基于學生“電解池”學習困難的測查與教學建議

陳曉娜++王婷婷++閆春更++周青

摘要：采用流程圖法測查學生有關“電解池”的認知結構，結合紙筆測驗結果梳理學生的學習困難：電解池中能量轉化、離子移動方向、陰陽極離子放電順序、電解池應用等。據此提出相關教學建議：應將電解池的宏觀構造、微觀原理與符號表達有效結合，重視基礎知識與原理的教學；教學過程中應注意與原電池有效對比，便于學生掌握較高層次的信息處理策略。

關鍵詞：電解池；流程圖；學習困難；教學建議

文章編號：1008-0546（2017）07-0002-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.001

一、前言

電解池知識在新課程人教版的“化學反應原理”中列為學生學習重點知識，也是高考必考的知識點。通過對這部分知識的學習使學生了解電解池反應所遵循的規(guī)律，知道電解池知識在生產、生活和科學研究中的作用。電解池的相關概念和原理較為抽象，需要學生從宏觀、微觀和符號三個層次進行理解，具有較強的系統(tǒng)性和抽象性，是中學化學教學的難點。目前國內對電解池的研究集中于研究電解池與原電池的對比、有關電化學的教學設計、電解池的教學策略等[1-9]。大多數關于電解池的研究均與原電池相結合，單獨涉及到電解池的研究較少，且關于專門針對電解池的學習困難的研究也較少。本研究通過認知結構測查與紙筆測驗相結合的方式，試圖探查學生在“電解池”領域的知識結構特征及可能存在的學習困難，打破以往僅通過教師經驗分析或紙筆測驗結果認識學生在具體知識點掌握方面所存在的模式[10]，解釋學生建構該領域知識過程中的規(guī)律及其問題，并提出針對性的教學建議。

二、研究設計

1. 研究對象

被試群體為陜西省西安市東元路學校高三年級的21名學生，這21名學生代表著不同的學習成績水平，其中7名優(yōu)等生、7名中等生、7名學困生。

2. 研究方法

本研究采用流程圖法[11-12]表征學生的認知結構。流程圖法是在自然狀態(tài)下，用一種非直接的方式獲得人的思維順序和結構組織特征，并用特定圖形來展示受訪者回憶內容的順序和內容之間的網絡聯系。即通過轉錄繪制流程圖展現學生對于電解池內容的認知結構，采用線性箭頭將學生的知識表達順序連接，采用回歸箭頭表示重復知識點或相關知識點之間的邏輯關聯。還需統(tǒng)計學生回答訪談問題所消耗的時間，需排除研究者提問所花費時間。有關認知結構變量及信息處理策略變量的內涵及計算如表1、表2所示。

三、研究結果與分析

1. 認知結構的定性分析

轉錄文本繪制21名學生的認知結構流程圖，因篇幅有限，只選擇列出學優(yōu)生1、中等生2、學困生3的認知結構流程圖，見圖1。

通過展示3名學生關于電解池的流程圖，可看出認知結構是具有整體性、層次性和差異性的組織系統(tǒng)。3名學生對電解池認知結構的廣度和豐富度具有差異性。學生1認知結構的知識點較豐富，知識間的網絡聯系比較豐富，知識間系統(tǒng)性強。敘述框架有6個層次，依次為電解池的構成條件、電解池本質、陰陽極的判斷、兩極反應規(guī)律、陰陽極放電順序及電解原理的應用，思路清晰，層次分明。學生2的敘述依次為電解池構成條件、兩極反應規(guī)律及電解原理的應用，層次較鮮明，但條理性較差，說出兩條電解池構成條件且未掌握陰陽極放電順序。學生3認知結構的層次性和條理性都較差，只談到電解池的本質、陰陽極判斷及陰陽離子在溶液中的移動方向，未提及電解池的構成條件，未領會陰陽極知識的重要方面即陰陽極反應規(guī)律與陰陽極放電順序。學生3與學生2和學生1相比，認知結構的整體性較差，需要后續(xù)進一步的提高和完善。

2. 數據處理與分析

（1）認知結構的定量分析

對學生認知結構整體結果進行分析，3名學生認知結構變量和信息處理策略數據的結果見表3。

由表中數據可以看出，學生1對于電解池可說出的知識點數目和知識之間的聯系較多，且認知結構變量的整合度高于中等生與學困生，不存在錯誤描述，信息檢索率相對較高。

電解池知識的信息處理策略中，學生1與學生2都傾向于用描述的信息處理策略表達電解池的構成條件。學生1能熟練地使用比較與對比的信息處理策略處理電解池陰陽極相關的知識，且傾向于使用情景推理與解釋的信息處理策略處理電解池應用的相關知識。學生2傾向于使用描述的信息處理策略處理電解池應用的相關知識。學生2與學生3也能夠使用比較與對比的信息處理策略處理電解池陰陽極的相關知識，但存在知識缺陷。

3. 相關性分析

（1）認知結構變量與成績的相關性分析

從表4可得，關于“電解池”知識內容，學生的紙筆測試成績與認知結構的豐富度和整合度密切相關（？鄢？鄢P < 0.01），紙筆測試成績越高的學生其頭腦中知識之間的聯系越豐富、知識結構的整合度越高。

此外，認知結構的廣度和豐富度、整合度、信息檢索率密切相關（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；豐富度與整合度、信息檢索率密切相關（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；有趣的是認知結構的錯誤概念與豐富度、整合度成負相關性（？鄢？鄢P < 0.01），而與信息檢索率成正相關性（？鄢P < 0.05），這說明學生頭腦中知識之間的關系越密切、知識結構的整合性越強，頭腦中出現的錯誤概念就越少，但是學生若追求快速而準確的提取信息還是有一定困難的，容易出現錯誤概念。

（2）信息處理策略與成績的相關性分析

由表5可得，關于“電解池”知識內容，學生的紙筆測試成績與比較和對比、情景推理信息處理策略密切相關（？鄢P < 0.05），即學習成績好的學生在呈現電解池相關知識時善于用較高級的信息處理策略。

（3）認知結構變量與信息處理策略的相關性分析

由表6可得，關于“電解池”知識內容，學生認知結構的廣度和豐富度與比較和對比、情景推理信息處理策略顯著相關（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；此外，認知結構的廣度還與描述密切相關（？鄢？鄢P < 0.01）；認知結構的整合度與比較和對比顯著性相關（？鄢P < 0.05）；信息檢索率也與情景推理密切相關（？鄢？鄢P < 0.01）。說明學生所掌握的知識越多，對知識間的聯系理解得越透徹，則更傾向于使用比較對比、情景推理與解釋的較高級信息處理策略。

4. 學生的學習困難

對學生關于電解池知識的掌握情況及學習困難進行分析：

（1）電解池定義與原理：學生掌握的情況欠佳，提到電解池能量轉化，電解池工作原理與電解池對應手機充放電的人數較少，所占比例分別為20%、33.3%、13.3%。說明學生對電解池的定義與本質不夠重視。

（2）電解池的構成條件：學生對電解池構成條件掌握不全面。大部分學生都可以正確回答出電解池構成條件有陰陽極，所占人數為66.7%，這與電解池與陰陽極緊密相關不可分割，且學生可以回憶出來的知識點之間的聯系也大多與陰陽極有關，如：陰陽極的判斷、陰陽極的反應規(guī)律及陰陽極的放電順序。學生回答出電解池構成條件電解質、外接電源與閉合回路，所占比例分別為20%、23.3%、10%。

學生對電解池構成條件存在的迷思概念是學生認為電解池構成條件含鹽橋，但人數很少，僅6.7%。出現這種情況的原因可能是學生未將電解池構成條件與原電池構成條件區(qū)分，對原電池與電解池的區(qū)別與聯系掌握的不夠透徹。

（3）兩極反應規(guī)律：56.7%的學生能正確判斷陰陽極且理解陰陽極得失電子發(fā)生的氧化反應與還原反應。然而，僅13.3%的學生可正確將原電池正負極與電解池陰陽極類比進行敘述。10%的學生在該知識上存在迷思概念，認為電解池陽極對應原電池正極，電解池陰極對應原電池負極。說明學生對電解池與原電池的區(qū)別與聯系辨別不清。

對于電解池兩極的材料，10%的學生提到電解池發(fā)生的電極反應與陰陽極的材料相關。13.4%的學生存在迷思概念，其中6.7%的學生認為電解池兩極的材料均為惰性金屬，6.7%的學生認為若用活潑金屬做電極材料，則電解兩極的金屬。學生未真正認識到電解池陰陽極材料與電解池發(fā)生的具體反應之間的關系。

（4）離子移動方向：46.7%的學生能正確說出電解質溶液中離子移動方向，6.7%的學生存在迷思概念。學生對電解池溶液中離子移動方向較不重視，且部分學生沒有真正理解陰陽離子在溶液中移動的方向與電路中電子移動的關系。

（5） 陰陽極離子放電順序：20%的學生能正確回答出電解池中陰極陽離子放電順序和陽極陰離子放電順序。6.7%的學生提到“陰極放電順序：氯離子、溴離子在氫之前反應”，學生未理解溶液中離子移動方向且混淆離子放電順序。6.7%的學生認為陰極放電順序為強的金屬離子先于弱的金屬離子放電，忽略陰極陽離子放電以氫離子為界限。說明僅少數同學理解了陰陽極離子放電順序。

（6）電解池的應用：學生可以舉出部分電解池的應用實例。如：精煉銅、電鍍、電解氯化鈉、貴金屬提煉等。但存在較多的迷思概念。如：輪船的保護、析氫腐蝕與吸氧腐蝕、燃料電池等，所占比例均為6.7%，原因可能是學生未區(qū)分清楚原電池與電解池的應用。有6.7%的學生提到電解池的應用是將其他形式的能量儲存起來轉換為電能，學生未理解電解池的原理是將電能轉換為化學能。

四、討論與教學建議

通過運用流程圖法與紙筆測驗法對高中學生關于電解池知識學習困難的測查與分析得出以下結論：首先，有關電解池的認知結構完整性、層次性與條理性較差，不能對電解池的原理與本質、構成條件、陰陽極反應規(guī)律、溶液中離子移動方向、陰陽極離子放電順序及電解池的應用有系統(tǒng)且全面的認識；其次，學生對于電解池知識存在的迷思概念較多且分布較廣；最后，學生對電解池與原電池的區(qū)別與聯系理解不夠透徹，如：原電池與電解池的工作原理；原電池正負極與電解池陰陽極的對應關系；原電池的應用與電解池的應用等。但是，在分析流程圖中發(fā)現學生傾向于將電解池的陰極與陽極知識進行對比描述，條理清楚，表述明確。

針對以上學生關于電解池認知結構的情況，提出以下教學建議：（1）在電解池知識的教授過程中，使用對比教學策略，將電解池與原電池的工作原理與本質及裝置構成條件進行比較，再輔以動畫模擬或實踐操作設計電解池與原電池，使學生直觀形象、清楚明了地理解電解池與原電池的區(qū)別與聯系。

（2）教師可在電解池陰陽極教學時強化學生的學習。即將陰陽極判斷、溶液中離子的移動方向、陰陽極反應規(guī)律、陰陽極離子放電順序的知識系統(tǒng)化、層次化、條理化，使學生整體上把握與理解電解池中關于陰陽極的知識。

（3）與物理學電路知識相聯系，引導學生認識、理解電解池中電流與電子的移動方向，從而去推理判斷電解質溶液中離子的移動方向與陰陽極離子的放電順序。

（4）重視對比金屬防腐蝕時電解池與原電池的工作原理，找出兩種方法在金屬防腐蝕方面的區(qū)別與聯系，使學生理解它們的共同點與不同點。

（5）注重電解池知識的整體性，采取有效措施動畫模擬或實踐操作等使學生認識理解電解池的完整性，建立系統(tǒng)的知識體系脈絡及清晰的認知結構。

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