陳文莉 項生昌 鄭柳萍

摘要：以人教版教材中“電化學”主題為研究對象，從內容廣度、認知角度、模型認知層級和思維能力這四個方面進行從初中到大學階段的銜接性分析，發(fā)現主要表現是內容廣度增加，認知角度層層遞進，模型認知層級逐漸豐富以及強化能力發(fā)展。根據這些特點提出了相應的教學建議。

關鍵詞：電化學；認知角度；模型認知層級；能力發(fā)展

文章編號：1008-0546（2021）11-0072-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.018

銜接主要指不同知識點在某一階段或相同知識點在不同階段之間縱橫交錯的內在聯(lián)系[1]。當學生在學習過程中，由于各階段的教科書編寫以及目標要求差異，使學生進入新的學習階段時，知識構建可能會出現偏差甚至斷層的現象[2]。為了消除這種現象，更好地適應每個階段的學習，教材的編排和教師教學應該做到更好的銜接。

“電化學”主題是理解化學學科、培養(yǎng)化學思維和形成化學觀念的主要載體之一[3]，還蘊含著“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”等多種化學學科核心素養(yǎng)。電化學的知識建構過程中，對化學觀念的形成和學科素養(yǎng)的培養(yǎng)起著至關重要的作用。目前對電化學主題認識的連續(xù)性研究，主要是對教材呈現、課程標準等進行分析，關注教學內容知識的進階，對初中和高一年級、高中和大學的教學內容銜接研究，很少將初中、必修、選擇性必修、大學這四階段視為一個整體進行研究，對學生認識角度的分析更少。因此，本文從電化學主題的進階性和連續(xù)性的整體視角出發(fā)，梳理了人民教育出版社出版的九年級義務教育化學教科書下冊[4]（以下簡稱初中）、普通高中教科書化學·必修第二冊[5]（以下簡稱必修）、普通高中教科書化學·選擇性必修1化學反應原理[6]（以下簡稱選擇性必修）及宋天佑等學者編寫的無機化學第四版上冊（大學無機化學）[7]中有關電化學的內容。

通過對于認知角度的三種表征水平和模型建構等方面來探討學生在高中電化學學習過程中的學生思維發(fā)展變化和能力發(fā)展變化，并且針對這一變化，提出相應的銜接教學策略。

一、內容深廣度遞增

學生在初中階段了解到水的電解的宏觀現象，掌握常見金屬的金屬活動性強弱，形成感性認知，注重知識的基礎性和啟蒙性。高中必修階段還會從單液原電池、常見化學電池等學習過程中，初步將原電池原理與氧化還原反應結合起來，進行宏微結合的分析，高中選擇性必修階段學習了雙液原電池鹽橋、內電路、外電路，電解池，電解，金屬電化學腐蝕等概念，側重從微觀角度去分析電池原理，開始書寫電極方程式進行簡單符號表征，幫助學生形成基礎的電化學概念體系，內容逐漸轉向復雜性和理論性。大學無機化學在高中的基礎上從電池符號書寫，電極電勢計算，能斯特方程，分解電壓，超電壓，元素電勢圖，自由能-氧化數圖等學習中，定量認識電極電勢、分解電壓等，形成系統(tǒng)完整的電化學知識體系。根據學習進階理論將電化學的學習過程劃分為初中階段、必修階段、選擇性必修階段、大學無機化學階段這四個階段（如圖1）。其中原電池、電解池、金屬電化學腐蝕這幾個基本概念貫穿整個電化學的學習階段。由圖1可以看出，隨著電化學學習階段的升高，電化學相關概念的內涵逐漸擴大。

二、認知角度層層遞進

認知角度主要包括了宏觀、微觀、符號三重表征，電化學的整個學習階段中，教材中知識的認知角度呈現什么樣的變化？以原電池概念學習和電解池的概念學習為例來進行分析。

1.原電池

在講解原電池這個基礎概念時，雖然四個階段中原電池的概念都是從能量轉化的角度給出的定義——將化學能轉變成電能的裝置稱為原電池，但是每個階段對原電池概念的認識角度并不相同。

初中是知其然而不知其所以然的階段，主要是了解到鐵生銹的現象是鐵與空氣中氧氣和水發(fā)生的化學反應，注重學生的感性認識，并且從實驗探究的角度讓學生去探究銹蝕的原因，并且根據這些原因去進行防護，只是宏觀上對銹蝕這個現象的認識，并沒有深入去了解銹蝕的本質原因。

而到了必修中主要是以原電池的構成要素為核心，初步揭示了氧化還原反應為原電池的反應原理，初步掌握正負極的判斷，通過原電池的總反應方程式來分析溶液中離子的變化，將實驗現象與原電池電極上發(fā)生的反應和電子的移動相結合，除了引導學生關注宏觀的感性認識之外，還引導學生將實驗現象與電極上的反應結合起來，進行微觀推理，初步培養(yǎng)學生宏微結合分析問題的意識，但是必修中引入了原電池的概念，主要以探究原電池的構成要素為主，在分析構成要素時主要以宏觀實驗現象為主，電極反應和電子移動方向的要求相對較少，相對初中階段，增加了微觀層面的分析。選擇性必修階段從離子移動的角度定性分析參與電極反應的離子并且給出了電極反應符號表征，從宏觀、微觀、符號這三個角度對原電池進行三重表征，而此時的符號表征要求相對簡單，主要是在對電極反應和總反應式的書寫上，逐步強調了微觀層面上的離子移動，在原電池的學習階段中逐漸形成了宏觀辨識與微觀探析的化學學科素養(yǎng)。

大學無機化學是對同一原電池的反應本質進行宏、微、符號的三重表征，并且可以在這三個表征水平中靈活切換，主要通過對電極電勢、分解電壓這些特征化參數進行定量化計算，學會運用相應圖表來快速判斷原電池是否形成來體現。從整體上來說認識角度不斷擴大，從單一的宏觀現象到微觀的工作原理，再到電極反應的符號表征，最后通過計算電極電勢判斷原電池的輸出電能的能力和離子放電順序，以及運用圖表分析從本質上了解到影響電極電勢的因素，層層遞進，形成系統(tǒng)的原電池概念體系，如圖2。

2.電解池

在講解電解池這個概念，初中階段和必修階段只有一些電解池的簡單應用，都沒有給出明確的定義，直到選擇性必修階段才系統(tǒng)地講解了電解池。初中階段雖然在探究水的組成那一章節(jié)中已經給出電解水的裝置，這是學生第一次接觸到的電解池，但是教材中只是簡單地要求學生觀察實驗現象，記住負氫氧正2∶1的簡單結論，講解的側重點在實驗現象上而不是實驗的原理，關注實驗的宏觀現象。

必修階段關于電解池的內容也比較少，介紹了一些電解池的應用，不過都分散在不同的章節(jié)，比如必修一離子反應中試驗物質導電性的裝置就是電解池裝置；二次電池中充電過程是將電能轉化為化學能；利用電解法來制備活潑金屬，這些都是電解池的應用，只不過在必修中并沒有提及電解池的原理，主要還是留在宏觀層面上觀察生活中電解池的實際價值。選擇性必修階段利用電解氯化銅的裝置講解電解池概念，分析離子移動和給出電極反應方程式，并且詳細講解了電解原理的應用，氯堿工業(yè)和電冶金等。從宏觀、微觀、符號這三個角度對電解池進行三重表征。

大學無機化學階段主要是以認識分解電壓，超電壓，利用能斯特方程進行定量計算來判斷某一反應的分解電壓和離子的放電順序，運用圖表分析從本質上了解到影響電極電勢的因素。整體來說，電解池的概念在教科書的編寫中并沒有像原電池認識的角度逐漸增大，選擇性必修中剛剛接觸就要求學生掌握宏微符三重表征，這一看好像十分困難，但是在選擇性必修講解電解池時，學生已經較好掌握原電池的知識，此時再引入電解池的概念，原電池的知識對電解池的內容起著正遷移的作用，幫助學生快速理解電解池的原理以及電極反應。必修階段主要講解原電池，此時增加了電解池的講解怕引起學生認知的混亂，因此必修階段弱化電解池的內容也是合理的。大學無機化學中同樣也是先利用原電池講解了電極電勢，用電極電勢來判斷離子的放電順序后，再提及分解電壓，描述分解電壓的內容很少，但是原電池的電極電勢詳細的講解過程，為理解分解電壓打下了基礎，如圖3。

根據以上分析，電化學的整個學習階段中，教材中知識的認知角度發(fā)展順序是從宏觀的單一角度到宏微結合的視角，再到宏微符三重表征，學生的宏微結合的思想以及符號書寫的能力不斷發(fā)展。這也是定性分析到定量分析的過程。這一認知角度的順序也符合學生認知發(fā)展的順序。

三、模型認知層級逐漸豐富

必修中關于原電池這一概念模型的認識是需要自發(fā)的氧化還原反應，有電極材料，形成閉合回路，其中氧化劑、還原劑直接接觸發(fā)生電子轉移形成了原電池，在課標中學業(yè)要求（如表1）則要求能夠辨識簡單原電池的構成要素，分析簡單原電池的工作原理，說明這個階段學生已經初步形成了簡單原電池的概念模型。而選擇性必修階段對于原電池的裝置中增加了鹽橋，使得氧化劑和還原劑隔離開，在不同的區(qū)域之間通過鹽橋或離子交換膜實現了電子的定向轉移，使得原電池能夠更加穩(wěn)定，持續(xù)地產生電流，豐富了學生對原電池這一概念模型的認識。學業(yè)要求（見表1）中則要求能夠分析、解釋原電池工作原理，能設計簡單的原電池，利用相關信息分析化學電源工作原理，從辨識（認識模型）到解釋（理解模型）再到設計（運用模型），學生對于原電池這一模型的認識逐漸深入并且不斷運用模型去解決問題，而且原電池的這一模型對后面學習電解池這一概念模型也起著正向遷移的作用，培養(yǎng)學生證據推理與模型認知的化學學科核心素養(yǎng)。

到了大學無機化學階段，形成了對復雜原電池認知模型和理解模型，并且對應用模型的要求也有了明顯的提高。首先對于認知模型和理解模型更加全面化，由于在中學階段依據金屬活動性順序表判斷原電池的正、負極。但是原電池和電極是多種多樣的，僅靠這種辦法去判斷是不夠的，而且往往隨著反應條件和環(huán)境的不同，放電順序是不相同的，因此在大學階段引入了電極電勢的概念進一步學習原電池的構成條件，并且提出了多種不同的電極，并且補充了原電池的另一應用——可以用來計算反應平衡常數。習題中大多數的題目都圍繞著電極電勢的計算，需要根據前面所學的原電池的知識，來書寫電極方程式和能斯特方程。前面的模型建立是后面大學化學中對電化學進行定量分析的基礎，在模型熟練應用下，更好地進行電極電勢的計算。由此可見在學習電化學的四個階段中模型認知層級是逐漸豐富的，四個階段中對模型的現象和認知是不斷完善和增強的，并且逐漸接觸模型的本質和運用這些知識去解釋應用。

四、能力發(fā)展要求不斷提高

教材中的實驗活動激發(fā)了學生的學習興趣，為化學理論知識提供了感性認識，培養(yǎng)學生的操作技能和思維能力，是化學學科學習中必不可少的一個環(huán)節(jié)，教科書中關于電化學模塊的能力培養(yǎng)是什么樣的呢？以原電池為例進行分析。教科書中關于原電池的實驗，見表2。

在初中的教材中，將鐵釘放在不同的環(huán)境下，要求學生每天觀察鐵釘的生銹情況，從感官上感受鐵釘的銹蝕程度，總結出鐵釘銹蝕的條件。在必修中實驗6-3中鋅銅原電池的構建分為三步操作步驟，觀察每一步操作的現象，根據現象概括出原電池的構成要素。實驗活動6實驗目的為認識原電池的構成要素及作用，學生通過控制變量法，觀察采用不同電極材料和不同裝置的實驗現象，根據現象歸納出原電池構成要素。這一系列的操作與現象結合，讓學生直觀地對原電池裝置構成要素形成初步的認識，培養(yǎng)學生分析、概括的抽象思維，幫助學生學習理解原電池這一概念。在選擇性必修中，思考與討論欄目就已經要求學生根據實驗4-1的圖4-1鋅銅原電池裝置來繪制原電池的工作原理示意圖，這對學生的分析能力和推理能力有了較高的要求。在實驗4-3中是鐵釘吸氧腐蝕的實驗，是在初中化學實驗的基礎上，要求學生運用原電池來分析金屬的銹蝕中最典型的一種——吸氧腐蝕。在后面的實驗4-4中，也是觀察實驗現象并根據原電池的原理來分析產生這些現象的原因，這跟在必修中只根據實驗現象和實驗條件來歸納總結所要求的能力更高。而到最后實驗活動5中，實驗目的要求學生要設計和制作一個氫氧燃料電池，這樣設計性的實驗，要求學生能夠綜合運用所學知識，在實踐中進行遷移，并且鍛煉學生的動手能力，培養(yǎng)他們的應用實踐能力。除此之外，在電解池這一節(jié)中出現的方法引導欄目——電化學過程中系統(tǒng)的思想與方法。用系統(tǒng)的思想和方法去比較電解池與原電池的同異，由此可見，在學習知識的過程當中，不僅僅是知識的掌握很重要，教科書同樣也注重學生能力的培養(yǎng)和幫助學生形成科學的思維能力，使學生能夠學以致用。大學階段無機化學中主要講解的都是理論知識，需要學生對所學知識進行嚴密的推理和能夠進行三重表征，但是書本中主要的實驗活動幾乎沒有，主要是因為到了大學期間無機化學會開設專門的無機化學實驗課程，實驗的內容和數目增多，并且在高中所進行的實驗形成的實驗技能，都為了大學進行鋪墊，故在這里不進行比較。

可見，教科書中關于電化學的實驗活動要求逐步增加，由感官對實驗現象形成的感性認知到研究電化學的一般方法，都在逐步地培養(yǎng)學生學習理解、應用實踐、遷移創(chuàng)新的能力以及嚴密的邏輯思維能力。

五、高中電化學內容教學建議

針對以上電化學在各學習階段的銜接特點，教學上更要把握好知識之間的內在聯(lián)系和知識層次，選擇合理恰當的教學策略，使得學生更好地構建電化學這一核心概念知識的網絡體系。以下幾點建議可以提供一些幫助。

1.把握教學內容的深廣度，合理擴展教學內容

在電化學的教學中，在九年級階段主要建立感性認識。運用一些常見的生活現象引入主題，比如利用常見的共享單車長期在外面風吹日曬為什么生銹情況并不是很嚴重這一現象，引起學生思考，進行對鐵制品銹蝕條件的探究。在必修階段可以運用探究欄目中水果電池的制作，引起學生興趣，進一步探究水果電池能發(fā)電的原因，最終形成對原電池的初步認識，選擇性必修中可以繼續(xù)利用水果電池這一情景，提出為什么水果電池能使燈泡亮起來的時間很短，引入鹽橋的概念和作用。這一教學過程符合學生認知發(fā)展。但是不過度講授知識并不是一點知識都不延展。在高中階段的學習中學習原電池中為什么會在兩個電極之間產生電流，為什么鋅電極上失去電子要通過導線流向銅電極，可以類比物理中水往低處流是因為水位差，電子從鋅流向銅是因為這兩個電極之間產生了電勢差，可以讓學生先初步將物理中的電勢差類比到原電池上，為后面大學學習電極電勢形成一個初步的印象。

2.找準知識的銜接點，建立內容的前后聯(lián)系

在電化學的學習階段中，會存在一些連接點，重復點，把握這些重復點和連接點，幫助學生構建知識網絡。在必修第41頁練習與應用第6題圖1出現了兩個電極分別在兩個裝了稀硫酸的燒杯中的示意圖，對應的問題是圖1所示裝置能將化學能轉化為電能，顯然這里主要考察的是原電池的能量轉換，但是卻涉及了類似雙液原電池的裝置。我們可以在選擇性必修中雙液原電池的教學開始前，可以先利用這道題目幫助學生回憶原電池的構成要素，幫助學生回憶起前知識，在利用這個裝置中不會有電流流過，與選擇性必修中鋅銅雙液原電池進行對比，學生很容易發(fā)現增加了鹽橋這一裝置溶液又可以導電了，帶著這樣的好奇心進行接下來的學習。另外燃料電池在整個學習過程中也是一個不斷發(fā)展的銜接點，在必修中先是在科學·技術·社會這一欄目中介紹了發(fā)展中的燃料電池，了解到燃料電池的原材料和優(yōu)點以及用途后，在研究與實踐欄目對車用電源進行了討論，認為燃料電池作為車用電池污染小，能量轉換高。到了選擇性必修中燃料電池那一小節(jié)中增加了車用燃料電池的示意圖，認為它是綠色發(fā)電站，最后又在實驗活動4中讓學生制作簡單的燃料電池，到了大學階段為了測量電動勢，引入了標準氫電極，標準氫電極的反應就是燃料電池中負極，屬于氣體-離子電極，是大學學習多種電極的其中之一。因此可以利用車用電源這一素材進行原電池的學習，增強各個學習階段知識之間的聯(lián)系，更好地銜接。在學習電解池中也可以利用電冶金這個銜接點，在必修化學課持續(xù)發(fā)展有講到一些金屬十分活潑只能采用電解法冶煉，并且在思考與討論欄目中提到了生產1mol鋁消耗的電能，也有鋁生產原理的示意圖，但是必修中關于對電冶金的原理不作要求，可以利用這個作為學習電化學的連接點，作為選擇性必修中引出電解池的學習。

3.關注中學與大學相異性知識

在中學的學習過程中，由于學生的認知水平和思維能力還不算特別高，電化學相關知識為了避免繁難偏舊，很多知識點的歸納都不夠全面，如果教師一味注重學生對電極反應的書寫，離子放電順序等知識的記憶，就會導致學生在高中和大學階段的學習產生斷層。因此在教學中，教師應該注重對學生能力的培養(yǎng)，為大學期間對電化學的深入學習做好鋪墊。在必修中探究欄目，建議電池的設計與制作進一步體會原電池的構成要素，其中“問題與討論”中原電池的構成要素不要讓學生簡單直觀地得出結論——“一定有兩個活潑性不同的金屬電極”，這樣顯然和后面學習的燃料電池中相同的電極材料及大學將要學習的幾種電極類型不相同，會引起學生迷思。應該引導學生簡單概括為形成閉合回路，有電極，有自發(fā)的氧化還原反應。中學階段大多依據金屬活動性順序表判斷原電池的正、負極和離子的放電順序，但是原電池和電極是多種多樣的，僅靠這種辦法去記憶判斷是不夠的，因為隨著反應條件和環(huán)境的不同，放電順序是不相同的，需要根據電對的電極電勢來進行判斷，但是中學并沒有涉及到大學無機化學電極電勢的概念和影響電極電勢的因素。因此在中學的學習過程中，教師在講解利用金屬活動性順序表判斷時，一定要強調只是在一般情況下，這種順序并不是絕對的，以免學生對這個放電順序形成絕對化的觀念，也從側面讓學生認識到環(huán)境和條件對結論的影響。

總而言之，在電化學的四個學習階段中，內容銜接緊密，認知角度，模型認知層級、學習能力隨著電化學內容的深廣度的增加逐漸發(fā)展完善。在教學中，教師充分了解各階段的銜接特點，并且選擇合適的教學策略進行教學，才能幫助學生系統(tǒng)完整地掌握電化學知識結構。

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