基于声思维技术的高中生初级电池原理认知水平初探_原电池论文

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      一、问题的提出

      在浙江现行的新课程以及高一的学业水平考试的背景下，必修模块中“原电池”的教学将重点放在引导学生观察铜锌原电池的现象，通过现象认识生产生活中一些有关电化学的实例。高二《化学反应原理》的教学则将重点放在引导学生分析现象产生的原因，理解原电池的原理[1]。因此，为了更好地开展高二的教学活动，突破教学中的难点，有必要在高一必修模块“原电池原理”学习结束后，了解学生对原电池原理的认知水平。

      “出声思维”技术是德国心理学家Duncher首先提出来的，随后有研究者选择了出声思考作为认知研究的工具[2]。出声思维法是目前心理学研究尤其是问题解决研究领域中的一种极为重要的研究方法。人的思维活动常是通过内部语言不出声音地进行的，研究者并不能明确观察到被试在解决问题时的内部操作。虽然通过问卷等方法可以得出结论，但是相对其给出的结果而言，其思维过程处于一个“黑箱”之中，如果仅凭行为结果去推测“黑箱”的内容则不一定准确、完整；而事后询问所得到的回答追述其当时的思维情景，又常常会损失很多有用信息[3]。为了更真实、更完整地了解学生对原电池原理的认知水平，笔者采用出声思维法进行研究。

      二、研究方法与程序

      出声思维实施的一般步骤为：（1）对被试进行预训练；（2）给被试一个思维作业（数学题或智力游戏），让他们用出声思维的方法完成，并录音记录全部口述；（3）当被试在进行出声思维的过程中发生停顿，提醒或询问，不干扰被试的出声思维（有特殊的研究目的的）；（4）将录音记录整理成文字材料，分析（问题行为图）、提炼，用以分析被试思维的过程及其特点。

      施测被试为某普通中学的高一学生。为反映不同类型学生学习情况的差异，区分出学优组、中等组和发展组。按照化学考试成绩，前10名学生作为学优组（Ⅰ组），从成绩居中的学生中选取10名学生作为中等组（Ⅱ组），后10名学生作为发展组（Ⅲ组）。

      2.测试材料

      高中生对原电池原理的认知水平由低到高分为识记、理解、应用三种水平[4]。识记水平是指对所学原电池原理的理论知识有初步的认识，能够正确地复述、再现。理解水平是指能够运用双线桥分析氧化还原反应过程中的电子转移情况的方法，分析原电池的电极反应。应用水平是指能够运用原电池原理的知识进行必要的分析、类推去设计原电池和完成对一些复杂、新颖电池的分析。依据上述分类，笔者编制了3种水平的原电池原理测试题。

      测试题1[识记水平]分析如图1原电池，标出正负极，写出电极方程式。

      测试题2[理解水平]分析如图2原电池，标出正负极，写出电极方程式。

      测试题3[应用水平]高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：

      

      

      

      这三道测试题形式相同，但对被试考察的层次不同。测试题1来自教材，笔者在课堂上作为原电池分析模型。被试只需对所学原电池原理的理论知识有初步认识，能够正确的复述、再现，就能解决此问题，属于识记水平测试题。测试题2选自浙江省普通高中作业本[4]，这需要学生能通过氧化还原反应来认识原电池原理，能够找到得失电子与电极反应的关系，并能分析出溶液中微粒参与反应的情况，属于理解水平测试题。测试题3是选自一道高考试题，高铁电池是一种复杂、新颖的原电池，学生需要运用原电池原理知识去分析，要能从电极、电解质溶液多个角度来解决问题，这是一道应用水平测试题[5]。

      3.测试过程

      分别用三组不同水平原电池原理测试题对学生进行测查。在学生解决问题时，要求学生一边完成测试题，一边尽可能地说出其解决问题时的细节。研究者一边进行实时录音，一边记录。最后，逐一分析被试解决问题的记录，对被试解决问题的记录进行整理、转译及编码，并绘制出其问题解决的思维路径图。

      下面笔者摘选了一位被试的测试过程。

      被试：张某（发展组）

      T（教师）：昨天学过“原电池”，你来看看这道题。

      S（学生）：（看题，用笔在图上画了起来）活泼金属为负极，锌比铜活泼，锌是负极，铜是正极。电极反应（迟疑一会），负极是锌，锌溶解，锌失去两个电子，成为锌离子。正极是氢离子得到电子生成氢气。不错，我们做实验，是这样的（肯定的）。

      T：你是怎么做出来的？你肯定吗？

      S：（背口诀）负失氧，正得还。肯定是的。这个老师上课讲过的。我坐在前排，做实验时现象我看得很清楚的，锌溶解了。

      T：你再做做第二道题试试。

      S：（很快的）镁是负极，铝是正极。负极电极反应是镁失两个电子，正极反应是（停下来，陷入思考）。

      

      S：不对，写不出来。这不是原电池。（肯定的）这不是原电池，没电流产生。

      T：是吗？

      S：是的。我肯定。

      T：你再看看第三题。

      S：（在纸上画出模型）

      T：是这样的吗？你怎么做出来的？再想想。

      S：应该标出正负极。（用笔标出，锌为负极，铜为正极）

      T：还有呢？

      S：（开始思考）电解质溶液……

      S：

。（看了一下我，不敢肯定）

      S：应该是的。

      T：是吧。请写电极方程式。

      S：锌是负极，铜是正极（思考）……（无法作答，测试完成）

      从上面资料来看，该被试在解决测试题1的思维路径图可表示为：

      

      而在解决测试题2时，被试仍然是用此思维来解决，不能从氧化还原反应的角度来分析原电池，只记住活泼金属作为负极这个结论，因而得到了错误的结论。在解决测试题3时，被试能类比老师上课所讲的原电池模型，但无法进行结合氧化还原知识进一步拓展思考，不能考虑溶液中微粒的参与，所以无法解决测试题3。实际上仍然是运用解决测试题1的思维路径图，说明被试对原电池的认识只停留在识记水平，能将老师在上课所讲的准确地复述、再现。

      4.不同被试思维路径图介绍

      笔者将不同类型被试的测试结果进行归纳整理，发现被试在解决不同水平的测试题所采用的思维路径大致是相同的，也就是说被试往往是在同一认知水平上在解决不同水平测试题。如被试张某，在解决测试题2、测试题3时，所采用的思维路径仍然是S1，这实际说明该被试对原电池的认识是停留在识记水平上。而有的被试是在理解水平上解决三个不同层次的测试题，这类被试在解决测试题1、测试题3也是在理解水平上。笔者将同一被试解决三道水平的测试题的思维路径进行分析综合，得到以下几种不同的思维路径图。

      S1思维路径图（见上图3）显然是在识记水平上解决问题，通过记口诀，首先去寻找正负极，回忆老师上课内容，提出相关信息，解决了测试题1。该被试没有理解氧化还原反应与原电池原理之间的联系，因此在解决测试题2、测试题3时无法得到正确结论。

      S2思维路径图（见下页图4）能理解氧化还原与原电池之间的联系，首先运用双线桥分析氧化还原反应过程中的电子转移情况的方法，找到双线桥中电子的得失情况与电极反应的关系，并能够在记忆中寻找铜锌原电池的模型，并与现有的原电池相对比，分析原电池的电极反应。该被试能顺利完成测试题1，但是在写电极反应时无法考虑到溶液中微粒参与反应的情况，所以无法顺利地完成测试题2和测试题3。从该被试呈现出来的思维路径图可以看出，该被试是在初步理解水平上解决问题。

      

      从S3思维路径图（见图5）可以看出，被试能够按照任务的指引，找到氧化还原反应中的双线桥与电极反应之间存在的关联，然后通过分析并与铜锌原电池模型相类比，并能思考溶液中微粒参与的反应，顺利地完成电极反应的书写。这显然是在理解水平上解决问题。被试能顺利完成测试题1、测试题2，但无法完成测试题3。

      

      S4思维路径图（见图6）能类比铜锌原电池模型的构造示意图，首先画出新电池的构造示意图，通过思考氧化还原反应中得失电子情况与正负极的对应关系确定正负极，能从电解质溶液微粒参与反应的角度来考虑电极方程式。但被试在解决测试题3时未能反思产物存在的形式，未能指明这是个碱性环境，未能顺利完成电极方程式的书写，因此未能顺利解决测试题。这说明被试对原电池的认识达到了理解水平，但未能熟练地将原电池原理应用于新的较复杂情景中，只是一种初步应用水平。

      

      S5思维路径图（见图7）首先分析氧化还原反应中得失电子情况画出原电池的构造示意图，通过思考氧化还原反应中得失电子情况与正负极的对应关系确定正负极，能从电解质溶液微粒参与反应的角度来考虑电极方程式。该被试能反思产物存在的形式，指明这是个碱性环境，因此能顺利解决测试题。这说明被试对原电池的认识达到了应用水平。

      

      三、统计结果及分析

      1.三种认知水平测试题的完成情况统计分析

      三组被试完成三种认知水平测试题的情况如表1所示。分析可知，在经过高一必修课程学习后，绝大多数学生达到识记水平，能够记住教师在课堂上所讲过的典型原电池模型和口诀。有部分学生能理解氧化还原反应与原电池之间的关系，并能利用氧化还原反应来分析新颖的原电池模型。有少数学生能利用一个新的氧化还原方程式来设计原电池。

      

      2.不同组别被试采用的思维路径图统计分析

      三组被试完成三种认知水平测试题采用的思维路径图人数统计如下页表2所示。分析可知，不同层次被试在解决原电池原理问题所采用的思维路径图倾向是不同的。学优组更多采用理解层次思维路径图，他们能理解氧化还原反应与原电池之间的关系。而发展组被试更多采用识记层次思维路径图，他们倾向于通过记忆的方式来学习原电池知识，因此对于较为新颖的原电池，他们无法进行分析。中等组被试一部分采用识记层次思维路径图，一部分采用理解层次思维路径图。

      

      3.采用不同思维路径图测试题解题正误统计分析

      笔者发现，采用不同思维路径图的被试对三道不同测试水平问题的解决正误是不同的。统计结果如表3所示，分析可知：

      （1）达到应用水平的被试能顺利完成理解层次、识记层次测试题，但达到识记水平的被试是不能完成理解层次、应用水平的测试题。采用S5思维路径图的6位被试可以顺利完成测试题1、测试题2、测试题3，而采用S1思维路径图的8位被试不能正确解决测试题2、测试题3。这说明学生对原电池原理的认识仅仅达到识记水平，是无法解决一些复杂的原电池问题。只有将学生对原电池的认识提升到理解水平，才能解决一些复杂的原电池问题。而从这几年高考对原电池的考查来看，多次出现一些复杂新颖的原电池，这就需要学生能从理解水平来解决原电池问题。

      （2）对于学生认知水平的评价，不能简单地依据题目的对与错。从测试题1的完成情况来看，完成了题目，并不代表达到的是相应水平。一共有28位被试完成了测试题1，但从被试所采用的思维路径图来看，只有8人是在识记水平上解决问题，而有20位被试是在理解水平上解决问题。解决问题的思维过程，解决问题的角度和不同方法，才能真实地反映出学生的认知水平。结果评价与过程评价存在着差异，这也正是采用出声思维方法的优点。

      

      四、结论与启示

      通过高一必修二的学习，普通高中高一学生对原电池原理的认识，绝大多数达到了识记水平，多数学生能达到初步理解水平。因此在高二的教学中要在注重学生对这部分内容理解的基础上，加强学生对复杂、新颖电池的分析，并能在理解的基础上设计出原电池。

      学生对原电池与氧化还原反应之间的关系还不能很好地领悟和理解。从测试题2所反映的情况来看，有更多的学生在看到题目后，第一步仍然是找正负极，而不是去分析这个过程中的氧化还原反应方程式。而通过寻找正负极恰恰导致这道测试题无法完成。因此在教学中要强化学生通过氧化还原知识来认识原电池。

      不同层次被试在解决原电池原理问题所采用的思维路径图倾向是不同的。学优组更多所采用的是理解层次思维路径图，他们能理解氧化还原反应与原电池之间的关系。而发展组被试更多采用识记层次思维路径图，他们倾向于通过记忆的方式来学习原电池知识，因此对于较为新颖的原电池，他们无法进行分析。中等组被试一部分采用识记层次思维路径图，一部分采用理解层次思维路径图。如何优化发展组和中等组学生的思维路径，值得作更为深入的研究。

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