思維建模在解決電化學問題中的應用

朱圣輝

摘要：思維建模是對思維過程建立模型，從而使繁復的思維形態或方法外顯并簡約化的過程。高三化學專題復習要注意引導學生進行思維建模，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1、想環境、再守恒”的思維模型書寫電極反應方程式等具體實例，讓學生在獲得解決有關問題的程序性知識的同時，增強建構思維模型的意識，并提高解決化學問題的能力。

關鍵詞：思維建模；電化學；問題解決能力；電池工作原理；電極反應

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

化學教學的目的是要讓學生習得相關知識和技能，形成相應的學科核心素養，特別是在進入高考復習階段以后，更應該要幫助學生激活、深化和綜合知識，提高運用知識解決實際問題的能力[1]。但在教學實踐中發現，有些教師組織的專題復習只是同類習題的集中訓練，學生通過復習以后并不能提升方法與技能，主要原因是對學生缺少思維方法的指導，導致學生通過復習之后思維水平沒有得到明顯上升，最直接的表現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。實踐表明，思維建模是提高化學專題復習質量的有效策略。本文擬結合電化學中電池工作原理的分析和電極反應方程式的書寫等教學實例，簡要闡述思維建模在高三化學專題復習中的應用。

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，從而使繁復的思維形態或方法外顯并簡約化的過程。

關于思維建模，從不同的角度可以有不同的分類。根據建模對象的不同，思維建模分為領域類知識建模、為系統建模、為問題建模、為經驗內容建模、為思想（認知模擬）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備、模型假設、模型建立、模型求解、模型分析、模型檢驗、模型應用等有關步驟。其中，“為問題建模”就是為了從實質上成功地解決相關問題，建立解決該類問題的模型[2]。在“為問題建模”的過程中，首先要分析問題中的相關因素及其特定關系，然后確定解決問題的一般思路，再將內在的思維過程建立模型，并在解決具體問題的過程中檢驗和完善，最后形成并表達解決問題的模型。“為問題建模”適用于內在思維復雜、但思路清晰、且能夠用模型表達的有關問題，建模時要根據問題的性質特點，并結合學生當前的思維水平和思維特征，構建出解決問題的相應“程序性知識”，從而使學生明晰、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，才能取得顯著的實用效果。

例1 （2015·福建）某模擬“人工樹葉”電化學實驗裝置如圖1所示，該裝置能將H2O和CO2轉化為O2和燃料（C3H8O）。下列說法正確的是（ ）。

A.該裝置將化學能轉化為光能和電能

B.該裝置工作時，H+從b極區向a極區遷移

C.每生成1mol O2，有44g CO2被還原

D. a電極的反應為：

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

例1是近年來各地高考中有關電化學的典型試題，這類問題所包含的信息量大，思維跨度也大且跳躍性強，對學生的邏輯思維能力要求特別高；而且這類問題還經常嵌入一些陌生情景，如有學生從未見過的“人工樹葉”，復雜形狀的實體模型圖以及生疏的名詞和抽象的表述等，這些都是導致學生解決問題產生困難的原因，這類問題單靠重復訓練一般收效甚微。不過針對電化學中電池工作原理的分析和電極反應方程式的書寫等問題，可以構建起符合學生認知水平的“定物、定極、定流向”和“定物、設1、想環境、再守恒”等解題思維模型。所以，用思維建模解決有關電化學的問題是高三化學專題復習中提高學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）市場上經常見到的標記為Li-ion的電池稱為“鋰離子電池”。它的負極材料是金屬鋰和碳的復合材料（碳作為金屬鋰的載體），電解質為一種能傳導Li+的高分子材料。這種鋰離子電池的電池反應式為：

B.充電時，Li0.85NiO2既發生氧化反應又發生還原反應

C.該電池不能用水溶液作為電解質

D.放電過程中Li+向負極移動

學生判斷例2中有關選項正誤存在困難的主要原因有：（1）題干中的情景陌生，而且電池反應式的書寫不符合常規。（2）問題涉及的面廣，A、B、D等3個選項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、電極上反應類型的確定、電極反應方程式的書寫、系統中微粒運動的方向等問題，而C選項還與電化學問題沒有直接的關系。（3）學生的解題方法不科學。很多學生面對大量的信息，沒有一個快速的思考通道，不能高效統攝已知信息，而是采取逐一對照選項進行分別判斷，這樣反復提取題給信息，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，嚴重影響解題質量，導致正確率下降。

在日常的教學和訓練中，引導學生針對電池工作原理構建“定物、定極、定流向”的思維模型，有利于學生快速解決相關的問題。（1）“定物”。就是在方程式中先選擇好相應的物質，根據其中元素化合價的變化判斷各物質發生反應的類型。（2）“定極”。根據物質發生反應的類型標出電池工作時電子的流向和電流的流向，并根據電子或電流的流向確定電極的名稱。（3）“定流向”。根據電子流向標出電解質溶液中陰、陽離子的運動方向。具體是把電流看作陽離子，電子看作陰離子，陰、陽離子運動方向永遠相反，使得電極上電子流向與介質中陰離子流向一致，以便實現系統中電子與陰離子的循環流動。另外，在思考這類問題時，還要考慮水作為溶劑時電解質溶液中H+、OH-的產生和消失對介質環境性質的影響，如pH變化，以及其他連帶發生復分解反應導致的離子數量的變化等，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：“標價態變化→定反應類型→說電極名稱→標微粒流向”。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出圖2所示的思維模型，這時再對照各個選項，就容易做出正確判斷。放電時，負極的電極反應式：Li-e-=Li+，A正確；充電時，Li0.85NiO2中Li化合價降低，Ni化合價升高，既發生氧化反應又發生還原反應，B正確；該電池不能用水作為溶劑，這與電化學無關，考查的是Li能與水發生反應，C正確；從圖2可以看出，放電過程中Li+應從負極移向正極，充電過程中Li+應從陽極移向陰極（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思考，對快速正確解決此類問題很有幫助。

3 書寫電極反應式的思想模型：定物、設1、想環境、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，陽極的電極反應式為 。

對于諸如例3中書寫電極反應式的問題，學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物和生成物，從而導致無法書寫電極反應式，或對示意圖理解錯誤而寫錯電極反應式；（2）書寫方程式的能力不夠，書寫帶電子得失的電極反應方程式（即氧化還原反應的半反應）對學生來說難度更大。針對這樣的情況，教師在教學中要引導學生建構“定物、設1、想環境、再守恒”的解題思維模型。

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

（2）“設1”。假設反應物尿素CO（NH2）2的物質的量為1mol，分析N元素化合價由-3變為0，根據電子守恒和元素守恒，首先寫出由主要反應物和主要生成物組成的電極反應式的基本骨架1CO（NH2）2-6e-=1N2。“設1”的好處是可以先確定好主要物質的化學計量數，從而減少給整個電極反應式完全配平的壓力。這樣“直接寫出”電極反應式中主要物質及其化學計量數的效果等于是給出了電極反應式的“定盤星”。

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

4 結語

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

值得注意的是，思維建模要注意避免泛化，不是所有專題復習都能建模，也不是所有的問題解決都可以構建出合適的思維模型；思維模型必須流暢自然，表達要清晰簡單，不可繁瑣艱澀，否則會適得其反。好的思維建模應用于高三專題復習，可以幫助學生學會并使用解決復雜問題的程序性知識，讓學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化的思維，從而實現專題復習優化思維、形成方法、提升能力的相應任務。針對高考的重點難點內容加強研究，建構科學合理的思維模型，產生更多的程序性方法知識，應該是高考復習教學的重要課題和研究方向。

參考文獻：

[1]陸軍.實施化學高考有效復習的思考與實踐[J].中學化學教學參考，2013，（4）：33～36.

[2]顧小清.用思維建模工具支持有意義的學習——建構主義理論的實踐應用[J].中小學信息技術教育，2007，（7～8）：24～25.

[3]翟小銘，郭玉英，項宇軒.物理建模教學例析——以“靜電現象的應用”教學為例[J].物理教師，2015，36（7）：31～35.

[4]黃海云.利用“模型法”突破工藝流程圖題[J].化學教學，2015，（1）：84～86.

[5]孫成余.幾種建模思想在高中化學解題中的應用[J].中學化學教學參考，2012，（4）：64～65.