黃鳴春 薄一琳

摘要：選取改革開放以來5版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱及對(duì)應(yīng)的5版人民教育出版社出版的高中化學(xué)教科書，采用內(nèi)容分析法，站在促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展的角度從知識(shí)、活動(dòng)、素材上梳理電化學(xué)主題基本的課程內(nèi)容選取和組織問題。研究發(fā)現(xiàn)：電化學(xué)內(nèi)容選取上逐漸素養(yǎng)導(dǎo)向化，表現(xiàn)為概念的下位概念進(jìn)一步清晰，匹配知識(shí)的活動(dòng)和素材趨向豐富多變。有些知識(shí)內(nèi)容尚待討論。主題內(nèi)的活動(dòng)設(shè)計(jì)缺乏穩(wěn)定性，電化學(xué)應(yīng)用相關(guān)實(shí)驗(yàn)存在差異。課標(biāo)缺乏穩(wěn)定的電化學(xué)原型素材，教科書中體現(xiàn)學(xué)科前沿化的素材有待進(jìn)一步挖掘。在內(nèi)容組織上，形成了從原理到應(yīng)用的二元組織思路。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué); 電化學(xué); 課程問題; 教科書

文章編號(hào)：1005-6629（2021）08-0027-06

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題提出

電化學(xué)主題在整個(gè)高中化學(xué)學(xué)習(xí)中占據(jù)非常重要的地位，通過以“電化學(xué)、電解池、原電池、腐蝕”為主題，分別選定《化學(xué)教育》《化學(xué)教學(xué)》期刊，進(jìn)行檢索并在結(jié)果中再次以“教材”為主題進(jìn)一步檢索，發(fā)現(xiàn)目前文獻(xiàn)中對(duì)“電化學(xué)”的課程內(nèi)容研究主要有四個(gè)方面：一是教科書中“電化學(xué)”相關(guān)內(nèi)容辨析和釋疑;二是不同教科書中“電化學(xué)”內(nèi)容比較;三是“電化學(xué)”內(nèi)容的教材分析;四是“電化學(xué)”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與討論。已有文獻(xiàn)較少立足于課程立場(chǎng)，探究電化學(xué)主題內(nèi)容的穩(wěn)定性和趨勢(shì)。本研究試圖基于促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展的角度從知識(shí)、活動(dòng)、素材上梳理電化學(xué)主題內(nèi)容基本的課程內(nèi)容選取和組織問題。

2 分析框架

基于文獻(xiàn)[1，2]及課程標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，本研究建構(gòu)電化學(xué)課程內(nèi)容的分析框架見圖1。其中，電化學(xué)主題內(nèi)容分為以下四個(gè)方面：（1）電化學(xué)構(gòu)成要素，包括電極材料、電極反應(yīng)物和電極產(chǎn)物、離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體;（2）電化學(xué)過程，包括電荷移動(dòng)及流向、放電順序;（3）電化學(xué)反應(yīng)及表征，即電池總反應(yīng)方程式和電極反應(yīng);（4）電化學(xué)應(yīng)用，包括不同的化學(xué)電源、金屬的腐蝕與防護(hù)、電解原理的應(yīng)用。其中（1）（2）（3）可歸為電化學(xué)的原理。針對(duì)這四個(gè)方面，從知識(shí)、活動(dòng)、素材三個(gè)方面來進(jìn)行課程分析?；顒?dòng)為教科書中的活動(dòng)性欄目所體現(xiàn)，主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)類活動(dòng)。

素材主要指的是選取的原電池、電解池、金屬的腐蝕與防護(hù)的原型和應(yīng)用實(shí)例。

3 研究對(duì)象與方法

研究對(duì)象為1978～2020年高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱（以下簡(jiǎn)稱課標(biāo)/大綱）及相應(yīng)人民教育出版社出版的高中化學(xué)教科書中的“電化學(xué)”內(nèi)容，涉及的高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱及對(duì)應(yīng)教科書見表1，在后文中以年份表示課程標(biāo)準(zhǔn)和教科書。本研究主要采用內(nèi)容分析法，基于促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展的角度從知識(shí)、活動(dòng)、素材上梳理電化學(xué)主題基本的課程內(nèi)容選取和組織問題。

4 研究結(jié)果

4.1 電化學(xué)內(nèi)容選取上逐漸素養(yǎng)導(dǎo)向化，表現(xiàn)為概念的下位概念進(jìn)一步清晰，匹配知識(shí)的活動(dòng)和素材趨向豐富多變

4.1.1 歷年課標(biāo)/大綱中電化學(xué)主題內(nèi)容選取在知識(shí)上基本穩(wěn)定為電化學(xué)的原理和應(yīng)用，匹配的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不穩(wěn)定，素材不具體外顯

首先，知識(shí)上，原電池、電解池、電化學(xué)應(yīng)用是固定選取的內(nèi)容，電化學(xué)過程未涉及，差異在于是否明確提出電化學(xué)構(gòu)成要素以及電化學(xué)表征的要求，

具體情況見表2。僅2017年必修中的學(xué)業(yè)要求提及了原電池的構(gòu)成要素，其他均未提及。每版課標(biāo)/大綱均選取了原電池和電解池原理。2017年選擇性必修的學(xué)業(yè)要求中對(duì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原電池和電解池做出了要求，而其他課程標(biāo)準(zhǔn)均未提及。電化學(xué)過程在這五版課標(biāo)/大綱均無明確表述。電化學(xué)表征只在2003年版課程標(biāo)準(zhǔn)中被提及，對(duì)電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式做出了要求。電化學(xué)應(yīng)用在這五版課程標(biāo)準(zhǔn)中均被選取，具體表述有細(xì)微差異。

其次，活動(dòng)上，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取一直都有變化，具體情況見表3。整體來看，這5版課標(biāo)/大綱中實(shí)驗(yàn)類活動(dòng)與電化學(xué)過程和電化學(xué)應(yīng)用有關(guān)。前后出現(xiàn)過3個(gè)與電化學(xué)過程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。與電化學(xué)應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)共出現(xiàn)過4個(gè)。電鍍實(shí)驗(yàn)除了2003年沒有提及外，其他年份均有提及。金屬的電化學(xué)腐蝕只在1983年和1994年出現(xiàn)過，2003年的內(nèi)容要求中有相關(guān)文字表述“通過實(shí)驗(yàn)探究防止金屬腐蝕的措施”。制作簡(jiǎn)單的燃料電池只在2017年為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。

最后，課標(biāo)/大綱中列出的具體素材逐步減少，具體情況見表4。只有1994年明確提到電化學(xué)原理選取的是“銅鋅原電池”和“電解氯化銅溶液”素材，其他沒有明確指明。前三版教學(xué)大綱中列出的是電化學(xué)的具體應(yīng)用，后兩版課程標(biāo)準(zhǔn)沒有明確提出“電解食鹽水”這樣的具體應(yīng)用，而是概括為認(rèn)識(shí)電解的應(yīng)用。干電池、蓄電池是在1978年被明確提出具體的化學(xué)電源，1983年和1994年沒有提到“化學(xué)電源”，2003年和2017年提到“化學(xué)電源”，但未給出具體種類。前三版課標(biāo)/大綱均提及電解食鹽水、電鍍，1994年還提到了立式隔膜電解槽，同時(shí)還給出了兩種具體的金屬防護(hù)方法。

4.1.2 教科書中電化學(xué)內(nèi)容選取在原理知識(shí)上進(jìn)一步精確化，而在電化學(xué)應(yīng)用、匹配的活動(dòng)及素材上穩(wěn)固了一定的原型，也在逐步豐富中

首先，知識(shí)上，原電池、電解池的定義及其中電荷的流向，電池反應(yīng)方程式，電鍍定義、金屬的腐蝕定義、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的定義、鐵的吸氧和析氫腐蝕原理，以及犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法是固定選取的內(nèi)容，存在爭(zhēng)議的選取內(nèi)容有：電化學(xué)的構(gòu)成要素、離子的放電順序、電冶金的概念、外接電流的陰極保護(hù)法等內(nèi)容。

（1） 電化學(xué)構(gòu)成要素未在教科書中有明確表述。

在前3版教科書中電化學(xué)構(gòu)成要素沒有被明確地表述，在2007年必修的思考與交流欄目中有提出原電池（單液原電池）組成的問題，在2019年必修的探究欄目中，通過制作水果電池的實(shí)驗(yàn)探究“電池不可或缺的構(gòu)成部分有哪些”，在選擇性必修的思考與討論欄目中，要求學(xué)生“繪制反映原電池工作原理的示意圖，示意圖要求注明原電池（雙液原電池）組成”。

（2） 電化學(xué)過程不同版本教科書闡述邏輯和詳盡程度稍有不同，放電順序有待討論。

5版教科書對(duì)于原電池（單液原電池）的電子電荷移動(dòng)及流向的表述是相同的，原電池（雙液原電池）的電荷移動(dòng)及流向的核心內(nèi)容是相同的，只是表述有所差別。電解池內(nèi)容中，2019年只介紹了陰離子、陽(yáng)離子的遷移方向，并未明確給出電子的運(yùn)動(dòng)方向，而是以活動(dòng)的形式讓學(xué)生標(biāo)注出來，其他教科書均明確給出了電子電荷移動(dòng)及流向。電解池的電化學(xué)過程還涉及到放電順序，電解CuCl2溶液的內(nèi)容中，1980、 1984和1995年均介紹了Cu2+和H+、 Cl-和OH-的放電順序，2007年有提及但沒有討論，2019年未提及。

（3） 電極反應(yīng)的表征即電極反應(yīng)式均在教科書中呈現(xiàn)。但5版教科書中均未給出電極反應(yīng)的明確概念，電池總反應(yīng)的概念待明晰。

（4） 電化學(xué)應(yīng)用內(nèi)容有明顯變化。

對(duì)于金屬腐蝕的內(nèi)容，5版教科書均選取了金屬腐蝕的定義、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的定義、析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理、電鍍的定義。在金屬的防護(hù)內(nèi)容中，1995年只介紹了犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法，刪減了外加電流的陰極保護(hù)法，2007年和2019年增加了電冶金的內(nèi)容。

其次，活動(dòng)上，實(shí)驗(yàn)類活動(dòng)穩(wěn)定不變的是Zn-Cu-稀硫酸（單液原電池）、CuCl2溶液電解實(shí)驗(yàn)，存在爭(zhēng)議的是鋅銅原電池（雙液原電池）、電解食鹽水、電鍍、鐵釘?shù)奈醺g、犧牲陽(yáng)極法實(shí)驗(yàn)。

從5版教科書中電化學(xué)實(shí)驗(yàn)選取情況來看，Zn-Cu-稀硫酸（單液原電池）、CuCl2溶液電解是穩(wěn)定不變的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。前3版教科書中的實(shí)驗(yàn)類活動(dòng)是相同的，還有電解食鹽水和鍍鋅實(shí)驗(yàn)，2007年和2019年教科書刪去了鍍鋅實(shí)驗(yàn)，主要是由于缺乏適合中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的較為理想的鍍液，實(shí)驗(yàn)常常難以達(dá)到預(yù)期的效果[13]?！半娊馐雏}水”由實(shí)驗(yàn)變?yōu)檎?，增加的“鋅銅雙液原電池實(shí)驗(yàn)”能夠讓學(xué)生從宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象探究微觀原理，更好地理解原電池（雙液原電池）的構(gòu)成與工作原理;“簡(jiǎn)易電池的制作”能夠讓學(xué)生探究原電池的構(gòu)成要素;“鐵釘?shù)奈醺g實(shí)驗(yàn)”能夠幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)金屬的吸氧腐蝕原理;“犧牲陽(yáng)極法實(shí)驗(yàn)”說明利用電解原理如何阻止金屬的腐蝕。

最后，素材上，穩(wěn)定不變的是Zn-Cu-稀硫酸（單液原電池）和電解CuCl2溶液這兩個(gè)電化學(xué)原型，化學(xué)電源和電解實(shí)例均有所增減。

從電化學(xué)原型來看，5版教科書中原電池（單液原電池）均選用Zn-Cu-稀硫酸電池原型，2007年選修和2019年選擇性必修中增加了原電池（雙液原電池），并選用鋅銅原電池原型，用鹽橋連接兩種電解質(zhì)溶液。5版教科書電解池均選用電解CuCl2溶液原型，負(fù)極材料和正極材料均為石墨棒。5版教科書中均未區(qū)分電極和電極材料，未提及離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體的概念，也未指明電池模型中離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體分別是什么。

從電化學(xué)應(yīng)用實(shí)例來看，化學(xué)電源的種類不斷豐富，1980年、1984年和1995年的化學(xué)電源內(nèi)容只是簡(jiǎn)單提及干電池和蓄電池的應(yīng)用，2007年對(duì)酸性鋅錳干電池的構(gòu)造，鋰離子電池的性能和用途，堿性鋅錳干電池、紐扣式鋅銀電池、鉛蓄電池和燃料電池的構(gòu)造和電極反應(yīng)進(jìn)行了介紹，2019年在2007年的基礎(chǔ)上刪減了紐扣式鋅銀電池，介紹了鋰離子電池的用途和一種鋰離子電池的電極反應(yīng)。

而電解的典型素材為電解食鹽水，但使用的生產(chǎn)設(shè)備不同。1980年、1984年和1995年介紹了工業(yè)上電解食鹽水采用立式隔膜電解槽，2007年將其刪減，2019年則是離子交換膜電解槽。每版教科書都有電鍍的概念，不同的是1980年、1984年和1995年電鍍的應(yīng)用都是以鍍鋅為例，2007年和2019年改為銅的電解精煉。而電冶金的內(nèi)容，1980年和1984年沒有提及，1995年選取的是鋁的冶煉，2007年和2019年選取的是電解熔融氯化鈉制取鈉。

4.2 電化學(xué)內(nèi)容組織上內(nèi)部形成了從原理到應(yīng)用的二元組織思路

首先，電化學(xué)內(nèi)容的一級(jí)組織問題是電化學(xué)內(nèi)容與化學(xué)反應(yīng)與能量、化學(xué)反應(yīng)速率與平衡、水溶液相關(guān)主題知識(shí)的組織順序問題，人教版教科書電化學(xué)內(nèi)容組織見圖2。1980年、1984年和1995年版教科書電化學(xué)內(nèi)容都是在電解質(zhì)溶液之后，均將原電池內(nèi)容和金屬的腐蝕防護(hù)放在一節(jié)內(nèi)容中，之后才是電解和電鍍。2007年和2019年版教科書把必修中的電化學(xué)內(nèi)容放在能量部分，與能量聯(lián)系在一起，建立起完整的與能量相關(guān)的知識(shí)邏輯體系。

其次，電化學(xué)內(nèi)容本體的組織是其二級(jí)組織的問題，總體上從原電池到電解池的順序。金屬的腐蝕與防護(hù)起初是和原電池在一節(jié)，后來單獨(dú)成節(jié)。由于電化學(xué)腐蝕的兩種防護(hù)方法分別應(yīng)用原電池原理和電解原理，金屬的腐蝕與防護(hù)單獨(dú)成節(jié)，并且放在原電池和電解池之后是合適的。

最后，每一節(jié)內(nèi)容的組織是其三級(jí)組織的問題，總體上是從電化學(xué)原理到電化學(xué)應(yīng)用，以原電池為模型認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，認(rèn)識(shí)生活中的電源，進(jìn)而認(rèn)識(shí)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方式，即電解池，認(rèn)識(shí)電解原理在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，最后基于對(duì)電化學(xué)原理的認(rèn)知了解金屬腐蝕的原理，解決生活中“金屬的腐蝕與防護(hù)”問題。5版教科書中，章順序按照原電池-電解池進(jìn)行組織，章內(nèi)部每一節(jié)都是按照“原理—應(yīng)用”的順序編排的。基于分析，5版教科書中電化學(xué)內(nèi)容的組織邏輯見圖3。

基于上述分析，可以看出我國(guó)高中電化學(xué)核心課程內(nèi)容的選取和組織都呈現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，但也存在一些待討論的問題。一方面對(duì)于具體內(nèi)容，如“電化學(xué)原型”仍然存在可討論的空間，一是所放的位置教材中呈現(xiàn)不同，是內(nèi)容組織問題。二是知識(shí)選取的價(jià)值問題。如原電池的原型一直都是Zn-Cu-稀硫酸（單液原電池），但這個(gè)原型存在的局限性也很明顯，如實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與教科書上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述不一致、易引發(fā)學(xué)生對(duì)于原電池模型及其工作原理的錯(cuò)誤理解等[15]。因此，關(guān)于電化學(xué)穩(wěn)定原型的選擇，仍會(huì)成為課程論的一個(gè)問題。另一方面，在《化學(xué)教育》《化學(xué)教學(xué)》期刊上，電化學(xué)主題的相關(guān)文獻(xiàn)近千篇，而這些研究性的內(nèi)容應(yīng)該作為教科書內(nèi)容更新的支撐之一。

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