基于模型认知的微专题复习法初探

方红梅 魏天文

高中化学的复习既要完成对知识的梳理和整合，全面落实基础，又要让学生在重难点上有所提升和突破。这就要求教师恰当、灵活地运用科学的教学方法和手段。基于模型认知的微专题复习法在以导学案引导学生自主完成基础知识梳理和整合的基础上，针对重难点内容设置微专题，引导学生通过构建思维模型突破重难点知识，提升思维能力，实现知识的吸收。

一、复习模式

基于模型认知的微专题复习法的基本模式为：

首先，学生通过导学案的自主复习，可以完成对零散、孤立的化学知识的梳理和整合，构建基本的知识框架和知识网络。教师通过导学案的问题反馈准确判断学生在复习中的知识弱点，并结合重点和难點设置主题微专题。微专题的讲解过程，重点在于在实际情境中引导学生通过分析推理构建分析和思维模型，并通过应用模型解决实际问题。

二、微专题的设置

微专题复习可以打破知识模块之间的壁垒，将相似、分散、变式、拓展的知识重新建构与整合，形成点状辐射或带状辐射。微专题的设置遵循以下原则：

（一）“三点”强化原则。微专题的设置一是强化考纲和教材的重点，二是强化学生导学案所反馈的弱点，三是强化知识难点。教师应该结合重点、弱点和难点精心挑选内容设置微专题。

（二）多样化原则。微专题类型是多样化的：可以是知识整合类的，如有机合成中的成环反应;可以是解题方法类的，如计算题中守恒法的应用;可以是相似题型类的，如平衡常数K的计算;可以是高频考点类的，如锂电池的考查。教师应根据复习内容灵活多样的设置微专题。

（三）专一性原则。微专题重在突出解决一个主题问题，内容不能过多，否则就容易变为传统专题而失去了微专题的专一性。微专题的设置要切实做到“三点”突出，类型灵活，主题鲜明。例如在电化学的复习中，教师通过检查导学案，发现学生在书写教材中的常见电池如锌锰干电池、铅蓄电池和氢氧燃料电池时的电极反应时，准确度较高，落实情况较好，但书写有关新情境条件下的电极反应式时书写错误较多，而判断两极的放电物质、电解质环境及交换膜对电极反应式书写的影响等方面是主要错因。2019年高考化学考试大纲“考试范围与要求”中“化学反应与能量”第⑧条明确指出：理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式，高考命题对知识内容的要求是三个层次中的“理解”。通过分析近5年的高考题发现，以新型电化学装置为情境的电化学原理（电极判断，电极反应，离子移动等）的考查，在高考中出现的频率很高。

结合以上“三点”，我们确定了“新情境下电极反应式的书写”电化学微专题。

三、构建模型→应用模型

通过分析大量关于电化学考查的高考试题发现，新情境一般分为两类，一类以新型原电池为情境，另一类以新型电解池在生产生活中的应用为情境。情境不同但考查内容大同小异，如电极名称、电极反应、离子的移动、电极附近或溶液pH值的变化或相关电极产物的计算等。这些内容的核心为电化学装置和电化学原理：两个电极、电子导体和离子导体构成闭合回路;在两极分别发生氧化反应和还原反应（简述为“负阳氧，正阴还”）。因此，新情境下的电极反应式书写的思维模型构建了原理维度和装置维度两大认识维度。原理维度以氧化还原反应为基础，包括电极反应物、电极产物、过程、反应现象;装置维度包括原电池或电解池里面的所有装置要素即电极材料、电子导体（导线）、离子导体（电解质溶液或盐桥、膜）。以下以两大维度为主线，具体介绍、分析新情境下电极反应式的书写模型。

（一）已知总反应情境下的电极反应式的书写

我们先来看一道2018年课标Ⅱ的考试题：

我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为：3CO2+4Na[]2Na2CO3+C。下列说法错误的是（     ）。

A.放电时，ClO4-向负极移动

B.充电时释放CO2，放电时吸收CO2

C.放电时，正极反应为：3CO2+4e=2CO32-+C

D.充电时，正极反应为：Na++e=Na

围绕这道题目的电极反应式书写模型构建，可以分三步完成。

1.提取题干信息

通过分析题目条件可以得出装置为原电池装置，题干所给总反应为自发进行的氧化还原反应，依据原电池的构成条件和电极反应特点，将此氧化还原反应拆分为两个“半反应”，即氧化反应和还原反应，结合电解质的化学环境就可以确定原电池的负极和正极的电极反应。

首先，用双线桥法分析总反应：

接着，将其拆分为两个“半反应”：负极发生失去电子的氧化反应为“4Na-4e-=4Na+”;正极发生得到电子的还原反应为“3CO2+4e-=2CO32- +C”。

其次，原电池的工作原理是外电路中电子从负极通过导线流向正极，内电路中阳离子定向移动到正极，阴离子定向移动到负极，从而构成闭合回路，所以放电时ClO4-向负极移动。充电时原电池变为电解池，两极的物质需要从放电后的物质恢复到放电前的活性物质，即Na+→Na发生还原反应，C→CO2 发生氧化反应，所以电池的负极与外接电源的负极相连变成充电时电解池的阴极，电池的正极与电源的正极相连变成充电时电解池的阳极，即“负变阴，正变阳”，用化学方程式表示就是阴极“4Na+4e- =4Na+”，阳极“2CO32-+ C-4e-=3CO2 ”，所以答案选D。

2.构建分析模型

从以上装置和原理的两大分析维度综合得出本题的答案选D，同时提炼出“以总反应为基础的电极反应式的书写”的分析模型：

在学生已经具备常见原电池的分析模型和氧化还原反应双线桥法的分析模型的基础上，构建上述模型不仅完成了学生对原有模型的迁移，而且完善了学生对电化学知识的系统认识。

3.应用模型

为了使学生熟练应用模型，第三步选择与上面例题条件相似的习题，强化学生的认识。

一种高能纳米级Fe3S4和镁的二次电池，其工作原理为Fe3S4+4Mg[放电充电]3Fe+4MgS，装置如下图所示。下列说法不正确的是（     ）。

A.放电时，镁电极为负极

B.放电时，正极的电极反应式为Fe3S4+8e-=3Fe+4S2-

C.充电时，阴极的电极反应式为MgS+2e-=Mg+S2-

D.充电时，S2-从阴离子交换膜左侧向右侧迁移

首先从装置维度分析：装置外接负载，为原电池装置，为二次电池;装置中有阴离子交换膜，所以离子导体为阴离子;电极材料分别为Fe3S4和Mg。

其次从原理维度分析：放电时的总反应为Fe3S4+4Mg[放电充电]3Fe+4MgS，利用双线桥法分析电子转移的方向和数目：

然后将总反应拆分为两个“半反应”即氧化反应和还原反应，结合离子导体为阴离子（S2-）确定放电时的电极反应为，负极发生失去电子的氧化反应，即“4Mg-8e-+S2-=4MgS”，正极发生得到电子的还原反应，即“Fe3S4 +8e-=3Fe+S2- ”。充电时负极变阴极，正极变阳极可得充电时的电极反应，即阴极“4MgS+ 8e-=4Mg+S2-”，阳极“3Fe+S2--8e-=Fe3S4”。电解池工作时，内电路中的阴离子S2-通过阴离子交换膜定向移动到阳极，即从左侧（阴极室）移动到右侧（阳极室），所以答案选D。

（二）总反应未知情境下的电极反应式的书写

还是从例题说起，以下是2018高考课标Ⅰ中的一道题目。

最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：①EDTA-Fe2+-e-=EDTA-Fe3+;②2EDTA-Fe3++H2S= 2H++S+2EDTA-Fe2+

该装置工作时，下列叙述错误的是（    ）。

A.阴极的电极反应：CO2+2H++2e-=CO+H2O

B.协同转化总反应：CO2+H2S=CO+H2O+S

C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需为酸性

1.提取题干信息

从装置维度分析：该装置为电解池，利用该装置实現对天然气中CO2和H2S的高效去除;ZnO@石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）电极为阴极，石墨烯电极为阳极;装置中有质子交换膜，离子导体为H+。

从原理维度分析：外电路中EDTA-Fe2+在阳极失去电子，CO2在阴极得到电子;内电路中H+定向移动到阴极。根据信息“阴极CO2放电，生成CO”，碳元素的化合价由+4价→+2价，得2e-，据此得出阴极反应式的主体为CO2 +2e-=CO。如何补充完成电极反应呢？下面从原子守恒和电荷守恒的角度分析。

结合关键信息“质子交换膜”、只允许H+自由移动，最后确定反应前补2个H+，反应后补1个H2O，完成阴极的电极反应“CO2+2e-+2H+=CO+H2O”，所以答案选C。

2.构建分析模型

从以上装置和原理的两大分析维度综合得出本题的答案选C，同时提炼出“总反应未知情境下的电极反应式的书写”的分析模型：

通过从装置维度和原理维度分析得出的信息，确定阴阳两极的放电物质和生成物质，结合离子导体最终确定电极反应式的书写模型：

3.应用模型

2019年高二课标Ⅰ的第13题与上面这道题接近，适合作为练习题，帮助学生理解和运用模型。

利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是（    ）。

A.相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

B.阴极区氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+=2H++2MV+

C.正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3

D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

从装置维度分析：装置为原电池，用于研究室温下氨气的合成;离子导体为H+;MV+在左侧电极上放电生成MV2+，发生失去电子的氧化反应，所以左侧为负极，右侧为正极。

从原理维度分析：利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成的工作过程为：负极MV+在电极上失去电子生成MV2+，MV2+在氢化酶的催化作用下与H2反应生成MV+和H+。负极的电极反应为：MV+-e-=MV2+。正极MV2+在电极上得到电子生成MV+，MV+在固氮酶的催化作用下与N2反应生成MV2+和NH3。正极的电极反应为：MV2++e-= MV+。内电路中H+从负极定向移动到正极。因此，答案选B。

实际教学中发现，经过基于模型认知的微专题训练，学生不仅建立了新情境下电极反应式书写的有效途径，而且能参考上述模型灵活分析其他电化学问题。

【本文是湖北省教育学会“十三五”教育科研课题2019年重点课题《以问题情境为主线的探究式教学模式》（课题编号：2019B19001）研究成果】

（作者单位：方红梅，天门中学;魏天文，天门市教科院）

责任编辑  姜楚华