馬芹 王富強(qiáng) 強(qiáng)晶

1 寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 銀川 750000 2 吳忠市濱河中學(xué) 寧夏吳忠 751100

1 問題的提出

化學(xué)學(xué)科知識冗雜，高中學(xué)生所學(xué)科目眾多，且在高考的重壓下，二輪復(fù)習(xí)時(shí)間緊、內(nèi)容多、任務(wù)重，教師為及時(shí)完成教學(xué)任務(wù)而不得不采用直線式講授教學(xué)和題海戰(zhàn)術(shù)機(jī)械訓(xùn)練來推進(jìn)復(fù)習(xí)進(jìn)度，在知識點(diǎn)梳理方面，這種復(fù)習(xí)方式讓學(xué)生感覺知識點(diǎn)凌亂、難記憶且難復(fù)現(xiàn)等，不能很好地關(guān)聯(lián)和重構(gòu)知識間的聯(lián)系從而理解和靈活應(yīng)用知識；在解題方面，學(xué)生對題干關(guān)鍵信息提取困難，且難以將所獲得的信息與所學(xué)的知識進(jìn)行匹配，對于綜合性強(qiáng)、文字多且情景陌生的題目常常無從下手，甚至做過的題也會反復(fù)出錯(cuò)等，久而久之，學(xué)生對化學(xué)產(chǎn)生畏懼和抵抗心理，教師和學(xué)生均陷入“唯分?jǐn)?shù)論”的苦海而身心俱疲。

在新高考背景下，化學(xué)試卷命題更趨向于情景化設(shè)計(jì)，更注重試題的開放性及靈活性，目的是改善教學(xué)中“死記硬背及機(jī)械訓(xùn)練”的現(xiàn)狀而發(fā)揮高考選拔性功能和育人功能[2]，化學(xué)試卷的考查內(nèi)容具有更加注重教材基礎(chǔ)知識并有適當(dāng)延伸，注重裝置圖像試題的辨識與匹配，引入新材料和新情景增大試卷難度，聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際并關(guān)注學(xué)術(shù)前沿等特點(diǎn)。

2 問題解決策略

高考?？嫉碾姵仡愋陀泻芏啵行滦偷娜剂想姵?，如酸性和堿性燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池等；新型的一次電池包括Mg-H2O2電池、鈉硫電池、鋰釩氧化物電池等，新型的可充電池有鋅銀電池、鎳鐵和鎳鉻電池、高鐵電池、鋰離子電池、鈉電池及鈉的硫蓄電池及全釩液電池等。通過研究高考化學(xué)試題中的“電化學(xué)選擇題”發(fā)現(xiàn)，由于裝置圖能使所需呈現(xiàn)的內(nèi)容更加直觀、簡潔且包含的信息量大，故大多“電化學(xué)選擇題”以裝置圖為載體進(jìn)行考查，既能考查學(xué)生對相關(guān)知識掌握和理解的程度，還能考查學(xué)生的讀圖能力、獲取和處理信息的能力等，完全符合高考的命題趨勢。情景化和新穎化的新材料電化學(xué)裝置試題是近幾年考查的熱點(diǎn)，其考查的內(nèi)容往往是高起低落，具體指試題往往結(jié)合電池的最新熱點(diǎn)而使題干信息陌生且新穎，但真正的落腳點(diǎn)還是對原電池及電解池工作原理的考查，因此輔助學(xué)生真正理解與掌握電池的工作原理并靈活運(yùn)用才是關(guān)鍵。思維模型是將人腦的思維過程可視化呈現(xiàn)的有效方式，可有效地關(guān)聯(lián)和重構(gòu)知識間的聯(lián)系，能高效地實(shí)現(xiàn)將所學(xué)知識簡單化、形象化及邏輯化地呈現(xiàn)而形成知識體系，便于學(xué)生快速理清知識間的聯(lián)系和掌握知識的本質(zhì)，并能成為工具高效地輔助學(xué)生靈活解題。

3 電池模型的構(gòu)建及解題策略研究

電化學(xué)是高中化學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，該部分內(nèi)容與生產(chǎn)生活實(shí)際緊密聯(lián)系，也是高考必考的內(nèi)容之一。本文統(tǒng)計(jì)了2018—2022年高考全國卷中電化學(xué)選擇題所考查電池的類別及涉及的知識，具體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 2018—2022年高考全國卷中電化學(xué)選擇題情況統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1 可知，近五年電化學(xué)選擇題所考查的內(nèi)容都是電池的工作原理，旨在考查學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。有的涉及離子交換膜，難度不大，但得分率卻不高，其原因可能是學(xué)生對電池的基礎(chǔ)知識沒有吃透，學(xué)生獲取關(guān)鍵信息能力素養(yǎng)較差，面對新型化學(xué)電池有畏懼情緒，做題更多關(guān)注的是正確率而不進(jìn)行歸納總結(jié)和舉一反三等。針對以上問題，本研究嘗試基于思維模型構(gòu)建電化學(xué)知識網(wǎng)絡(luò)圖、電池模型圖、解題思維模型，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建思維模型、完善思維模型及應(yīng)用思維模型，通過學(xué)生自主構(gòu)建電化學(xué)知識思維模型，可將學(xué)生思考的思維過程可視化，有利于教師和學(xué)生自己進(jìn)行及時(shí)的評價(jià)與反饋，調(diào)整教學(xué)策略和學(xué)習(xí)方法，還能幫助學(xué)生構(gòu)建可遷移的知識體系認(rèn)知模型，從而提高學(xué)生的認(rèn)知能力。在解題方面，基于模型可幫助學(xué)生快速找到解題思路，形成對化學(xué)問題分析及解決路徑的正確認(rèn)識而靈活解題[3]。通過引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型、運(yùn)用模型而幫助學(xué)生樹立能量觀、變化觀及微粒觀的化學(xué)思想，進(jìn)一步落實(shí)對學(xué)生五大核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.1 構(gòu)建電化學(xué)知識思維模型

電化學(xué)知識思維模型知識網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 電化學(xué)知識思維模型知識網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 構(gòu)建各電池思維模型

3.2.1 原電池思維模型

原電池思維模型如圖2所示。

圖2 原電池思維模型

【考點(diǎn)解析】注重考查單液原電池和雙液原電池的工作原理（包括原電池的定義，原電池的構(gòu)成條件，電極的名稱，電極反應(yīng)類型，電極的產(chǎn)物，電極反應(yīng)方程式的書寫與正誤判斷，電子、電流及離子移動方向的判斷，工作一段時(shí)間后電解質(zhì)溶液濃度的變化，pH 的變化等）、原電池的應(yīng)用（化學(xué)燃料電池及新材料電池、形成原電池能加快反應(yīng)速率、比較金屬活動性等），該類題在高考題中比較簡單。

3.2.2 電解池思維模型

電解池思維模型如圖3所示。

圖3 電解池思維模型

【考點(diǎn)解析】注重考查電解池的工作原理（包括電解池的定義，電解池的構(gòu)成條件，電解池的電極名稱，陰陽電極的反應(yīng)類型，陰陽極電極產(chǎn)物和反應(yīng)方程式的書寫及正誤判斷，電子、電流及離子移動方向的判斷，通電一段時(shí)間后電解質(zhì)溶液濃度的變化、pH 的變化等）、電解池應(yīng)用（電解飽和食鹽水、銅的電解精煉、電鍍及電冶鋁等），該類題在高考題中稍微有難度。

3.2.3 可充電池思維模型

可充電池思維模型如圖4所示。

【考點(diǎn)解析】根據(jù)圖4 可知，可充電池放電過程利用的是原電池原理，而充電過程利用的是電解池原理，由于二次電池設(shè)置問題角度多且綜合性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)電極材料的循環(huán)利用，故在近幾年的高考中是考查的熱點(diǎn)題型。

3.3 構(gòu)建電化學(xué)解題思維模型及解題策略分析

3.3.1 構(gòu)建解題思維模型

構(gòu)建四步解題策略，具體如下。

第一步，判斷電池類別——引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)題干及裝置圖提取關(guān)鍵信息，如最簡便的方法是從定義的角度出發(fā)看有沒有外接電源，如無外接電源則為原電池，若有外接電源則為電解池。

第二步，判斷電池的電極名稱——引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)閱讀裝置圖所呈現(xiàn)的信息并結(jié)合選項(xiàng)看，判斷方法包括根據(jù)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化的化合價(jià)變化、電極反應(yīng)方程式、電極得失電子情況、離子及電子移動方向、電極反應(yīng)類型及各電極活潑性等。

第三步，書寫對應(yīng)的電極反應(yīng)方程式，具體題目具體分析，要根據(jù)電解質(zhì)溶液的環(huán)境、放電順序等進(jìn)行書寫。

第四步，結(jié)合題干所給信息和選項(xiàng)問題靈活解題。

3.3.2 構(gòu)建四步解題思維模型的優(yōu)勢

根據(jù)四步解題策略繪制解題思維導(dǎo)圖，一方面幫助學(xué)生理清解題思路，另一方面顯現(xiàn)知識點(diǎn)如何應(yīng)用解題，解題后在教師的引導(dǎo)下自己總結(jié)完善該題的思維模型圖，后續(xù)在此基礎(chǔ)上歸納和總結(jié)同類型的題，使學(xué)生更深層次理解知識點(diǎn)和把握考試方向，再遇到同類型的題或者同考點(diǎn)的題，可以快速匹配知識點(diǎn)及解題方法而提高解題速率。雖然題是做不完的，但題的類型是固定的。在學(xué)習(xí)過程中，利用構(gòu)建思維模型總結(jié)錯(cuò)題和學(xué)習(xí)中存在的問題等具有一定的優(yōu)勢及有效性，教師要引導(dǎo)、輔助學(xué)生快速解題，并對所存在的問題進(jìn)行有效解決，進(jìn)而深刻理解電化學(xué)知識。

3.4 案例分析

【2022年全國甲卷4】一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示（KOH 溶液中，Zn2+以Zn(OH)42-存在）。電池放電時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是（ ）

A.Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移

B.Ⅰ區(qū)的SO42-通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移

C.MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O

D.電池總反應(yīng)：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)42-+Mn2++2H2O

【借助思維模型解題】

第一步，判斷電池類別。根據(jù)電池裝置圖像所呈現(xiàn)的信息分析該電池為原電池，考查原電池的工作原理。

第二步，根據(jù)金屬活動順序，Ⅲ區(qū)Zn 為電池的負(fù)極，Ⅰ區(qū)MnO2為電池的正極，Ⅱ區(qū)為兩個(gè)離子選擇隔膜所形成的區(qū)域。

第三步，書寫電極反應(yīng)方程式。電極反應(yīng)為Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)42-，電極反應(yīng)為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)42-+Mn2++2H2O 為電池的總反應(yīng)方程式，故CD 正確。

第四步，靈活解題。該電池在工作過程中，兩個(gè)離子選擇隔膜并沒有指明是陽離子隔膜還是陰離子隔膜，故陰、陽離子都可以通過隔膜，根據(jù)原電池離子遵循“正正負(fù)負(fù)”的規(guī)律，因此Ⅰ區(qū)消耗H+得到Mn2+，Ⅱ區(qū)的K+向Ⅰ區(qū)移動或Ⅰ區(qū)的SO42-向Ⅱ區(qū)移動，Ⅲ區(qū)消耗OH-，生成Zn(OH)42-，Ⅱ區(qū)的SO42-向Ⅲ區(qū)移動或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動，故Ⅱ區(qū)的K+只能向Ⅰ區(qū)移動，A 項(xiàng)錯(cuò)誤，B 項(xiàng)正確，故該題正確選項(xiàng)為A。

【2021年全國卷7】乙酸醛是一種重要的化工中間體，可采用如圖所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O 解離為H+和OH-，并在直流電場作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是（ ）

A.KBr在上述電化學(xué)合成過程中只起電解質(zhì)作用

C.制得2mol 乙醛酸，理論上外電路中遷移了1mol 電子

D.雙極膜中間層中的在外電場作用下向鉛電極方向遷移

【借助思維模型解題】

第一步，判斷電池類別。根據(jù)電池裝置圖像有外接電源，判斷其為電解池，考查電解池的工作原理。

第二步，根據(jù)箭頭表示物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化順序判斷出電解池的陰陽極（或者結(jié)合有機(jī)物加氧或者去氫為氧化反應(yīng)，加氫去氧為還原反應(yīng)，判斷電解池的兩個(gè)電極名稱）。鉛電極上羧基失氧發(fā)生還原反應(yīng)為陰極，石墨電極為陽極。

第三步，書寫電極反應(yīng)方程式。陽極電極方程式為2Br--2e-=Br2，陰極電極反應(yīng)方程式為

故B 項(xiàng)錯(cuò)誤。

第四步，靈活解題。由于乙二醛分子中的一個(gè)醛基氧化得到羧基而生成了Br-，該離子參與反應(yīng)，故能起到電解質(zhì)和催化作用，故A 項(xiàng)錯(cuò)誤；結(jié)合陽極區(qū)乙二醛得到乙二酸寫出電解池的總反應(yīng)方程式，在通電和KBr 作催化劑的條件下，乙二酸和乙二醛反應(yīng)轉(zhuǎn)移2mol 電子得到兩分子的乙醛酸，故C 項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)電解池離子移動遵循“陰陽相吸”的原則，H+應(yīng)該移向陰極（鉛電極），故D 項(xiàng)正確。

【2022年全國乙卷12】Li-O2電池比能量高，在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來科學(xué)家研究了一種光照充電Li-O2電池（如圖所示），光照時(shí)，光催化電極產(chǎn)生電子(e-)和空穴(h+)，驅(qū)動陰極反應(yīng)（Li++e-=Li）和陽極反應(yīng)（Li2O2+2h+=2Li++O2）對電池進(jìn)行充電。下列敘述錯(cuò)誤的是（ ）

A.充電時(shí)，電池的總反應(yīng)Li2O2=2Li+O2

B.充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)

C.放電時(shí)，Li+從正極穿過離子交換膜向負(fù)極遷移

D.放電時(shí)，正極發(fā)生反應(yīng)O2+2Li+2e-=Li2O2

【借助思維模型解題】

第一步，判斷電池類別。根據(jù)電池裝置圖像無外接電源，可判斷其為原電池，考查可充電池的工作原理。

第二步，根據(jù)箭頭表示物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化順序，依據(jù)化合價(jià)判斷出原電池正負(fù)極，根據(jù)可逆電池放電過程利用原電池工作原理，Li—Li+得出該電極為負(fù)極，則O2—Li2O2該電極為正極，根據(jù)原電池離子移動方向確定C 項(xiàng)為正確選項(xiàng)。

第三步：書寫電極反應(yīng)方程式。放電過程中金屬鋰為負(fù)極，電極方程式為Li+e-=Li+，則光催化電極為正極，電極方程式為O2+2Li+2e-=Li2O2，根據(jù)題干所給的信息，充電過程陰極為金屬鋰電極，反應(yīng)為Li++e-=Li；陽極為光催化電極，反應(yīng)為Li2O2+2h+=2Li++O2，排除A 項(xiàng)和D 選項(xiàng)。

第四步，靈活解題。根據(jù)可充電池充電時(shí)的反應(yīng)原理，光催化電極產(chǎn)生電極和空穴，陰陽極的反應(yīng)會有電子的得失，因而充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)，故B 項(xiàng)也排除。

4 結(jié)束語

在知識總結(jié)方面，可借助思維模型圖梳理一節(jié)課、一本書及一門學(xué)科的知識，有效地將書變薄而達(dá)到高效記憶的目的；在解題方面，可將其有效地應(yīng)用到一道題、一類題、一章節(jié)習(xí)題、一個(gè)專題習(xí)題的分析及總結(jié)中，從而提高學(xué)生的解題思維?；谒季S模型實(shí)現(xiàn)高效復(fù)習(xí)，減少死記硬背和機(jī)械訓(xùn)練，助力學(xué)生真正地理解知識并靈活地遷移應(yīng)用知識解題，可以很好地優(yōu)化二輪復(fù)習(xí)的教與學(xué)，值得推廣應(yīng)用。