高中生學習“原電池”的困難分析和教學建議

徐宇峰 彭小平

摘要：梳理了高一、高二學生學習“原電池”時存在六個方面的困難，從學生的經(jīng)驗、認知發(fā)展水平和教師表述等角度細致分析了造成學習困難的原因，并提出相應的教學建議。

關(guān)鍵詞：原電池；學習困難；教學建議；原電池工作原理

文章編號：1008-0546（2016）04-0000-00 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.000

一、問題的提出

“原電池”是高中化學學科體系中的核心知識，是氧化還原反應理論的延伸與應用，是學習電解知識的基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)學生的思維能力和科學探究能力的好素材。同時，它還與生活生產(chǎn)中的實際問題緊密結(jié)合，對增強學生學化學、用化學的意識具有十分重要的作用。

學習者在初學始就要對原電池的宏觀現(xiàn)象進行微觀、抽象的解釋，并運用圖形和符號進行表達，隨著學習的深入，電池類型越來越豐富，概念和原理抽象程度越來越高，具體表達形式越來越多樣化，大部分學生在“原電池”的學習中都會遇到各種不同程度的困難。國內(nèi)化學教育研究者對“電化學”或“原電池”的教學研究一直非常注重，也獲得了許多成果。已有的關(guān)于“原電池”學習困難方面的研究[1-4]均從原電池設(shè)計原理、原電池構(gòu)成條件、電極判斷、電子及離子流向、電極方程式書寫和電極反應現(xiàn)象等多個方面，主要利用問卷、訪談的研究方法測查高中或大學不同年級學生有關(guān)電化學知識中存在的相異構(gòu)想，對改變學生錯誤概念提出了很多很有價值的建議。

本文是在已有的研究基礎(chǔ)上，以原電池的知識結(jié)構(gòu)為基本分析框架，根據(jù)高一、高二學生在原電池學習中存在的具體困難，從學生的經(jīng)驗、認知發(fā)展水平和教師表達等角度繼續(xù)深入分析造成學習困難的原因，并提出相應的教學建議。

二、原電池的知識結(jié)構(gòu)

1. 原電池的相關(guān)知識和先備知識

學習原電池時，學生需要具備一些相關(guān)知識和先備知識，其中既有化學學科內(nèi)知識，也有物理知識，不僅涉及大量事實性知識，還需要理論性知識的支持。這些相關(guān)知識和先備知識主要有：金屬的性質(zhì)、電解質(zhì)溶液性質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系、氧化還原理論和物理電學。它們與原電池內(nèi)容密切相關(guān)的具體內(nèi)容見表1：

在進行原電池教學前，教師要明確學生已經(jīng)具有上述知識（如果存在缺陷，就需要在課前進行必要的回顧），并探測學生對上述知識的融合水平。毫無疑問，學生如果存在某方面的知識缺陷或者知識的融合程度較低，都有可能對原電池的學習造成困難。

2. 原電池的知識框架

從原電池的知識框架可以看出，原電池內(nèi)容包括能量轉(zhuǎn)化形式、原理、結(jié)構(gòu)特點和應用四個方面。與“化學反應速率和平衡”、“鹽類水解”等化學原理相比較，“原電池”在生活中的實際應用更為突出，干電池、鉛蓄電池和紐扣電池等生活中常見的電池充分體現(xiàn)了化學學科與生產(chǎn)生活的緊密聯(lián)系。

三、學生在學習“原電池”的具體困難分析和教學建議

1. 關(guān)于原電池反應“原動力”

在蘇教版必修2“化學能轉(zhuǎn)化為電能”的教學中，善于思考的學生常常會問：反應開始的時候為什么電子會從鋅棒自動流向銅棒？大部分教師的解釋是因為鋅棒一旦和氫離子有極其微量反應后，就有鋅離子進入溶液，導致氫離子接近鋅棒時受到同種電荷的排斥，而氫離子在銅棒附近并沒有受到類似的排斥，更容易獲得電子，并且電子運動速度接近光速，一旦這個過程發(fā)生，那么鋅棒上的電子就持續(xù)的通過導線向銅棒輸送電子，形成電流。這也可以進一步解釋為什么當氧化還原反應構(gòu)成原電池后能加快反應速度。當有證據(jù)證明（燈泡亮起來、電流表指針偏轉(zhuǎn)）的確有電流時，一般情況下學生能夠接受上述的解釋。

仔細分析上述說法，我們可以發(fā)現(xiàn)這種解釋是模擬物理靜電作用力原理，看似能夠自圓其說，但是不能用來解釋后續(xù)的燃料電池和雙液電池，反而會造成了新的認知障礙。學習燃料電池和雙液電池不能使學生的知識結(jié)構(gòu)發(fā)生合理的順應、同化的過程，反而讓他們懷疑原有知識的正確性。

這樣的解釋也沒有解決學生的另一個疑問：反應物沒有相互接觸，為什么可以發(fā)生反應？在以往所知的化學反應中，反應物之間都是相互接觸的，學生默認為反應物之間的接觸是發(fā)生化學反應的基本前提。

教學建議：考慮到學生知識和能力水平，在必修階段可以籠統(tǒng)的以“電勢差”進行解釋。在高二選修階段，可以從金屬活動性比較出發(fā)，極為活潑的金屬（例如金屬鈉）在水中能自發(fā)解離為金屬陽離子和自由電子：M=Mn++ne-，隨著金屬活動性下降，這種解離程度越來越低：MMn++ne-，不同金屬（以及吸附在碳棒表面的氫氣）的解離程度有差異。以銅棒和鋅棒為例，如圖2所示，由于鋅活動性比銅強，鋅棒在水中的解離程度要強于銅棒（金屬離子并沒有真正進入溶液中），鋅棒上的電子比銅棒上多，當用導線將鋅棒和銅棒連接時，產(chǎn)生了電勢差，促使鋅棒上電子向銅棒上移動，使銅表面電子變得“富余”，鋅表面上電子“不足”，促使溶液中氫離子在銅棒上獲得電子，兩極仍然保持電勢差，反應可以持續(xù)進行。這種解釋是將學生原有的知識（金屬活動性、可逆反應、電勢差等）進行整合，將“雙電層”、“電極電勢”等概念融入其中，既不增加學生負擔，又可以順利解決學生的困惑。

2. 關(guān)于“自發(fā)反應”

理論上任何自發(fā)進行的氧化還原反應都可以設(shè)計成原電池，“自發(fā)反應”在選修《化學反應原理》中也是一個教學難點。在必修階段，學生普遍存在相異構(gòu)想：高一的學生認為無需加熱、點燃這些條件的反應（例如鐵和硫酸銅反應等溶液中的置換反應，酸堿中和等復分解反應）才是自發(fā)反應，認為碳、氫氣、鐵與氧氣反應等這類都需要加熱條件下才能進行反應，不為自發(fā)反應。在以往教學中，教師又經(jīng)常強調(diào)“書寫化學反應方程式時必須注明條件”。由于在生活經(jīng)驗和前期學習中累積了大量的事實支持，學生的這種相異構(gòu)想極為牢固，輕易不會動搖。

因此，在學習氫氧燃料電池、吸氧腐蝕時，學生常常難以理解。蘇教版必修2中有氫氧燃料電池實驗，學生即便看到了二極管發(fā)光的事實，卻仍然心存疑慮。相當一部分高二學生在學習鐵吸氧腐蝕后，卻不能認識到其他金屬也會存在類似的吸氧腐蝕，也不能遷移到對“鋁空氣電池”或“鋁海水電池”等新型電池的認識。

教學建議：根據(jù)上述分析，學生在必修階段對“自發(fā)反應”認識困難主要集中在“不同物質(zhì)與氧氣的反應”，教師可以用煤層自燃與加熱下煤的燃燒作比較，也可以設(shè)計對比實驗：用相同的大小的白磷均放在石棉網(wǎng)上，一塊靜置，一塊用酒精燈稍稍加熱。引導學生分析實驗現(xiàn)象，對“自發(fā)反應”有初步的認識：加熱僅僅是加快反應速率，并不是從“不能”變成“能”。

3. 關(guān)于“構(gòu)成條件”

教師通常在完成銅鋅原電池后會引導學生總結(jié)出“構(gòu)成條件”，其內(nèi)容一般有三個：一是兩個電極，有些教師總結(jié)為“兩個活潑性不同的電極”，還有教師進一步總結(jié)為“一般情況下，活潑的電極為負極”；二是電解質(zhì)溶液；三是閉合回路。也有教師將“自發(fā)的氧化還原反應”作為前提條件。

從概念的形成條件看，要建立一個抽象、上位的概念（模型），需要有下位概念和大量的事例作支撐。以兒童認識“三角形”為例，教師需要展示各種類型的三角形，才能引導學生總結(jié)出“三角形”的概念，如果教師均以“直角三角形”為例獲得“三角形”概念的話，學生會很自然的添加上“直角”這一特殊性質(zhì)作為“三角形”中普遍存在的性質(zhì)特點。同理，銅鋅原電池僅僅是原電池中的一種形式，從中歸納出的“構(gòu)成條件”時，學生會將這一具體事例的特殊細節(jié)作為普遍存在的必要條件，容易產(chǎn)生對原電池的個人概念，例如將“電極材料”和“電極反應物”混為一談。

另外，教師通常認為在“構(gòu)成條件”中“閉合回路”并非是個難點，但是實際上，學生并沒有真正理解到“閉合回路”的意義。例如，有不少高一、高二學生認為如果碳棒和鋅相連，只有碳棒浸入稀酸溶液，金屬鋅的電子也能轉(zhuǎn)移到碳棒上，氫離子也能在碳棒上獲得電子產(chǎn)生氫氣。如果將銅鋅原電池裝置中的銅棒和鋅棒相交，并將接觸點浸沒在稀硫酸溶液中，很多學生認為這樣的裝置沒有形成閉合回路，不符合原電池原理。

教學建議：《普通高中化學課程標準（實驗）》和國內(nèi)三本教材中均沒有提出原電池“構(gòu)成條件”，“構(gòu)成條件”是教師為了幫助學生判斷某裝置是否為原電池而總結(jié)出來的“經(jīng)驗”。從實際情況看，這個經(jīng)驗的“性價比”不高，它對學習者提供的幫助遠遠小于對學習者造成的困惑。筆者認為“構(gòu)成條件”本身就蘊含在原電池的工作原理中，并不需要刻意強調(diào)。

4. 關(guān)于“電極名稱”

在初中學習中，學生已經(jīng)知道電源的正負極，電流的方向等基本知識，關(guān)注的是外電路中電阻、電壓、電流的變化。在原電池學習中，常常需要進行判斷電極名稱，分析兩極上發(fā)生了什么變化，關(guān)注的是電解質(zhì)溶液和電極上的變化，即內(nèi)電路的變化。“原電池”從化學反應角度重新認識“正、負極”，與已有的經(jīng)驗（生活中的或物理學科中的正負極）相比較，這些熟悉的舊名詞有了新內(nèi)涵。由于關(guān)注角度不同，部分學生并不會主動將物理知識聯(lián)系起來，容易造成孤立的識記原電池中的正負極名稱。

教學建議：從一開始學習原電池時，教師就要讓學生明確和物理電學知識的聯(lián)系和區(qū)別，可以通過做基本的電路圖，回顧電源正負極和電流、電子流向的關(guān)系，再引導學生關(guān)注電源內(nèi)部發(fā)生的變化。這樣有助于學生能將不同學科之間的知識相互補充，融合形成更為完整的知識結(jié)構(gòu)。

5. 關(guān)于“電子和離子的存在及運動”

高一學生已經(jīng)知道導線中電子導電，電解質(zhì)溶液中的自由離子能導電。但是學生對電子和離子在什么環(huán)境下能夠存在或運動并不清楚，經(jīng)常誤認為電子能在溶液中移動或認為離子能在到導線中運動。另外，學生容易從字面上理解為負極帶負電荷，正極帶正電荷，根據(jù)靜電作用規(guī)律認為：溶液中陽離子向負極移動方向，陰離子向正極移動。

教學建議：演示高錳酸鉀溶液、氯化鐵溶液導電實驗，觀察兩極顏色的變化，推斷離子的運動方向；從微觀上分析離子難以在導線中自由移動。從閉合回路角度，從電子（負電荷）的運動方向判斷溶液中離子（正負電荷）的運動方向，這樣有助于學生理解溶液中的離子運動方向。

6. 關(guān)于“電極方程式書寫”

學習原電池之前，學生已經(jīng)接觸過大量的氧化還原反應和離子反應，對其中的基本概念和書寫規(guī)則較為熟悉。在電極方程式的書寫中常見的困難主要有：要將氧化還原反應拆成兩條“半反應”不習慣；不能根據(jù)題意分析判斷出電解質(zhì)特點（不同酸堿性的電解質(zhì)水溶液、非水電解質(zhì)等），影響了電極方程式書寫；對典型的常見電池（如鉛蓄電池、銀鋅紐扣電池）的電極方程式僅僅記住結(jié)論，書寫過程缺少分析，因此難以遷移運用。

教學建議：在學習原電池知識前，對某些常見、簡單的氧化還原反應進行拆分為氧化和還原半反應的訓練，讓學生能對“半反應”有一定的認識，降低學習原電池中電極反應式學習的難度；展示不同電解質(zhì)的氫氧燃料電池電極反應式書寫，并從電極反應式或題意中判斷出電解質(zhì)特點；對常見的電極反應物或產(chǎn)物進行梳理，引導學生從元素化合價變化角度認識到形式各異但本質(zhì)相同的反應。

以鉛蓄電池為例，先明確二氧化鉛、硫酸鉛等在溶液中的存在形式，根據(jù)總反應式：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O ，根據(jù)圖3的分析可以得到兩極的反應式。

根據(jù)這樣思路分析銀鋅紐扣電池，根據(jù)總反應式：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag，可以分析得出該電解質(zhì)為堿性環(huán)境，進行如圖4分析：

銀鋅紐扣電池在習題中有其他表達形式，如：Zn+2AgOH=Zn（OH）2+2Ag、Zn+Ag2O+H2O=Zn（OH）2+2Ag，也可以在上述基礎(chǔ)上進行調(diào)整獲得正確的電極方程式。

原電池工作原理中涉及到的知識點多，并且都具有一定的難度，教師應該充分發(fā)揮“三維表征”的作用，將宏觀現(xiàn)象、微觀解釋和符號表達進行有效結(jié)合，將眾多的知識要點整合在一起，形成知識組塊。心理學研究表明，形成知識組塊有利于記憶，因為對知識深加工的過程，可以使知識間發(fā)生更多的內(nèi)在聯(lián)系，促進知識的結(jié)構(gòu)化，使知識的存儲和提取效率更高。

在必修階段“銅鋅原電池”教學中，教師及時在板書上將原電池工作原理歸納為下圖（圖5）：

該示意圖中有兩個電極、電解質(zhì)溶液、導線，注明電極名稱、電子、離子移動方向，在電極上注明氧化和還原反應。該圖形高度概括了原電池基本原理和原電池基本結(jié)構(gòu)，具有普遍適用性，使知識結(jié)構(gòu)更加簡約、經(jīng)濟和易記，并促進原電池多個知識點的相互融合（如負極上發(fā)生氧化反應，氧化反應會失去電子，電子從負極流出，電解質(zhì)溶液中的陰離子移動趨勢與電子方向相同），不僅有助于學生形成高度結(jié)構(gòu)化的知識體系，也有利于學生在問題解決時的知識提取（如，根據(jù)溶液中的離子移動趨勢，就可以判斷電極名稱）。在“電解原理”的教學中也可以使用類似圖形表達，在復習階段還可以將“原電池”和“電解池”統(tǒng)一在一個圖形（如圖6所示）中，促進知識的結(jié)構(gòu)化，達到減少外部認知負荷，增加關(guān)聯(lián)認知負荷的效果[5]。

上述分析和建議是針對高一、高二學生在學習“原電池”中存在的部分困難，在實際教學中肯定還存在其他的學習困難（比如對“鹽橋”、“離子交換膜”的認識，“電解原理”和“原電池”之間的相關(guān)干擾等等），這也說明“原電池”教學內(nèi)容復雜性，教師在教學中需要根據(jù)學生實際情況，從整體上處理好必修和選修階段的原電池教學，采取合適的措施，幫助學生克服困難，提高學習效率。

四、反思

造成學生學習困難的原因有很多，可能是知識本身過于抽象，可能是學生缺乏相關(guān)的知識基礎(chǔ)和經(jīng)驗，可能因為某種原因?qū)е聦W生上課時走神了，可能是學生已有的不正確的認知阻礙了他們對學習內(nèi)容的理解，可能是教師給學生提出了過高的學習要求，也可能是教師沒有把學習內(nèi)容的關(guān)鍵特點，通過有效的途徑呈現(xiàn)給學生。上述因素中，通常最后一個因素容易被大家忽視。從知識和能力角度看，學生是學科新手，教師是學科專家，教師對所教學的內(nèi)容及其前后知識體系的內(nèi)在邏輯關(guān)系已經(jīng)達到融會貫通的狀態(tài)，教師可能遺忘或不清楚新手在學習某個知識過程中遇到的障礙具體是什么，教師根據(jù)經(jīng)驗認為的難點未必是學生學習中的難點，輕描淡寫或一帶而過的內(nèi)容對學生而言卻可能是難點，會影響到后續(xù)的學習效果。

不同階段的學生遇到的困難看似不同但是其背后的原因很有可能是相同的，而不同水平的學生遇到的問題又存在很大的差異性，教師應通過各種途徑了解學生的真實情況，測查學生學習困難，深入分析造成學習困難的原因，通盤考慮必修、選修以及高考的要求，再結(jié)合教學內(nèi)容，確定教學目標和教學的重難點，設(shè)計學習活動突破難點以達到高效的教學效果。

參考文獻

[1] 李啊琴.原電池學習中的錯誤概念及其轉(zhuǎn)化教學初步研究[D].上海：華東師大碩士學位論文，2007

[2] 方婷.學生“電化學”概念的認知發(fā)展研究[D]. 上海：華東師大碩士學位論文，2008

[3] 李淑榮.“原電池”學習困難調(diào)查與教學策略研究[D].長春：東北師大碩士學位論文，2011

[4] 劉勝文.高二學生“原電池”前概念測查與教學研究[D].濟南：山東師大碩士學位論文，2013

[5] 汪明，曹道平.基于認知負荷理論的有效教學設(shè)計研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，（5）：16～18