基于建构思维模型的高三专题复习

郑文昌

摘要：基于构建解决同种题型思维模型的思想，针对高考电化学中带电微粒的移动方向及离子交换膜的选择性问题，在高三复习中引导学生从电势、电势差、场等电学视角，构建解决这一问题的思维模型，在解决具体问题的过程中完善思维模型，培养学生构建思维模型的学习方式。

关键词：构建思维模型；带电微粒移动方向；离子交换膜；完善应用

文章编号：1008-0546（2021）12-0059-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.015

*本文系广东省教育科学规划课题“基于化学核心素养的高三专题复习教学研究”（课题编号：2020YQJK382）阶段研究成果之一。

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[1]。题型专题复习是高三专题复习的重要方面，通过题型的归类，寻找同种类型题的解题思路，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，形成解决同类题型的思维模型。利用建立的思维模型来解决同种类问题思维清晰、快捷，有现实的价值意义。

电化学是属于化学和物理中的交叉学科，在大学里是属于《物理化学》中的知识。带电粒子定向移动方向的判断和电解池中离子交换膜种类的判断是高考电化学中出现频率较高的两个考点，很多老师在教学过程中认为是识记知识，让学生流于识记的层面，不利于学生在新情境中解决问题。针对这一题型，本文从知识学科属性的角度引导学生转变分析问题的视角，从电势、电势差、电场、电场力等电学的视角构建认知模型和思维模型，在教学实践中取得了较好的教学效果。

一、模型的建构目标

1.教学目标

（1）通过学生对电学中电势、电势差、电场等知识的讨论，转变学生对知识认识的学科视角，初步构建带电微粒定向移动的认识模型；

通过创设问题情境，让学生独立思考分析在电解池中选择何种离子交换膜的要点，初步构建判断离子交换膜的思维膜型；

（2）通过应用构建的模型来解决高考试题或改编试题中的问题，让学生巩固完善带电微粒移动方向的认知模型及判断电解池中离子交换膜的思维模型。

2.评价目标

（1）通过讨论、展示带电微粒移动方向的认知模型，构建完善带电粒子移动方向的认知思路；

（2）通过讨论、展示判断电解池中离子交换膜种类的思维模型，构建、完善电解池中判断离子交换膜种类的解题思路。

二、教学实录

1.引导学生构建带电微粒移动方向的认知模型

在平常的教学过程中，我们很多老师都是要求学生去死记硬背带电微粒的移动方向：在原电池中，内电路阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，外电路电子从负极移向正极。在电解池中，根据“阴阳相吸”，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。这样死记硬背带电微粒移动方向对于处理简单电化学问题有一定的效果，但不能灵活解决问题，不利于对知识的深化理解。带电微粒的定向移动，应属于物理学科中电学知识，应引导学生从电学的电势、电场力等视角来分析带电微粒的移动问题，有利于学科间知识的运用，有利于提高学生综合解决问题的素养。

（1）环节1：创设情境，引入问题

[师]同学们在学习电解池知识都清楚，电解质中阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。大家在物理中学过电势、电场力等电学知识，同学们能否从电势、电场力的视角来理解离子的移动方向呢？

【生】回忆物理学科中电学知识，思考讨论。

【师】请大家从电势角度分析带电微粒移动的方向。

设计意图：引导学生转变分析问题的视角，加强学生对交叉学科知识的应用，提高学生综合分析问题和解决问题的能力。

（2）环节2：建构原电池和电解池中带电微粒定向移动的认知模型

【师】带电的物质或带电微粒在周围会产生电场，带电微粒在电场中会受到电场力的作用，大家说说带电微粒在电场中移动方向如何？

【生】物理课中老师说过，点电荷的电场力方向与放在该点的正电荷的受力方向相同，与放在该点的负电荷的受力方向相反。

【生】展示物理老师课件的带电微粒的受力方向图，如图1所示。

【师】同学们用模型很好地表示带电微粒受力方向与场强的方向的关系，

下面同学们思考带电微粒的移动方向与电势的关系。

【生】带正电荷的粒子从高势到低勢，带负电的粒子从低势到高势。

【师】很好，同学们能否类比重力势能，结合图1，以带电粒子的移动方向与场强方向及电势的关系为基础构建认知模型，便于我们理解和记忆呢？

【师生】师生一起讨论小结，构建带电微粒移动方向的认知模型（见图2）。

设计意图：通过引导学生对带电微粒在电场中移动方向的思考，转变学生分析问题的学科视角，从“动力”层面上深化学生对带电微粒定向移动的理解。创设思维活动，逐步让学生构建带电微粒移动的认知模型，培养学生基于证据推理到模型认知的核心素养。

（3）环节3：通过练习应用、巩固完善带电微粒移动方向的认知模型

例1如图3所示是Zn∣稀H2SO4∣Cu的单液原电池，请大家思考：锌极与铜极比较，哪一极的电势高？

【师】请大家结合图2认知模型，思考两极电势高低。

【生1】因为电子从锌极流向铜极，根据认识模型（图2）可知铜极的电势较高。

【师】对，电子带负电，根据带负电的粒子从低势往高势跑，铜极的电势较高，但电解质溶液中的氢离子向哪边移动呢？

【生2】氢离子向铜电极跑。

【生3】氢离子带正电荷也向高势跑？

【生4】但铜电极产生氢气呀，这是实验事实。

【生】大家讨论，困惑，难道我们一起建立的图2认知模型有问题？

【师】大家说的都没错，我们一起建立的认识模型也没问题，只是电子移动是指外电路，外电路的电势是铜极高于锌极，而离子移动是在内电路，内电路电势是指电极材料附近电解质溶液产生的电势，由于锌比铜活泼，在锌极附近溶液中集聚更多的阳离子（如图3所示），所以锌极附近溶液的电势比铜极附近溶液电势高，有兴趣的同学可以查查相关的资料。

设计意图：在练习应用认知模型的过程中制造认知矛盾，验证认知模型的准确性，让学生在应用中熟练掌握认知模型。

例2（2016北京卷第7题改编）用石墨电极完成下列电解实验如图4所示，请大家根据实验现象回答下面问题（1）写出实验一中C处的反应式；（2）根据实验一的原理，实验二中m处能否析出铜。

【师】同学们，我们平常接触的电化学装置中，外电路一般是电子导体，内电路是离子导体，而该题在电解质溶液中放入金属导体，根据实验现象，实验一中的铁丝发生反应吗？

【生】思考，讨论

【师】在电解池中，电解质溶液中“阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动”的动力是什么？同学们结合图2的认知模型进行思考。

【生1】电解池的电解质溶液中离子的定向移动应该是受到电场力的作用。

【生2】如果按认知模型图2从电势的角度分析，因为阴离子向b端移动，所以b端的电势较高。

【师】同学们的想法是正确的，电解池的电解质中离子的移动确实受到电场力的作用，而且b端的电势较高，那么放入的铁丝中的电子又如何移动呢？

】生】跟物理学科中静电感应一样，电子带负电应该向高势移动，所以应该向d端移动，所以c处的反应式为：Fe-2e-=Fe2+

【师】同学们的分析很好，实验一中铁丝的电子由于受到电场力的作用由c端到d端，所以c处发生了反应：Fe-2e-=Fe2+，根据实验一原理，实验二中m处能否析出铜？

【生】根据实验一的原理，实验二中右边铜珠的电子向n边移动，导致左边溶解产生Cu2+，左边铜珠的m处集聚了电子，所以Cu2+在m处会得到电子析出铜。

【师】很好，同学们能运用图2中认知模型来解决陌生的问题，体会学科间知识的灵活运用。

设计意图：学生应用认知模型在陌生的情境中解决问题，提高学生灵活运用认知模型来解决新问题的能力。

例3.（2013年高考重庆卷，11题节选、改编）电化学降解NO-3的原理如题11图5所示。

【师】图5是电化学降解NO-3原理，请同学们请写出阴极的电极反应式；

【生】2NO-3 + 10e-+ 6H2O=N2 + 12OH-

【师】对，电极反应式是这样写，但有同学有困惑，按“阳离子向阴极（低势）方向移动，阴离子向阳极（高势）的认知模型，为什么NO-3会在阴极放电生成N2呢？是我们的认知模型出了问题吗？

【生】困惑、沉默、思考……

【生1】跟我們前面学的规律不一样，是不是题错了？

【生2】题没错，这是重庆一道高考题，我做过，不过当时没想那么多。

【生3】必须尊重实验事实，电化学降解实验事实是这样。

【师】同学们讨论很好，必须尊重实验事实，电化学降解NO-3的实验事实确实是这样，所以我们前面的认知模型还存在不完善的地方。

【师】经查证有关文献，硝酸根的电极电势比较高，氧化性趋势比较大，该反应在热力学上是可能发生的，所以硝酸根在阴极上得电子发生还原反应是有可能[2]。由于电极表面附近的硝酸根发生还原反应生成氮气，导致电极附近硝酸根浓度减少，与其它地方形成浓度差产生“扩散力”，这时的“扩散力”与电场力的方向相反，此时的扩散力上升为主导地位[3]，促使硝酸根向阴极移动。

【师】可见，电解质中离子导体的定向移动的“动力”有电场力和扩散力共同作用，由于带电微粒移动后也会产生新的电场E，新的电场与原电场的方向相反，会削弱原电场力。

【生】我们的认知模型还要完善。

【师】对，很多科学家们开始建立的认识模型也存在不足，也是在不断的研究过程中完善，下面我们一起来找出不足的地方。

【师生】师生一起完善认知模型如图6所示。

设计意图：学生应用认知模型在解决问题的过程产生冲突，独立思考，重新审视认知模型、完善认知模型。

2.判断电解池中离子交换膜类型的思维模型

离子交换膜是电化学高考试题中考查频率较高的考点，而电解池中离子交换膜类型的判断是一个难点，因为该考点涉及到电极反应、离子的移动方向及反应室内物质的制备等知识，必须综合运用这些知识才能对离子交换膜做出准确的判断。学生往往对这一题型思维混乱，不知如何下手，引导学生建立正确的思维模型是解决这一难点的有效方法。

（1）引导学生储备好知识

①离子交换膜的分类

离子交换膜在电化学中的作用主要体现在两方面，一是将两极区隔离，分成几个室，阻止两极区产生的物质相互接触发生副反应；二是允许某些离子进入某一反应室，用于物质的制备。根据离子交换膜能透过的离子的种类可分类如图7所示。

②离子交换膜在电化学装置中的作用

离子交换膜在电化中的装置主要有两大类：一是在原电池中的应用，二是在电解池装置中的应用。在原电池中，离子交换膜与盐桥相似，将原电池分成正半电池与负半电池，从而提高电池的工作效率。在电解装置中，根据不同的生产目的，可选用一种或多种离子交换膜，将电池分成不同的室，从而得到不同的生产产品。

③电解质中离子的移动方向

对于电解池，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动；对于原电池，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

（2）引导学生构建判断电解池中离子交换膜类型的思维模型

环节1：创设情境，引入问题

例4.电解饱和食盐水是氯碱工业的基础，氯碱工业的产品——氯气和烧碱是应用很广泛的工业原料，电解饱和食盐水时，发生如下的化学反应：

【师】①分别写出两极的电极反应，由于在电极发生离子反应导致两极室的离子发生了哪些变化？

【生】写电极反应式，从电极反应可知，阳极的Cl-少了，阴极的H+少了OH-多了。

【师】对，由于离子在两极放电，导致电解质中的电场被破坏，为了维持原有的电场，电解溶液中阴阳离子的移动方向如何？

【生】阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。

【师】在两极室制备物质，离子的定向移动对两个极室制备的物质有影响吗？

【生】有影响，左室生产氯气，不允许氢氧根进入，右室要制备氢氧化钠，电离产生氢氧根，需要钠离子进入。

【师】根据上面的问题，你认为离子交换膜应选用什么交换膜，选用该交换膜的作用有哪些？

【生】用阳离子交换膜，允许钠离子向右室移动，不允许阴离子通过。

【师】对，还可防止氢气和氯气相互接触。

设计意图：学生在平常的解题过程中，只是简单记“阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，质子交换膜只允许氢离子通过”。但有学生感到困惑：如果某极室内由于发生离子反应导致阳离子过多，过多的阳离子移出来也可调电荷守恒，阴离子进来也可以调电荷守恒，为什么要选阳离子交换膜呢？基于上面学生的困惑及对离子交换膜功能认识的不足，通过问题的设计，旨在引导学生构建选用离子交换膜的思维模型。

环节2：构建判断电解池中离子交换膜的思维模型

【师】基于上面离子交换膜选用的分析，同学们思考离子交换膜的选用必须考虑几个因素？

【生】3个要点：一是电极反应后两极室离子变化情况，二是离子移动方向，三是两极室要制备什么物质。

【师】请同学们构建选择离子交换膜的思维模型。

【生】基于环节1中问题的独立思考与分析、再现思维过程，初步构建判断离子交换膜类型的思维模型。

【师】针对学生展示的思维模型，做相应的评价，构建如图9所示的模型。

設计意图：基于问题情境的创设，让学生独立思考，分析总结，初步形成雏形的思维模型，再将思维过程经过归纳整理，得出思维流程图。层层推进，逐渐让学生自主构建判断离子交换膜的思维模型。

环节3：应用、巩固并完善判断电解池中离子交换膜类型的思维模型

例5.（2016·新课标Ⅰ卷11题改编）三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图10所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na+和SO2-4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室，该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品，请同学们分析ab、cd离子交换膜的类型。

【师】请同学们利用图9的思维模型来解决例题2

【生】根据负极区及正极区的电极反应、两极区制备的物质及离子的移动方向，可判断ab为阳离子交换膜，cd膜为阴离了交换膜。

设计意图：运用思维模型来解决实际问题，让学生体会选用离子交换膜的3个要点，一是两极反应，二是离子的移动方向，三是两极室要制备的物质。让学生在解题过程诊断检验思维模型的正确性。

例6.（2013福建理综23题第（2）小题节选改编）利用化石燃料开采、加工过程产生的H2S废气制取氢气，既廉价又环保。其中电化学法制氢气过程如图11，请同学们思考下面问题：

（1）装置图中选择阳离子交换模主要作用是什么？有存在哪些不足的地方吗？

（2）如果该装置只用阳离子交换膜有不足的地方，可不可以对装置进行改进，使其更好些。

【师】H2S废气制取氢气处理过程分为几阶段？

【生】分为两个阶段，一是脱硫处理，二是氯化铁的再生

【師】对，一是H2S与氯化铁在反应池中发生反应2FeCl3+H2S=2FeCl2+2HCl+S↓，二是亚铁被氧化成铁离子。

【师】选用阳离子交换膜的作用是什么？

【生】防止交换膜右室的氢氧根进入左室与Fe2+或Fe3+作用形成沉淀。

【师】选用阳离子交换膜有不足的地方吗？

【生1】Fe2+会穿过离子交换膜向阴极移动。

【生2】可能会产生Cl2

【师】同学们的分析都很好，能否针对其不足进行改进呢？

【生】靠近阳极处再增加一个阴膜，在阴膜与阳膜间加入电解质NaCl溶液，既不影响阳极中Fe2+放电，也不影响FeCl3的纯度。

【师】同学们的设想很好，离子的移动方向除了受电场力的作用外，还有浓度差引起的“扩散力”影响，我们基于理论分析还有待于在工业生产实际进行验证。

设计意图：加强学生对电解池中离子交换膜类型判断思维模型的应用，发现构建的思维模型的局限性，培养学生的质疑精神和批判精神。

三、教学反思

1.防止模型的建构流于形式

教师在进行教学设计时要胸中有“模”，要为有关的学科方法和思维方法选择适当的模型，要引导学生通过建模来解决问题和获取知识，不能将模型直接告知学生，这样缺乏体验建构的过程，又将回到记忆和背诵的老路上。要为建模环节预留充足的时间，并用一定的方法显化相应的模型。这样经过一段时间的训练，学生就能体会到模型在学习活动中的应用价值，从而逐渐树立起模型意识，并将模型认知固化为自己学习的一种重要方式[4]。

2.使用模型实践过程应注意的问题

（1）思维模型是高度抽象的结果，去掉了“血肉”，只剩下“骨架”，模型也许在脑海中，但却无法解决问题，致使学生对应用思维模型失去兴趣和信心。思维模型的运用过程中，应归还其“血肉”，总结归纳出使用该思维模型的注意点和关键点，如在运用判断电解池中离子交换膜思维模型时要抓住三个关键点，一是电极反应后引起两极室离子变化情况，二是电解池要制备什么物质，三是离子的移动方向。

（2）在练习试题后深度学习，完善真实认知模型

科学探究建立起的认知模型，需要运用到解释相应类型的化学现象中，揭示化学变化背后的本质与规律。因此，教学过程中需要运用练习、试题等形式，帮助学生诊断认知模型是否准确。通过真实、科学的试题情境进行深度学习，促使学生运用化学学科的基本思想和方法，完善认知模型，发展自身关键能力[5]。

参考文献

[1]朱圣辉.思维建模在解决电化学问题中的应用[J].化学教学，2016（5）：87-90

[2]张军.以某高考题为例探析电化学情境分析的争议问题[J].化学教学，2015（9）：92-93

[3]鲁战胜，汤华森，王后雄.原电池中离子定向移动的“推手”[J].中学化学教学参考，2012（11）：34-35

[4]陆军.化学教学中引领学生模型认知的思考与探索[J].化学教学，2017（9）：19-23

[5]施志斌.对一道北京卷电化学试题的再解析[J].化学教学，2017（9）：84-86