思维建模在解决电化学问题中的应用

朱圣辉

摘要：思维建模是对思维过程建立模型，从而使繁复的思维形态或方法外显并简约化的过程。高三化学专题复习要注意引导学生进行思维建模，通过诸如用“定物、定极、定流向”的思维模型分析电池工作原理，用“定物、设1、想环境、再守恒”的思维模型书写电极反应方程式等具体实例，让学生在获得解决有关问题的程序性知识的同时，增强建构思维模型的意识，并提高解决化学问题的能力。

关键词：思维建模；电化学；问题解决能力；电池工作原理；电极反应

文章编号：1005–6629（2016）5–0087–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学教学的目的是要让学生习得相关知识和技能，形成相应的学科核心素养，特别是在进入高考复习阶段以后，更应该要帮助学生激活、深化和综合知识，提高运用知识解决实际问题的能力[1]。但在教学实践中发现，有些教师组织的专题复习只是同类习题的集中训练，学生通过复习以后并不能提升方法与技能，主要原因是对学生缺少思维方法的指导，导致学生通过复习之后思维水平没有得到明显上升，最直接的表现就是没有获得解决问题的程序性知识，不能快速地找到解决问题的思路和方法。实践表明，思维建模是提高化学专题复习质量的有效策略。本文拟结合电化学中电池工作原理的分析和电极反应方程式的书写等教学实例，简要阐述思维建模在高三化学专题复习中的应用。

1 思维建模与“为问题建模”的涵义

思维是指人脑借助于语言对客观事物的概括和间接的反应过程，建模则是指建立模型，所以，思维建模就是对思维过程建立模型，从而使繁复的思维形态或方法外显并简约化的过程。

关于思维建模，从不同的角度可以有不同的分类。根据建模对象的不同，思维建模分为领域类知识建模、为系统建模、为问题建模、为经验内容建模、为思想（认知模拟）建模等类型。不过，不管是为什么对象建模，其过程通常都包括模型准备、模型假设、模型建立、模型求解、模型分析、模型检验、模型应用等有关步骤。其中，“为问题建模”就是为了从实质上成功地解决相关问题，建立解决该类问题的模型[2]。在“为问题建模”的过程中，首先要分析问题中的相关因素及其特定关系，然后确定解决问题的一般思路，再将内在的思维过程建立模型，并在解决具体问题的过程中检验和完善，最后形成并表达解决问题的模型。“为问题建模”适用于内在思维复杂、但思路清晰、且能够用模型表达的有关问题，建模时要根据问题的性质特点，并结合学生当前的思维水平和思维特征，构建出解决问题的相应“程序性知识”，从而使学生明晰、快速、有效地解决问题的策略。只有做到思维过程清晰、操作步骤简洁，才能取得显著的实用效果。

例1 （2015·福建）某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图1所示，该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料（C3H8O）。下列说法正确的是（ ）。

A.该装置将化学能转化为光能和电能

B.该装置工作时，H+从b极区向a极区迁移

C.每生成1mol O2，有44g CO2被还原

D. a电极的反应为：

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

例1是近年来各地高考中有关电化学的典型试题，这类问题所包含的信息量大，思维跨度也大且跳跃性强，对学生的逻辑思维能力要求特别高；而且这类问题还经常嵌入一些陌生情景，如有学生从未见过的“人工树叶”，复杂形状的实体模型图以及生疏的名词和抽象的表述等，这些都是导致学生解决问题产生困难的原因，这类问题单靠重复训练一般收效甚微。不过针对电化学中电池工作原理的分析和电极反应方程式的书写等问题，可以构建起符合学生认知水平的“定物、定极、定流向”和“定物、设1、想环境、再守恒”等解题思维模型。所以，用思维建模解决有关电化学的问题是高三化学专题复习中提高学生解决问题能力的典型示例。

2 分析电池工作原理的思维模型：定物、定极、定流向

例2 （2009·浙江）市场上经常见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li+的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为：

B.充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应

C.该电池不能用水溶液作为电解质

D.放电过程中Li+向负极移动

学生判断例2中有关选项正误存在困难的主要原因有：（1）题干中的情景陌生，而且电池反应式的书写不符合常规。（2）问题涉及的面广，A、B、D等3个选项包括了放电时原电池工作原理、充电时电解池工作原理、电极名称确定、电极上反应类型的确定、电极反应方程式的书写、系统中微粒运动的方向等问题，而C选项还与电化学问题没有直接的关系。（3）学生的解题方法不科学。很多学生面对大量的信息，没有一个快速的思考通道，不能高效统摄已知信息，而是采取逐一对照选项进行分别判断，这样反复提取题给信息，容易造成思考和选择的紊乱无序，在加重思维量的同时增加了思维的混乱度，再加上考试时的心理压力，忙中出错，严重影响解题质量，导致正确率下降。

在日常的教学和训练中，引导学生针对电池工作原理构建“定物、定极、定流向”的思维模型，有利于学生快速解决相关的问题。（1）“定物”。就是在方程式中先选择好相应的物质，根据其中元素化合价的变化判断各物质发生反应的类型。（2）“定极”。根据物质发生反应的类型标出电池工作时电子的流向和电流的流向，并根据电子或电流的流向确定电极的名称。（3）“定流向”。根据电子流向标出电解质溶液中阴、阳离子的运动方向。具体是把电流看作阳离子，电子看作阴离子，阴、阳离子运动方向永远相反，使得电极上电子流向与介质中阴离子流向一致，以便实现系统中电子与阴离子的循环流动。另外，在思考这类问题时，还要考虑水作为溶剂时电解质溶液中H+、OH-的产生和消失对介质环境性质的影响，如pH变化，以及其他连带发生复分解反应导致的离子数量的变化等，同时要注意到充、放电时的电极称谓不同。

“定物、定极、定流向”思维模型的具体操作流程是：“标价态变化→定反应类型→说电极名称→标微粒流向”。有了这样明确的思考方法和思维顺序，辅之以具体直观的图像模型，学生头脑中就有了一条清晰的思考路径，不会面对大量信息无从下手。如针对例2中的方程式可以建构出图2所示的思维模型，这时再对照各个选项，就容易做出正确判断。放电时，负极的电极反应式：Li-e-=Li+，A正确；充电时，Li0.85NiO2中Li化合价降低，Ni化合价升高，既发生氧化反应又发生还原反应，B正确；该电池不能用水作为溶剂，这与电化学无关，考查的是Li能与水发生反应，C正确；从图2可以看出，放电过程中Li+应从负极移向正极，充电过程中Li+应从阳极移向阴极（与阴离子的流向相反），D错误。这样整个解题过程一目了然，避免了思维混乱无序和重复思考，对快速正确解决此类问题很有帮助。

3 书写电极反应式的思想模型：定物、设1、想环境、再守恒

例3 （2011·江苏）电解尿素[CO（NH2）2]的碱性溶液制氢的装置如图3所示（电解池中隔膜仅阻止气体通过，阴、阳极均为惰性电极）。电解时，阳极的电极反应式为 。

对于诸如例3中书写电极反应式的问题，学生的困难主要有两个方面：（1）读不懂装置的示意图，不能确定电极上的反应物和生成物，从而导致无法书写电极反应式，或对示意图理解错误而写错电极反应式；（2）书写方程式的能力不够，书写带电子得失的电极反应方程式（即氧化还原反应的半反应）对学生来说难度更大。针对这样的情况，教师在教学中要引导学生建构“定物、设1、想环境、再守恒”的解题思维模型。

（1）“定物”。要写阳极电极反应方程式，首先要确定阳极的反应物。由图3中箭头的方向可以看出，尿素CO（NH2）2和KOH进入电解池是反应物，N2和H2以及排出液中的某些成分是产物，再由尿素CO（NH2）2中有关元素价态的变化确定生成N2的电极发生氧化反应是阳极，生成H2的电极发生还原反应是阴极。也就是说阳极上发生的反应是由尿素CO（NH2）2转变成N2。

（2）“设1”。假设反应物尿素CO（NH2）2的物质的量为1mol，分析N元素化合价由-3变为0，根据电子守恒和元素守恒，首先写出由主要反应物和主要生成物组成的电极反应式的基本骨架1CO（NH2）2-6e-=1N2。“设1”的好处是可以先确定好主要物质的化学计量数，从而减少给整个电极反应式完全配平的压力。这样“直接写出”电极反应式中主要物质及其化学计量数的效果等于是给出了电极反应式的“定盘星”。

“定物、设1、想环境、再守恒”的思维建模，确定了书写电极反应式的思维顺序，给出了书写电极反应式的程序性操作方法，主要操作流程为：“定好主干物质设为1mol并初步配平→根据电解质环境添上部分反应物和生成物→利用电荷守恒和质量守恒完善反应式”。再如，甲醇碱性燃料电池负极反应式的书写过程，可以建构成如图4所示的思维模型。

4 结语

近年来，思维建模及其教学受到了普遍重视[3]，同时建模思想在化学教学中也获得了一定程度的推广，有教师将模型方法运用于解决化学工艺流程图等具体问题之中[4]，也有教师通过建构等效化学式、化学反应类型、化学反应过程、溶液混合过程等模型以提高解决化学问题的效率[5]。本文则是通过对电化学中分析电池工作原理和书写电极反应方程式等问题思维模型的建构，并用简洁易懂的短语进行描述，以帮助学生获得解决同类或相近问题的程序性知识，同时增强学生进行思维建模的意识，不断提高学生解决化学问题的能力。

值得注意的是，思维建模要注意避免泛化，不是所有专题复习都能建模，也不是所有的问题解决都可以构建出合适的思维模型；思维模型必须流畅自然，表达要清晰简单，不可繁琐艰涩，否则会适得其反。好的思维建模应用于高三专题复习，可以帮助学生学会并使用解决复杂问题的程序性知识，让学生解决问题时有一个攀爬的“抓手”、一个清晰的路径和一个优化的思维，从而实现专题复习优化思维、形成方法、提升能力的相应任务。针对高考的重点难点内容加强研究，建构科学合理的思维模型，产生更多的程序性方法知识，应该是高考复习教学的重要课题和研究方向。

参考文献：

[1]陆军.实施化学高考有效复习的思考与实践[J].中学化学教学参考，2013，（4）：33～36.

[2]顾小清.用思维建模工具支持有意义的学习——建构主义理论的实践应用[J].中小学信息技术教育，2007，（7～8）：24～25.

[3]翟小铭，郭玉英，项宇轩.物理建模教学例析——以“静电现象的应用”教学为例[J].物理教师，2015，36（7）：31～35.

[4]黄海云.利用“模型法”突破工艺流程图题[J].化学教学，2015，（1）：84～86.

[5]孙成余.几种建模思想在高中化学解题中的应用[J].中学化学教学参考，2012，（4）：64～65.