德國中學(xué)化學(xué)教材“電化學(xué)”內(nèi)容的設(shè)置及啟示

單世乾+倪娟

摘要：對比國內(nèi)高中化學(xué)教科書與德國教材《今日化學(xué)SⅡ》的“電化學(xué)”內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)德國教材理論內(nèi)容的設(shè)置特色鮮明：素材選擇體現(xiàn)聯(lián)系生產(chǎn)生活的教學(xué)需求；內(nèi)容組織強化理論的論證過程；基于技術(shù)應(yīng)用設(shè)計實驗探究教學(xué)活動。對我國高中化學(xué)教材理論內(nèi)容的編制及教學(xué)提供借鑒與啟示。

關(guān)鍵詞：德國教材《今日化學(xué)SⅡ》；電化學(xué)；內(nèi)容設(shè)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(xué)內(nèi)容具有較強的理論性，有關(guān)原電池中反應(yīng)的原理、電極的判斷、電極方程式的書寫等方面的內(nèi)容較為抽象，與學(xué)生的生活經(jīng)驗有一定的距離，學(xué)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(xué)課程標準（征求意見稿）》針對“電化學(xué)”提出的學(xué)習(xí)要求為：“認識化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化的實際意義及重要應(yīng)用”，可見有關(guān)電化學(xué)內(nèi)容的教學(xué)需要強化聯(lián)系生產(chǎn)實際，讓學(xué)生認識到化學(xué)理論的指導(dǎo)作用。此外，對于電化學(xué)等理論性知識教學(xué)，畢華林提出了要“加強探究教學(xué)”的策略[1]；劉知新教授也指出要“突出理論的論證性，發(fā)展學(xué)生抽象思維能力”[2]。根據(jù)上述電化學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)特點分析以及相關(guān)學(xué)者的指導(dǎo)性觀點，電化學(xué)教學(xué)應(yīng)充分發(fā)掘生產(chǎn)實際素材，設(shè)計合適的實驗探究活動來學(xué)習(xí)原電池的基本原理及相關(guān)概念，引導(dǎo)學(xué)生理解電池的改進與發(fā)展的理論依據(jù)及方法，從而應(yīng)用于生產(chǎn)實際問題的解決，以提升學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”、“科學(xué)精神與社會責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。教材作為教與學(xué)的重要依據(jù)，若在素材選擇和探究活動設(shè)計方面能給教師提供直接的參考，將有利于提升電化學(xué)等理論內(nèi)容的教學(xué)效益。

德國中學(xué)化學(xué)教材十分重視理論知識[3]，其理論內(nèi)容的編制，在生產(chǎn)生活素材的選擇[4]、發(fā)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(nèi)高中化學(xué)蘇教版、人教版教材與德國化學(xué)教材《今日化學(xué)SⅡ》中“電化學(xué)”部分內(nèi)容進行對比分析，發(fā)現(xiàn)德國教材理論內(nèi)容的編制特點鮮明，可為我國高中化學(xué)教材理論內(nèi)容的編寫與教學(xué)提供參考。

2 國內(nèi)高中化學(xué)教材與德國教材《今日化學(xué)SⅡ》“電化學(xué)”內(nèi)容設(shè)置

2.1 國內(nèi)高中化學(xué)教材“電化學(xué)”內(nèi)容設(shè)置

我國高中化學(xué)使用蘇教版、人教版、魯科版三套教材，三個版本“電化學(xué)”內(nèi)容的選擇和編排順序極為相似，分別在必修2與選修4設(shè)置“電化學(xué)”內(nèi)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(nèi)容設(shè)置見表1。

在必修2中由鋅銅原電池探究實驗入手，引導(dǎo)學(xué)生感性認識電能的轉(zhuǎn)化，分析反應(yīng)原理和電極反應(yīng)，得出原電池的構(gòu)成條件，引出電極、電極反應(yīng)、電流回路等原電池相關(guān)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(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化，認識氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在負極區(qū)和正極區(qū)發(fā)生，體現(xiàn)了氧化還原反應(yīng)的“自發(fā)性”，也為后續(xù)原電池、電解池中的隔膜技術(shù)奠定基礎(chǔ)。內(nèi)容編排主要按照“原電池→化學(xué)電源→電解池→金屬腐蝕及防護”順序，在學(xué)習(xí)原電池和電解池原理后，幫助學(xué)生綜合所學(xué)知識，解決生活生產(chǎn)中的金屬腐蝕問題。由此可見，國內(nèi)教材關(guān)注學(xué)科知識的邏輯順序，注意概念學(xué)習(xí)的階段性和知識的系統(tǒng)性，合理布局必修與選修內(nèi)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(yīng)用概念。但是，教材內(nèi)容缺少基于工業(yè)生產(chǎn)與生活實際的實驗探究，電池的改進與發(fā)展未見定量研究的證據(jù)支持，這樣的內(nèi)容設(shè)置不利于開展指向核心素養(yǎng)的實驗探究和定量研究的教學(xué)。

2.2 德國教材《今日化學(xué)SⅡ》“電化學(xué)”內(nèi)容設(shè)置

《今日化學(xué)SⅡ》[6]中有關(guān)“電化學(xué)”的內(nèi)容選擇、組織方式充分體現(xiàn)了“應(yīng)用于生產(chǎn)生活”這一主題，具體如表2所示。

從內(nèi)容選擇來看，制備鋅、精煉銅、氯堿工業(yè)的膜工藝、銹蝕與防銹、EDV（電子數(shù)據(jù)處理）設(shè)備中的鋰電池、燃料電池汽車技術(shù)等，均基于知識在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，體現(xiàn)了化學(xué)知識的實用性；從內(nèi)容組織來看，基礎(chǔ)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(xiàn)狀到前景，由理解到應(yīng)用，既符合學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律，又關(guān)注學(xué)以致用，讓學(xué)生感受知識在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用，學(xué)會應(yīng)用知識來改善生活。

該教材內(nèi)容不僅重視理論研究，更注意將理論知識應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實際中的問題解決，設(shè)計了大量真實的實驗探究，定性研究與定量分析相結(jié)合，基于這樣的設(shè)計開展教學(xué)活動對于學(xué)生核心素養(yǎng)提升的作用不言而喻。

3 德國教材電化學(xué)內(nèi)容特點分析及教學(xué)思考

3.1 素材選擇體現(xiàn)聯(lián)系生產(chǎn)生活的教學(xué)需求

從學(xué)習(xí)心理來看，學(xué)習(xí)內(nèi)容有意義，才能最大程度地激發(fā)學(xué)習(xí)動機。創(chuàng)設(shè)日常生活、工業(yè)生產(chǎn)實際中的真實情境，在真實的情境中學(xué)習(xí)真實的化學(xué)，這是落實學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)需求。

德國教材電化學(xué)內(nèi)容選擇貼近生活與生產(chǎn)實際，并體現(xiàn)高新科技融入現(xiàn)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(xué)對生產(chǎn)生活的作用。例如，在研究日常生活中鐵的銹蝕現(xiàn)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(xiàn)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(qū)優(yōu)先生成氫氧根離子：O2+2H2O+4e-→4OH-，而鐵（Ⅱ）離子主要是在缺氧區(qū)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(qū)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(chǎn)中，如果隔離氧氣和電解質(zhì)，可以有效防止鐵的銹蝕。endprint

德國教材內(nèi)容在聯(lián)系生產(chǎn)實際時，又特別尊重其復(fù)雜性。例如，在氯堿工業(yè)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(shè)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(jié)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(huán)境的物質(zhì)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(nèi)容的素材選擇和內(nèi)容組織沿著自然界→實驗室→生活生產(chǎn)的背景線索，從應(yīng)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(yè)生產(chǎn)場景，不僅可以深化理解概念，還能讓學(xué)生領(lǐng)悟?qū)W科對社會發(fā)展的價值和責(zé)任。

相比較而言，國內(nèi)教材在“指向生活生產(chǎn)實際的問題解決”相關(guān)內(nèi)容的設(shè)置較為欠缺。教學(xué)中可考慮補充選擇一些熱點話題，如“電鍍工業(yè)對環(huán)境的影響，電解在污水處理、煤炭脫硫中的應(yīng)用，新型電池的開發(fā)，航空航天科技中的燃料電池，電化學(xué)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(nèi)容組織教學(xué)活動，使學(xué)生學(xué)習(xí)有用的化學(xué)，激勵他們將所掌握的知識投入到實際生活與生產(chǎn)中去，并對敏感的社會問題作出科學(xué)的、理性的判斷，是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生“科學(xué)精神與社會責(zé)任”素養(yǎng)的重要契機。

3.2 內(nèi)容組織強化理論的論證過程

化學(xué)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(zhì)。而理論的應(yīng)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(xué)現(xiàn)象、解決化學(xué)問題，這一過程標志著學(xué)生認識深入到了實際事物變化的本質(zhì)，對學(xué)生抽象思維能力有較高的要求。

基于上述分析，電化學(xué)課堂教學(xué)應(yīng)圍繞核心概念組織教學(xué)，精心設(shè)計問題，幫助學(xué)生形成概念并認識概念的抽象性和概括性。同時關(guān)注學(xué)生在特定情境下應(yīng)用理論時的思維方式，指導(dǎo)學(xué)生運用邏輯推理尋找現(xiàn)象背后隱含的本質(zhì)，在實際應(yīng)用中深化理解。在國內(nèi)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(yīng)沒有氣泡出現(xiàn)，事實上仍有較為明顯的現(xiàn)象，排除鋅片不純的影響因素，負極與電解質(zhì)中的氧化劑直接接觸，部分電子未經(jīng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)移而直接在鋅電極表面被氫離子捕獲，導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)化率降低。實際應(yīng)用中，往往通過采用隔膜技術(shù)避免此種情況。而在理論學(xué)習(xí)中，以雙液原電池為載體，分析兩個區(qū)域中還原劑與氧化劑不直接接觸，不發(fā)生自放電反應(yīng)等確保電能利用率的提高，這也是生產(chǎn)實際中設(shè)計、改進電池的基本要素。

電化學(xué)理論的學(xué)習(xí)具有明顯的階段性，理論應(yīng)用還要注意在某學(xué)段的適用性，防止形成思維定勢。單就原電池發(fā)生的原理來說，中學(xué)階段原電池的理論基礎(chǔ)是氧化還原反應(yīng)，強調(diào)反應(yīng)的自發(fā)性，即氧化還原反應(yīng)的方向一般由半反應(yīng)的電極電勢決定，正極反應(yīng)與負極反應(yīng)也據(jù)此確定；而在大學(xué)階段，根據(jù)能斯特方程，半反應(yīng)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(yīng)的電動勢不大，改變氧化劑和還原劑的濃度或調(diào)節(jié)電解質(zhì)溶液的pH，負極區(qū)和正極區(qū)的反應(yīng)方向可能會發(fā)生逆轉(zhuǎn)。另外，即使是相同的半反應(yīng)，控制濃度，也可形成電流，構(gòu)成濃差電池。受限于不同學(xué)段教學(xué)要求的差異，教學(xué)中不能隨意補充教學(xué)內(nèi)容，但是要引導(dǎo)學(xué)生在應(yīng)用理論時注意中學(xué)化學(xué)的部分概念發(fā)展的階段性，要學(xué)會辯證發(fā)展地認識相應(yīng)的理論解釋。

3.3 基于技術(shù)應(yīng)用設(shè)計實驗探究教學(xué)活動

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

相對于國內(nèi)教科書注重通過定性實驗探究理解電化學(xué)原理，德國教材側(cè)重以定量視角研究原電池的效率和選擇依據(jù)，同時還設(shè)置了多樣化的電解質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(yōu)質(zhì)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(xué)生潛移默化式的啟發(fā)，面對真實的數(shù)據(jù)，學(xué)生感受到的是科學(xué)探究的意義、艱辛與成就感。與此對應(yīng)，教材在實驗作業(yè)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(yōu)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(shù)性任務(wù)問題等，均能最大程度地激發(fā)學(xué)生的探究熱情。

借鑒德國教材的設(shè)計，我們在原電池概念學(xué)習(xí)中，可以利用國內(nèi)教材的現(xiàn)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(zhì)反應(yīng)→電極與電解質(zhì)中溶解的氣體反應(yīng)→電極材料上吸附物質(zhì)之間的反應(yīng)”自發(fā)氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)，從而深化理解原電池的構(gòu)成條件和工作原理。如果說以上定性實驗探究幫助學(xué)生理解原電池的相關(guān)原理，那么教學(xué)過程還需要定量實驗探究來指導(dǎo)學(xué)生利用原理解決問題。真正體現(xiàn)電池發(fā)展的科學(xué)探究過程，離不開定量研究的數(shù)據(jù)支持，也標志著學(xué)生認識發(fā)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(xué)中，可利用濾紙條、玻璃片設(shè)計定量的微型實驗探究，通過調(diào)整Fe、Mg、C、Cu等電極材料及表面積，調(diào)整電極間隔，改變電解質(zhì)種類及濃度，研究電壓表讀數(shù)。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(fā)現(xiàn)影響電池效率的因素，體會電池設(shè)計與發(fā)展的科學(xué)思想和敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神，感悟電池發(fā)展的科學(xué)探究過程。這是培養(yǎng)與發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的重要途徑。endprint

4 理論內(nèi)容的教材編制及教學(xué)啟示

在對比研究我國和德國高中化學(xué)教材中電化學(xué)內(nèi)容的設(shè)置情況基礎(chǔ)上，進一步聯(lián)系和思考理論化學(xué)這一內(nèi)容的教材編制與教學(xué)處理問題。化學(xué)基礎(chǔ)理論是高中化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的精髓，具有高度的概括性和抽象性，在化學(xué)教材中起著統(tǒng)領(lǐng)作用，是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。教材的內(nèi)容選擇，要關(guān)注社會生活或體現(xiàn)科技發(fā)展趨勢的真實情境；要重視實驗探究，包括基于建構(gòu)核心概念和原理的基礎(chǔ)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(nèi)容編排，要在學(xué)生已有知識和生活經(jīng)驗基礎(chǔ)之上呈現(xiàn)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(xué)習(xí)活動的設(shè)計中應(yīng)用概念和理論進行定性、定量分析，發(fā)展學(xué)生的抽象思維能力。

理論性知識的學(xué)習(xí)過程，是感性認識經(jīng)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(chǎn)實際問題、實驗現(xiàn)象及結(jié)果、圖片、數(shù)據(jù)、多媒體影像等，激發(fā)學(xué)生興趣，啟迪學(xué)生通過思維加工、揭示概念和原理的本質(zhì)。理論教學(xué)要求教師關(guān)注學(xué)生思維發(fā)展和認識發(fā)展規(guī)律，以培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為最終目標，精選素材、精心組織探究活動，將理論學(xué)習(xí)與科學(xué)研究、生產(chǎn)實際聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生主動鉆研與思考現(xiàn)象性知識背后的理論與規(guī)律。教師還可激勵學(xué)生通過查閱資料開闊視野，將科學(xué)探究的精神延伸至課外，在生產(chǎn)與生活實際中體會科學(xué)知識、科學(xué)方法的價值。

參考文獻：

[1]畢華林，亓英麗.化學(xué)教學(xué)設(shè)計[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2013：116.

[2]劉知新.化學(xué)教學(xué)論（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1997：249.

[3]鄧育紅，倪娟.重理論講方法強實際——德國化學(xué)教材《今日化學(xué)》特色與啟示[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013，（12）：65～67

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

[5]虞琦，倪娟.德國中學(xué)化學(xué)教材編寫特點及其啟示[J].化學(xué)教學(xué)，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