夏 軍

(江蘇省寶應(yīng)縣畫川高級中學(xué)，江蘇 寶應(yīng) 225800)

高中生“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”學(xué)習(xí)進程分析

夏 軍

(江蘇省寶應(yīng)縣畫川高級中學(xué)，江蘇 寶應(yīng) 225800)

學(xué)習(xí)進程在課程教學(xué)方面有重大的研究價值，因而受到研究者們的廣泛關(guān)注。文章選擇“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”這一主題，旨在建構(gòu)中學(xué)生“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”的學(xué)習(xí)進程，從而為化學(xué)教學(xué)提供一定的參考依據(jù)。根據(jù)中學(xué)化學(xué)課程中有關(guān)“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”的學(xué)習(xí)要求和內(nèi)容，對其學(xué)習(xí)進程做了分析，并提出了電化學(xué)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)建議。

學(xué)習(xí)進程；化學(xué)能與電能；相互轉(zhuǎn)化

一、問題的提出

1.問題提出的背景

在日常的生產(chǎn)生活中，我們經(jīng)常會遇到電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的實例。比如，各種類型的電池即利用化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能；而電解、電鍍等工業(yè)技術(shù)則是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。因此，向?qū)W生傳授“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”即電化學(xué)的相關(guān)知識，尤其重要與必要。另外，在近幾年江蘇的化學(xué)高考中，電化學(xué)相關(guān)知識每年都會出現(xiàn)，并且占有一定的比例，經(jīng)常會與其他知識點結(jié)合起來考查，十分重視其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

江蘇省2016年的高考化學(xué)學(xué)科考試說明中，明確指出了對電化學(xué)知識的考查要求[1]：

(1)能說明化學(xué)反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化的主要原因，知道化學(xué)變化中常見的能量轉(zhuǎn)化形式；

(2)理解原電池和電解池的工作原理，能寫出常見的簡單電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式；

(3)了解常見的化學(xué)電源，認識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應(yīng)用；

(4)認識金屬腐蝕的危害，理解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因，能運用恰當(dāng)?shù)拇胧┓乐硅F、鋁等金屬腐蝕；

(5)了解提高燃料的燃燒效率、開發(fā)高能清潔燃料和研制新型化學(xué)電源的重要性。

電化學(xué)所涉及的知識點多且復(fù)雜，中學(xué)生在學(xué)習(xí)這一塊知識時面臨著很大的難題。因此，本文選擇了“中學(xué)化學(xué)課程中的電化學(xué)部分”作為研究對象，旨在建構(gòu)中學(xué)生“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”的學(xué)習(xí)進程，從而為踐行化學(xué)有效教學(xué)提供一定的參考與依據(jù)。

2.問題研究的意義

(1)有利于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

由于化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)化涉及很多核心概念，比如氧化還原反應(yīng)、原電池與電解池、電池反應(yīng)與電極反應(yīng)、電化學(xué)腐蝕、化學(xué)電源等，這些概念不僅多而雜，而且比較抽象，這會給學(xué)生理解相關(guān)概念帶來很大的困難。通過建構(gòu)中學(xué)生關(guān)于電化學(xué)的學(xué)習(xí)進程，學(xué)生不僅能認識化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化，而且會把這些知識建構(gòu)在能量轉(zhuǎn)化與守恒的概念框架下，形成穩(wěn)定的認知結(jié)構(gòu)，并提升知識的遷移能力。這不僅對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提高有促進作用，還會激發(fā)他們學(xué)習(xí)化學(xué)原理，以及應(yīng)用知識解決問題的熱情，這對培養(yǎng)學(xué)生積極主動的思維方式具有重要的意義。

(2)有利于提高化學(xué)課堂教學(xué)效率

雖然“填鴨式”教學(xué)方式對于短時間內(nèi)提高學(xué)生成績有很大的幫助，但從學(xué)生自身發(fā)展方面考慮，這種方式不僅不注重學(xué)生的內(nèi)在需求，而且學(xué)生的學(xué)習(xí)也變得非常被動。通過本問題的研究，教師能更好地了解目前中學(xué)生學(xué)習(xí)電化學(xué)所存在的問題，也利于教師從學(xué)生的角度出發(fā)，根據(jù)學(xué)生已有的知識經(jīng)驗和思維方式，更有針對性地選擇課堂教學(xué)策略，建立更系統(tǒng)、完善、全面的知識要點框圖，以及構(gòu)建知識體系。這樣一來，學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識和基本技能的同時，也能找到更適合自己的、有效的學(xué)習(xí)方法，從而既能提高化學(xué)課堂教學(xué)效率，也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

二、學(xué)習(xí)進程的概念和相關(guān)界定

1.學(xué)習(xí)進程的概念

學(xué)習(xí)進程主要描述了學(xué)生在恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)條件下，對科學(xué)概念以及相關(guān)科學(xué)實踐的理解和應(yīng)用能力，隨著時間的推移趨于復(fù)雜、深入的過程。[2]有別于文科，理科的學(xué)習(xí)進程是要基于實證的，通過提出“學(xué)生在一定教學(xué)環(huán)境下，其理解和應(yīng)用的能力隨時間的推移而增長且變得更加復(fù)雜化的可供檢驗”的假說。這些假說描繪了學(xué)生在學(xué)習(xí)學(xué)科核心內(nèi)容時可能經(jīng)歷的路線，這是在學(xué)生實際學(xué)習(xí)狀態(tài)的基礎(chǔ)上進行的研究，是聯(lián)系生活實際的，并不是根據(jù)個人的經(jīng)歷或者已有的學(xué)科經(jīng)驗推理所得。這些假說提出后，都要經(jīng)過實證檢測來確定它們的建構(gòu)效度(在給定的適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)條件下，假說序列是否描述了大部分學(xué)生實際經(jīng)歷的路徑)和最終去評估它們的結(jié)果效度(基于學(xué)習(xí)進程的教學(xué)對大部分學(xué)生來說，結(jié)果是否會更好)。[3]

2.學(xué)習(xí)進程的構(gòu)成

學(xué)習(xí)進程是對學(xué)生在某一階段內(nèi)，對某一知識的理解隨時間的推移逐漸趨于復(fù)雜過程的描述，它側(cè)重于研究學(xué)生對核心概念的理解和解釋。從國內(nèi)外已有的關(guān)于“學(xué)習(xí)進程”的文獻中，我們可以得出這樣的結(jié)論，即一個完整的學(xué)習(xí)進程必然包含五大要素：

(1)學(xué)習(xí)目標(biāo)(learning targets)，它們是結(jié)合社會期望以及學(xué)科核心內(nèi)容或者主題的理解，而確定的一個終點。

(2)過程變量(progress variables)，它們描述的是隨著時間的推移，學(xué)生對各個學(xué)科中核心知識理解的變化過程。

(3)成就層次(levels of achievements)或者發(fā)展階段(stages of progress)，它們是學(xué)習(xí)進程的中間步驟。這些階段能反映在之前的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生思維發(fā)展的整體水平或者共同特點。

(4)學(xué)習(xí)表現(xiàn)(learning performances)，它們是對某一特定階段的學(xué)生理解及技能狀況的操作性定義，這為學(xué)生驗證自己對某一學(xué)科知識的理解提供了可評估的發(fā)展規(guī)范。

(5)評價測試(tests of assessments)，它們可以用來衡量學(xué)生對關(guān)鍵概念的理解和實踐，也能使用相關(guān)措施來追蹤隨著時間推移學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展過程。

3.學(xué)習(xí)進程的特征

雖然目前對學(xué)習(xí)進程的研究還處在不成熟階段，許多學(xué)者對學(xué)習(xí)進程的定義及研究方法都持有不同的觀點，但就學(xué)習(xí)進程的特征還是形成了一些共識，具體如下:

(1)學(xué)習(xí)進程主要關(guān)注一些基本的、可產(chǎn)生規(guī)律性的概念和實踐。作為科學(xué)素養(yǎng)的核心，這些概念和實踐能夠?qū)W(xué)習(xí)者的過去和將來聯(lián)系起來。

(2)學(xué)習(xí)進程描述的層次水平是有上下限的，不是無止境的，它的上限是學(xué)生在階段學(xué)習(xí)最后所期望知道以及能夠達到的目標(biāo)；下限是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)新知識前已有的知識經(jīng)驗或者技能狀況。學(xué)習(xí)進程沿著幾個有內(nèi)在一致性的理科的理解和實踐維度，以學(xué)生的思維隨時間的發(fā)展為特征，描述了代表連續(xù)的更加復(fù)雜的理解和實踐層次。

(3)在學(xué)習(xí)進程的起點和終點之間還存在多個水平層次，這些水平層次是從現(xiàn)有的研究學(xué)生的學(xué)習(xí)領(lǐng)域以及實證研究的進展中推測而來(比如具有代表性的研究和教學(xué)經(jīng)驗)，這可以作為學(xué)生達到不同理解水平和能力的證據(jù)。

(4)學(xué)習(xí)進程的發(fā)展需要實踐的驗證。更確切地說，學(xué)習(xí)進程的發(fā)展需要通過大量重復(fù)循環(huán)的經(jīng)驗測試和理論上的修訂并不斷地精煉細化。

(5)學(xué)習(xí)進程認為學(xué)生的學(xué)習(xí)進展并不一定是線性的，也不一定是單一的，而是有幾種可行的發(fā)展路徑和階段，并且這些路徑不是亦步亦趨的，可能更像生態(tài)演替過程。另外，學(xué)習(xí)進程中提到的路徑也是不全面的，它并不代表完整地列出了所有可能的路徑。

三、高中化學(xué)課程中“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”的學(xué)習(xí)要求分析

電化學(xué)相關(guān)知識是高中化學(xué)課程的重要內(nèi)容?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗)》依據(jù)學(xué)生個性發(fā)展的多樣化需求，分別在必修課程模塊“化學(xué)2”和選修課程模塊“化學(xué)反應(yīng)原理”中提出了與電化學(xué)相關(guān)的學(xué)習(xí)要求。為了促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展并為高中階段后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，必修課程模塊“化學(xué)2”中提出的要求很簡單，僅使用了“舉例說明”“了解”等達到認知性學(xué)習(xí)目標(biāo)水平的用詞，目的在于使學(xué)生通過對簡單原電池和電解池的了解，認識化學(xué)能與電能的應(yīng)用以及研制新型電池的重要性，知道電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在實現(xiàn)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化中的作用。另外，選修模塊“化學(xué)反應(yīng)原理”更側(cè)重于學(xué)生在“基本原理、基本規(guī)律、實際應(yīng)用”等方面的目標(biāo)達成。

綜上所述，筆者對高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)電化學(xué)內(nèi)容的教學(xué)要求做了如下總結(jié)，詳見圖1：

圖1 中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中對電化學(xué)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)要求

四、中學(xué)化學(xué)課程中“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”的學(xué)習(xí)進程分析

前文我們已經(jīng)對中學(xué)化學(xué)課程中化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的學(xué)習(xí)要求和學(xué)習(xí)內(nèi)容進行了系統(tǒng)的描述，我們發(fā)現(xiàn)，中學(xué)生學(xué)習(xí)電化學(xué)不是一蹴而就的，是分多個階段并且逐漸深入和發(fā)展的。對此，筆者在理論和資料分析的基礎(chǔ)上，初步提出中學(xué)生化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的學(xué)習(xí)進程，該進程包含五個層次的學(xué)習(xí)表現(xiàn)水平：

水平1：能舉例說明化學(xué)反應(yīng)釋放出電能在日常生活中的應(yīng)用，能舉例說明通過電解進行的化學(xué)反應(yīng)。達到該水平要求學(xué)生能夠：(1)知道化學(xué)電池就是通過化學(xué)反應(yīng)釋放電能，用電器充電、電解等都是為化學(xué)反應(yīng)提供電能；(2)能舉出如鋅銅電池、電解水等化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的例子；(3)認識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的應(yīng)用和意義。

水平2：認識氧化還原的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，能舉例說明通過化學(xué)反應(yīng)能實現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。達到該水平要求學(xué)生能夠：(1)知道氧化還原的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移，氧化還原反應(yīng)能實現(xiàn)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化；(2)能舉出更多的例子說明化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化，知道轉(zhuǎn)化過程中遵循能量守恒原則；(3)能畫出簡單的化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的裝置示意圖；(4)認識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化在貯存能量和轉(zhuǎn)化物質(zhì)等方面的應(yīng)用。

水平3：認識實現(xiàn)電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)的關(guān)系，能用化學(xué)符號或圖形表征化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)和裝置。達到該水平要求學(xué)生能夠：(1)知道化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化是通過氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)的；(2)了解原電池能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電解池能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；(3)能舉出日常生產(chǎn)生活中常見的原電池和電解池的例子，如化學(xué)電源、電鍍等；(4)認識原電池和電解池的構(gòu)成條件，能判斷出正負極(陰陽極),畫出簡單的原電池及電解池裝置示意圖，知道各電極上發(fā)生的反應(yīng)。

水平4：理解電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的原理，能從宏觀、微觀和符號等多個維度表征化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的過程。達到該水平要求學(xué)生能夠：(1)理解原電池及電解池的工作原理，能寫出各電極反應(yīng)式及總反應(yīng)方程式；(2)知道在原電池或電解池中，電子的流向以及溶液中的陰、陽離子的流向，并構(gòu)成一個閉合的回路；(3)掌握一些典型的化學(xué)電池工作原理，如氫氧燃料電池、鉛蓄電池等；(4)認識并能解釋電解或電鍍在工業(yè)上的應(yīng)用。

水平5：能應(yīng)用化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的原理，解釋或解決與之相關(guān)的實際問題。達到該水平要求的學(xué)生能夠：(1)根據(jù)已給的反應(yīng)方程式，設(shè)計出原電池或電解池裝置圖；(2)理解電化學(xué)腐蝕的概念，能解釋不同環(huán)境下鋼鐵電化學(xué)腐蝕的原理；(3)運用化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的原理，提出切實有效的措施對金屬進行電化學(xué)防護。

五、結(jié)論與啟示

1.高中“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”教學(xué)應(yīng)重視整體設(shè)計

前文我們就已經(jīng)提到，“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”即電化學(xué)部分涉及到許多零散的、抽象的概念，包括氧化還原反應(yīng)、原電池與電解池、電池反應(yīng)與電極反應(yīng)、電化學(xué)腐燭、化學(xué)電源等，如果僅把這些概念分散地灌輸給學(xué)生，不從整體上進行把握設(shè)計，這肯定不利于學(xué)生更好地理解和吃透這些知識點，對于他們構(gòu)建完整清晰的概念圖也會有阻礙。因此，教師在教授電化學(xué)部分時，應(yīng)該重視單元整體教學(xué)設(shè)計。這就要求教師在對課程標(biāo)準(zhǔn)、教材等教學(xué)指導(dǎo)性資源進行深入地解讀和剖析后，能夠根據(jù)自己對教學(xué)內(nèi)容的理解，以及學(xué)生的情況和特點，對教學(xué)內(nèi)容進行分析、整合、重組，形成相對完整的教學(xué)主題，并以一個完整的教學(xué)主題作為一個單元的教學(xué)。

2.高中“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”教學(xué)應(yīng)遵循學(xué)生的認知規(guī)律

20世紀(jì)60年代，美國心理學(xué)家奈瑟就在他的《認知心理學(xué)》中提到了認知規(guī)律。他認為人既是信息傳遞器，也是信息加工系統(tǒng)。在教學(xué)上運用認知規(guī)律，要求教師在教學(xué)過程中不僅要研究學(xué)生的認知過程、策略及條件，還要研究學(xué)生在認知活動展開過程中的情感、意志等支持系統(tǒng)的變化。運用認知規(guī)律進行教學(xué)，可以提高課堂學(xué)習(xí)效率，達到事半功倍的效果。[4]另外，由于電化學(xué)的知識點比較抽象，雖然高中階段的學(xué)生抽象思維已經(jīng)得到發(fā)展，但他們在學(xué)習(xí)這塊知識的時候還是會遇到困難。并且電化學(xué)的知識點雖然比較多，但它們之間是有著緊密的聯(lián)系，知識點的難度也是逐步遞增的，比如氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是得失電子，而電解池、原電池就是通過氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)的。基于這兩點原因，教師在講解“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”時，要遵循學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律，從他們的已有生活經(jīng)驗出發(fā)，在已學(xué)知識的基礎(chǔ)上，通過新舊知識間的聯(lián)系更好地開展新知識的教學(xué)，從而幫助學(xué)生形成更完善的知識體系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，優(yōu)化課堂教學(xué)效果。

[1] 江蘇省教育考試院.2016年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試說明:江蘇卷[M].南京:江蘇教育出版社,2015.

[2] 高芳,陳志偉.學(xué)習(xí)進程:美國科學(xué)教育改革新思路[J].外國教育研究,2011，(5): 87-90.

[3] 苗寧.中學(xué)生“化學(xué)反應(yīng)與能量”學(xué)習(xí)進程的研究[D].南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[4] 陳國選,李文福.遵循學(xué)生認知規(guī)律,提高課堂教學(xué)實效[J].新課程研究(上旬刊)，2011, (2):113-114.

[5] 斯海霞.學(xué)習(xí)進程研究方法述評[J]. 外國教育研究.2013,(11):21-28.

[6] 諶秀云.中學(xué)生化學(xué)反應(yīng)學(xué)習(xí)進程研究[D]. 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

Analysis on the Learning Process of High School Students on “Chemical Energy to Electric Energy Conversion”

XIA Jun

(Huachuan Senior Middle School in Baoying County, Baoying Jiangsu, 225800)

Learning process is invaluable in teaching and curriculum research, which enjoys wide attention of scholars In the paper, we choose “chemical energy to electrical energy conversion” aiming at identifying the learning process of such topic to provide a reference for chemistry teaching. According to related learning requirements and content in Chemistry Curriculum we analyzed students’ learning process and proposed teaching suggestions on related contents.

learning process, chemical energy and electrical energy, reciprocal transformation

夏 軍，江蘇寶應(yīng)人，江蘇省寶應(yīng)縣畫川高級中學(xué)高級教師，主要從事學(xué)生學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)方式研究。