高中化學(xué)教材中氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)內(nèi)容的比較研究*

馬朋朋 周 青

（陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 陜西 西安 710062）

氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)是高中化學(xué)教學(xué)中的重點和難點。氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生從元素化合價變化與電子轉(zhuǎn)移的角度認識化學(xué)反應(yīng)，理解宏觀反應(yīng)現(xiàn)象與物質(zhì)微觀內(nèi)在結(jié)構(gòu)的必然聯(lián)系，對化學(xué)反應(yīng)的認識不再局限于僅僅依靠對宏觀現(xiàn)象的判斷；電化學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生深化理解氧化還原反應(yīng)，讓學(xué)生深刻體會到化學(xué)反應(yīng)的能量變化現(xiàn)象，認識電能和化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)化的裝置，認識到運用化學(xué)知識發(fā)展技術(shù)的現(xiàn)實性，讓學(xué)生體會到科學(xué)的價值與魅力所在，形成運用化學(xué)原理發(fā)展技術(shù)的能力［1］。本文通過比較基礎(chǔ)教育發(fā)達國家高中化學(xué)教材中氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)內(nèi)容的選取、呈現(xiàn)和編排特點［2］，為我國高中化學(xué)教材中氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)編寫和實際教學(xué)過程提供反思與啟示。

一、知識內(nèi)容的選擇比較

本文選取的研究對象是： 人民教育出版社2007年出版的《化學(xué)1（必修）》，《化學(xué)2（必修）》，《化學(xué)4（選修）》（中國）；Glencoe／McGraw－Hill 公司2009年出版的Chemistry：Concepts and Application （化學(xué)：概念與應(yīng)用）（美國）；Pearson Australia Education 公司2010年出版的《Chemistry 1》和《Chemistry 2》（澳大利亞）；Pearson South Asia Pte Ltd Education 公 司2007年出版的《CHEMISTRY INSIGHTS （O－Level）》（新加坡）；Pearson Longman Education 公 司2004年 出版的《Longman GCSE Chemistry》（英國）。

根據(jù)氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)知識的內(nèi)容特點，我們將氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)的知識內(nèi)容分為氧化還原反應(yīng)、原電池、電解池三個部分來分析。上述五個國家高中化學(xué)教材中氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)內(nèi)容選取見表1。

表1 五個國家氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)選取的知識點

原反應(yīng)黑白相片制作、火箭發(fā)動機的能源、煉鐵爐的原理、呼吸測醉器的原理、自由女神像為什么顯綠色、閃電下的氮反應(yīng)、銀器遇硫化氫變黑、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光、蘋果生銹金屬腐蝕、金屬冶煉、火山爆發(fā)、金屬和酸的反應(yīng)高錳酸根滴定雙氧水濃度的計算、碘單質(zhì)氧化二氧化硫的實驗及計算、重鉻酸鉀的氧化性、重鉻酸鉀滴定乙醇反應(yīng)計算金屬腐蝕、金屬冶煉、燃燒、腐敗、電鍍鋅和硫酸銅的反應(yīng)、銅和硝酸銀的反應(yīng)、鈣鎂鋅鐵和水的反應(yīng)、氫氣和氧化銅的反應(yīng)、金屬活動表預(yù)測原電池原電池定義、電池回路、正負極反應(yīng)、鹽橋 原電池定義、正負極反應(yīng)歷史上第一個原電池、檸檬電池、銅鎂電池、銅鋅原電池、檸檬電池串聯(lián)、干電池組裝、人體內(nèi)的電流、燃料電池工作、蓄電池鋅氫電池的半反應(yīng)及化學(xué)式原電池定義、電池回路、正負極反應(yīng)、鹽橋干電池原電池定義、電池回路、正負極反應(yīng)、鹽橋、發(fā)電原理銅鋅原電池、鋅錳電池、鉛蓄電池、燃料電池、鐵的吸氧析氫腐蝕、犧牲陽極保護原電池定義正負極反應(yīng)、標(biāo)準(zhǔn)氫電極的定義、常見金屬標(biāo)準(zhǔn)電極電勢、探究金屬活潑性與電壓及正負極的關(guān)系丹尼爾電池、微電池、氫氧燃料電池陰陽級、能量變化、回路 陰陽極、正負極、能量變化、回路陰陽極、能量變化、回路陰陽級、正負極能量變化回路電解、電解質(zhì)、電解的原理、金屬和碳的導(dǎo)電性電解池熔融氯化鈉電解、氯化鈉溶液電解、銅鋅原電池和電解池的區(qū)別、冶金、電鍍、外加電源保護金屬、電泳、DNA分離鑒別熔融氯化鈉電解、硫酸電解、硫酸銅電解、冶金、電鍍、外加電源保護金屬、化學(xué)藥品的制備、銅線提純氯化鈉溶液電解、氯化銅溶液電解、冶金、電鍍、外加電源保護金屬熔融氯化鈉電解、氯化鈉溶液電解、硫酸電解、硫酸銅電解、熔融溴化鉛電解、庫倫的概念、電量庫倫與電流的關(guān)系轉(zhuǎn)換、法拉第定義的概念、金屬電極的電勢、電解硫酸銅、電解涉及氣體的相關(guān)計算、電解硫酸時間計算、電解鹽橋連接的兩種溶液的計算

由表1 我們可以發(fā)現(xiàn)：

在氧化還原反應(yīng)內(nèi)容選取上，五個國家高中化學(xué)教材都是從化合價變化和電子得失的角度給出氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、氧化劑、還原劑、氧化還原反應(yīng)定義。在能力要求上，五個國家高中化學(xué)教材都要求氧化還原反應(yīng)方程式和半反應(yīng)的書寫，中國、美國、新加坡高中化學(xué)教材還給出了用單線橋和雙線橋表示出電子轉(zhuǎn)移的方法；新加坡和澳大利亞高中化學(xué)教材選取氧化數(shù)的計算；澳大利亞高中化學(xué)教材還選取了運用氧化還原反應(yīng)滴定法求溶液濃度的計算。

在原電池內(nèi)容選取上，英國高中化學(xué)教材選取的內(nèi)容最多，包括原電池定義、正負極反應(yīng)、電極電勢、標(biāo)準(zhǔn)氫電極、參比電極、金屬活潑性與電壓的關(guān)系、金屬活潑性與正負極的關(guān)系。美國、澳大利亞、中國的高中化學(xué)教材包括原電池定義、正負極反應(yīng)、電池中電流回路、雙液電池、鹽橋。新加坡高中化學(xué)教材僅選取原電池定義和正負極反應(yīng)。

在電解池知識內(nèi)容選取上，英國高中化學(xué)教材選取的內(nèi)容最多，有電解原理、陰陽級、電子流向、金屬的導(dǎo)電性、庫倫定律以其計算；美國、新加坡、中國高中化學(xué)教材僅有電解原理、陰陽極反應(yīng)、電子流向。

二、編排比較

表2 為五個國家高中化學(xué)教材的章節(jié)分布匯成表格。

由表2 我們可以發(fā)現(xiàn)，將氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)的內(nèi)容分四章編排的是英國高中化學(xué)教材。英國高中化學(xué)教材將氧化還原反應(yīng)編在章題目為“一系列化學(xué)反應(yīng)”的第6 章中，該章六節(jié)的標(biāo)題依次是：“金屬氧化物的置換反應(yīng)”、“氧化還原”、“鹽溶液的置換反應(yīng)”、“金屬與水反應(yīng)”、“使用氫作為還原劑”、“用反應(yīng)做預(yù)測”等。其第11 章是“電解池”，共分三節(jié)依次是：“一些重要背景”、“熔融化合物的電解”、“水溶液的電解”。其第12 章是“化學(xué)電池”分“原電池”和“燃料電池”兩節(jié)。其第27 章是“電解計算”用“如何解釋電極方程式”和“一些實例計算”兩節(jié)編排電極反應(yīng)原理和電解池的相關(guān)計算。

表2 五個國家高中化學(xué)教材的章節(jié)分布表

中國高中化學(xué)教材將氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)分“氧化還原反應(yīng)”、“化學(xué)能與電能”、“電化學(xué)基礎(chǔ)”三章編排，依次分布在必修一、必修二、選修四中。“氧化還原反應(yīng)” 被編為必修一第2 章 “化學(xué)物質(zhì)及其變化”的第三節(jié)。“化學(xué)能與電能”被編在必修二第2 章“化學(xué)反應(yīng)與能量”的第二節(jié)。選修四第4 章是“電化學(xué)基礎(chǔ)” 共分四節(jié)編排依次是：“原電池”、“化學(xué)電源”、“電解池”和“金屬的電化學(xué)腐蝕與防護”。

美國、澳大利亞和新加坡高中化學(xué)教材都將氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)分兩章編排。美國高中化學(xué)教材的第16 章是“氧化還原反應(yīng)”，用“自然界中的氧化還原反應(yīng)”和“氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用”兩節(jié)編排。其第17 章是“電化學(xué)”用“原電池：從化學(xué)能到電能”和“電解池：從電能到化學(xué)能”兩節(jié)編排；澳大利亞高中化學(xué)教材上冊第14 章是“氧化還原反應(yīng)與金屬反應(yīng)”，共分三節(jié)分別為“氧化和還原”、“原電池”和“腐蝕”。下冊進一步強化氧化還原反應(yīng)，其第4 章是“氧化還原反應(yīng)容量分析”共分兩節(jié)依次是“氧化還原反應(yīng)”和“氧化還原滴定”； 新加坡高中化學(xué)教材用 “氧化還原反應(yīng)”和“電解”兩章編排氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)，第19章“氧化還原反應(yīng)”分六節(jié)依次是“氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的應(yīng)用”，“從得氧、失氧理解氧化反應(yīng)還原反應(yīng)”，“從得電子、失電子理解氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)”，“氧化數(shù)”，“從氧化數(shù)的變化理解氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)”。第20 章“電解”分6 節(jié)依次為“電解的應(yīng)用”、“電解”、“熔融化合物的電解”、“水溶液的電解”、“電鍍和原電池”。由此可知，新加坡高中化學(xué)教材重點編排氧化還原反應(yīng)和電解； 澳大利亞高中化學(xué)教材中沒有電解池，重點編排氧化還原反應(yīng)。

三、內(nèi)容呈現(xiàn)方式比較

1．氧化還原反應(yīng)

對于氧化還原反應(yīng)概念的呈現(xiàn)，美國高中化學(xué)教材是先給出真實的生活情景，如對蘋果生銹、銀器發(fā)黑、雷電現(xiàn)象、火山原理、熒光現(xiàn)象、制作照片等，讓學(xué)生建立起氧化還原反應(yīng)概念。然后從化合價和電子得失的角度分析一系列化學(xué)反應(yīng)實例，以幫助學(xué)生理解氧化還原反應(yīng)的特征，最后再給出實例讓學(xué)生運用氧化還原反應(yīng)的原理進行判斷理解。英國高中化學(xué)教材以金屬的化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)氧化還原反應(yīng)內(nèi)容。例如對金屬的置換反應(yīng)、鹽溶液的置換反應(yīng)、金屬與水反應(yīng)，及以氫作為還原劑、預(yù)測金屬活動性順序等反應(yīng)分析，增加學(xué)生對氧化還原反應(yīng)的理解。

2．原電池內(nèi)容

在原電池內(nèi)容呈現(xiàn)上，澳大利亞高中化學(xué)教材先通過大量的原電池工作原理圖片和原電池內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式呈現(xiàn)原理，然后再分析生活中的干電池和金屬的電化學(xué)腐蝕等增加學(xué)生對原電池的感性認識。美國高中化學(xué)教材所舉出的實例最豐富，先介紹歷史上第一個原電池， 然后列舉各種各樣的原電池，例如人體內(nèi)的原電池、檸檬電池、干電池等增加學(xué)生對原電池的感性認識， 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)原電池的興趣；英國高中化學(xué)教材是通過干電池、微電池、丹尼爾電池呈現(xiàn)原電池相關(guān)原理；中國高中化學(xué)教材則直接呈現(xiàn)銅鋅原電池、鋅錳電池、鉛蓄電池、燃料電池進行原電池原理講解。新加坡高中化學(xué)教材中呈現(xiàn)的原電池內(nèi)容很少，主要是通過鋅氫電池學(xué)習(xí)原電池原理。

3．電解池內(nèi)容

在電解池內(nèi)容的呈現(xiàn)上，美國、英國和中國高中化學(xué)教材相似。美國高中化學(xué)教材以熔融氯化鈉電解和氯化鈉溶液電解為例，用圖片形式說明電解池的陰陽極反應(yīng)、電子流動方向、電流回路及物質(zhì)的變化情況等，圖文并茂，便于理解。中國高中化學(xué)教材以氯化鈉溶液電解為例， 所呈現(xiàn)的電解池知識與美國相同，但因主要采用文字講解顯得略遜于美國。英國高中化學(xué)教材以熔融氯化鈉電解、氯化鈉溶液電解、硫酸和硫酸銅溶液電解為例先講解電解池的基本理論，呈現(xiàn)較多概念，然后給出庫倫定義等進行與電解相關(guān)的計算。美國和中國高中化學(xué)教材都舉出了電解池的工業(yè)應(yīng)用，如冶金、電鍍、外加電源保護金屬，但美國高中化學(xué)教材有DNA 分離鑒別等生活應(yīng)用，而中國沒有。英國給出的應(yīng)用實例很少。澳大利亞高中化學(xué)教材沒有電解池。

四、結(jié)論與啟示

通過比較上述五個國家高中化學(xué)教材中氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)的內(nèi)容選取、編排和呈現(xiàn)特點我們可以得出以下結(jié)論：

在內(nèi)容選取上，五國高中化學(xué)教材對于氧化還原反應(yīng)都選取了相同的基本概念；美國高中化學(xué)教材選取的反應(yīng)類型貼近生活，重視學(xué)生的感性認識；澳大利亞高中化學(xué)教材重視培養(yǎng)學(xué)生的氧化還原反應(yīng)計算能力；在原電池和電解池的內(nèi)容選取上，英國高中化學(xué)教材內(nèi)容選取較深，不僅有關(guān)于原電池和電解池的概念，還有庫倫定律概念，并用電解計算鞏固學(xué)生對原理的理解。在編排上，五國高中化學(xué)教材都以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)講解原電池和電解池。

對我國高中化學(xué)教材氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)的編寫和教學(xué)設(shè)計啟示如下［3］：

在氧化還原反應(yīng)原理的內(nèi)容設(shè)計上應(yīng)提供學(xué)生感性認識的引導(dǎo)性設(shè)計，給出大量的氧化還原反應(yīng)的具體實例，引導(dǎo)學(xué)生分析探索，掌握氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)特征。在電解池、原電池的內(nèi)容呈現(xiàn)方式上運用多種表征方式，例如可以將電流走向、電極反應(yīng)、溶液中離子移動和交換都在圖片上清晰注明，便于學(xué)生理解掌握。同時要重視選取的基于電化學(xué)原理的工業(yè)和生活中的實例， 注意內(nèi)容的時代性和科學(xué)前沿性，例如電解在制藥和基因工程上的應(yīng)用。

［1］周青，朱雪蓮，楊輝祥．英美兩種高中化學(xué)教材中原電池內(nèi)容的編制特點［J］．化學(xué)教育，2008，（1）：13－15

［2］周麗嬌．教材比較研究策略例談 ［J］．中小學(xué)數(shù)學(xué) （小學(xué)版），2013，（11）：11－12

［3］吳馮．中美化學(xué)教材中“氧化還原反應(yīng)”課例比較［J］．化學(xué)教與學(xué)，2013，（8）：58－59