高中生“化學能與電能相互轉化”學習進程分析

夏 軍

(江蘇省寶應縣畫川高級中學，江蘇 寶應 225800)

高中生“化學能與電能相互轉化”學習進程分析

夏 軍

(江蘇省寶應縣畫川高級中學，江蘇 寶應 225800)

學習進程在課程教學方面有重大的研究價值，因而受到研究者們的廣泛關注。文章選擇“化學能與電能相互轉化”這一主題，旨在建構中學生“化學能與電能相互轉化”的學習進程，從而為化學教學提供一定的參考依據。根據中學化學課程中有關“化學能與電能相互轉化”的學習要求和內容，對其學習進程做了分析，并提出了電化學相關內容的教學建議。

學習進程；化學能與電能；相互轉化

一、問題的提出

1.問題提出的背景

在日常的生產生活中，我們經常會遇到電能與化學能相互轉化的實例。比如，各種類型的電池即利用化學反應將化學能直接轉化為電能；而電解、電鍍等工業技術則是將電能轉化為化學能。因此，向學生傳授“化學能與電能相互轉化”即電化學的相關知識，尤其重要與必要。另外，在近幾年江蘇的化學高考中，電化學相關知識每年都會出現，并且占有一定的比例，經常會與其他知識點結合起來考查，十分重視其在生產生活中的應用。

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

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

(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和電池反應方程式；

(3)了解常見的化學電源，認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用；

(4)認識金屬腐蝕的危害，理解金屬發生電化學腐蝕的原因，能運用恰當的措施防止鐵、鋁等金屬腐蝕；

(5)了解提高燃料的燃燒效率、開發高能清潔燃料和研制新型化學電源的重要性。

電化學所涉及的知識點多且復雜，中學生在學習這一塊知識時面臨著很大的難題。因此，本文選擇了“中學化學課程中的電化學部分”作為研究對象，旨在建構中學生“化學能與電能相互轉化”的學習進程，從而為踐行化學有效教學提供一定的參考與依據。

2.問題研究的意義

(1)有利于提高學生自主學習能力

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

(2)有利于提高化學課堂教學效率

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

二、學習進程的概念和相關界定

1.學習進程的概念

學習進程主要描述了學生在恰當的教學條件下，對科學概念以及相關科學實踐的理解和應用能力，隨著時間的推移趨于復雜、深入的過程。[2]有別于文科，理科的學習進程是要基于實證的，通過提出“學生在一定教學環境下，其理解和應用的能力隨時間的推移而增長且變得更加復雜化的可供檢驗”的假說。這些假說描繪了學生在學習學科核心內容時可能經歷的路線，這是在學生實際學習狀態的基礎上進行的研究，是聯系生活實際的，并不是根據個人的經歷或者已有的學科經驗推理所得。這些假說提出后，都要經過實證檢測來確定它們的建構效度(在給定的適當的教學條件下，假說序列是否描述了大部分學生實際經歷的路徑)和最終去評估它們的結果效度(基于學習進程的教學對大部分學生來說，結果是否會更好)。[3]

2.學習進程的構成

學習進程是對學生在某一階段內，對某一知識的理解隨時間的推移逐漸趨于復雜過程的描述，它側重于研究學生對核心概念的理解和解釋。從國內外已有的關于“學習進程”的文獻中，我們可以得出這樣的結論，即一個完整的學習進程必然包含五大要素：

(1)學習目標(learning targets)，它們是結合社會期望以及學科核心內容或者主題的理解，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，學生對各個學科中核心知識理解的變化過程。

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

(4)學習表現(learning performances)，它們是對某一特定階段的學生理解及技能狀況的操作性定義，這為學生驗證自己對某一學科知識的理解提供了可評估的發展規范。

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

3.學習進程的特征

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

(1)學習進程主要關注一些基本的、可產生規律性的概念和實踐。作為科學素養的核心，這些概念和實踐能夠將學習者的過去和將來聯系起來。

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

(3)在學習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有的研究學生的學習領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經驗)，這可以作為學生達到不同理解水平和能力的證據。

(4)學習進程的發展需要實踐的驗證。更確切地說，學習進程的發展需要通過大量重復循環的經驗測試和理論上的修訂并不斷地精煉細化。

(5)學習進程認為學生的學習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，可能更像生態演替過程。另外，學習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、高中化學課程中“化學能與電能相互轉化”的學習要求分析

電化學相關知識是高中化學課程的重要內容。《普通高中化學課程標準(實驗)》依據學生個性發展的多樣化需求，分別在必修課程模塊“化學2”和選修課程模塊“化學反應原理”中提出了與電化學相關的學習要求。為了促進學生科學素養的發展并為高中階段后續課程的學習打下基礎，必修課程模塊“化學2”中提出的要求很簡單，僅使用了“舉例說明”“了解”等達到認知性學習目標水平的用詞，目的在于使學生通過對簡單原電池和電解池的了解，認識化學能與電能的應用以及研制新型電池的重要性，知道電能轉化為化學能在實現物質間轉化中的作用。另外，選修模塊“化學反應原理”更側重于學生在“基本原理、基本規律、實際應用”等方面的目標達成。

綜上所述，筆者對高中化學課程標準中有關電化學內容的教學要求做了如下總結，詳見圖1：

圖1 中學化學課程標準中對電化學相關內容的教學要求

四、中學化學課程中“化學能與電能相互轉化”的學習進程分析

前文我們已經對中學化學課程中化學能與電能相互轉化的學習要求和學習內容進行了系統的描述，我們發現，中學生學習電化學不是一蹴而就的，是分多個階段并且逐漸深入和發展的。對此，筆者在理論和資料分析的基礎上，初步提出中學生化學能與電能相互轉化的學習進程，該進程包含五個層次的學習表現水平：

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

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

水平3：認識實現電能與化學能相互轉化的反應與氧化還原反應的關系，能用化學符號或圖形表征化學能與電能相互轉化的反應和裝置。達到該水平要求學生能夠：(1)知道化學能與電能的相互轉化是通過氧化還原反應來實現的；(2)了解原電池能將化學能轉化為電能，電解池能將電能轉化為化學能；(3)能舉出日常生產生活中常見的原電池和電解池的例子，如化學電源、電鍍等；(4)認識原電池和電解池的構成條件，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，知道各電極上發生的反應。

水平4：理解電能與化學能相互轉化的原理，能從宏觀、微觀和符號等多個維度表征化學能與電能相互轉化的過程。達到該水平要求學生能夠：(1)理解原電池及電解池的工作原理，能寫出各電極反應式及總反應方程式；(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，并構成一個閉合的回路；(3)掌握一些典型的化學電池工作原理，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上的應用。

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

五、結論與啟示

1.高中“化學能與電能相互轉化”教學應重視整體設計

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

2.高中“化學能與電能相互轉化”教學應遵循學生的認知規律

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

[1] 江蘇省教育考試院.2016年普通高等學校招生全國統一考試說明:江蘇卷[M].南京:江蘇教育出版社,2015.

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

[3] 苗寧.中學生“化學反應與能量”學習進程的研究[D].南京師范大學碩士學位論文,2012.

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

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

[6] 諶秀云.中學生化學反應學習進程研究[D]. 華東師范大學碩士學位論文,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，江蘇寶應人，江蘇省寶應縣畫川高級中學高級教師，主要從事學生學習需求和學習方式研究。