高中生“小学电池”错误观念的诊断与教学对策_原电池论文

高中生“原电池”错误概念的诊断及教学对策，本文主要内容关键词为：对策论文,概念论文,错误论文,原电池论文,高中生论文，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。

      “原电池”是高中化学教学中的重要概念，也是学生学习的难点之一。在教学实践中发现，学生在学习原电池的过程中，常常形成了一些模糊甚至错误的认识，而这些认识会影响学生对科学概念的正确理解，造成学生学习的困难。有研究者力图从学生入手，从不同角度揭示学生学习过程中的错误概念并提出一些教学策略；有研究者从知识本体切入，建立原电池的认识模型。这些研究都为本研究提供了很好的支撑。本研究侧重于在原电池本体知识分析的基础上，测查学生的错误概念及其形成的深层次原因，并提出相应的教学对策。

      一、学生对“原电池”概念认识的研究框架

      学生在学习原电池之前已经学习了氧化还原反应，知道了氧化剂和还原剂在反应中的得失电子行为和变化结果。引入原电池装置的根本意义在于将自发的氧化还原反应中的氧化反应与还原反应拆分在不同的区域进行，将氧化剂、还原剂之间的直接接触传递电子的行为改变为间接传递电子的行为，即通过导线实现氧化剂和还原剂电子传递。在这个过程中可以对导线中的电子流进行利用，从而实现了化学能到电能的转变。在拆分氧化还原反应的过程中必须要形成闭合回路，两极、离子导体和电子导体就构成了必不可少的装置要素。每个装置要素从“是什么”“工作时有什么行为”“工作后产生什么结果”三个维度去考虑，就可以构成认识原电池的基本框架（见下页表1）。

      

      二、学生对原电池的错误认识及其分析

      依据上述研究框架，采取课堂观察、作业和测试分析、访谈等方式，对学生关于“原电池”概念的认识进行了测查按照电极（电极材料和电极反应物）、离子（离子导体种类和离子行为）、电子（电子导体和电子行为）三个认识角度对学生典型的错误认识进行归纳，主要表现如表2所示。

      （一）有关“电极”错误认识的分析

      分析有关电极的错误表现不难发现，造成上述错误的原因之一就是学生将铜锌原电池模型泛化为原电池的通用模型。铜锌原电池是教材中用来揭示原电池工作原理的常用模型之一：活泼的锌和稀硫酸反应，失去电子，作为负极反应物并作为负极材料；不活泼的铜和稀硫酸不反应，作为正极材料。如果将铜锌原电池模型作为所有原电池的通用模型，就会自然得出较活泼金属作负极，较不活泼金属作正极的结论。既然有了活泼金属与不活泼金属之分，学生脑海中自然而然就会演变形成了“两个电极必须不同”，甚至发展到“必须有金属电极才能形成原电池”的结论。

      

      目前教学中铜锌原电池模型泛化的现象依然存在：一些教师授课中直接让学生记忆“活泼金属作负极”这样的结论，将原电池的构成原理描述为“电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成”。应该说，对于原电池模型的以偏概全、理解偏差是造成学生原电池学习困难、出现一系列错位概念的源头。

      另外，从错误概念的表象进行深入思考，可以感受到，“电极”概念的泛化使用也是造成出现原电池学习困难的原因之一。在原电池的认识中，存在电极材料和电极反应物两个概念：电极材料是提供氧化还原反应发生的场所，有物质在这样的场所内发生反应，即电极反应物。当电极反应物为固态电导体时，经常就以电极反应物充当电极材料：如金属和酸的反应，经常让活泼金属这样的固态负极反应物作为负极材料。而当反应物为气体或液体时，需要另外寻找固态电导体作为电极材料，常用的如石墨、铂、镍等。如氢氧燃料电池就是以多孔镍电极作为电极材料，氢气、氧气作为电极反应物。在教材中和具体的教学实践中，没有将“电极材料”和“电极反应物”从名词上加以区分，而是通用“电极”来称呼，造成了学生学习原电池时思考角度的混乱，产生了一系列错误概念。

      （二）有关“离子”错误认识的分析

      关于“离子”的错误认识可以分为3类。第一类是源于铜锌原电池模型的泛化造成的错误认识。从铜锌原电池作为原电池通用模型就会形成如“离子导体必须是电解质溶液”、“负极材料一般要能和电解质溶液反应”的错误认识。值得一提的是，被访谈的高三学生在互相提醒的过程中，能够逐渐丰富原电池的例子，矫正以上的错误概念。由此，关于离子导体是否参与反应的问题，学生可以在继续的学习中、在案例逐渐丰富的基础上完成概念的自我矫正。

      第二类是源于对某个结论性语言片面机械记忆造成的错误概念。由于电解质溶液的主要功能是离子导体，一些学生强化了这样的认识而忽略了电解质溶液可能同时承担反应物的功能，从而认为“电极反应与电解质溶液没有关系”。这类错误认识，在原电池的继续学习过程中，通过加强原理认识和案例的逐渐丰富也可以实现自我矫正。

      第三类是源于学生的前概念造成的原电池的错误概念。“阳离子向负极移动”这个错误概念出现的并不是十分普遍。而有趣的是刚刚学习完原电池的学生出现这个错误概念的比率很低，反倒是学过一段时间后的学生这个错误概念出现比率就有所提升。在对有这样想法的学生做访谈的时候，学生描述了这样的思维过程：“‘阳’和‘正’是对应的、‘阴’与‘负’是对应的。既然正负相吸引，那么阳与负也是相吸引的。”分析这样的思维过程，固然有“与电源正极相连的是电解池的阳极”这样的概念干扰，也有生活中类似于“纯阳正气”等一些生活经验作为前概念的思维暗示。例如在学习原电池概念时，学生刚开始接受了新概念，但是和脑海中前概念有所冲突并且没有同化，久而久之，当新概念没有那么清晰时，就受到前概念的影响导致概念异化，最终形成了错误概念。

      （三）有关“电子”错误认识的原因分析

      电子是认识原电池的一个关键视角。学生认识原电池工作原理要认识电子的行为，建立电子守恒的观念，定量预测反应过程中电极反应物的数量和种类，实现对原电池控制。另外，外电路中的导线也是建立化学电源和金属腐蚀的联系和区别的重要视角：当可以通过闭合和断开进行控制导线使原电池可以开始或停止工作，这样的原电池可以设计为化学电源；当外电路很短不能断开，以至于原电池一直保持工作状态，这就是金属腐蚀的原理。在测查中，学生都能说出电子守恒的概念，可是在分析原电池中电子行为时存在障碍。表现在当给出一个由几组原电池串联的电路图时，一些学生不能主动建立电路中各个电极间电子等量的原则，对于定量计算各电极产物数量无从下手，而另有一些学生画电子路径时让电子直接在溶液中传导。

      事实上，学生在学习原电池知识之前学习了很多的物理知识，而这些物理知识势必会影响到学生对化学的认识，即当学生建立概念时会把物理的认识迁移到对电化学的认识上来。如果还没有深入理解物理概念实质就进行简单迁移，会造成电化学中的错误概念的产生。比如，物理中强调“电流从正极流出，从负极流入”、“电子与电流方向相反”，“电子从负极流出，从正极流入”，因而学生经常认为会电子在溶液中也会像在导线流动一样，认为电子在溶液中能够传导。一些学生由于受到物理电路图中电池符号（见图1）的影响，把化学电源想象成为一个“电子泵”，所以特别容易认为电子在电解质溶液中“流过”而忽略内部的电子传递过程中的化学变化。一些学生在物理课堂上知道水和金属都是电导体，但没有进一步区分具体导电原理，潜意识中认为金属和溶液导电原理相同，认为电子在水溶液中也可以像在金属中一样进行传导。这样的理解和电池内部发生化学反应的实质是存在冲突的，即使在学生开始建构了原电池的工作原理，上述的错误概念也经常会时不时地冒出来干扰正确概念。甚至有些学生在这些错误概念的干扰下，几乎无法建构正确的原电池模型。另外，关于电子守恒问题也经常会有学生在前概念干扰下形成一些错误概念。从问卷及学生访谈中可以归纳出一些学生在进入学习前存在这样的前概念：一些学生认为电流经过用电器时会有损失，就像流水流经一处，就会有损耗一样，因此电子也会有损失；另外有学生认为电势高的地方电流强度就大，所以电子就多。这些内隐的观念长期与科学概念中电子守恒观念相冲突，就会使得概念体系出现混乱，不能够正确分析电化学过程中的定量问题。

      

      基于以上分析，学生对于原电池的错误认识的来源主要有：铜锌原电池模型泛化的干扰；物理概念的简单迁移；由于对概念本质的不深刻理解，容易受到生活前概念的影响。针对于以上错误概念形成原因，在教学中需尽可能采取有效教学对策。

      三、促进“原电池”概念认识的教学对策

      （一）以物理电路图作为先行组织者的策略

      学生在学习原电池之前已经有了物理电学的有关知识，物理电路图对于学生来说已经十分熟悉。物理中对电路图中的研究视角是电路图中的用电器的控制与使用，着眼点是外电路；化学中研究的视角是电池内部的工作原理，着眼点是电池内部。如果不理睬已有的物理知识，仅仅构建原电池概念体系，不仅原电池的功能得不到强化，反而会在学生进行概念的内化时和已有的物理概念发生错解，导致错误概念的形成。而以物理电路图作为先于学习任务呈现的引导性材料，将原电池和物理电学知识统领起来，让学生建立概念之间整体关系，进行概念间积极的迁移，就会减少错误概念的产生。

      [案例1]以物理电路图认识原电池工作原理教学片断。

      教学素材如图2所示。主要教学环节设计如表3所示。

      

      此教学片断设计的根本目的是通过物理、化学概念的互动与对质，达到概念之间的关联与正确对接，防止学生错误概念的生成，使得原电池知识成功地在学生熟悉的内容上生长，更易被学生接受，同时通过电路图帮助学生建立对原电池的整体性认识。

      [案例2]以物理电路图认识电化学腐蚀的原理。

      教学素材如图3所示。主要教学环节设计如表4所示。

      

      

      

      此教学片断通过对外电路和电极的变形分析，揭示了电化腐蚀与经典原电池的联系和区别，让学生更容易理解电化腐蚀的原理，对原电池的工作原理认识更加深刻，有利于对原电池概念的正确认识。

      （二）建立通用原电池模型的策略

      经典的铜锌原电池模型在教学中应用非常普遍，可是如果不对其进行发展而将这个模型作为原电池通用模型使用，就会形成一系列的错误概念。发展原电池的通用模型是减少错误概念的有效策略之一。针对原电池这一概念的核心内容，将“通用原电池模型”分为原电池装置模型和原电池设计原则两部分。

      ①原电池装置模型

      图4呈现的是原电池装置通用模型。原电池装置通用模型包括两极材料（固态电导体，形状可变）、离子导体（可由电解质溶液或其他离子导体充当，容器形状和离子导体种类可变）三个要素。让原电池开始工作需要用导线将正、负极连接，并且可以在导线上连接用电器。当然，这种模型目前是属于单液电池装置模型，而如果将离子导体的容器形状和离子导体种类加以改变，可以衍变为双液电池。和铜锌原电池相比，该电池装置不再以某个某一反应为例，而是以装置本身的材料静态要素构成认识模型。

      

      ②原电池的设计原则

      由上所述，原电池的装置的要素是基本固定的。不同的氧化还原反应、不同的正负极材料和不同的离子导体，构成了形形色色、种类丰富的原电池。将不同的氧化还原反应与通用电池装置模型相契合是认识电池工作原理的重要渠道。这就需要建立氧化还原反应原理设计为电池的思维路径和原则。

      理论上，自发发生的氧化还原反应都可以构成原电池。构成原电池时遵循以下原则：

      原则一，还原剂充当负极反应物。如果还原剂是固态导体可直接作电极材料，如果是电解质溶液或熔融态，可作离子导体。

      原则二，氧化剂充当正极反应物。如果氧化剂是固态导体可直接作电极材料，如果是电解质溶液或熔融态，可作离子导体。

      原则三，氧化还原反应的单线桥可以视为原电池装置中的导线。导线可长可短，根据实际需要确定，一般是在导线上安装控件控制原电池是否工作。当导线长度为零时（两极材料相接处）原电池直接工作。

      原则四，原电池装置中必须有两极材料和离子导体三个要素。优先由符合条件的氧化剂、还原剂充当，不能由氧化剂、还原剂充当的则要另行选择物质充当。

      以上两方面构成了“原电池通用模型”。该模型不仅有利于对原电池工作原理的分析，更重要的是可以通过电极变形认识更多的新型电池工作原理，通过离子导体种类及容器形状变化发展对双液电池及其他新型电池的认识。从某种角度来说，上述模型可以是原电池诸多种类的认识起点，同时区分了电极反应物和电极材料，整合了原电池相关概念，提供了原电池核心思维角度。

      当然，学生对概念的认识有多影响因素，学生基础认知角度、认识方式不同，教学对策也会有相应的变化，这还需要今后不断深入的研究。

标签：原电池论文;  铜锌原电池论文;  电池论文;