基于學(xué)生“電解池”學(xué)習(xí)困難的測查與教學(xué)建議

陳曉娜++王婷婷++閆春更++周青

摘要：采用流程圖法測查學(xué)生有關(guān)“電解池”的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，結(jié)合紙筆測驗結(jié)果梳理學(xué)生的學(xué)習(xí)困難：電解池中能量轉(zhuǎn)化、離子移動方向、陰陽極離子放電順序、電解池應(yīng)用等。據(jù)此提出相關(guān)教學(xué)建議：應(yīng)將電解池的宏觀構(gòu)造、微觀原理與符號表達(dá)有效結(jié)合，重視基礎(chǔ)知識與原理的教學(xué)；教學(xué)過程中應(yīng)注意與原電池有效對比，便于學(xué)生掌握較高層次的信息處理策略。

關(guān)鍵詞：電解池；流程圖；學(xué)習(xí)困難；教學(xué)建議

文章編號：1008-0546（2017）07-0002-05 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)反應(yīng)原理”中列為學(xué)生學(xué)習(xí)重點知識，也是高考必考的知識點。通過對這部分知識的學(xué)習(xí)使學(xué)生了解電解池反應(yīng)所遵循的規(guī)律，知道電解池知識在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的作用。電解池的相關(guān)概念和原理較為抽象，需要學(xué)生從宏觀、微觀和符號三個層次進(jìn)行理解，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和抽象性，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的難點。目前國內(nèi)對電解池的研究集中于研究電解池與原電池的對比、有關(guān)電化學(xué)的教學(xué)設(shè)計、電解池的教學(xué)策略等[1-9]。大多數(shù)關(guān)于電解池的研究均與原電池相結(jié)合，單獨涉及到電解池的研究較少，且關(guān)于專門針對電解池的學(xué)習(xí)困難的研究也較少。本研究通過認(rèn)知結(jié)構(gòu)測查與紙筆測驗相結(jié)合的方式，試圖探查學(xué)生在“電解池”領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)特征及可能存在的學(xué)習(xí)困難，打破以往僅通過教師經(jīng)驗分析或紙筆測驗結(jié)果認(rèn)識學(xué)生在具體知識點掌握方面所存在的模式[10]，解釋學(xué)生建構(gòu)該領(lǐng)域知識過程中的規(guī)律及其問題，并提出針對性的教學(xué)建議。

二、研究設(shè)計

1. 研究對象

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

2. 研究方法

本研究采用流程圖法[11-12]表征學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)組織特征，并用特定圖形來展示受訪者回憶內(nèi)容的順序和內(nèi)容之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。即通過轉(zhuǎn)錄繪制流程圖展現(xiàn)學(xué)生對于電解池內(nèi)容的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，采用線性箭頭將學(xué)生的知識表達(dá)順序連接，采用回歸箭頭表示重復(fù)知識點或相關(guān)知識點之間的邏輯關(guān)聯(lián)。還需統(tǒng)計學(xué)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(guān)認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量及信息處理策略變量的內(nèi)涵及計算如表1、表2所示。

三、研究結(jié)果與分析

1. 認(rèn)知結(jié)構(gòu)的定性分析

轉(zhuǎn)錄文本繪制21名學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)流程圖，因篇幅有限，只選擇列出學(xué)優(yōu)生1、中等生2、學(xué)困生3的認(rèn)知結(jié)構(gòu)流程圖，見圖1。

通過展示3名學(xué)生關(guān)于電解池的流程圖，可看出認(rèn)知結(jié)構(gòu)是具有整體性、層次性和差異性的組織系統(tǒng)。3名學(xué)生對電解池認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度和豐富度具有差異性。學(xué)生1認(rèn)知結(jié)構(gòu)的知識點較豐富，知識間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系比較豐富，知識間系統(tǒng)性強(qiáng)。敘述框架有6個層次，依次為電解池的構(gòu)成條件、電解池本質(zhì)、陰陽極的判斷、兩極反應(yīng)規(guī)律、陰陽極放電順序及電解原理的應(yīng)用，思路清晰，層次分明。學(xué)生2的敘述依次為電解池構(gòu)成條件、兩極反應(yīng)規(guī)律及電解原理的應(yīng)用，層次較鮮明，但條理性較差，說出兩條電解池構(gòu)成條件且未掌握陰陽極放電順序。學(xué)生3認(rèn)知結(jié)構(gòu)的層次性和條理性都較差，只談到電解池的本質(zhì)、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(gòu)成條件，未領(lǐng)會陰陽極知識的重要方面即陰陽極反應(yīng)規(guī)律與陰陽極放電順序。學(xué)生3與學(xué)生2和學(xué)生1相比，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的整體性較差，需要后續(xù)進(jìn)一步的提高和完善。

2. 數(shù)據(jù)處理與分析

（1）認(rèn)知結(jié)構(gòu)的定量分析

對學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)整體結(jié)果進(jìn)行分析，3名學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量和信息處理策略數(shù)據(jù)的結(jié)果見表3。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生1對于電解池可說出的知識點數(shù)目和知識之間的聯(lián)系較多，且認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量的整合度高于中等生與學(xué)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(xué)生1與學(xué)生2都傾向于用描述的信息處理策略表達(dá)電解池的構(gòu)成條件。學(xué)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(guān)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(yīng)用的相關(guān)知識。學(xué)生2傾向于使用描述的信息處理策略處理電解池應(yīng)用的相關(guān)知識。學(xué)生2與學(xué)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(guān)知識，但存在知識缺陷。

3. 相關(guān)性分析

（1）認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量與成績的相關(guān)性分析

從表4可得，關(guān)于“電解池”知識內(nèi)容，學(xué)生的紙筆測試成績與認(rèn)知結(jié)構(gòu)的豐富度和整合度密切相關(guān)（？鄢？鄢P < 0.01），紙筆測試成績越高的學(xué)生其頭腦中知識之間的聯(lián)系越豐富、知識結(jié)構(gòu)的整合度越高。

此外，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度和豐富度、整合度、信息檢索率密切相關(guān)（？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(guān)（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；有趣的是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的錯誤概念與豐富度、整合度成負(fù)相關(guān)性（？鄢？鄢P < 0.01），而與信息檢索率成正相關(guān)性（？鄢P < 0.05），這說明學(xué)生頭腦中知識之間的關(guān)系越密切、知識結(jié)構(gòu)的整合性越強(qiáng)，頭腦中出現(xiàn)的錯誤概念就越少，但是學(xué)生若追求快速而準(zhǔn)確的提取信息還是有一定困難的，容易出現(xiàn)錯誤概念。

（2）信息處理策略與成績的相關(guān)性分析

由表5可得，關(guān)于“電解池”知識內(nèi)容，學(xué)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(guān)（？鄢P < 0.05），即學(xué)習(xí)成績好的學(xué)生在呈現(xiàn)電解池相關(guān)知識時善于用較高級的信息處理策略。

（3）認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量與信息處理策略的相關(guān)性分析

由表6可得，關(guān)于“電解池”知識內(nèi)容，學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)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(guān)（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；此外，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的廣度還與描述密切相關(guān)（？鄢？鄢P < 0.01）；認(rèn)知結(jié)構(gòu)的整合度與比較和對比顯著性相關(guān)（？鄢P < 0.05）；信息檢索率也與情景推理密切相關(guān)（？鄢？鄢P < 0.01）。說明學(xué)生所掌握的知識越多，對知識間的聯(lián)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(xué)生的學(xué)習(xí)困難

對學(xué)生關(guān)于電解池知識的掌握情況及學(xué)習(xí)困難進(jìn)行分析：

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

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

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

（3）兩極反應(yīng)規(guī)律：56.7%的學(xué)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(yīng)與還原反應(yīng)。然而，僅13.3%的學(xué)生可正確將原電池正負(fù)極與電解池陰陽極類比進(jìn)行敘述。10%的學(xué)生在該知識上存在迷思概念，認(rèn)為電解池陽極對應(yīng)原電池正極，電解池陰極對應(yīng)原電池負(fù)極。說明學(xué)生對電解池與原電池的區(qū)別與聯(lián)系辨別不清。

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

（4）離子移動方向：46.7%的學(xué)生能正確說出電解質(zhì)溶液中離子移動方向，6.7%的學(xué)生存在迷思概念。學(xué)生對電解池溶液中離子移動方向較不重視，且部分學(xué)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(guān)系。

（5） 陰陽極離子放電順序：20%的學(xué)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(xué)生提到“陰極放電順序：氯離子、溴離子在氫之前反應(yīng)”，學(xué)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(xué)生認(rèn)為陰極放電順序為強(qiáng)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(shù)同學(xué)理解了陰陽極離子放電順序。

（6）電解池的應(yīng)用：學(xué)生可以舉出部分電解池的應(yīng)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(hù)、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(xué)生未區(qū)分清楚原電池與電解池的應(yīng)用。有6.7%的學(xué)生提到電解池的應(yīng)用是將其他形式的能量儲存起來轉(zhuǎn)換為電能，學(xué)生未理解電解池的原理是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。

四、討論與教學(xué)建議

通過運用流程圖法與紙筆測驗法對高中學(xué)生關(guān)于電解池知識學(xué)習(xí)困難的測查與分析得出以下結(jié)論：首先，有關(guān)電解池的認(rèn)知結(jié)構(gòu)完整性、層次性與條理性較差，不能對電解池的原理與本質(zhì)、構(gòu)成條件、陰陽極反應(yīng)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(yīng)用有系統(tǒng)且全面的認(rèn)識；其次，學(xué)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(xué)生對電解池與原電池的區(qū)別與聯(lián)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(fù)極與電解池陰陽極的對應(yīng)關(guān)系；原電池的應(yīng)用與電解池的應(yīng)用等。但是，在分析流程圖中發(fā)現(xiàn)學(xué)生傾向于將電解池的陰極與陽極知識進(jìn)行對比描述，條理清楚，表述明確。

針對以上學(xué)生關(guān)于電解池認(rèn)知結(jié)構(gòu)的情況，提出以下教學(xué)建議：（1）在電解池知識的教授過程中，使用對比教學(xué)策略，將電解池與原電池的工作原理與本質(zhì)及裝置構(gòu)成條件進(jìn)行比較，再輔以動畫模擬或?qū)嵺`操作設(shè)計電解池與原電池，使學(xué)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(lián)系。

（2）教師可在電解池陰陽極教學(xué)時強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)。即將陰陽極判斷、溶液中離子的移動方向、陰陽極反應(yīng)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(xué)生整體上把握與理解電解池中關(guān)于陰陽極的知識。

（3）與物理學(xué)電路知識相聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)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(zhì)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(lián)系，使學(xué)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?qū)嵺`操作等使學(xué)生認(rèn)識理解電解池的完整性，建立系統(tǒng)的知識體系脈絡(luò)及清晰的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳殿更. 以核心概念為本的“電解池”教學(xué)設(shè)計[J]. 化學(xué)教育，2013，12：41-43

[2] 郭高峰. 《電解池》教學(xué)設(shè)計與反思[J]. 中小學(xué)教學(xué)研究，2014，3：35-37

[3] 趙國敏，孫可平. 概念轉(zhuǎn)變理論指導(dǎo)下的高中電化學(xué)教學(xué)設(shè)計研究與實踐[J]. 化學(xué)教育，2014，13：11-15

[4] 陶莎莎. 原電池與電解池的幾點對比 [J]. 學(xué)苑教育，2014，18：77

[5] 張越. 原電池與電解池知識記憶思考 [J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014，22：51

[6] 秦慧娟. 原電池與電解池知識的教學(xué)探討 [J]. 高中數(shù)理化，2015，16：51-52

[7] 彭豪. 基于POE策略的高中化學(xué)“四重表征”概念教學(xué)研究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2011，10：24-27

[8] 陳立朵. “原電池”與“電解池”學(xué)習(xí)要點梳理[J]. 中學(xué)化學(xué)，2016，4：23-24

[9] 李桂花. 高中化學(xué)原電池與電解池的教學(xué)分析 [J]. 中國教育技術(shù)裝備，2014，13：134-135

[10] 劉啟成. 基于“觀念建構(gòu)”的化學(xué)教學(xué)——以“鎂的提取及應(yīng)用”為例[J]. 化學(xué)教學(xué)，2013，9：24-26

[11] Qing Zhou，Tingting Wang，Qi Zheng. Probing high school students cognitive structures and key areas of learning difficulties on ethanoic acid using a flow map method，Chemistry Education Research and Practice. 2015，16，589-602

[12] Chin-Chung Tsai & Chao-Ming Huang. Exploring students cognitive structures in learning science：a review of relevant methods [J]. Journal of Biological Education，2002，36（4）：163-169