电化学认识模型及其在高三原电池复习教学中的应用，本文主要内容关键词为：电化学论文,模型论文,原电池论文,教学中论文,高三论文，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。
一、问题的提出
（一）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[1]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[2]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，学生更多的时候表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[3]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等问题。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。
（二）已有的原电池教学研究
李阿琴[4]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[5]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[6]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[7，8]。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[9-14]，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“电化学装置实现了电子转移从无序到有序”的观念。
（三）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。
二、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[15]。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。如果课堂练习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。
据此，我们从电化学的本体维度、认识维度和问题维度，构建并提出适用于高中阶段的电化学认识模型。电化学认识模型针对的认识对象可以包括原电池和电解池，其共性在于2大核心要素：电势差和闭合回路；其差异在于能量的转化方向不同。由此构成电化学认识模型的2大认识维度，原理维度和装置维度。原理是电能与化学能相互转化得以实现的基础，自发的氧化还原反应为化学能向电能的转化提供了电势差，外加电场则为电能向化学能的转化提供电势差。原电池或电解池装置是能量转化的充分条件，其核心是由电子导体和离子导体共同构成闭合回路。
电化学认识模型构成如图1所示。原理维度以氧化还原反应为基础，包括电极反应物、电极产物、过程，同时包含可观测量，即反应现象；装置维度包括原电池或电解池里面的所有装置要素，即失电子场所（负极材料或阳极材料）、电子导体（导线）、离子导体（电解质溶液或盐桥、膜）、得电子场所（正极材料或阴极材料）。
以铜锌（稀硫酸）单液原电池为例，从装置维度分析，Zn棒作为负极电极材料，提供失电子场所，电子导体是导线，稀硫酸作为电解质溶液充当了离子导体的作用，Cu棒是正极材料作为得电子场所。从原理维度分析，负极反应物是锌，负极反应是Zn失去电子生成
，电解质溶液中的
得电子生成
，由此完成了电极反应物到电极产物的分析。同时，因为Zn极板失去电子呈正电性，溶液中的阴离子游向Zn极板表面，阳离子向Cu极板移动，此乃过程分析。整个反应过程所观察到的现象是Zn极板溶解，Cu极板有气泡产生。
不论在新授课、复习课和习题考试中，学生会遇到各种各样的问题任务，所以我们在认识模型中加入了问题任务维度。对于电化学任务来说，最主要的问题任务类型有分析型任务和设计型任务。分析型任务包括已知装置分析反应，已知反应分析现象等等。设计型任务主要是设计电解池、原电池装置。
三、基于电化学认识模型建构的原电池教学设计与实施
本研究根据“促进学生电化学系统认识发展”的基本教学理念，从电化学主要的任务类型出发，分别以分析型活动、设计型活动为主，进行2节“同课异构”的高三“原电池”复习第一课时教学设计，并在北京市某示范校高三年级的2个班级进行了教学实施。
（一）基于学生电化学认识发展空间确定教学目标
高三学生已在高二学习了原电池的有关知识，但是知识尚未达到系统化，同时对原电池装置和原理存在迷思概念。典型的迷思概念如：把电极反应物和电极材料混为一谈，认为电极材料一定参与电极反应，电解质溶液不会参与电极反应，认为电解质溶液和导线都传导电子和离子，原电池离不开电解质溶液等等。同时，学生对电池的实际应用及前景等也了解不足。另外，在面对问题任务时，学生首先看问题提示（如写出电极反应式），再类比原型解答，如果与原型相近，则顺利解决，与原型相比稍有变式，如电极材料均不参加反应等条件，则无法正确解答。一些学生由于电极材料与反应物不区分，因此对“电极反应物”和“得、失电子场所”的关系认识不清；在装置维度上，学生尽管能够说出导线、电解质溶液这些具体要素，但因为不清楚它们在原电池中起到的作用是电子导体、离子导体，所以难以在设计型任务中做出变式和创新；
在原理维度上，因为高一和高二过度的题目训练导致学生只重视电极反应，而对反应的全过程和可能出现的现象置之不理，最终导致不仅不能完成系统分析型任务，同时对有溶液酸碱性干扰的电极反应也无法正确写出。
基于此，高三阶段原电池一轮复习教学的主要教学目标应该定位于：学生通过本课的学习，要建立电化学系统认识模型，澄清和纠正以往的错误认识，落实从原理维度和装置维度出发的核心认识角度，系统理解原电池工作原理和构成条件，明确原理和装置的关系，提高对于陌生原电池的分析能力，建立比较清晰的依据已知的氧化还原反应设计电池装置的主要思路和方法。
（二）教学内容和学习任务的选取与组织
从应试角度讲，学生面临的电化学问题解决任务多是分析型任务，所以复习课教学可以以分析型任务为主，通过对各种类型的原电池模型进行分析，带领学生建立电化学认识模型，明确对这类问题任务的认识角度和认识思路。但以分析型任务进行训练的思维空间有限，对学生的已有问题和错误认识的挑战功能略显不足，在这些方面，设计型任务则有优势。这类任务的功能在于通过设计原电池，展示、改变、发展、梳理学生对原电池的认识。为此，本研究安排了2节异构课：2节课在引导学生建立认识模型时分别采用分析型任务和设计型任务，而应用模型阶段都采用分析型任务。基于教学目标的要求，本课需要根据模型要素选取和组织教学素材。具体包括2个方面：
1.选取不同功能的任务素材，建立认识模型同时破除错误认识
2节课选取的第一个任务素材都是与铜锌原电池的设计或分析任务，一方面是考虑为学生提供“最近发展区”，用单液电池唤醒学生的原电池知识，并建立模型中的基本要素如电极反应物、电极产物、得失电子场所、电子导体等；另一方面留下变式空间，例如从单液电池到双液电池的变式，贡献“离子导体”的认识角度，还可引导学生关注电解质溶液的多重作用。第一个任务素材可以引领学生体验模型指导下的原电池系统分析，初步建立利用模型分析或设计原电池的思路，并在建模的同时体会原理与装置的关系。另外，针对学生容易混淆负极反应物及负极材料的错误，补充使用适当的任务素材如燃料电池素材等，一方面用以外化学生的分析或设计电池的固有思路，另一方面借由任务素材帮助学生克服错误概念，促使学生自我反思与转变。
2.设置联系实际的分析型任务，应用认识模型的同时体现模型的功能价值
高三复习仍然不能忽略学生对情感态度价值观的培养。所以要选择最贴近他们生活的、最体现电池新近发展的应用素材，以强化学生对知识价值和化学价值的认识。此外，基于电化学认识模型的原电池复习教学的最终的目的是为了帮助学生在面对习题和考题中的复杂和陌生的电池分析型任务时更有能力，所以不论用什么类型的任务引导学生实现模型建构，最后都要回归到应用电化学认识模型解决分析型任务。促使学生对比体会到电化学认识模型在习题性问题解决中的功能价值。
（三）基于电化学认识模型建构的教学过程
在教学过程中，以分析型任务为主（分析组）和以设计型任务为主（设计组）的授课教师根据上述学生情况分析和教学内容分析进行具体教学设计（见图2、3）与实施。
（四）教学效果测查与结果分析
为了调查教学效果，分别在“原电池”复习课前、后对学生进行侧重电化学认识发展的问卷测查和访谈。调查问卷为自编测试题，问卷总体信度系数0.833。测查问题围绕着电化学认识模型的建立对促进高中生原电池学习的效果展开，测查问题主要包括3类分析型任务：根据装置分析反应，根据原理分析现象，分析装置与原理之间的关系。
测查及访谈设计具体如表1所示。
1.基于认识模型建构的复习教学对于学生电化学认识发展的影响
我们利用学生电化学认识在复习课前后测比较来反映基于认识模型建构的复习教学对于学生电化学认识发展的影响。2个班全体学生的前后测查结果及其差异显著性检验结果如表2所示。
测查结果表明，不论分析组和设计组，在复习课教学实施前后，学生后测成绩均高于前测成绩。其中根据装置分析反应，装置与原理之间的关系方面进步显著。通过建构认识模型促进学生电化学认识发展的目标基本实现。在课程实施前后，根据原理分析现象这部分得分有所提高，但不存在显著差异。进一步对学生得分分布情况（图4）进行分析发现，在教学前，有25%的学生不能根据电极反应正确分析现象，教学后降至15.9%；得到1分和2分的学生比例都有所上升，说明教学使学生开始熟悉这类问题的分析角度和思路，尽管还存在考虑问题可能不够全面。根据原理分析现象是分析型任务中常见的题目类型，以铜锌原电池为例，解释电质溶液中的
如何移动就是这种类型的题目。该题型要求学生对装置和反应体系都有比较清楚的认识，对内外电路变化的全过程有所把握。这也进一步说明对原电池系统的整体认识和分析是电化学学习中的难点。
为了进一步研究模型的建构对发展电化学认识要素和认识思路的贡献，教学前后分别在问卷中设置了“你对原电池有哪些认识？尽可能多地、有序地写出你的认识”，及分析盐桥中的离子移动，闭合回路的形成分析等问题考察学生对原电池问题的认识要素的数量的发展和认识思路的提高，结果显示（表3）授课前后，2个班的学生在原电池系统分析的思路和认识要素方面都有显著的提高。
在前测中，学生对电池模型的解释多关注原理维度，对装置维度较少提及；后测中，对电池模型的分析开始出现“电子导体”、“离子导体”、“电极材料”等装置维度的分析。在对原电池工作原理过程的分析方面，前测中，学生大多只考虑电子的得失和移动方向，对溶液中的离子及移动过程缺乏思考；但在后测中，学生开始使用模型思考，44位测查对象中，有25名直接画模型对问题进行分析。
2.设计型任务和分析型任务对于建构电化学认识模型的作用比较
尽管分析组和设计组2个班在授课前后的测查效果均有显著的发展（图5、图6），但为了说明2种类型教学设计的特点和各自的优势，提炼电化学认识模型建构的有效教学策略，本研究特别对分析组和设计组2个班的得分情况进行了对比研究。
2个班的前测与后测成绩之间都存在显著差异，设计组学生（样本来自实验班）成绩始终高于分析组（样本来自普通班）学生成绩，通过测试结果差异显著性的进一步拆分比较，可以发现在装置与原理的关系方面，教学前2个班没有显著差异（sig.=0.124），而教学后设计组得分显著高于分析组得分（sig.=0.000）。在从装置分析反应的任务上，尽管前测中设计组得分显著高于分析组（sig.=0.000），但在教学后，2个班的得分没有显著差异（0.344）。
在模型建构对发展电化学认识要素和认识思路的贡献方面，设计组高于分析组，差异显著。在系统分析思路的发展方面，教学前，2班学生得分没有显著差异（sig.=0.637）；教学后设计组得分显著高于分析组（sig.=0.003）。
四、电化学认识模型对于学生学习和教师教学的价值
基于上述教学实证研究及其对学生的访谈，可以得到电化学认识模型对学生的意义有4点：（1）使学生建立对原电池进行系统分析的合理认识角度。不论面对什么样的任务和题目，是已知装置还是已知反应，学生可以依照模型找到2个维度，原理和装置，同时明确2个维度下的认识角度。面对装置的时候不仅要关注得失电子的场所（电极材料），而且要关注电子导体，离子导体是什么；在分析原理时，要关注谁是电极反应物，电子和离子经历怎样的过程，电极产物会是什么，表现出何种现象等。学生可以依照模型的提示，将电极反应物、得失电子的场所、电极反应、电子导体、离子导体、电极产物、现象等作为完整分析闭合回路形成过程及原电池产生电流原理的思维框架。（2）将电极区分为电极材料、电极反应物，可以消除或减少学生的认识偏差。在常规教学中我们通常笼统地说“电极”“正极”和“负极”，加上在必修阶段教学中过度使用由金属作为正负极材料的电池模型，结果会导致学生普遍形成偏差认识，将电极反应物和电极材料混为一谈。在铜锌原电池中，说Zn是负极还可以，因为Zn既是负极电极反应物又同时充当电极材料，但说Cu是正极，就容易使一部分学生产生错误的直觉思维。这种迷思概念更导致学生在解决像气体燃料电池等问题时遇到困难。为了厘清电极概念，本模型从原理角度和装置角度区分了电极反应物与电极材料这对概念。（3）在用词上，用“离子导体”代替“电解质溶液”。一方面，电解质溶液在装置维度中无疑起到离子导体的作用，但离子导体不一定只是电解质溶液，还有可能是盐桥、离子膜等。另一方面，电解质溶液不仅起传导离子的作用，在很多时候，其中的离子作为电极反应物参与反应，充当电极反应物。铜锌原电池中的电解质溶液
中的即是如此，所以区分使用电极反应物、电解质溶液和离子导体的用语具有积极意义。（4）统一了原电池与电解池。模型在装置维度的用词使得这种统一成为可能。失电子场所在原电池中指负极，在电解池中则是阳极。除了能量转化方向上的不同，在其他分析方面，原电池与电解池的思路和角度都是一致的。这个模型将原电池、电解池、电镀、电解等散点知识统一在一起，起到了知识框架的作用，给学生提供了对电化学的整体性认识。
模型对教师教学的意义一方面体现在为教学提供思路和丰富的变式。模型的动态化特点使得课堂活动任务不论是要进行电极反应现象分析，或是基于装置分析反应，教师都可以进一步将模型细化，将模型要素主次化，归纳思维路径，例如要体现微粒观，则突出分析“过程”要素中电子和离子的移动；要突出分析电极反应则从反应发生的场所入手找反应物，分析得失电子等。另一方面也为教学评价提供了评价角度和框架。模型的动态化使得其可以体现电化学问题的结构，能够概括所有电化学问题，无非是模型中的某些要素已知，某些要素未知。所以，教师可以依据模型出题，也可以依据模型分析试题，分析测评结果，掌握学生的困难点和思维障碍所在。
五、基于电化学认识模型建构的有效教学策略
上述研究结果表明，电化学认识模型对于促进高三学生的原电池认识发展发挥了积极的作用，基于电化学认识模型建构是高三复习教学的有效教学模式。反思高三原电池复习第1课时的2种教学设计与实施过程，可以提炼出以下有助于电化学认识模型建构的有效教学策略：
（1）以分析型任务为主训练“从装置分析反应”的问题解决能力。从本研究中的分析组与设计组教学效果比较来看，在从装置分析反应的任务上，基于电池分析任务的教学策略相对基于电池设计任务的教学策略来说效果更好。分析组主要采用从装置分析反应，不断变化装置让学生反复分析闭合回路的形成过程；在素材选择上，从熟悉的铜锌原电池入手到用双液电池装置分析陌生反应，循序渐进地深化分析思路。
（2）设计型任务更挑战学生对电化学的系统认识。通过本研究的前后测结果和访谈发现，设计组的学生在装置与原理之间的关系方面，在原电池问题的系统分析思路上的发展更快。分析组课堂围绕闭合回路是怎样形成的这一核心问题，从铜锌原电池到氢氧燃料电池分析，通过装置分析反应，同时让学生反思装置中的电极材料、电解质溶液等分别起到什么作用。设计组课堂则让学生依据反应设计装置再解释电路的形成。在素材上有意避开铜锌原电池，选取其他反应为任务载体，训练学生的思维。学生熟悉分析型任务，从分析转换成设计任务时，学生更多的是基于经验，如果不借助模型，学生多是按照头脑中铜锌原电池的样子画装置，至于说具体的里面的电极材料、电解质溶液选什么就缺少了思考的依据。用设计型任务建立模型，对促进学生的反思，帮助学生认识模型的价值方面是事半功倍的。
（3）相对陌生的素材有利于揭示学生的错误认识。课堂观察和课后访谈中发现，学生在面对类似铜锌原电池这样的熟悉任务时，不论是分析回路的形成，还是设计装置都没有障碍。但在面对比较陌生的装置时，学生又会纠结于电极反应物是谁、哪边是正极这类问题上来而不着眼整个系统进行分析。另外，很多学生存在电极反应物与电极材料不区分的问题，但铜锌原电池作为学生最熟悉的电化学“原型”，学生过于熟悉，完全可以凭记忆作答，不能暴露学生的问题。所以在分析型课堂补充了氢氧燃料电池的例子，在设计组课堂中采用
与
反应的设计任务有效挑战学生的错误认识。
（4）关注教学的整体性和层次性，注重认识要素的建立更要注重思路的形成。模型的建构过程由教师带领学生完成，且是分步进行的，同时之后的模型应用是需要反复训练的，所以教师在教学中要注重教学设计的整体性和层次性。一方面，在模型的建构过程中展示整体性和层次性。围绕模型，不同的环节承担不同的要素建构，随着任务的进行不断完善解决问题的思路。环节设置上有诊查学生原有认识的环节，有破除错误认识的任务等。另一方面，在后续的课堂中贯彻使用模型的分析思路，同时调整任务的类型和开放度，将模型固化和内化在学生的头脑中，把模型要素和分析思路都落实下来。学生在访谈中普遍反映，老师先带着分析，然后慢慢面对比较难的题目，学生就能比较顺利地自主完成；老师在板书和ppt上反复强调模型中的方法和思路，他们在完成任务的过程中反复体会“模型很有用”。
电化学认识模型的建构对教师的教学提出了新的挑战。建构认识模型要求教师本身对电化学内容有比较系统的认识，对模型有深入的体会。在模型建构的课堂上，教师常出现的问题是过多关注要素的给予而不关注思路。在素材和任务的选取上，要设计真实的可以研究的任务，才可以很好地动态展现思路，展示角度的功能。另外，模型中的认识角度是由知识转化过来的，不是教师“嘴里说出来”的。在教学中，要关注化学知识对于认识角度的形成起到的作用，从真实的问题解决的需求中体现模型建构的价值。
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