高中生學(xué)習(xí)“原電池”的困難分析和教學(xué)建議

徐宇峰 彭小平

摘要：梳理了高一、高二學(xué)生學(xué)習(xí)“原電池”時(shí)存在六個(gè)方面的困難，從學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知發(fā)展水平和教師表述等角度細(xì)致分析了造成學(xué)習(xí)困難的原因，并提出相應(yīng)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：原電池；學(xué)習(xí)困難；教學(xué)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(xiàn)標(biāo)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(xué)學(xué)科體系中的核心知識，是氧化還原反應(yīng)理論的延伸與應(yīng)用，是學(xué)習(xí)電解知識的基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和科學(xué)探究能力的好素材。同時(shí)，它還與生活生產(chǎn)中的實(shí)際問題緊密結(jié)合，對增強(qiáng)學(xué)生學(xué)化學(xué)、用化學(xué)的意識具有十分重要的作用。

學(xué)習(xí)者在初學(xué)始就要對原電池的宏觀現(xiàn)象進(jìn)行微觀、抽象的解釋，并運(yùn)用圖形和符號進(jìn)行表達(dá)，隨著學(xué)習(xí)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(dá)形式越來越多樣化，大部分學(xué)生在“原電池”的學(xué)習(xí)中都會遇到各種不同程度的困難。國內(nèi)化學(xué)教育研究者對“電化學(xué)”或“原電池”的教學(xué)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(xué)習(xí)困難方面的研究[1-4]均從原電池設(shè)計(jì)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(yīng)現(xiàn)象等多個(gè)方面，主要利用問卷、訪談的研究方法測查高中或大學(xué)不同年級學(xué)生有關(guān)電化學(xué)知識中存在的相異構(gòu)想，對改變學(xué)生錯(cuò)誤概念提出了很多很有價(jià)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(xué)生在原電池學(xué)習(xí)中存在的具體困難，從學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知發(fā)展水平和教師表達(dá)等角度繼續(xù)深入分析造成學(xué)習(xí)困難的原因，并提出相應(yīng)的教學(xué)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(xué)習(xí)原電池時(shí)，學(xué)生需要具備一些相關(guān)知識和先備知識，其中既有化學(xué)學(xué)科內(nèi)知識，也有物理知識，不僅涉及大量事實(shí)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(xué)。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(jìn)行原電池教學(xué)前，教師要明確學(xué)生已經(jīng)具有上述知識（如果存在缺陷，就需要在課前進(jìn)行必要的回顧），并探測學(xué)生對上述知識的融合水平。毫無疑問，學(xué)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(xué)習(xí)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(diǎn)和應(yīng)用四個(gè)方面。與“化學(xué)反應(yīng)速率和平衡”、“鹽類水解”等化學(xué)原理相比較，“原電池”在生活中的實(shí)際應(yīng)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(xué)學(xué)科與生產(chǎn)生活的緊密聯(lián)系。

三、學(xué)生在學(xué)習(xí)“原電池”的具體困難分析和教學(xué)建議

1. 關(guān)于原電池反應(yīng)“原動力”

在蘇教版必修2“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”的教學(xué)中，善于思考的學(xué)生常常會問：反應(yīng)開始的時(shí)候?yàn)槭裁措娮訒匿\棒自動流向銅棒？大部分教師的解釋是因?yàn)殇\棒一旦和氫離子有極其微量反應(yīng)后，就有鋅離子進(jìn)入溶液，導(dǎo)致氫離子接近鋅棒時(shí)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(yùn)動速度接近光速，一旦這個(gè)過程發(fā)生，那么鋅棒上的電子就持續(xù)的通過導(dǎo)線向銅棒輸送電子，形成電流。這也可以進(jìn)一步解釋為什么當(dāng)氧化還原反應(yīng)構(gòu)成原電池后能加快反應(yīng)速度。當(dāng)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(shí)，一般情況下學(xué)生能夠接受上述的解釋。

仔細(xì)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(rèn)知障礙。學(xué)習(xí)燃料電池和雙液電池不能使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)發(fā)生合理的順應(yīng)、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(xué)生的另一個(gè)疑問：反應(yīng)物沒有相互接觸，為什么可以發(fā)生反應(yīng)？在以往所知的化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物之間都是相互接觸的，學(xué)生默認(rèn)為反應(yīng)物之間的接觸是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的基本前提。

教學(xué)建議：考慮到學(xué)生知識和能力水平，在必修階段可以籠統(tǒng)的以“電勢差”進(jìn)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(qiáng)，鋅棒在水中的解離程度要強(qiáng)于銅棒（金屬離子并沒有真正進(jìn)入溶液中），鋅棒上的電子比銅棒上多，當(dāng)用導(dǎo)線將鋅棒和銅棒連接時(shí)，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(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行。這種解釋是將學(xué)生原有的知識（金屬活動性、可逆反應(yīng)、電勢差等）進(jìn)行整合，將“雙電層”、“電極電勢”等概念融入其中，既不增加學(xué)生負(fù)擔(dān)，又可以順利解決學(xué)生的困惑。

2. 關(guān)于“自發(fā)反應(yīng)”

理論上任何自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池，“自發(fā)反應(yīng)”在選修《化學(xué)反應(yīng)原理》中也是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。在必修階段，學(xué)生普遍存在相異構(gòu)想：高一的學(xué)生認(rèn)為無需加熱、點(diǎn)燃這些條件的反應(yīng)（例如鐵和硫酸銅反應(yīng)等溶液中的置換反應(yīng)，酸堿中和等復(fù)分解反應(yīng)）才是自發(fā)反應(yīng)，認(rèn)為碳、氫氣、鐵與氧氣反應(yīng)等這類都需要加熱條件下才能進(jìn)行反應(yīng)，不為自發(fā)反應(yīng)。在以往教學(xué)中，教師又經(jīng)常強(qiáng)調(diào)“書寫化學(xué)反應(yīng)方程式時(shí)必須注明條件”。由于在生活經(jīng)驗(yàn)和前期學(xué)習(xí)中累積了大量的事實(shí)支持，學(xué)生的這種相異構(gòu)想極為牢固，輕易不會動搖。

因此，在學(xué)習(xí)氫氧燃料電池、吸氧腐蝕時(shí)，學(xué)生常常難以理解。蘇教版必修2中有氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)，學(xué)生即便看到了二極管發(fā)光的事實(shí)，卻仍然心存疑慮。相當(dāng)一部分高二學(xué)生在學(xué)習(xí)鐵吸氧腐蝕后，卻不能認(rèn)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(rèn)識。

教學(xué)建議：根據(jù)上述分析，學(xué)生在必修階段對“自發(fā)反應(yīng)”認(rèn)識困難主要集中在“不同物質(zhì)與氧氣的反應(yīng)”，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(jì)對比實(shí)驗(yàn)：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(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對“自發(fā)反應(yīng)”有初步的認(rèn)識：加熱僅僅是加快反應(yīng)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(dǎo)學(xué)生總結(jié)出“構(gòu)成條件”，其內(nèi)容一般有三個(gè)：一是兩個(gè)電極，有些教師總結(jié)為“兩個(gè)活潑性不同的電極”，還有教師進(jìn)一步總結(jié)為“一般情況下，活潑的電極為負(fù)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(yīng)”作為前提條件。

從概念的形成條件看，要建立一個(gè)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(rèn)識“三角形”為例，教師需要展示各種類型的三角形，才能引導(dǎo)學(xué)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(xué)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(diǎn)。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(shí)，學(xué)生會將這一具體事例的特殊細(xì)節(jié)作為普遍存在的必要條件，容易產(chǎn)生對原電池的個(gè)人概念，例如將“電極材料”和“電極反應(yīng)物”混為一談。

另外，教師通常認(rèn)為在“構(gòu)成條件”中“閉合回路”并非是個(gè)難點(diǎn)，但是實(shí)際上，學(xué)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(xué)生認(rèn)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(diǎn)浸沒在稀硫酸溶液中，很多學(xué)生認(rèn)為這樣的裝置沒有形成閉合回路，不符合原電池原理。

教學(xué)建議：《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》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(xué)生判斷某裝置是否為原電池而總結(jié)出來的“經(jīng)驗(yàn)”。從實(shí)際情況看，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)的“性價(jià)比”不高，它對學(xué)習(xí)者提供的幫助遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對學(xué)習(xí)者造成的困惑。筆者認(rèn)為“構(gòu)成條件”本身就蘊(yùn)含在原電池的工作原理中，并不需要刻意強(qiáng)調(diào)。

4. 關(guān)于“電極名稱”

在初中學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)知道電源的正負(fù)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(xué)習(xí)中，常常需要進(jìn)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(xué)反應(yīng)角度重新認(rèn)識“正、負(fù)極”，與已有的經(jīng)驗(yàn)（生活中的或物理學(xué)科中的正負(fù)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(xué)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(fù)極名稱。

教學(xué)建議：從一開始學(xué)習(xí)原電池時(shí)，教師就要讓學(xué)生明確和物理電學(xué)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(fù)極和電流、電子流向的關(guān)系，再引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注電源內(nèi)部發(fā)生的變化。這樣有助于學(xué)生能將不同學(xué)科之間的知識相互補(bǔ)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(yùn)動”

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

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

6. 關(guān)于“電極方程式書寫”

學(xué)習(xí)原電池之前，學(xué)生已經(jīng)接觸過大量的氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)，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(yīng)拆成兩條“半反應(yīng)”不習(xí)慣；不能根據(jù)題意分析判斷出電解質(zhì)特點(diǎn)（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(yùn)用。

教學(xué)建議：在學(xué)習(xí)原電池知識前，對某些常見、簡單的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行拆分為氧化和還原半反應(yīng)的訓(xùn)練，讓學(xué)生能對“半反應(yīng)”有一定的認(rèn)識，降低學(xué)習(xí)原電池中電極反應(yīng)式學(xué)習(xí)的難度；展示不同電解質(zhì)的氫氧燃料電池電極反應(yīng)式書寫，并從電極反應(yīng)式或題意中判斷出電解質(zhì)特點(diǎn)；對常見的電極反應(yīng)物或產(chǎn)物進(jìn)行梳理，引導(dǎo)學(xué)生從元素化合價(jià)變化角度認(rèn)識到形式各異但本質(zhì)相同的反應(yīng)。

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(yīng)式：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O ，根據(jù)圖3的分析可以得到兩極的反應(yīng)式。

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

銀鋅紐扣電池在習(xí)題中有其他表達(dá)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(jìn)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(diǎn)多，并且都具有一定的難度，教師應(yīng)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(dá)進(jìn)行有效結(jié)合，將眾多的知識要點(diǎn)整合在一起，形成知識組塊。心理學(xué)研究表明，形成知識組塊有利于記憶，因?yàn)閷χR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(jìn)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(xué)中，教師及時(shí)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(gè)電極、電解質(zhì)溶液、導(dǎo)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(yīng)。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(jì)和易記，并促進(jìn)原電池多個(gè)知識點(diǎn)的相互融合（如負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)會失去電子，電子從負(fù)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(xué)生形成高度結(jié)構(gòu)化的知識體系，也有利于學(xué)生在問題解決時(shí)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(xué)中也可以使用類似圖形表達(dá)，在復(fù)習(xí)階段還可以將“原電池”和“電解池”統(tǒng)一在一個(gè)圖形（如圖6所示）中，促進(jìn)知識的結(jié)構(gòu)化，達(dá)到減少外部認(rèn)知負(fù)荷，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷的效果[5]。

上述分析和建議是針對高一、高二學(xué)生在學(xué)習(xí)“原電池”中存在的部分困難，在實(shí)際教學(xué)中肯定還存在其他的學(xué)習(xí)困難（比如對“鹽橋”、“離子交換膜”的認(rèn)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(xué)內(nèi)容復(fù)雜性，教師在教學(xué)中需要根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況，從整體上處理好必修和選修階段的原電池教學(xué)，采取合適的措施，幫助學(xué)生克服困難，提高學(xué)習(xí)效率。

四、反思

造成學(xué)生學(xué)習(xí)困難的原因有很多，可能是知識本身過于抽象，可能是學(xué)生缺乏相關(guān)的知識基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，可能因?yàn)槟撤N原因?qū)е聦W(xué)生上課時(shí)走神了，可能是學(xué)生已有的不正確的認(rèn)知阻礙了他們對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，可能是教師給學(xué)生提出了過高的學(xué)習(xí)要求，也可能是教師沒有把學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)鍵特點(diǎn)，通過有效的途徑呈現(xiàn)給學(xué)生。上述因素中，通常最后一個(gè)因素容易被大家忽視。從知識和能力角度看，學(xué)生是學(xué)科新手，教師是學(xué)科專家，教師對所教學(xué)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(dá)到融會貫通的狀態(tài)，教師可能遺忘或不清楚新手在學(xué)習(xí)某個(gè)知識過程中遇到的障礙具體是什么，教師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為的難點(diǎn)未必是學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，輕描淡寫或一帶而過的內(nèi)容對學(xué)生而言卻可能是難點(diǎn)，會影響到后續(xù)的學(xué)習(xí)效果。

不同階段的學(xué)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(xué)生遇到的問題又存在很大的差異性，教師應(yīng)通過各種途徑了解學(xué)生的真實(shí)情況，測查學(xué)生學(xué)習(xí)困難，深入分析造成學(xué)習(xí)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(xué)內(nèi)容，確定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)的重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動突破難點(diǎn)以達(dá)到高效的教學(xué)效果。

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