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        高中化學(xué)“電化學(xué)”主題的基本課程問題探析

        2021-09-10 13:25:18黃鳴春薄一琳
        化學(xué)教學(xué) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:教科書電化學(xué)高中化學(xué)

        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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