电化学认识模型及其在高三原电池复习教学中的应用

电化学认识模型及其在高三原电池复习教学中的应用 l 作者： l   l 来源：化学教育 2014年1期 l   l   l 字号：大 中 小 l   显示汉语拼音 l 打印 l l l l l l l l 摘要 综述了关于高中原电池教与学的已有研究，分析了电化学知识要求和学生电化学认识特点，从电化学的本体维度、认识维度和问题维度，构建并提出了高中电化学认识模型，并在高三原电池复习教学中进行了应用，针对分析型任务和设计型任务进行对比性教学实验。通过对学生电化学认识发展的前后测及其对比统计分析，并结合学生访谈对教学效果进行了检验，在此基础之上进一步分析和概括了基于电化学认识模型建构的原电池复习教学有效策略。 关键词 电化学认识模型 原电池 复习教学 认识发展 设计型任务 分析型任务 1 问题的提出 1.1 学生原电池学习的问题和困难 电化学是高中化学的核心知识之一，原电池作为电化学知识的重要组成部分，其特点是概念原理抽象而集中。学生在电化学的学习中总是存在一些困难。这些困难从学生接触到电化学开始，一直到高三复习，伴随整个电化学的学习过程。 在电化学的学习中，学生会形成许多错误概念和错误认识。李淑荣结合课程标准、教科书和高考评价对原电池相关内容的要求，在错误概念调查中选取了电极判断、阴阳离子移动方向、电子电流流向、离子浓度变化、电极反应式书写、金属腐蚀的防护措施等几个方面内容，发现多数学生在原电池的学习中存在不同程度的困难。付超群在2005年探查学生有关电化学错误概念的现状，结果显示学生对电解质溶液导电、溶液电中性、电极电性的理解等都存在错误。在学习了电解的概念后，学生会对原电池和电解这对概念产生混淆，并持续较长时间。 随着年级的升高，学生面临的电化学分析任务越来越复杂，在面对电极反应的分析，电解质溶液里面的微粒变化的分析等问题任务时会遇到很多困难。无论对于原电池的分析任务还是设计任务，学生更多的时候现为基于经验或简单模型，缺少思考的依据和思路，不知道应该分析和设计什么才好。蒋涛等对高一至高三学生的电化学认识进行测查发现，学生对电极反应、电子导体等概念的认识从高一到高三逐渐深入，但是对电解质的认识仍存在较大的发展空间。王磊、支瑶等基于“高端备课”项目对学生进行教学观察和访谈研究发现，学生即使进入高三复习阶段，也依然存在将电极材料和电极反应物混淆、电解质溶液和电极反应物不分、面对非典型铜锌原电池的分析性和设计性任务时缺少合理的原电池认识角度和认识思路。很多学生没有发展起与原电池相匹配的基于多角度的系统微观动态认识能力。面对电池的设计任务时这些问题更加突出。 1.2 已有的原电池教学研究 李阿琴根据对错误概念的研究，提出了转变错误概念的教学策略，包括如何展示学生的错误概念，怎样有效揭示概念的内涵和外延，绘制概念图等。教学实践中老师们也采取了一些方法和措施来帮助学生解决困难。例如，李淑荣针对学生电极方程式书写方面的困难，提出在教学中使用“四步分析法”十分有效。廖小燕等提出要结合学生复习和教师引导的教学策略解决学生在利用氧化还原反应组成原电池方面的困难。许红梅在教学训练形式上进行研究，提出在电化学教学中组织有效的变式训练，如改变电极材料、电解质溶液、已知条件、探究角度等，培养学生的应变能力等。在课堂形式上，从学生需要出发、注重师生的对话等都是帮助学生解决困难的有效策略。丁云等教师在电化学的教学方面进行了积极的探索和尝试，例如：王冬松设计有效的问题序列来帮助学生建立思考一类问题的思维模型；为了突出电化学装置在能量转化方面的意义，魏樟庆尝试帮助学生建立电化学装置是实现电子转移从无序到有序的观念。 1.3 本研究的目的和任务 综上所述，我们认为，学生在原电池学习中遇到的困难主要反映在2个方面：一是存在关于电化学的偏差或错误认识；二是分析和解决电化学问题时缺少认识角度与合理思路，系统性差。所以，原电池教学需要帮助学生构建更加体现电化学学科本质、利于知识结构化、助于问题解决思路化的系统认识模型。基于此，我们确定了本研究的主要任务：（1）建构电化学认识模型；（2）设计并实施基于建构电化学认识模型的原电池复习教学，并评价教学效果；（3）提炼基于电化学模型建构教学的有效教学策略。 2 电化学认识模型 通过对大学和高中电化学部分的核心概念原理知识的归纳及其功能价值的分析，电化学主要是研究电能和化学能之间的互相转化以及转化过程中相关规律的科学。能量的转变需要一定的条件，即要提供一定的装置和介质。无论电池还是电解池，都需要知道电极和相应的电解质溶液中所发生的变化及其原理。从学科本体来看，原电池包括电动势和闭合回路2大核心要素。其中，贡献电势差有3个核心要素：电极反应、电解质和接触电势，在中学阶段主要是电极反应。闭合回路由离子导体和电子导体构成。 通过分析高中化学课程标准（以下简称课标），可以了解电化学相关的内容标准，从知识内容来看，课标选择的知识和原理有：①原电池和电解池工作的基本原理；②化学电源的种类及其工作原理；③金属电化学腐蚀的原理、危害和防护措施等。此外，课标重视化学能与电能之间转化等能量意义，探究转化过程的原理和实现。从教学要求来看，课标对原电池和电解池的基本原理要求较高，认为应该达到领会和理解含义并进行相关解释说明的标准；对金属的腐蚀与防腐、精炼镀铜等知识要求有所了解，记住知识的要点并进行识别；而对化工生产和化学电源等技术应用的要求比较低，只要了解其内容即可。总的来说，要求学生能够了解原理并分析问题。 通过整理已有的学生研究和分析大量的课堂证据发现，学生在电化学的学习中存在一些关键性认识缺失。第一，认识角度不明确。学生知道要研究装置，但不知道在装置中应该看什么，而总是凭借经验东拼西凑。如果课堂多是已知电池总反应，那么学生就习惯于去找总反应；如果练习中多是已知装置，那么学生就重点关注装置。第二，思维的系统性不够。一方面，学生对电化学要素的认识不全面，例如对装置的分析，因为习题的导向，学生更多关注正、负极，但对完整的系统要素，如电极反应与电解质溶液，电路内外微粒的定向移动等等缺乏关注。另一方面，装置要素与原理要素之间是缺少联系的。例如学生知道要关注电极反应物，但不清楚电极反应物可能会在装置中的什么位置提供，电解质溶液都有什么样的功能，在实现化学能到电能的转化中起了什么作用等。这些要素之间如果缺少联系会使得学生在电化学问题的分析中，不能总是做到完整、系统和正确。所以，在电化学的学习中，需要给学生建立认识系统，要让学生基于整体、联系思考，把电化学问题打通