思維建模在解決電化學(xué)問題中的應(yīng)用

朱圣輝

摘要：思維建模是對思維過程建立模型，從而使繁復(fù)的思維形態(tài)或方法外顯并簡約化的過程。高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)要注意引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維建模，通過諸如用“定物、定極、定流向”的思維模型分析電池工作原理，用“定物、設(shè)1、想環(huán)境、再守恒”的思維模型書寫電極反應(yīng)方程式等具體實(shí)例，讓學(xué)生在獲得解決有關(guān)問題的程序性知識的同時，增強(qiáng)建構(gòu)思維模型的意識，并提高解決化學(xué)問題的能力。

關(guān)鍵詞：思維建模；電化學(xué)；問題解決能力；電池工作原理；電極反應(yīng)

文章編號：1005–6629（2016）5–0087–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

化學(xué)教學(xué)的目的是要讓學(xué)生習(xí)得相關(guān)知識和技能，形成相應(yīng)的學(xué)科核心素養(yǎng)，特別是在進(jìn)入高考復(fù)習(xí)階段以后，更應(yīng)該要幫助學(xué)生激活、深化和綜合知識，提高運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力[1]。但在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有些教師組織的專題復(fù)習(xí)只是同類習(xí)題的集中訓(xùn)練，學(xué)生通過復(fù)習(xí)以后并不能提升方法與技能，主要原因是對學(xué)生缺少思維方法的指導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生通過復(fù)習(xí)之后思維水平?jīng)]有得到明顯上升，最直接的表現(xiàn)就是沒有獲得解決問題的程序性知識，不能快速地找到解決問題的思路和方法。實(shí)踐表明，思維建模是提高化學(xué)專題復(fù)習(xí)質(zhì)量的有效策略。本文擬結(jié)合電化學(xué)中電池工作原理的分析和電極反應(yīng)方程式的書寫等教學(xué)實(shí)例，簡要闡述思維建模在高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)中的應(yīng)用。

1 思維建模與“為問題建模”的涵義

思維是指人腦借助于語言對客觀事物的概括和間接的反應(yīng)過程，建模則是指建立模型，所以，思維建模就是對思維過程建立模型，從而使繁復(fù)的思維形態(tài)或方法外顯并簡約化的過程。

關(guān)于思維建模，從不同的角度可以有不同的分類。根據(jù)建模對象的不同，思維建模分為領(lǐng)域類知識建模、為系統(tǒng)建模、為問題建模、為經(jīng)驗(yàn)內(nèi)容建模、為思想（認(rèn)知模擬）建模等類型。不過，不管是為什么對象建模，其過程通常都包括模型準(zhǔn)備、模型假設(shè)、模型建立、模型求解、模型分析、模型檢驗(yàn)、模型應(yīng)用等有關(guān)步驟。其中，“為問題建?！本褪菫榱藦膶?shí)質(zhì)上成功地解決相關(guān)問題，建立解決該類問題的模型[2]。在“為問題建?！钡倪^程中，首先要分析問題中的相關(guān)因素及其特定關(guān)系，然后確定解決問題的一般思路，再將內(nèi)在的思維過程建立模型，并在解決具體問題的過程中檢驗(yàn)和完善，最后形成并表達(dá)解決問題的模型?！盀閱栴}建?！边m用于內(nèi)在思維復(fù)雜、但思路清晰、且能夠用模型表達(dá)的有關(guān)問題，建模時要根據(jù)問題的性質(zhì)特點(diǎn)，并結(jié)合學(xué)生當(dāng)前的思維水平和思維特征，構(gòu)建出解決問題的相應(yīng)“程序性知識”，從而使學(xué)生明晰、快速、有效地解決問題的策略。只有做到思維過程清晰、操作步驟簡潔，才能取得顯著的實(shí)用效果。

例1 （2015·福建）某模擬“人工樹葉”電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置能將H2O和CO2轉(zhuǎn)化為O2和燃料（C3H8O）。下列說法正確的是（ ）。

A.該裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能和電能

B.該裝置工作時，H+從b極區(qū)向a極區(qū)遷移

C.每生成1mol O2，有44g CO2被還原

D. a電極的反應(yīng)為：

3CO2+16H++16e-=C3H8O+4H2O

例1是近年來各地高考中有關(guān)電化學(xué)的典型試題，這類問題所包含的信息量大，思維跨度也大且跳躍性強(qiáng)，對學(xué)生的邏輯思維能力要求特別高；而且這類問題還經(jīng)常嵌入一些陌生情景，如有學(xué)生從未見過的“人工樹葉”，復(fù)雜形狀的實(shí)體模型圖以及生疏的名詞和抽象的表述等，這些都是導(dǎo)致學(xué)生解決問題產(chǎn)生困難的原因，這類問題單靠重復(fù)訓(xùn)練一般收效甚微。不過針對電化學(xué)中電池工作原理的分析和電極反應(yīng)方程式的書寫等問題，可以構(gòu)建起符合學(xué)生認(rèn)知水平的“定物、定極、定流向”和“定物、設(shè)1、想環(huán)境、再守恒”等解題思維模型。所以，用思維建模解決有關(guān)電化學(xué)的問題是高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)中提高學(xué)生解決問題能力的典型示例。

2 分析電池工作原理的思維模型：定物、定極、定流向

例2 （2009·浙江）市場上經(jīng)常見到的標(biāo)記為Li-ion的電池稱為“鋰離子電池”。它的負(fù)極材料是金屬鋰和碳的復(fù)合材料（碳作為金屬鋰的載體），電解質(zhì)為一種能傳導(dǎo)Li+的高分子材料。這種鋰離子電池的電池反應(yīng)式為：

B.充電時，Li0.85NiO2既發(fā)生氧化反應(yīng)又發(fā)生還原反應(yīng)

C.該電池不能用水溶液作為電解質(zhì)

D.放電過程中Li+向負(fù)極移動

學(xué)生判斷例2中有關(guān)選項(xiàng)正誤存在困難的主要原因有：（1）題干中的情景陌生，而且電池反應(yīng)式的書寫不符合常規(guī)。（2）問題涉及的面廣，A、B、D等3個選項(xiàng)包括了放電時原電池工作原理、充電時電解池工作原理、電極名稱確定、電極上反應(yīng)類型的確定、電極反應(yīng)方程式的書寫、系統(tǒng)中微粒運(yùn)動的方向等問題，而C選項(xiàng)還與電化學(xué)問題沒有直接的關(guān)系。（3）學(xué)生的解題方法不科學(xué)。很多學(xué)生面對大量的信息，沒有一個快速的思考通道，不能高效統(tǒng)攝已知信息，而是采取逐一對照選項(xiàng)進(jìn)行分別判斷，這樣反復(fù)提取題給信息，容易造成思考和選擇的紊亂無序，在加重思維量的同時增加了思維的混亂度，再加上考試時的心理壓力，忙中出錯，嚴(yán)重影響解題質(zhì)量，導(dǎo)致正確率下降。

在日常的教學(xué)和訓(xùn)練中，引導(dǎo)學(xué)生針對電池工作原理構(gòu)建“定物、定極、定流向”的思維模型，有利于學(xué)生快速解決相關(guān)的問題。（1）“定物”。就是在方程式中先選擇好相應(yīng)的物質(zhì)，根據(jù)其中元素化合價(jià)的變化判斷各物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的類型。（2）“定極”。根據(jù)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的類型標(biāo)出電池工作時電子的流向和電流的流向，并根據(jù)電子或電流的流向確定電極的名稱。（3）“定流向”。根據(jù)電子流向標(biāo)出電解質(zhì)溶液中陰、陽離子的運(yùn)動方向。具體是把電流看作陽離子，電子看作陰離子，陰、陽離子運(yùn)動方向永遠(yuǎn)相反，使得電極上電子流向與介質(zhì)中陰離子流向一致，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中電子與陰離子的循環(huán)流動。另外，在思考這類問題時，還要考慮水作為溶劑時電解質(zhì)溶液中H+、OH-的產(chǎn)生和消失對介質(zhì)環(huán)境性質(zhì)的影響，如pH變化，以及其他連帶發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)導(dǎo)致的離子數(shù)量的變化等，同時要注意到充、放電時的電極稱謂不同。

“定物、定極、定流向”思維模型的具體操作流程是：“標(biāo)價(jià)態(tài)變化→定反應(yīng)類型→說電極名稱→標(biāo)微粒流向”。有了這樣明確的思考方法和思維順序，輔之以具體直觀的圖像模型，學(xué)生頭腦中就有了一條清晰的思考路徑，不會面對大量信息無從下手。如針對例2中的方程式可以建構(gòu)出圖2所示的思維模型，這時再對照各個選項(xiàng)，就容易做出正確判斷。放電時，負(fù)極的電極反應(yīng)式：Li-e-=Li+，A正確；充電時，Li0.85NiO2中Li化合價(jià)降低，Ni化合價(jià)升高，既發(fā)生氧化反應(yīng)又發(fā)生還原反應(yīng)，B正確；該電池不能用水作為溶劑，這與電化學(xué)無關(guān)，考查的是Li能與水發(fā)生反應(yīng)，C正確；從圖2可以看出，放電過程中Li+應(yīng)從負(fù)極移向正極，充電過程中Li+應(yīng)從陽極移向陰極（與陰離子的流向相反），D錯誤。這樣整個解題過程一目了然，避免了思維混亂無序和重復(fù)思考，對快速正確解決此類問題很有幫助。

3 書寫電極反應(yīng)式的思想模型：定物、設(shè)1、想環(huán)境、再守恒

例3 （2011·江蘇）電解尿素[CO（NH2）2]的堿性溶液制氫的裝置如圖3所示（電解池中隔膜僅阻止氣體通過，陰、陽極均為惰性電極）。電解時，陽極的電極反應(yīng)式為 。

對于諸如例3中書寫電極反應(yīng)式的問題，學(xué)生的困難主要有兩個方面：（1）讀不懂裝置的示意圖，不能確定電極上的反應(yīng)物和生成物，從而導(dǎo)致無法書寫電極反應(yīng)式，或?qū)κ疽鈭D理解錯誤而寫錯電極反應(yīng)式；（2）書寫方程式的能力不夠，書寫帶電子得失的電極反應(yīng)方程式（即氧化還原反應(yīng)的半反應(yīng)）對學(xué)生來說難度更大。針對這樣的情況，教師在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“定物、設(shè)1、想環(huán)境、再守恒”的解題思維模型。

（1）“定物”。要寫陽極電極反應(yīng)方程式，首先要確定陽極的反應(yīng)物。由圖3中箭頭的方向可以看出，尿素CO（NH2）2和KOH進(jìn)入電解池是反應(yīng)物，N2和H2以及排出液中的某些成分是產(chǎn)物，再由尿素CO（NH2）2中有關(guān)元素價(jià)態(tài)的變化確定生成N2的電極發(fā)生氧化反應(yīng)是陽極，生成H2的電極發(fā)生還原反應(yīng)是陰極。也就是說陽極上發(fā)生的反應(yīng)是由尿素CO（NH2）2轉(zhuǎn)變成N2。

（2）“設(shè)1”。假設(shè)反應(yīng)物尿素CO（NH2）2的物質(zhì)的量為1mol，分析N元素化合價(jià)由-3變?yōu)?，根據(jù)電子守恒和元素守恒，首先寫出由主要反應(yīng)物和主要生成物組成的電極反應(yīng)式的基本骨架1CO（NH2）2-6e-=1N2?！霸O(shè)1”的好處是可以先確定好主要物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，從而減少給整個電極反應(yīng)式完全配平的壓力。這樣“直接寫出”電極反應(yīng)式中主要物質(zhì)及其化學(xué)計(jì)量數(shù)的效果等于是給出了電極反應(yīng)式的“定盤星”。

“定物、設(shè)1、想環(huán)境、再守恒”的思維建模，確定了書寫電極反應(yīng)式的思維順序，給出了書寫電極反應(yīng)式的程序性操作方法，主要操作流程為：“定好主干物質(zhì)設(shè)為1mol并初步配平→根據(jù)電解質(zhì)環(huán)境添上部分反應(yīng)物和生成物→利用電荷守恒和質(zhì)量守恒完善反應(yīng)式”。再如，甲醇堿性燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書寫過程，可以建構(gòu)成如圖4所示的思維模型。

4 結(jié)語

近年來，思維建模及其教學(xué)受到了普遍重視[3]，同時建模思想在化學(xué)教學(xué)中也獲得了一定程度的推廣，有教師將模型方法運(yùn)用于解決化學(xué)工藝流程圖等具體問題之中[4]，也有教師通過建構(gòu)等效化學(xué)式、化學(xué)反應(yīng)類型、化學(xué)反應(yīng)過程、溶液混合過程等模型以提高解決化學(xué)問題的效率[5]。本文則是通過對電化學(xué)中分析電池工作原理和書寫電極反應(yīng)方程式等問題思維模型的建構(gòu)，并用簡潔易懂的短語進(jìn)行描述，以幫助學(xué)生獲得解決同類或相近問題的程序性知識，同時增強(qiáng)學(xué)生進(jìn)行思維建模的意識，不斷提高學(xué)生解決化學(xué)問題的能力。

值得注意的是，思維建模要注意避免泛化，不是所有專題復(fù)習(xí)都能建模，也不是所有的問題解決都可以構(gòu)建出合適的思維模型；思維模型必須流暢自然，表達(dá)要清晰簡單，不可繁瑣艱澀，否則會適得其反。好的思維建模應(yīng)用于高三專題復(fù)習(xí)，可以幫助學(xué)生學(xué)會并使用解決復(fù)雜問題的程序性知識，讓學(xué)生解決問題時有一個攀爬的“抓手”、一個清晰的路徑和一個優(yōu)化的思維，從而實(shí)現(xiàn)專題復(fù)習(xí)優(yōu)化思維、形成方法、提升能力的相應(yīng)任務(wù)。針對高考的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容加強(qiáng)研究，建構(gòu)科學(xué)合理的思維模型，產(chǎn)生更多的程序性方法知識，應(yīng)該是高考復(fù)習(xí)教學(xué)的重要課題和研究方向。

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