德國中學化學教材“電化學”內容的設置及啟示

單世乾+倪娟

摘要：對比國內高中化學教科書與德國教材《今日化學SⅡ》的“電化學”內容，發現德國教材理論內容的設置特色鮮明：素材選擇體現聯系生產生活的教學需求；內容組織強化理論的論證過程；基于技術應用設計實驗探究教學活動。對我國高中化學教材理論內容的編制及教學提供借鑒與啟示。

關鍵詞：德國教材《今日化學SⅡ》；電化學；內容設置；特點分析

文章編號：1005–6629（2017）11–0023–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

高中電化學內容具有較強的理論性，有關原電池中反應的原理、電極的判斷、電極方程式的書寫等方面的內容較為抽象，與學生的生活經驗有一定的距離，學生對這部分概念、原理的理解存在很大的困難?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（征求意見稿）》針對“電化學”提出的學習要求為：“認識化學能與電能轉化的實際意義及重要應用”，可見有關電化學內容的教學需要強化聯系生產實際，讓學生認識到化學理論的指導作用。此外，對于電化學等理論性知識教學，畢華林提出了要“加強探究教學”的策略[1]；劉知新教授也指出要“突出理論的論證性，發展學生抽象思維能力”[2]。根據上述電化學內容的學習特點分析以及相關學者的指導性觀點，電化學教學應充分發掘生產實際素材，設計合適的實驗探究活動來學習原電池的基本原理及相關概念，引導學生理解電池的改進與發展的理論依據及方法，從而應用于生產實際問題的解決，以提升學生“科學探究與創新意識”、“科學精神與社會責任”等化學學科核心素養。教材作為教與學的重要依據，若在素材選擇和探究活動設計方面能給教師提供直接的參考，將有利于提升電化學等理論內容的教學效益。

德國中學化學教材十分重視理論知識[3]，其理論內容的編制，在生產生活素材的選擇[4]、發揮實驗的探究功能[5]等方面有重要借鑒意義。本研究對國內高中化學蘇教版、人教版教材與德國化學教材《今日化學SⅡ》中“電化學”部分內容進行對比分析，發現德國教材理論內容的編制特點鮮明，可為我國高中化學教材理論內容的編寫與教學提供參考。

2 國內高中化學教材與德國教材《今日化學SⅡ》“電化學”內容設置

2.1 國內高中化學教材“電化學”內容設置

我國高中化學使用蘇教版、人教版、魯科版三套教材，三個版本“電化學”內容的選擇和編排順序極為相似，分別在必修2與選修4設置“電化學”內容，以定性視角描述原電池的概念。以蘇教版為例，教材中“原電池”內容設置見表1。

在必修2中由鋅銅原電池探究實驗入手，引導學生感性認識電能的轉化，分析反應原理和電極反應，得出原電池的構成條件，引出電極、電極反應、電流回路等原電池相關概念；選修4中基于鋅、銅、硫酸銅雙液原電池的探究實驗，理論分析化學能與電能的轉化，認識氧化反應和還原反應分別在負極區和正極區發生，體現了氧化還原反應的“自發性”，也為后續原電池、電解池中的隔膜技術奠定基礎。內容編排主要按照“原電池→化學電源→電解池→金屬腐蝕及防護”順序，在學習原電池和電解池原理后，幫助學生綜合所學知識，解決生活生產中的金屬腐蝕問題。由此可見，國內教材關注學科知識的邏輯順序，注意概念學習的階段性和知識的系統性，合理布局必修與選修內容，尤其注重在活動與探究中分析原理、形成概念，在問題解決中深化理解、應用概念。但是，教材內容缺少基于工業生產與生活實際的實驗探究，電池的改進與發展未見定量研究的證據支持，這樣的內容設置不利于開展指向核心素養的實驗探究和定量研究的教學。

2.2 德國教材《今日化學SⅡ》“電化學”內容設置

《今日化學SⅡ》[6]中有關“電化學”的內容選擇、組織方式充分體現了“應用于生產生活”這一主題，具體如表2所示。

從內容選擇來看，制備鋅、精煉銅、氯堿工業的膜工藝、銹蝕與防銹、EDV（電子數據處理）設備中的鋰電池、燃料電池汽車技術等，均基于知識在生產生活中的應用，體現了化學知識的實用性；從內容組織來看，基礎理論知識→電解→鐵銹蝕→電池→蓄電池→燃料電池，由理論到實踐，由現狀到前景，由理解到應用，既符合學生認知發展規律，又關注學以致用，讓學生感受知識在生活生產中的應用，學會應用知識來改善生活。

該教材內容不僅重視理論研究，更注意將理論知識應用于工業生產實際中的問題解決，設計了大量真實的實驗探究，定性研究與定量分析相結合，基于這樣的設計開展教學活動對于學生核心素養提升的作用不言而喻。

3 德國教材電化學內容特點分析及教學思考

3.1 素材選擇體現聯系生產生活的教學需求

從學習心理來看，學習內容有意義，才能最大程度地激發學習動機。創設日常生活、工業生產實際中的真實情境，在真實的情境中學習真實的化學，這是落實學科核心素養的教學需求。

德國教材電化學內容選擇貼近生活與生產實際，并體現高新科技融入現實生活。既有鋰/鎳、鋅/空氣等不同功能的實用電池，也有塑料件鍍鎳的科普知識，凸顯了化學對生產生活的作用。例如，在研究日常生活中鐵的銹蝕現象時，教材引入銹蝕原理示意圖（見圖1）。

利用圖示箭頭揭示微粒變化，描述鐵銹形成過程，解釋生活現象。溶解在水中的氧對鐵的銹蝕起著決定性的作用，它使鐵氧化成鐵（Ⅱ）離子，氧分子則還原成氫氧根離子。富氧區優先生成氫氧根離子：O2+2H2O+4e-→4OH-，而鐵（Ⅱ）離子主要是在缺氧區生成的：2Fe→2Fe2++4e-，由于擴散的鐵（Ⅱ）離子與氫氧根離子在兩個區域交界處相遇，化合而生成氫氧化亞鐵（Ⅱ），氫氧化亞鐵（Ⅱ）被空氣中的氧慢慢氧化成紅棕色的膠狀氫氧化鐵（Ⅲ）[FeO（OH）]。顯而易見，在生活生產中，如果隔離氧氣和電解質，可以有效防止鐵的銹蝕。endprint

德國教材內容在聯系生產實際時，又特別尊重其復雜性。例如，在氯堿工業中采用隔膜工藝，電解池中有一塊多孔板，即隔膜把正極室和負極室分開。在老的設備中用石棉作隔膜，較新的隔膜則用塑料纖維。氣泡不能從膜中透過，氫氣和氯氣也不會混合生成爆炸性混合物。教材對幾種工藝進行介紹和比較，指出膜工藝與隔膜工藝、汞齊工藝相比可以節約電能17%，而且沒有隔膜工藝中的石棉和汞齊工藝中的汞這樣有害于環境的物質逸出；在工藝上更簡易可靠，并且投入成本比兩種老工藝都要低。而隔膜工藝的缺點是生成的氫氧化鈉溶液中含有氯化鈉，生成的氯氣中含有氧，并且氫氧化鈉溶液的濃度只達到13%。

管中窺豹，德國教材理論內容的素材選擇和內容組織沿著自然界→實驗室→生活生產的背景線索，從應用概念與原理解決熟知的生活問題入手，繼而視野開拓至工業生產場景，不僅可以深化理解概念，還能讓學生領悟學科對社會發展的價值和責任。

相比較而言，國內教材在“指向生活生產實際的問題解決”相關內容的設置較為欠缺。教學中可考慮補充選擇一些熱點話題，如“電鍍工業對環境的影響，電解在污水處理、煤炭脫硫中的應用，新型電池的開發，航空航天科技中的燃料電池，電化學方法用于防止金屬腐蝕的措施方案選擇與評價”等。利用這些內容組織教學活動，使學生學習有用的化學，激勵他們將所掌握的知識投入到實際生活與生產中去，并對敏感的社會問題作出科學的、理性的判斷，是培養和發展學生“科學精神與社會責任”素養的重要契機。

3.2 內容組織強化理論的論證過程

化學理論性知識是從大量事實性知識中抽象概括而來的，其形成過程需要通過積極的思維活動，運用歸納法理解事物變化的本質。而理論的應用過程則為理論的論證過程，由一般到特殊，需要運用概念和原理去解釋化學現象、解決化學問題，這一過程標志著學生認識深入到了實際事物變化的本質，對學生抽象思維能力有較高的要求。

基于上述分析，電化學課堂教學應圍繞核心概念組織教學，精心設計問題，幫助學生形成概念并認識概念的抽象性和概括性。同時關注學生在特定情境下應用理論時的思維方式，指導學生運用邏輯推理尋找現象背后隱含的本質，在實際應用中深化理解。在國內教材的銅鋅稀硫酸單液原電池實驗探究中，理論上作為負極的鋅片表面本應沒有氣泡出現，事實上仍有較為明顯的現象，排除鋅片不純的影響因素，負極與電解質中的氧化劑直接接觸，部分電子未經導線轉移而直接在鋅電極表面被氫離子捕獲，導致電能轉化率降低。實際應用中，往往通過采用隔膜技術避免此種情況。而在理論學習中，以雙液原電池為載體，分析兩個區域中還原劑與氧化劑不直接接觸，不發生自放電反應等確保電能利用率的提高，這也是生產實際中設計、改進電池的基本要素。

電化學理論的學習具有明顯的階段性，理論應用還要注意在某學段的適用性，防止形成思維定勢。單就原電池發生的原理來說，中學階段原電池的理論基礎是氧化還原反應，強調反應的自發性，即氧化還原反應的方向一般由半反應的電極電勢決定，正極反應與負極反應也據此確定；而在大學階段，根據能斯特方程，半反應的電極電勢受pH和濃度等因素的影響，如果某些氧化還原反應的電動勢不大，改變氧化劑和還原劑的濃度或調節電解質溶液的pH，負極區和正極區的反應方向可能會發生逆轉。另外，即使是相同的半反應，控制濃度，也可形成電流，構成濃差電池。受限于不同學段教學要求的差異，教學中不能隨意補充教學內容，但是要引導學生在應用理論時注意中學化學的部分概念發展的階段性，要學會辯證發展地認識相應的理論解釋。

3.3 基于技術應用設計實驗探究教學活動

真實科學探究的核心是科學知識的生成和論證[7]。運用科學的方法進行實驗探究，并由實驗室中的探究到生活、生產實際中的創新應用，在實踐中探索、反思，最后形成技術?？茖W與技術融合，是實驗探究的最大價值，也是促進社會發展的重要途徑。

相對于國內教科書注重通過定性實驗探究理解電化學原理，德國教材側重以定量視角研究原電池的效率和選擇依據，同時還設置了多樣化的電解質與更貼近實用電池的連接方式。教材組織以定量研究為主的實驗探究活動：給出的生產信息中，有具體的電解電壓——采用9V的電池組給鐵片鍍黃銅；電解質溶液的溫度和濃度要求——銅的精煉采用電解60℃下硫酸銅溶液，鋅/碳電池使用20%的氯化銨溶液；也有電極材料及厚度、間隔，可操作性強——精煉銅選擇優質鋼薄板作負極，正極則用4cm厚的要精煉的粗銅板，電解槽中有多達50對相距4mm的負極/正極板。這種研究方式，給學生潛移默化式的啟發，面對真實的數據，學生感受到的是科學探究的意義、艱辛與成就感。與此對應，教材在實驗作業中也組織了真實的探究活動——鋅碳電池組裝、鐵銹蝕和防銹、鑰匙鍍銅等共有10個探究實驗，有檢索鉛蓄電池的優點和缺點、說明在鋅碳電池中不用鋅棒而用鋅杯、說明為什么Leclanche電池在有負荷時測出的電壓明顯低于1.5V等技術性任務問題等，均能最大程度地激發學生的探究熱情。

借鑒德國教材的設計，我們在原電池概念學習中，可以利用國內教材的現有活動與探究欄目，組織“鋅銅稀硫酸電池→鐵碳食鹽水電池→水果電池→燃料電池”的定性實驗探究活動，可以逐步揭示“負極材料與電解質反應→電極與電解質中溶解的氣體反應→電極材料上吸附物質之間的反應”自發氧化還原反應的實質，從而深化理解原電池的構成條件和工作原理。如果說以上定性實驗探究幫助學生理解原電池的相關原理，那么教學過程還需要定量實驗探究來指導學生利用原理解決問題。真正體現電池發展的科學探究過程，離不開定量研究的數據支持，也標志著學生認識發展從定性研究深入到定量研究水平。教材可以通過拓展視野的方式，給出電極電勢的計算公式；在教學中，可利用濾紙條、玻璃片設計定量的微型實驗探究，通過調整Fe、Mg、C、Cu等電極材料及表面積，調整電極間隔，改變電解質種類及濃度，研究電壓表讀數。利用變量控制思想進行定量分析，通過實驗實證，不斷改進，發現影響電池效率的因素，體會電池設計與發展的科學思想和敢于質疑、勇于創新的精神，感悟電池發展的科學探究過程。這是培養與發展學生“科學探究與創新意識”核心素養的重要途徑。endprint

4 理論內容的教材編制及教學啟示

在對比研究我國和德國高中化學教材中電化學內容的設置情況基礎上，進一步聯系和思考理論化學這一內容的教材編制與教學處理問題。化學基礎理論是高中化學教學內容的精髓，具有高度的概括性和抽象性，在化學教材中起著統領作用，是培養學生化學學科核心素養的重要載體。教材的內容選擇，要關注社會生活或體現科技發展趨勢的真實情境；要重視實驗探究，包括基于建構核心概念和原理的基礎實驗，以及深化理解概念和原理的拓展實驗、微型實驗、家庭小實驗、定量實驗。教材的內容編排，要在學生已有知識和生活經驗基礎之上呈現知識，將概念與情境、活動和問題解決融為一體，尤其在實驗探究和問題解決等學習活動的設計中應用概念和理論進行定性、定量分析，發展學生的抽象思維能力。

理論性知識的學習過程，是感性認識經過思維加工上升到理性認識的過程。借助有意義、直觀化素材或手段如生活生產實際問題、實驗現象及結果、圖片、數據、多媒體影像等，激發學生興趣，啟迪學生通過思維加工、揭示概念和原理的本質。理論教學要求教師關注學生思維發展和認識發展規律，以培養學生相關的化學學科核心素養為最終目標，精選素材、精心組織探究活動，將理論學習與科學研究、生產實際聯系起來，引導學生主動鉆研與思考現象性知識背后的理論與規律。教師還可激勵學生通過查閱資料開闊視野，將科學探究的精神延伸至課外，在生產與生活實際中體會科學知識、科學方法的價值。

參考文獻：

[1]畢華林，亓英麗.化學教學設計[M].北京：北京師范大學出版社，2013：116.

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[4]耿秀梅，倪娟.德國中學化學教材中核心概念的編寫特色研究[J].化學教學，2016，（8）：17～22.

[5]虞琦，倪娟.德國中學化學教材編寫特點及其啟示[J].化學教學，2015，（4）：93～97.

[6] Wolfgang Asseblbornusw. Chemieheute-Sekundarbereich S Ⅱ. Bildungshaus Schulbuchverlage，2010：195～228.

[7] National Research Council. （1996）. National science education standards. Washington. DC： National Academy Press.endprint