基于思维模型建构二轮复习策略研究——以“电化学选择题”为例

马芹 王富强 强晶

1 宁夏大学化学化工学院 银川 750000 2 吴忠市滨河中学 宁夏吴忠 751100

1 问题的提出

化学学科知识冗杂，高中学生所学科目众多，且在高考的重压下，二轮复习时间紧、内容多、任务重，教师为及时完成教学任务而不得不采用直线式讲授教学和题海战术机械训练来推进复习进度，在知识点梳理方面，这种复习方式让学生感觉知识点凌乱、难记忆且难复现等，不能很好地关联和重构知识间的联系从而理解和灵活应用知识；在解题方面，学生对题干关键信息提取困难，且难以将所获得的信息与所学的知识进行匹配，对于综合性强、文字多且情景陌生的题目常常无从下手，甚至做过的题也会反复出错等，久而久之，学生对化学产生畏惧和抵抗心理，教师和学生均陷入“唯分数论”的苦海而身心俱疲。

在新高考背景下，化学试卷命题更趋向于情景化设计，更注重试题的开放性及灵活性，目的是改善教学中“死记硬背及机械训练”的现状而发挥高考选拔性功能和育人功能[2]，化学试卷的考查内容具有更加注重教材基础知识并有适当延伸，注重装置图像试题的辨识与匹配，引入新材料和新情景增大试卷难度，联系生产生活实际并关注学术前沿等特点。

2 问题解决策略

高考常考的电池类型有很多，有新型的燃料电池，如酸性和碱性燃料电池及质子交换膜燃料电池等；新型的一次电池包括Mg-H2O2电池、钠硫电池、锂钒氧化物电池等，新型的可充电池有锌银电池、镍铁和镍铬电池、高铁电池、锂离子电池、钠电池及钠的硫蓄电池及全钒液电池等。通过研究高考化学试题中的“电化学选择题”发现，由于装置图能使所需呈现的内容更加直观、简洁且包含的信息量大，故大多“电化学选择题”以装置图为载体进行考查，既能考查学生对相关知识掌握和理解的程度，还能考查学生的读图能力、获取和处理信息的能力等，完全符合高考的命题趋势。情景化和新颖化的新材料电化学装置试题是近几年考查的热点，其考查的内容往往是高起低落，具体指试题往往结合电池的最新热点而使题干信息陌生且新颖，但真正的落脚点还是对原电池及电解池工作原理的考查，因此辅助学生真正理解与掌握电池的工作原理并灵活运用才是关键。思维模型是将人脑的思维过程可视化呈现的有效方式，可有效地关联和重构知识间的联系，能高效地实现将所学知识简单化、形象化及逻辑化地呈现而形成知识体系，便于学生快速理清知识间的联系和掌握知识的本质，并能成为工具高效地辅助学生灵活解题。

3 电池模型的构建及解题策略研究

电化学是高中化学的重点内容之一，该部分内容与生产生活实际紧密联系，也是高考必考的内容之一。本文统计了2018—2022年高考全国卷中电化学选择题所考查电池的类别及涉及的知识，具体的统计结果如表1所示。

表1 2018—2022年高考全国卷中电化学选择题情况统计

根据表1 可知，近五年电化学选择题所考查的内容都是电池的工作原理，旨在考查学生的综合应用能力。有的涉及离子交换膜，难度不大，但得分率却不高，其原因可能是学生对电池的基础知识没有吃透，学生获取关键信息能力素养较差，面对新型化学电池有畏惧情绪，做题更多关注的是正确率而不进行归纳总结和举一反三等。针对以上问题，本研究尝试基于思维模型构建电化学知识网络图、电池模型图、解题思维模型，引导学生自主构建思维模型、完善思维模型及应用思维模型，通过学生自主构建电化学知识思维模型，可将学生思考的思维过程可视化，有利于教师和学生自己进行及时的评价与反馈，调整教学策略和学习方法，还能帮助学生构建可迁移的知识体系认知模型，从而提高学生的认知能力。在解题方面，基于模型可帮助学生快速找到解题思路，形成对化学问题分析及解决路径的正确认识而灵活解题[3]。通过引导学生构建模型、运用模型而帮助学生树立能量观、变化观及微粒观的化学思想，进一步落实对学生五大核心素养的培养。

3.1 构建电化学知识思维模型

电化学知识思维模型知识网络如图1所示。

图1 电化学知识思维模型知识网络图

3.2 构建各电池思维模型

3.2.1 原电池思维模型

原电池思维模型如图2所示。

图2 原电池思维模型

【考点解析】注重考查单液原电池和双液原电池的工作原理（包括原电池的定义，原电池的构成条件，电极的名称，电极反应类型，电极的产物，电极反应方程式的书写与正误判断，电子、电流及离子移动方向的判断，工作一段时间后电解质溶液浓度的变化，pH 的变化等）、原电池的应用（化学燃料电池及新材料电池、形成原电池能加快反应速率、比较金属活动性等），该类题在高考题中比较简单。

3.2.2 电解池思维模型

电解池思维模型如图3所示。

图3 电解池思维模型

【考点解析】注重考查电解池的工作原理（包括电解池的定义，电解池的构成条件，电解池的电极名称，阴阳电极的反应类型，阴阳极电极产物和反应方程式的书写及正误判断，电子、电流及离子移动方向的判断，通电一段时间后电解质溶液浓度的变化、pH 的变化等）、电解池应用（电解饱和食盐水、铜的电解精炼、电镀及电冶铝等），该类题在高考题中稍微有难度。

3.2.3 可充电池思维模型

可充电池思维模型如图4所示。

【考点解析】根据图4 可知，可充电池放电过程利用的是原电池原理，而充电过程利用的是电解池原理，由于二次电池设置问题角度多且综合性强，能实现电极材料的循环利用，故在近几年的高考中是考查的热点题型。

3.3 构建电化学解题思维模型及解题策略分析

3.3.1 构建解题思维模型

构建四步解题策略，具体如下。

第一步，判断电池类别——引导学生根据题干及装置图提取关键信息，如最简便的方法是从定义的角度出发看有没有外接电源，如无外接电源则为原电池，若有外接电源则为电解池。

第二步，判断电池的电极名称——引导学生仔细阅读装置图所呈现的信息并结合选项看，判断方法包括根据物质的转化的化合价变化、电极反应方程式、电极得失电子情况、离子及电子移动方向、电极反应类型及各电极活泼性等。

第三步，书写对应的电极反应方程式，具体题目具体分析，要根据电解质溶液的环境、放电顺序等进行书写。

第四步，结合题干所给信息和选项问题灵活解题。

3.3.2 构建四步解题思维模型的优势

根据四步解题策略绘制解题思维导图，一方面帮助学生理清解题思路，另一方面显现知识点如何应用解题，解题后在教师的引导下自己总结完善该题的思维模型图，后续在此基础上归纳和总结同类型的题，使学生更深层次理解知识点和把握考试方向，再遇到同类型的题或者同考点的题，可以快速匹配知识点及解题方法而提高解题速率。虽然题是做不完的，但题的类型是固定的。在学习过程中，利用构建思维模型总结错题和学习中存在的问题等具有一定的优势及有效性，教师要引导、辅助学生快速解题，并对所存在的问题进行有效解决，进而深刻理解电化学知识。

3.4 案例分析

【2022年全国甲卷4】一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示（KOH 溶液中，Zn2+以Zn(OH)42-存在）。电池放电时，下列叙述错误的是（ ）

A.Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移

B.Ⅰ区的SO42-通过隔膜向Ⅱ区迁移

C.MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O

D.电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)42-+Mn2++2H2O

【借助思维模型解题】

第一步，判断电池类别。根据电池装置图像所呈现的信息分析该电池为原电池，考查原电池的工作原理。

第二步，根据金属活动顺序，Ⅲ区Zn 为电池的负极，Ⅰ区MnO2为电池的正极，Ⅱ区为两个离子选择隔膜所形成的区域。

第三步，书写电极反应方程式。电极反应为Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)42-，电极反应为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)42-+Mn2++2H2O 为电池的总反应方程式，故CD 正确。

第四步，灵活解题。该电池在工作过程中，两个离子选择隔膜并没有指明是阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故阴、阳离子都可以通过隔膜，根据原电池离子遵循“正正负负”的规律，因此Ⅰ区消耗H+得到Mn2+，Ⅱ区的K+向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO42-向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH-，生成Zn(OH)42-，Ⅱ区的SO42-向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动，故Ⅱ区的K+只能向Ⅰ区移动，A 项错误，B 项正确，故该题正确选项为A。

【2021年全国卷7】乙酸醛是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O 解离为H+和OH-，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是（ ）

A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质作用

C.制得2mol 乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol 电子

D.双极膜中间层中的在外电场作用下向铅电极方向迁移

【借助思维模型解题】

第一步，判断电池类别。根据电池装置图像有外接电源，判断其为电解池，考查电解池的工作原理。

第二步，根据箭头表示物质间的转化顺序判断出电解池的阴阳极（或者结合有机物加氧或者去氢为氧化反应，加氢去氧为还原反应，判断电解池的两个电极名称）。铅电极上羧基失氧发生还原反应为阴极，石墨电极为阳极。

第三步，书写电极反应方程式。阳极电极方程式为2Br--2e-=Br2，阴极电极反应方程式为

故B 项错误。

第四步，灵活解题。由于乙二醛分子中的一个醛基氧化得到羧基而生成了Br-，该离子参与反应，故能起到电解质和催化作用，故A 项错误；结合阳极区乙二醛得到乙二酸写出电解池的总反应方程式，在通电和KBr 作催化剂的条件下，乙二酸和乙二醛反应转移2mol 电子得到两分子的乙醛酸，故C 项错误；根据电解池离子移动遵循“阴阳相吸”的原则，H+应该移向阴极（铅电极），故D 项正确。

【2022年全国乙卷12】Li-O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li-O2电池（如图所示），光照时，光催化电极产生电子(e-)和空穴(h+)，驱动阴极反应（Li++e-=Li）和阳极反应（Li2O2+2h+=2Li++O2）对电池进行充电。下列叙述错误的是（ ）

A.充电时，电池的总反应Li2O2=2Li+O2

B.充电效率与光照产生的电子和空穴量有关

C.放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移

D.放电时，正极发生反应O2+2Li+2e-=Li2O2

【借助思维模型解题】

第一步，判断电池类别。根据电池装置图像无外接电源，可判断其为原电池，考查可充电池的工作原理。

第二步，根据箭头表示物质间的转化顺序，依据化合价判断出原电池正负极，根据可逆电池放电过程利用原电池工作原理，Li—Li+得出该电极为负极，则O2—Li2O2该电极为正极，根据原电池离子移动方向确定C 项为正确选项。

第三步：书写电极反应方程式。放电过程中金属锂为负极，电极方程式为Li+e-=Li+，则光催化电极为正极，电极方程式为O2+2Li+2e-=Li2O2，根据题干所给的信息，充电过程阴极为金属锂电极，反应为Li++e-=Li；阳极为光催化电极，反应为Li2O2+2h+=2Li++O2，排除A 项和D 选项。

第四步，灵活解题。根据可充电池充电时的反应原理，光催化电极产生电极和空穴，阴阳极的反应会有电子的得失，因而充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，故B 项也排除。

4 结束语

在知识总结方面，可借助思维模型图梳理一节课、一本书及一门学科的知识，有效地将书变薄而达到高效记忆的目的；在解题方面，可将其有效地应用到一道题、一类题、一章节习题、一个专题习题的分析及总结中，从而提高学生的解题思维。基于思维模型实现高效复习，减少死记硬背和机械训练，助力学生真正地理解知识并灵活地迁移应用知识解题，可以很好地优化二轮复习的教与学，值得推广应用。