关于电化学错误概念的探查与分析，本文主要内容关键词为：电化学论文,概念论文,错误论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
电化学在化学学科体系中占有极其重要的地位。关于电化学的一些基本观念的正确形成是学生深入学习原电池、氧化还原反应、离子反应等化学内容的重要基础。同时，电化学又具有跨学科的知识特征，不仅与化学学科知识密切相关，也与物理等学科知识密切相关。因此，这部分内容的学习有利于学生认知结构中相关联接(Connectedness)的形成，也是培养学生创新意识的有效途径之一。目前的化学教学往往比较重视学生利用电化学知识解决定量问题，而忽视电化学概念和现象的定性分析。从而出现了这样一种现象：通过大量的强化训练，学生可能具备了足够的能力去应付考试，但对某些电化学过程做定性解释时却存在许多错误理解。本研究主要针对学生对电化学过程的定性理解，通过个别访谈和问卷测试相结合的方法对大、中学生关于电化学的典型错误概念进行探查，分析其错误概念形成的原因并提出有针对性的教学建议。
一、研究方法
本研究的测查工具采用自编的“电化学概念测试”问卷。问卷项目是在分析参考国外关于电化学概念测试内容的基础上，针对国内电化学教学内容的实际情况编制而成的。
测试问卷共8题，分为3种类型。一是不定项选择，共4题；二是结论—原因式试题（即试题既给出结论，又对结论加以解释，由学生判断），共2题；三是简单的正误判断，共2题。测试时间约为30min。问卷主要考查2部分的内容：电解质溶液的导电性（问题1、3、5、8）和溶液的电中性（问题2、4、6、7）。
团体测查的对象是南京市宁海中学高三学生以及南京师范大学化学教育专业大一学生。高三2个班共104名学生（简称H3），大学一年级2个班共108名（简称U1）。高三学生已经学完高中的全部化学教学内容，但还未进入全面复习阶段；大一学生则已学完大学无机化学的电化学部分内容。测查共收回有效问卷212份（回收率100%）。在对问卷进行统计分析的基础上，选择了若干典型学生进行了个别访谈。
二、关于电化学的典型错误概念
探查结果表明，高三和大一学生关于电化学概念的错误理解具有共同的特征，主要表现在2个方面：一方面是关于电解质导电性的错误理解，另一方面是关于溶液电中性的错误理解。
1.关于电解波导电性的错误理解
问题1、3、5、8考查了学生对原电池和电解池工作的微观过程的理解，从回答情况可以看出，很多高三和大一学生错误地认为在化学电池中电子的移动形成了电流，前期对高二学生关于回路中电流形成过程的访谈也得到了同样的结论。在学生看来，电子的移动是形成电流的必要条件，而对于金属和电解液2种导电方式的关系模糊不清。下面是2位学生解释选择题3关于电解池中电流形成的访谈记录。
学生A：我认为电解液里面应该有电子在运动，因为回路中有电流。但这里面也有阴阳离子在运动，电子和阴阳离子的运动有联系吗？
学生B：我感觉在电解液中应该没有电子在运动，我们以前学的电解液导电的原因是阴阳离子的运动，金属导线上才有电子在运动，但它们二者是如何连接起来的呢？
表1是学生对问题1、3、5、8的回答情况。
表1 各选项的选择百分率（电解液的导电性）
注：表中数据均为百分数，加粗斜体选项为正确答案；对于同一个问题，有的学生选择了多个选项，所以各选项百分率之和大于1。下同。
问题1考查对Cu-Zn原电池中电子运动途径的理解情况，50.00%的高三学生和34.17%的大一学生选择了C，认为电子从Zn极流出经过导线、Cu极和电解液又回到Zn极，完成了整个回路，即在整个回路中都有电子的存在。
问题3是对电解池工作时，电解液中电流形成过程的考查，其中A、B、C、F选项都说明电解液中有电子在移动，近半数的学生有这种想法。D选项是正确的，即“阴阳离子的运动是电解液中电流形成的原因”。从表1可知，88.46%的高三学生和93.75%的大一学生都选择了D，但选择A、B、C、F的学生比例也不小（高三51.88%，大一43.72%）。从而证明尽管学生都记住了溶液导电是由于阴阳离子的运动，至于它的运动和电子的运动是如何联系起来的却模糊不清，错误地认为电子的移动也是电解液中电流形成的一个因素。至于电子是如何通过电解液的，又分为4种情况：A（选项）是被阳离子吸附，B（选项）是被阴离子吸附，C（选项）是电子单独通过，F（选项）是电子从一个离子跑到另一个离子上跳跃式的通过电解液。结果表明，认为是阳离子吸附作用的高三学生有28.54%，大一学生为27.08%。究其原因是“同种电荷相互排除，异种电荷相互吸引”的结论已在学生的头脑中深深扎根。也有14.69%的高三学生和10.41%的大一学生认为是阴离子吸附电子而通过电解液的，当问一位同学为什么选择这个答案时，他非常自信地说：“肯定是阴离子运输电子，阳离子带正电荷，它就会把电子中和掉了。”
在问题5中，结论直接给出“在电解池中的电解液中存在电子”的描述，原因解释为是“电子的移动在整个电路中形成了电流”，此问题的结论和原因都是错误的，但只有33.33%的高三学生和34.62%的大一学生得到了正确答案。其他学生选择A、B、C的认为结论正确，选择A、B、D的认为原因正确，从表1可知，认为结论正确的高三和大一学生都超过了30%(31.73%、37.50%)，而认为原因正确的人数明显增大，分别占各自总人数的63.46%、58.33%。由此可见，很多学生认为电子的移动是电流形成的必要条件。同时学生对下面所要提到的问题2和问题7的回答情况也证实了这一点，尽管这2个问题是对溶液电中性的考查，但学生的回答也表现出电解液中有电子出现的错误理解。
问题8让学生判断下列描述是否正确：当原电池工作时，在电解液中既有电子又有阴阳离子从一个电极移动到另一个电极。有28.85%的高三学生和27.08%的学生认为是正确的，与问题1(50.00%、34.17%)、3(51.88%、43.72%)及结论一原因试题5(63.46%、58.33%)的错答率比较有明显降低。究其原因可能是学生记住了电解液导电是因为阴阳离子的运动，所以错误率降低。可以看出，问题类型不同，对探查学生错误概念的效果存在显著差异。因此采取什么样的问题情景去揭示学生的内心想法是一件非常艰巨而有意义的事情，这需要教师做出很大的努力。不过，尽管判断题的探查效果较差，但仍然也可以说明不少学生对电解液中电流的形成认识不清。
2.关于溶液电中性的错误理解
问题2、4、6、7考查学生对溶液电中性的理解，表2列出了相关的回答情况。统计结果表明学生出现的错误类型有以下2种。
表2 各选项的选择百分率（溶液的电中性）
(1)溶液中正负电荷数目不等
问题2让学生判断电解NaCl溶液时阴阳离子的运动方向，问题4考查学生对Cu—Zn原电池工作过程的理解，其中盐桥把2个半电池连接起来，让学生判断在原电池工作时2个容器当中阴阳离子的分布情况。
问题2的B选项和问题4的B、C、D选项都表示溶液中正负电荷数不等，从表2可以看出，问题2的错误率要远低于问题4。究其原因可能是问题4涉及2个容器中溶液电中性判断，并且在设计问题4时，笔者设计了一个“圈套”，即不直接问原电池工作时溶液电中性如何，而是做了以下描述：锌发生氧化反应使容器G中产生了多余的正电荷，铜离子发生还原反应使容器H中产生了多余的负电荷，让学生去预测当反应进行时容器中发生的变化情况，所以有相当一部分学生受到前面描述的影响而选择了B、C选项。另外，问题4中的D选项所示的G容器里面的正电荷和H容器里面的负电荷数目是相等的，况且它们用盐桥相连，这样也会使学生认为2容器连通的话就构成一个整体，只要正负电荷数相等，整个溶液也同样显电中性。这里值得注意的是，对于问题4，大一学生的错误率(75.67%)比高三学生(63.43%)还要高，即随着学习的进一步深入，学生的错误概念没有得以消除，充分说明其顽固性。
问题7是让学生判断关于盐桥作用的描述是否正确：在原电池工作时，盐桥使电解液保持电中性，因为它使一个容器中的溶液显正电性，另一个容器中的溶液显负电性，且两者所带电荷数相同。从表2可以看出，62.50%的高三学生和14.36%的大一学生都认为是正确的。由于在大一的电化学部分对盐桥进行了比较详细的讲解，所以大一学生的回答情况相对来说还是比较乐观。
(2)溶液中存在电子且阴阳离子运动方向理解错误
问题2的A、C选项和问题4的E选项都表示为了保持溶液的电中性，溶液里面可以有电子存在，表2中数据再次证明了学生的这一错误理解。所以在对结论—原因试题6的回答中，一半以上的学生认为，因为石墨可以导电，把盐桥换成石墨原电池也可以照常工作。
而对于阴阳离子运动方向的考查表明，大一学生掌握得比较好。如问题2的E选项表示在电解池工作过程中阳离子向阳极运动，有14.42%的高三学生认为正确，而大一学生只有4.17%。
三、电化学错误概念产生的原因
1.影响学生对电解液导电理解的因素
(1)物理学科知识的负面影响
学生对电解液中电流的形成认识不清，认为电子的移动是电流形成的必要条件，因此认为电解液里面含有电子，其很大程度上受到物理课中所学的“直流电路中电流的电子本质”和“电流具有连续性特征”的影响。学生在学习化学电池以前就学习过有关电流和电路的知识，他们对金属导电已经非常熟悉，即金属导电是电子定向移动的结果，又知道电流具有连续性的特征，从而错误地认为在化学电池中电流是电子的连续运动形成的。
同时在中学物理教学中，尽管电流的明确定义为电荷的定向移动，但学生接触的多是直流电路，一般教师都会向学生说明此电路中电流是电子的定向移动形成的，从而使学生很自然地会把这一结论运用到化学电池中。而在化学教学中，尽管教师会通过电解液导电的实验现象去揭示电解液中的电流是阴阳离子的运动，并指出金属导线中的电流是电子的运动，但可能没有解释两者的区别和联系，因此学生仍然会产生错误理解。
(2)对教材表达的不合理解释
语言、符号是理解和解释化学概念的重要工具，而教科书又是学生获取化学知识的主要来源，若学生对所学的知识理解不透的话就很容易产生一些错误的解释。
在高二化学课本第四章第四节“原电池原理及其应用”（人民教育出版社，试验修订本·必修加选修，2001）中有这样的描述：放电时，负极上的电子通过导线流向用电器，从正极流回电池，形成电流。这里所说的“形成电流”对刚刚接触原电池的高二学生而言就显得比较模糊，他们本来就已经对电子定向移动形成电流的现象印象非常深刻，因此可能错误地认为整个回路（导线中和溶液里面）中的电流都是电子的移动所致。并且在这一节中并没有提到溶液导电和金属导电的区别，在原电池示意图中对阴阳离子的运动方向标示也不清楚，如果在教学过程中教师不刻意向学生解释的话，学生很容易产生错误理解。
(3)信息的错误呈现
在电解液中存在电子，不仅学生拥有这样的错误理解，一些化学教师也在教学中容易出现类似的错误，源信息的错误将直接导致学生产生不正确的表征。有的教师试图利用课件形象化地呈现原电池中微观的离子移动过程，其出发点是好的，但是却忽视对课件的批判性的选择和修改，不注意甄别，反而造成学生的错误概念的形成。例如，关于原电池原理的课件中有的直接用圆点表示电子，并且用圆点构成一个方框表示2个电极在溶液中形成了一个闭合回路。若教师疏忽使用这样的课件，必然会对学生的学习造成不良影响。因此，教师在教学的过程中应该注意使用科学的表达方式，保证源信息的正确。
2.影响学生对溶液电中性理解的因素
微观现象的不可见性是产生此类错误的主要原因。学生的这种错误理解可以分为2类：一是溶液可以显电性；二是溶液中正电荷和负电荷分布不均匀，但如果正负电荷数目相等，溶液仍显电中性。究其原因是学生不能亲眼目睹溶液中阴阳离子真实的运动和分布情况，因此只能机械记忆结论，即溶液不显电性。一旦遇到不太熟悉的问题情景时，学生就会凭自己的直觉得出错误的结论。比如高三学生对测试问卷中的第4题的回答中，约有1/3的学生错误地认为由于盐桥的存在，一个容器中的溶液里面可以全部是正电荷，另一容器中的溶液里面可以全部是负电荷。
四、结论和建议
探查结果表明：由于电化学现象的不可视性，使学生产生一些典型的错误概念，并且随着学习经验的增加，相关错误概念并没有发生转变。因此，我们不得不对传统的电化学概念教学进行反思。在进行电化学概念教学中要充分关注学生已经拥有的观念，利用并有效地改造它，实现错误概念的转变，达到电化学概念的真正理解，从而帮助学生建立科学有效的知识框架。在电化学教学过程中，可以采用如下教学策略实现概念转变。
1.合理借助多媒体教学手段模拟化学电池的工作过程
探查结果表明约有一半的学生对电解液中电流的产生理解模糊，认为在电解液中可以有电子存在。针对这一点化学教师可以利用计算机软件制作一些模拟化学电池微观工作过程的动画，其中包括导线中电子的运动路径和电解液里面阴阳离子的运动情况。值得注意的是，随着计算机和网络的普及，现在大部分教师都能够自己制作或从网上获取大量这方面的资料。但作者发现，其中有些动画制作不是很完善，有的甚至还存在错误，就如在本文前面提到的那样。另外，在教学中要注意“讲观”结合，由于在高考中很少涉及学生对化学电池中微观现象的定性解释，所以教师也不太重视这些内容，作者认为化学教师应该对此多费点“口舌”，在教学中要注意金属导体导电和电解液导电的联系和区别。
2.注意化学和物理学科知识的相互联系和影响
在化学教学中，教师要注意物理科学中的电学知识对电化学教学的积极和消极的影响。本文前面曾提到了物理学科中电流知识对学生学习电化学知识的负面影响，对此需要教师指出金属导体导电和溶液导电的不同以消除这些负面影响。但另一方面，物理课中电势知识的学习又可以帮助学生理解化学电池中电子和阴阳离子的运动方向，这就需要教师在教学中巧妙地引导学生把相关知识联系起来。