高中生“原電池”學(xué)習(xí)困難成因初探

束婷婷++吳瓊

【摘 要】“原電池”是化學(xué)學(xué)科的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，但從學(xué)習(xí)過程和結(jié)果來看，很多學(xué)生對(duì)于“原電池”知識(shí)表現(xiàn)出學(xué)習(xí)困難。文獻(xiàn)研究及訪談?wù){(diào)查表明，教材處理方式、新知識(shí)處理方式、知識(shí)結(jié)構(gòu)處理方式、題目處理方式及學(xué)生情緒處理方式等是決定高中生“原電池”學(xué)習(xí)效果的主要因素。文章以這5個(gè)因素為出發(fā)點(diǎn)，探討高中生“原電池”學(xué)習(xí)困難的主要原因，對(duì)于改善“原電池”學(xué)習(xí)現(xiàn)狀具有重要的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】高中生；原電池；學(xué)習(xí)困難

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0568（2017）10-0072-03

“原電池”是化學(xué)科學(xué)的重要組成部分，原電池概念及原理的學(xué)習(xí)有利于深化“能量守恒”的思想，從而幫助學(xué)生建立科學(xué)的世界觀，而原電池實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力也具有重要意義。電化學(xué)工業(yè)推動(dòng)著生產(chǎn)生活的發(fā)展并發(fā)揮著不可替代的作用，原電池理論作為電化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，促使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際并發(fā)揮知識(shí)的價(jià)值，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。另外，高中教材中電解池的學(xué)習(xí)是以原電池為基礎(chǔ)，因而原電池知識(shí)的掌握程度又會(huì)直接影響學(xué)生電解池的學(xué)習(xí)。由此看來，原電池的學(xué)習(xí)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。然而，很多研究表明，高中生“原電池”學(xué)習(xí)困難，并在此知識(shí)點(diǎn)上出現(xiàn)成績(jī)分化，甚至出現(xiàn)厭惡化學(xué)學(xué)科的現(xiàn)象。

高中生“原電池”學(xué)習(xí)困難主要表現(xiàn)在混淆陰、陽離子移動(dòng)方向及電子電流流向、難以完成復(fù)雜電極反應(yīng)式的書寫及判斷離子濃度變化等方面。教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，其對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)程中各種因素的處理方式?jīng)Q定了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此，本文嘗試從教材處理方式、新知識(shí)處理方式、知識(shí)結(jié)構(gòu)處理方式、題目處理方式及學(xué)生情緒處理方式等5個(gè)方面，探討高中生“原電池”學(xué)習(xí)困難的主要原因。

一、教材處理方式

根據(jù)新課程“螺旋式上升”的理念，“原電池”分別出現(xiàn)在高中化學(xué)必修2和選修4兩本教材中。從教材內(nèi)容來看，必修2將原電池內(nèi)容放在第二章“化學(xué)反應(yīng)與能量”中，所以此處重點(diǎn)從能量的角度圍繞化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換關(guān)系來展開原電池教學(xué)，主要包括以下4個(gè)方面：化學(xué)能為什么可以轉(zhuǎn)化為電能？化學(xué)能如何轉(zhuǎn)化為電能？化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置是什么？化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的意義是什么？而選修4第四章第一節(jié)“原電池”看似和必修2內(nèi)容重復(fù)，但教材又從提高原電池效率的出發(fā)點(diǎn)提出鹽橋的概念。同樣，第二節(jié)“化學(xué)電源”將必修2中提到的一次電池、二次電池及燃料電池的內(nèi)容深化展開，分析了各類電池的工作原理及電極反應(yīng)，并以此探討了每種電池的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，選修4中原電池內(nèi)容的核心目的是讓學(xué)生思考如何將原電池原理很好地應(yīng)用于生活實(shí)際。不難發(fā)現(xiàn)，必修2強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)原電池的理論基礎(chǔ)，而選修4則著重從實(shí)際應(yīng)用角度展開并深化原電池知識(shí)。

由于新課程內(nèi)容由必修到選修“螺旋式上升”的特點(diǎn)，使得教學(xué)深度的控制一直是困擾中學(xué)教師的重要問題，教學(xué)深度把握含糊，導(dǎo)致教學(xué)目標(biāo)不清晰，難免會(huì)影響教學(xué)效果。教師可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平有選擇地調(diào)整教學(xué)順序，如在必修2的教學(xué)中就將生活中常見的化學(xué)電源電極反應(yīng)式的書寫作為教學(xué)目標(biāo)并展開教學(xué)。但不能使教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)錯(cuò)位，比如在必修2的實(shí)際教學(xué)中并未涉及一次電池、二次電池等電極反應(yīng)式書寫的內(nèi)容，卻在課后習(xí)題中布置相應(yīng)練習(xí)，雖然部分學(xué)生可以解決，但對(duì)于基礎(chǔ)較弱的學(xué)生來說必然會(huì)造成學(xué)習(xí)障礙。所以，教師首先應(yīng)明確各部分的教學(xué)目標(biāo)，在各自教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上再對(duì)學(xué)生提出相應(yīng)要求，切忌忽略學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)而盲目提高學(xué)生水平。

二、新知識(shí)處理方式

在原電池原理教學(xué)時(shí)，部分教師往往將原電池以完整的體系呈現(xiàn)給學(xué)生，再逐個(gè)分析原電池的每個(gè)構(gòu)成要素及其存在的必要性。這種新知識(shí)處理方式可以使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)模式化地掌握原電池的組成要素并完成相應(yīng)練習(xí)，但難以使學(xué)生從本質(zhì)上了解原電池工作原理。心理學(xué)家皮亞杰（Jean Piaget）的認(rèn)知發(fā)展理論認(rèn)為，應(yīng)將教學(xué)內(nèi)容以符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生將新知識(shí)合理地納入原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，從而使學(xué)生達(dá)到對(duì)事物的理解。從學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)出發(fā)為學(xué)生提供支架，將原電池內(nèi)容所包含的知識(shí)要素以邏輯關(guān)系的方式逐個(gè)呈現(xiàn)，使其變?yōu)檎n堂中師生互動(dòng)的生成性知識(shí)。如含有鹽橋的鋅銅原電池，鹽橋中離子移動(dòng)方向的問題就可以以Zn失電子轉(zhuǎn)化為Zn2+進(jìn)入ZnSO4溶液，Cu2+獲得電子成為金屬銅沉積在銅電極上為教學(xué)起點(diǎn)，以教師提供的“溶液呈電中性”“擴(kuò)散規(guī)律”為支架展開學(xué)習(xí)，這種知識(shí)處理方式促使學(xué)生主動(dòng)將新知納入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，有利于知識(shí)的掌握。

另外，不少學(xué)生容易混淆原電池正負(fù)極和電解池陰陽極及其反應(yīng)類型。在大學(xué)物理化學(xué)的教學(xué)中，通常采用電化學(xué)中公認(rèn)的約定：無論是電解池或是原電池，在討論其中單個(gè)電極時(shí)，都把發(fā)生氧化作用的電極稱為陽極，把發(fā)生還原作用的電極稱為陰極。在高中階段，電解池分陰陽兩極，與大學(xué)物理化學(xué)沒有差異。而原電池電極分為正負(fù)兩極，并沒有陰陽極的提法?？梢岳斫猓咧薪滩娜绱颂幚碓姵仉姌O問題是由于原電池本身的意義就是電池。在物理學(xué)中認(rèn)為，電子在電場(chǎng)作用下發(fā)生定向移動(dòng)而顯示電流，并規(guī)定：以正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯姆较?，且電流總是從電?shì)高的正極流向電勢(shì)低的負(fù)極，這與電子的流向剛好相反。因此，有人也常常用正、負(fù)極來表示原電池中的兩個(gè)電極。雖然高中教材并未提及原電池陰陽極的說法，但是如果教師從更高的理論水平理解原電池兩極的含義，在“原電池”教學(xué)中，首先提及陰陽極的概念，一方面可以幫助學(xué)生將電極與電極反應(yīng)有機(jī)地聯(lián)系在一起，另一方面又能為后續(xù)電解池陰陽極做鋪墊；再由原電池的功能和物理學(xué)原理將原電池陰陽極轉(zhuǎn)換為正負(fù)極（如圖1）。這種知識(shí)處理方法，不僅有利于學(xué)生從更深的層次理解原電池正負(fù)極且不與陰陽極混淆，還使知識(shí)點(diǎn)統(tǒng)一于化學(xué)科學(xué)，不致使學(xué)生在遇到原電池陰陽極的提法時(shí)產(chǎn)生認(rèn)知沖突。

三、知識(shí)結(jié)構(gòu)處理方式

學(xué)生“原電池”學(xué)習(xí)困難還有一個(gè)重要表現(xiàn)是，遇到原電池相關(guān)問題時(shí)不知該如何下手、不知該如何利用已知條件解決問題、不能從復(fù)雜的電池體系中辨別出其構(gòu)成要素以及混淆原電池和電解池的性質(zhì)等。究其原因，在于學(xué)生自身未建立系統(tǒng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)或者認(rèn)知結(jié)構(gòu)可利用性、穩(wěn)定性、可辨別性較低，知識(shí)雜糅在一起，難以提取。這個(gè)過程的關(guān)鍵因素就是教師，教師是否對(duì)龐雜的知識(shí)體系進(jìn)行梳理總結(jié)以幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系？

根據(jù)原電池知識(shí)特點(diǎn)，教師應(yīng)幫助學(xué)生從3個(gè)方面建立認(rèn)知結(jié)構(gòu)。首先，建立原電池自身運(yùn)行體系的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，厘清原電池構(gòu)成的基本要素及其邏輯關(guān)系。其次，建立幾種典型的原電池認(rèn)知結(jié)構(gòu)，如二次電池、燃料電池等。另外，還應(yīng)建立原電池和電解池區(qū)別與聯(lián)系的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，如裝置組成、電極名稱與反應(yīng)等。如圖2（a）、（b）分別表示了鉛蓄電池的放電和充電過程。這種知識(shí)處理方式不僅有利于加深學(xué)生對(duì)二次電池工作原理的理解，還有利于學(xué)生建立穩(wěn)定的關(guān)于原電池和電解池的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。教師總結(jié)規(guī)律時(shí)，應(yīng)注意規(guī)律的科學(xué)性并且讓學(xué)生理解規(guī)律所暗含的更深層次的意義，適時(shí)地列舉分析特例，從而幫助學(xué)生建立更為合理、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)。

四、題目處理方式

高中生“原電池”學(xué)習(xí)困難的一個(gè)很重要的因素是很多原電池相關(guān)習(xí)題屬于結(jié)構(gòu)不良問題，這類題目通常取材于實(shí)際，考察方式新穎靈活，有利于發(fā)展學(xué)生的綜合能力。簡(jiǎn)妮·愛麗絲·奧姆羅德（Jeanne Ellis Ormrod）認(rèn)為結(jié)構(gòu)不良問題的特點(diǎn)是：目標(biāo)狀態(tài)模糊、缺失必要的信息、沒有一種確定的方法達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。如2016年浙江省高考理綜卷11題，就是學(xué)生想要回避的題型，題目考查原電池原理的應(yīng)用，題干中并未明確給出電池的正負(fù)極、電解質(zhì)溶液等相關(guān)信息，也未直接給出解題的目標(biāo)。因此，可以看作結(jié)構(gòu)不良問題。對(duì)于剛接觸這類題型以及基礎(chǔ)較弱的學(xué)生來說，必然難以下手，若學(xué)生沒有及時(shí)掌握此類問題的處理方法便會(huì)產(chǎn)生畏難情緒。

（2016年浙江省高考理綜卷11題）金屬（M）-空氣電池（如圖3）具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新能源汽車和移動(dòng)設(shè)備的電源。該類電池放電的總反應(yīng)方程式為：4M + nO2 + 2nH2O = 4M（OH）n。已知：電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能。下列說法不正確的是：

A. 采用多孔電極的目的是提高電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)散至電極表面

B. 比較Mg、Al、Zn三種金屬-空氣電池，Al-空氣電池的理論比能量最高

C. M-空氣電池放電過程的正極反應(yīng)式：4Mn+ + nO2 + 2nH2O + 4ne- = 4M（OH）n

D. 在Mg-空氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg（OH）2，宜采用中性電解質(zhì)及陽離子交換膜

解決結(jié)構(gòu)不良問題的一個(gè)策略是：將這個(gè)問題界定得更為具體詳細(xì)，即讓他們變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)良好的問題，通過分析問題提取已知信息，明確問題目標(biāo)以及由已知信息到目標(biāo)的操作方法。對(duì)于原電池工作系統(tǒng)，正負(fù)電極、電解質(zhì)溶液、構(gòu)成電流通路的導(dǎo)線是3個(gè)基本要素，從題目中提取這3個(gè)要素作為已知信息，再根據(jù)原電池工作原理分析正負(fù)電極反應(yīng)式、電子、電流及離子的移動(dòng)方向等即可解決問題目標(biāo)。這種方法使問題情境與學(xué)生原電池相關(guān)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)更為貼近，有利于問題的解決。

五、學(xué)生情緒處理方式

在訪談與調(diào)查中，很多學(xué)生表示 “原電池電解池的題我都做不好，所以每次看到這類題目我就跳過不做”?？梢姡瑢?duì)于原電池相關(guān)問題，部分學(xué)生在學(xué)習(xí)前期遇到挫折，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)后期缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)并采取消極的態(tài)度應(yīng)對(duì)。本來可以解決的問題，卻因?yàn)榍榫w障礙使學(xué)生止步不前。循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致學(xué)生原電池知識(shí)學(xué)習(xí)形成障礙，難以攻破。

對(duì)于學(xué)習(xí)行為障礙，即使最初不是由于情緒原因造成的，在該障礙的發(fā)展過程中，也是由情緒因素來推波助瀾的。要改善這種現(xiàn)象，最根本的途徑就是消除學(xué)生相關(guān)的消極情緒反射，并創(chuàng)造積極的情緒體驗(yàn)。選取原電池典型題目，分析題目使其中的信息與學(xué)生認(rèn)知產(chǎn)生聯(lián)系，克服學(xué)生對(duì)題目的消極情緒，并給學(xué)生展示問題解決的過程和思路，再做對(duì)應(yīng)練習(xí)，當(dāng)學(xué)生能完全解決此類題目并產(chǎn)生了積極情緒后，再做幾組變式練習(xí)，強(qiáng)化鞏固。一旦學(xué)生錯(cuò)誤率下降，積極情緒就會(huì)代替消極情緒，從而克服原電池學(xué)習(xí)障礙。在這個(gè)過程中，教師還應(yīng)注意適時(shí)、適量給予學(xué)生鼓勵(lì)。

“原電池”內(nèi)容本身的特點(diǎn)是造成“原電池”學(xué)習(xí)困難不可忽略的因素，而教師作為課程的指導(dǎo)者，從知識(shí)、學(xué)生的角度考慮，通過積極處理教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、調(diào)整教學(xué)節(jié)奏等方式，最大限度地減弱不利于學(xué)生“原電池”學(xué)習(xí)的因素，方能幫助學(xué)生克服“原電池”學(xué)習(xí)障礙。

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（編輯：楊 迪）