是教师备课的目标要求。本文以“电化学原理”一轮复习为例，按照核心素养的五大要素为主旨进行教学设计，不仅能使碎片化知识得以整合，还能使学生在化学课程学习中发展化学学科核心素养，形成关键能力和必备品格，从而将化学学科基础知识学习、化学学习能力、学科思想方法有机整合起来，提升学生的综合素质，逐步培养学生具有创新性的高阶思维和有科学精神与社会责任的优良品质，为学生的终身发展提供优秀的品质能力，同时让学生体会到化学对社会发展的重大贡献，这也是化学教学的终极目标。
参考文献：
[1]贝淑妹，衷明华.基于核心素养的《原电池》教学设计[J].课程教育研究，2017（18）：284-285.
[2]吴明好.基于高考对核心素养的考查谈高中化学教学[J].中国考试，2017（3）：31-37.
【关键词】化学总复习;核心素养;电化学;教学设计
【作者简介】覃琦，高级教师，主要研究方向为课堂教学实践，广西优秀中学化学教师，南宁市学科带头人。
【基金项目】2017年度广西教育科学“十三五”规划A类重点课题“基于学科核心素养的高中化学教学单元设计的研究”（2017A003）
纵观近五年高考化学全国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷和北京、上海、浙江等自行命题卷，电化学板块在高考试题中占有较大比重，分值一般为10—15分，由此看出电化学知识在高考中的地位非常重要。随着2017年版新课程标准的提出，电化学知识在高考试题中的呈现方式有了较大变化。试题注重题材的科技化、实用化、情景化、生活化等，同时也加强了化学学科知识内容的渗透与融合，重点突出化学学科核心素养。试题情境新颖，陌生度高。鉴于此，电化学知识板块的复习不能再单纯地以知识结构为主线进行，而应在化学学科核心素养的五个维度下重新整合，创新设计，进而提高高中化学的复习效率。本文以“电化学原理”一轮复习为例，按照“素养为本”的课堂基本要求，从以下几方面进行高考化学一轮复习课堂教学设计。
一、设计凝练电化学原理本源性知识环节，夯实学生电化学知识的储备
化学学科的本源性知识是指化学课堂教学中的本源性问题，它不仅探寻最基本的化学知识，还探寻与化学知识有关的观念、思想和方法。而高考一轮复习的目的就是让学生重现基础知识，通过系列加工后加以巩固贮存。因此在电化学原理复习时，要求学生从教材中、生活中凝练出电化学原理的本源性知识，夯实学生对于电化学板块应掌握的最核心最基础的知识。教师可以通过设计导学案的方式进行，如设计以下导学案，在课堂上要求学生回顾电化学基本知识，并在五分钟内完成（见表1）。
通过设计该环节，既能提炼电化学原理最原始、最真实的本源性知识，也能反映电化学原理知识的实质性和关键性问题。在高考化学一轮复习中这一环节属于基础性环节，是必不可少的，教师在进行课堂教学设计时要加以重视。
二、设计有高阶思维的系列问题，提高学生对电化学原理本质性问题的理解
在指导学生凝练出电化学原理本源性知识后，如何让学生在更高层次理解电化学原理知识，从而运用电化学原理知识去解决系列复杂的问题？这是复习电化学原理知识的关键环节，教师可以通过在课堂上设计有高阶思维的系列问题来实现。高阶思维是一种以高层次认知水平为主的综合性能力。设计有高阶思维的系列问题就是为了培养学生的概括关联、解释说明、推断预测、设计验证和分析评价五大能力。电化學原理知识既有氧化还原反应的理论知识，又有与科技、生产、生活密切相关的实际问题。如果只是设计一般性的问题，学生很难对高考试题中出现的一些新颖性高、陌生度强的新型电池进行认知和分析，更无法解决相关问题。因此，设计有高阶思维的系列问题就显得尤为重要。那么教师在备课时可以如何设计有高阶思维的系列问题呢？本文以高考原题为例做如下设计。
（2016年高考化学浙江卷第11题）金属（M）-空气电池（如图1）具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：4M+nO2+2nH2O4M（OH）n。已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。
A采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面
B比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电池，Al-空气电池的理论比能量最高
CM-空气电池放电过程的正极反应式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne-=4M（OH）n
D在M-空气电池中，为防止负极区沉积Mg（OH）2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜
该题考查的是原电池的工作原理，教师可根据原题设置的四个答案，提出以下具有高阶思维的系列问题（见表2），以帮助学生对原电池的电极正负极判断、能量转换、电极反应式、电子和离子流向、电解质溶液选择、溶液pH变化、电化学计算、电极材料选择等基本常考点的理解和掌握。
问题①和问题③体现了证据推理与模型认知的化学核心素养价值观，目的是使学生能从多种电池装置中了解电池的构造特点，收集科学证据，进而寻找到确立证据的路径，最后建立原电池构造的模型，从而形成解决复杂的化学电池系列问题的思维框架。问题⑤体现了变化观念与平衡思想的化学核心素养价值观，目的是使学生对氧化还原反应的本质有更深刻的理解，有意识地从不同视角对各类氧化还原反应进行归类研究，从而掌握各类变化的特征和规律，逐步形成能够预测在一定条件下某些氧化还原反应可以设计成原电池的能力[1]。问题①②④⑦⑧体现了科学探究与创新意识的化学核心素养价值观，目的是让学生通过实验验证，不断发现、不断探索，能够在尊重事实和科学依据的基础上，对实验方案、材料选择、电解质选择等方面进行创新和优化，从而提升学生解决电化学问题的能力，同时培养学生的创新精神，增强学生的社会责任感。
三、设计提炼形成学科概念、学科思想，建立模型教学环节，促使学生形成良好的思维习惯
经过提炼电化学原理本源性知识和设计系列高阶思维问题后，后续的课堂教学设计要挖掘电化学原理知识中的素养发展价值，将电化学原理所蕴含的核心概念、学科思想、思维方法、认知方式等概括出来，让学生能够通过分析和推理等方法认识电化学原理的本质特征、构成要素及相互关系，最后建立电化学原理知识模型。 首先，教师要引导学生从深度和广度发展教材原有的核心概念。根据教材中的定义，原电池是化学能转化成电能的装置，电解池是电能转化成化学能的装置。如果仅仅从能量转换的角度去理解原电池和电解池，很有局限性，当遇到有多种能量转换的装置时，学生很难判断出是原电池还是电解池。因此教师还要引导学生从电化学反应的本质角度去理解原电池和电解池。能自发发生氧化还原反应的是原电池，需要借助外力才能发生氧化还原反应的是电解池。教师要帮助学生建立“自发发生氧化还原反应——原电池——化学能转化成电能”和“非自发发生氧化还原反应——电解池——电能转化成化学能”的知识链，加深学生对概念的理解，从而达到从深度和广度上发展原有概念，有利于学生甄别原电池和电解池的异同。
其次，教师要引导学生提炼出解决电化学原理问题的相关化学学科思想。所谓化学学科思想是人们在认识化学、发展化学、利用化学的长期实践活动中，运用科学的思想方法，由具体的化学学科知识提炼升华形成的，体现了化学的本质和价值。教师可以引导学生归纳出电化学原理板块主要包含的三个化学学科思想。一是对立统一思想，原电池和电解池发生的氧化反应和还原反应是对立统一的;电极的正极和负极、阴极和阳极，也是对立统一的。二是分类思想，依据氧化还原反应的自发发生和非自发发生，电化学分为原电池和电解池;原电池根据其功能分为一次电池、二次电池、燃料电池等;一次电池分为普通锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌纽扣电池、铝海水电池等;二次电池分为铅蓄电池、锂电池等。所以教师利用分类思想指导电化学原理板块的学习，有利于学生厘清原电池和电解池的区别。三是守恒思想，电化学反应本质应是氧化还原反应，得失电子一定是守恒的;电解质溶液是电中性的，电荷一定是守恒的。所以运用守恒思想有助于学生解决电化学的有关计算、离子移动方向、离子交换膜的选择等问题。
最后，教师要引导学生梳理电化学核心知识链，构建知识模型。所谓知识模型就是将知识进行形式化和结构化的抽象。电化学原理知识比较繁杂，教师可以引导学生从身边最直观的碱性干电池、纽扣电池（一次电池）及贴近生活的车用蓄电池、手机电池（二次电池）进行综合比较，从化学反应本质、电极材料、内部结构等方面分析其原理的异同。可以指导学生先梳理出原电池和电解池的核心知识，然后根据充放电电池（即二次电池）原理，将电化学原理知识模型构建起来。知识模型构建后可以帮助学生运用模型思想去记忆和理解电化学原理的问题。知识建模的方法可以广泛应用在化学学习中，如应用于水溶液中的离子平衡、元素及其化合物、元素周期律等化学知识板块。电化学原理知识模型如图2。
四、设计形成远迁移能力的教学环节，提升学生解决复杂电化学问题的学科能力
化学学科能力是指學生在化学课程学习过程中表现出来的比较稳定的心理特征和行为特征，可概括为实验探究能力、综合分析能力、理解能力和推理论证能力[2]。在“电化学原理”一轮复习的课堂教学设计最后一个环节中，教师可通过列举更多的电化学实例，以历年高考原题为背景，引导学生逐步形成从解决电化学问题的视角切入、推断预测、过程分析、结果呈现等能力，从而提高学生的学习能力和解题能力。如果遇到新颖性强、陌生度高的电化学考题，仅依靠学生现有知识模型是很难解答的，因此教师还要指导学生构建电化学的解题模型，以增强学生解决复杂问题的能力。例如2019年全国统一高考化学试卷（新课标Ⅱ）的第9题第（4）问（题目略），该试题情境完全超出了学生平时的认知水平，但设置的问题还是常规的电化学考查点，属于高起点低落点的试题。针对这样的试题，教师要引导学生从知识模型出发，探索出书写阴（正）阳（负）极反应式的解题模型，最后把两极反应加和得到电池总反应。所以电化学问题的解题模型可用二维坐标系表示（如图3）。
显然在“电化学原理”一轮复习的课堂教学设计中，引导学生构建知识模型和解题模型是极其重要的一个环节，建模后还要努力培养学生证据推理与模型认知能力，使学生能够熟练运用模型去揭示电化学的本质和规律，解释电化学问题，逐步形成解决陌生情境下的复杂电化学问题的远迁移能力。
五、小结
课堂教学改革已进入核心素养新时代，化学教师要全面领会“化学学科核心素养是学生终身发展的重要基础”的意义。以核心素养为主旨的课堂教学模式，正逐步替代以学科知识结构为主的传统课堂，以“素养为本”进行课堂教学设计是教师备课的目标要求。本文以“电化学原理”一轮复习为例，按照核心素养的五大要素为主旨进行教学设计，不仅能使碎片化知识得以整合，还能使学生在化学课程学习中发展化学学科核心素养，形成关键能力和必备品格，从而将化学学科基础知识学习、化学学习能力、学科思想方法有机整合起来，提升学生的综合素质，逐步培养学生具有创新性的高阶思维和有科学精神与社会责任的优良品质，为学生的终身发展提供优秀的品质能力，同时让学生体会到化学对社会发展的重大贡献，这也是化学教学的终极目标。
参考文献：
[1]贝淑妹，衷明华.基于核心素养的《原电池》教学设计[J].课程教育研究，2017（18）：284-285.
[2]吴明好.基于高考对核心素养的考查谈高中化学教学[J].中国考试，2017（3）：31-37.