基于建構思維模型的高三專題復習

鄭文昌

摘要：基于構建解決同種題型思維模型的思想，針對高考電化學中帶電微粒的移動方向及離子交換膜的選擇性問題，在高三復習中引導學生從電勢、電勢差、場等電學視角，構建解決這一問題的思維模型，在解決具體問題的過程中完善思維模型，培養學生構建思維模型的學習方式。

關鍵詞：構建思維模型；帶電微粒移動方向；離子交換膜；完善應用

文章編號：1008-0546（2021）12-0059-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.015

*本文系廣東省教育科學規劃課題“基于化學核心素養的高三專題復習教學研究”（課題編號：2020YQJK382）階段研究成果之一。

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[1]。題型專題復習是高三專題復習的重要方面，通過題型的歸類，尋找同種類型題的解題思路，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，形成解決同類題型的思維模型。利用建立的思維模型來解決同種類問題思維清晰、快捷，有現實的價值意義。

電化學是屬于化學和物理中的交叉學科，在大學里是屬于《物理化學》中的知識。帶電粒子定向移動方向的判斷和電解池中離子交換膜種類的判斷是高考電化學中出現頻率較高的兩個考點，很多老師在教學過程中認為是識記知識，讓學生流于識記的層面，不利于學生在新情境中解決問題。針對這一題型，本文從知識學科屬性的角度引導學生轉變分析問題的視角，從電勢、電勢差、電場、電場力等電學的視角構建認知模型和思維模型，在教學實踐中取得了較好的教學效果。

一、模型的建構目標

1.教學目標

（1）通過學生對電學中電勢、電勢差、電場等知識的討論，轉變學生對知識認識的學科視角，初步構建帶電微粒定向移動的認識模型；

通過創設問題情境，讓學生獨立思考分析在電解池中選擇何種離子交換膜的要點，初步構建判斷離子交換膜的思維膜型；

（2）通過應用構建的模型來解決高考試題或改編試題中的問題，讓學生鞏固完善帶電微粒移動方向的認知模型及判斷電解池中離子交換膜的思維模型。

2.評價目標

（1）通過討論、展示帶電微粒移動方向的認知模型，構建完善帶電粒子移動方向的認知思路；

（2）通過討論、展示判斷電解池中離子交換膜種類的思維模型，構建、完善電解池中判斷離子交換膜種類的解題思路。

二、教學實錄

1.引導學生構建帶電微粒移動方向的認知模型

在平常的教學過程中，我們很多老師都是要求學生去死記硬背帶電微粒的移動方向：在原電池中，內電路陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，外電路電子從負極移向正極。在電解池中，根據“陰陽相吸”，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。這樣死記硬背帶電微粒移動方向對于處理簡單電化學問題有一定的效果，但不能靈活解決問題，不利于對知識的深化理解。帶電微粒的定向移動，應屬于物理學科中電學知識，應引導學生從電學的電勢、電場力等視角來分析帶電微粒的移動問題，有利于學科間知識的運用，有利于提高學生綜合解決問題的素養。

（1）環節1：創設情境，引入問題

[師]同學們在學習電解池知識都清楚，電解質中陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。大家在物理中學過電勢、電場力等電學知識，同學們能否從電勢、電場力的視角來理解離子的移動方向呢？

【生】回憶物理學科中電學知識，思考討論。

【師】請大家從電勢角度分析帶電微粒移動的方向。

設計意圖：引導學生轉變分析問題的視角，加強學生對交叉學科知識的應用，提高學生綜合分析問題和解決問題的能力。

（2）環節2：建構原電池和電解池中帶電微粒定向移動的認知模型

【師】帶電的物質或帶電微粒在周圍會產生電場，帶電微粒在電場中會受到電場力的作用，大家說說帶電微粒在電場中移動方向如何？

【生】物理課中老師說過，點電荷的電場力方向與放在該點的正電荷的受力方向相同，與放在該點的負電荷的受力方向相反。

【生】展示物理老師課件的帶電微粒的受力方向圖，如圖1所示。

【師】同學們用模型很好地表示帶電微粒受力方向與場強的方向的關系，

下面同學們思考帶電微粒的移動方向與電勢的關系。

【生】帶正電荷的粒子從高勢到低勢，帶負電的粒子從低勢到高勢。

【師】很好，同學們能否類比重力勢能，結合圖1，以帶電粒子的移動方向與場強方向及電勢的關系為基礎構建認知模型，便于我們理解和記憶呢？

【師生】師生一起討論小結，構建帶電微粒移動方向的認知模型（見圖2）。

設計意圖：通過引導學生對帶電微粒在電場中移動方向的思考，轉變學生分析問題的學科視角，從“動力”層面上深化學生對帶電微粒定向移動的理解。創設思維活動，逐步讓學生構建帶電微粒移動的認知模型，培養學生基于證據推理到模型認知的核心素養。

（3）環節3：通過練習應用、鞏固完善帶電微粒移動方向的認知模型

例1如圖3所示是Zn∣稀H2SO4∣Cu的單液原電池，請大家思考：鋅極與銅極比較，哪一極的電勢高？

【師】請大家結合圖2認知模型，思考兩極電勢高低。

【生1】因為電子從鋅極流向銅極，根據認識模型（圖2）可知銅極的電勢較高。

【師】對，電子帶負電，根據帶負電的粒子從低勢往高勢跑，銅極的電勢較高，但電解質溶液中的氫離子向哪邊移動呢？

【生2】氫離子向銅電極跑。

【生3】氫離子帶正電荷也向高勢跑？

【生4】但銅電極產生氫氣呀，這是實驗事實。

【生】大家討論，困惑，難道我們一起建立的圖2認知模型有問題？

【師】大家說的都沒錯，我們一起建立的認識模型也沒問題，只是電子移動是指外電路，外電路的電勢是銅極高于鋅極，而離子移動是在內電路，內電路電勢是指電極材料附近電解質溶液產生的電勢，由于鋅比銅活潑，在鋅極附近溶液中集聚更多的陽離子（如圖3所示），所以鋅極附近溶液的電勢比銅極附近溶液電勢高，有興趣的同學可以查查相關的資料。

設計意圖：在練習應用認知模型的過程中制造認知矛盾，驗證認知模型的準確性，讓學生在應用中熟練掌握認知模型。

例2（2016北京卷第7題改編）用石墨電極完成下列電解實驗如圖4所示，請大家根據實驗現象回答下面問題（1）寫出實驗一中C處的反應式；（2）根據實驗一的原理，實驗二中m處能否析出銅。

【師】同學們，我們平常接觸的電化學裝置中，外電路一般是電子導體，內電路是離子導體，而該題在電解質溶液中放入金屬導體，根據實驗現象，實驗一中的鐵絲發生反應嗎？

【生】思考，討論

【師】在電解池中，電解質溶液中“陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動”的動力是什么？同學們結合圖2的認知模型進行思考。

【生1】電解池的電解質溶液中離子的定向移動應該是受到電場力的作用。

【生2】如果按認知模型圖2從電勢的角度分析，因為陰離子向b端移動，所以b端的電勢較高。

【師】同學們的想法是正確的，電解池的電解質中離子的移動確實受到電場力的作用，而且b端的電勢較高，那么放入的鐵絲中的電子又如何移動呢？

】生】跟物理學科中靜電感應一樣，電子帶負電應該向高勢移動，所以應該向d端移動，所以c處的反應式為：Fe-2e-=Fe2+

【師】同學們的分析很好，實驗一中鐵絲的電子由于受到電場力的作用由c端到d端，所以c處發生了反應：Fe-2e-=Fe2+，根據實驗一原理，實驗二中m處能否析出銅？

【生】根據實驗一的原理，實驗二中右邊銅珠的電子向n邊移動，導致左邊溶解產生Cu2+，左邊銅珠的m處集聚了電子，所以Cu2+在m處會得到電子析出銅。

【師】很好，同學們能運用圖2中認知模型來解決陌生的問題，體會學科間知識的靈活運用。

設計意圖：學生應用認知模型在陌生的情境中解決問題，提高學生靈活運用認知模型來解決新問題的能力。

例3.（2013年高考重慶卷，11題節選、改編）電化學降解NO-3的原理如題11圖5所示。

【師】圖5是電化學降解NO-3原理，請同學們請寫出陰極的電極反應式；

【生】2NO-3 + 10e-+ 6H2O=N2 + 12OH-

【師】對，電極反應式是這樣寫，但有同學有困惑，按“陽離子向陰極（低勢）方向移動，陰離子向陽極（高勢）的認知模型，為什么NO-3會在陰極放電生成N2呢？是我們的認知模型出了問題嗎？

【生】困惑、沉默、思考……

【生1】跟我們前面學的規律不一樣，是不是題錯了？

【生2】題沒錯，這是重慶一道高考題，我做過，不過當時沒想那么多。

【生3】必須尊重實驗事實，電化學降解實驗事實是這樣。

【師】同學們討論很好，必須尊重實驗事實，電化學降解NO-3的實驗事實確實是這樣，所以我們前面的認知模型還存在不完善的地方。

【師】經查證有關文獻，硝酸根的電極電勢比較高，氧化性趨勢比較大，該反應在熱力學上是可能發生的，所以硝酸根在陰極上得電子發生還原反應是有可能[2]。由于電極表面附近的硝酸根發生還原反應生成氮氣，導致電極附近硝酸根濃度減少，與其它地方形成濃度差產生“擴散力”，這時的“擴散力”與電場力的方向相反，此時的擴散力上升為主導地位[3]，促使硝酸根向陰極移動。

【師】可見，電解質中離子導體的定向移動的“動力”有電場力和擴散力共同作用，由于帶電微粒移動后也會產生新的電場E，新的電場與原電場的方向相反，會削弱原電場力。

【生】我們的認知模型還要完善。

【師】對，很多科學家們開始建立的認識模型也存在不足，也是在不斷的研究過程中完善，下面我們一起來找出不足的地方。

【師生】師生一起完善認知模型如圖6所示。

設計意圖：學生應用認知模型在解決問題的過程產生沖突，獨立思考，重新審視認知模型、完善認知模型。

2.判斷電解池中離子交換膜類型的思維模型

離子交換膜是電化學高考試題中考查頻率較高的考點，而電解池中離子交換膜類型的判斷是一個難點，因為該考點涉及到電極反應、離子的移動方向及反應室內物質的制備等知識，必須綜合運用這些知識才能對離子交換膜做出準確的判斷。學生往往對這一題型思維混亂，不知如何下手，引導學生建立正確的思維模型是解決這一難點的有效方法。

（1）引導學生儲備好知識

①離子交換膜的分類

離子交換膜在電化學中的作用主要體現在兩方面，一是將兩極區隔離，分成幾個室，阻止兩極區產生的物質相互接觸發生副反應；二是允許某些離子進入某一反應室，用于物質的制備。根據離子交換膜能透過的離子的種類可分類如圖7所示。

②離子交換膜在電化學裝置中的作用

離子交換膜在電化中的裝置主要有兩大類：一是在原電池中的應用，二是在電解池裝置中的應用。在原電池中，離子交換膜與鹽橋相似，將原電池分成正半電池與負半電池，從而提高電池的工作效率。在電解裝置中，根據不同的生產目的，可選用一種或多種離子交換膜，將電池分成不同的室，從而得到不同的生產產品。

③電解質中離子的移動方向

對于電解池，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動；對于原電池，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。

（2）引導學生構建判斷電解池中離子交換膜類型的思維模型

環節1：創設情境，引入問題

例4.電解飽和食鹽水是氯堿工業的基礎，氯堿工業的產品——氯氣和燒堿是應用很廣泛的工業原料，電解飽和食鹽水時，發生如下的化學反應：

【師】①分別寫出兩極的電極反應，由于在電極發生離子反應導致兩極室的離子發生了哪些變化？

【生】寫電極反應式，從電極反應可知，陽極的Cl-少了，陰極的H+少了OH-多了。

【師】對，由于離子在兩極放電，導致電解質中的電場被破壞，為了維持原有的電場，電解溶液中陰陽離子的移動方向如何？

【生】陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。

【師】在兩極室制備物質，離子的定向移動對兩個極室制備的物質有影響嗎？

【生】有影響，左室生產氯氣，不允許氫氧根進入，右室要制備氫氧化鈉，電離產生氫氧根，需要鈉離子進入。

【師】根據上面的問題，你認為離子交換膜應選用什么交換膜，選用該交換膜的作用有哪些？

【生】用陽離子交換膜，允許鈉離子向右室移動，不允許陰離子通過。

【師】對，還可防止氫氣和氯氣相互接觸。

設計意圖：學生在平常的解題過程中，只是簡單記“陽離子交換膜只允許陽離子通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過，質子交換膜只允許氫離子通過”。但有學生感到困惑：如果某極室內由于發生離子反應導致陽離子過多，過多的陽離子移出來也可調電荷守恒，陰離子進來也可以調電荷守恒，為什么要選陽離子交換膜呢？基于上面學生的困惑及對離子交換膜功能認識的不足，通過問題的設計，旨在引導學生構建選用離子交換膜的思維模型。

環節2：構建判斷電解池中離子交換膜的思維模型

【師】基于上面離子交換膜選用的分析，同學們思考離子交換膜的選用必須考慮幾個因素？

【生】3個要點：一是電極反應后兩極室離子變化情況，二是離子移動方向，三是兩極室要制備什么物質。

【師】請同學們構建選擇離子交換膜的思維模型。

【生】基于環節1中問題的獨立思考與分析、再現思維過程，初步構建判斷離子交換膜類型的思維模型。

【師】針對學生展示的思維模型，做相應的評價，構建如圖9所示的模型。

設計意圖：基于問題情境的創設，讓學生獨立思考，分析總結，初步形成雛形的思維模型，再將思維過程經過歸納整理，得出思維流程圖。層層推進，逐漸讓學生自主構建判斷離子交換膜的思維模型。

環節3：應用、鞏固并完善判斷電解池中離子交換膜類型的思維模型

例5.（2016·新課標Ⅰ卷11題改編）三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖10所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na+和SO2-4可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室，該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產品，請同學們分析ab、cd離子交換膜的類型。

【師】請同學們利用圖9的思維模型來解決例題2

【生】根據負極區及正極區的電極反應、兩極區制備的物質及離子的移動方向，可判斷ab為陽離子交換膜，cd膜為陰離了交換膜。

設計意圖：運用思維模型來解決實際問題，讓學生體會選用離子交換膜的3個要點，一是兩極反應，二是離子的移動方向，三是兩極室要制備的物質。讓學生在解題過程診斷檢驗思維模型的正確性。

例6.（2013福建理綜23題第（2）小題節選改編）利用化石燃料開采、加工過程產生的H2S廢氣制取氫氣，既廉價又環保。其中電化學法制氫氣過程如圖11，請同學們思考下面問題：

（1）裝置圖中選擇陽離子交換模主要作用是什么？有存在哪些不足的地方嗎？

（2）如果該裝置只用陽離子交換膜有不足的地方，可不可以對裝置進行改進，使其更好些。

【師】H2S廢氣制取氫氣處理過程分為幾階段？

【生】分為兩個階段，一是脫硫處理，二是氯化鐵的再生

【師】對，一是H2S與氯化鐵在反應池中發生反應2FeCl3+H2S=2FeCl2+2HCl+S↓，二是亞鐵被氧化成鐵離子。

【師】選用陽離子交換膜的作用是什么？

【生】防止交換膜右室的氫氧根進入左室與Fe2+或Fe3+作用形成沉淀。

【師】選用陽離子交換膜有不足的地方嗎？

【生1】Fe2+會穿過離子交換膜向陰極移動。

【生2】可能會產生Cl2

【師】同學們的分析都很好，能否針對其不足進行改進呢？

【生】靠近陽極處再增加一個陰膜，在陰膜與陽膜間加入電解質NaCl溶液，既不影響陽極中Fe2+放電，也不影響FeCl3的純度。

【師】同學們的設想很好，離子的移動方向除了受電場力的作用外，還有濃度差引起的“擴散力”影響，我們基于理論分析還有待于在工業生產實際進行驗證。

設計意圖：加強學生對電解池中離子交換膜類型判斷思維模型的應用，發現構建的思維模型的局限性，培養學生的質疑精神和批判精神。

三、教學反思

1.防止模型的建構流于形式

教師在進行教學設計時要胸中有“模”，要為有關的學科方法和思維方法選擇適當的模型，要引導學生通過建模來解決問題和獲取知識，不能將模型直接告知學生，這樣缺乏體驗建構的過程，又將回到記憶和背誦的老路上。要為建模環節預留充足的時間，并用一定的方法顯化相應的模型。這樣經過一段時間的訓練，學生就能體會到模型在學習活動中的應用價值，從而逐漸樹立起模型意識，并將模型認知固化為自己學習的一種重要方式[4]。

2.使用模型實踐過程應注意的問題

（1）思維模型是高度抽象的結果，去掉了“血肉”，只剩下“骨架”，模型也許在腦海中，但卻無法解決問題，致使學生對應用思維模型失去興趣和信心。思維模型的運用過程中，應歸還其“血肉”，總結歸納出使用該思維模型的注意點和關鍵點，如在運用判斷電解池中離子交換膜思維模型時要抓住三個關鍵點，一是電極反應后引起兩極室離子變化情況，二是電解池要制備什么物質，三是離子的移動方向。

（2）在練習試題后深度學習，完善真實認知模型

科學探究建立起的認知模型，需要運用到解釋相應類型的化學現象中，揭示化學變化背后的本質與規律。因此，教學過程中需要運用練習、試題等形式，幫助學生診斷認知模型是否準確。通過真實、科學的試題情境進行深度學習，促使學生運用化學學科的基本思想和方法，完善認知模型，發展自身關鍵能力[5]。

參考文獻

[1]朱圣輝.思維建模在解決電化學問題中的應用[J].化學教學，2016（5）：87-90

[2]張軍.以某高考題為例探析電化學情境分析的爭議問題[J].化學教學，2015（9）：92-93

[3]魯戰勝，湯華森，王后雄.原電池中離子定向移動的“推手”[J].中學化學教學參考，2012（11）：34-35

[4]陸軍.化學教學中引領學生模型認知的思考與探索[J].化學教學，2017（9）：19-23

[5]施志斌.對一道北京卷電化學試題的再解析[J].化學教學，2017（9）：84-86