高中化學“電化學”主題的基本課程問題探析

黃鳴春 薄一琳

摘要：選取改革開放以來5版高中化學課程標準/教學大綱及對應的5版人民教育出版社出版的高中化學教科書，采用內容分析法，站在促進學生素養(yǎng)發(fā)展的角度從知識、活動、素材上梳理電化學主題基本的課程內容選取和組織問題。研究發(fā)現(xiàn)：電化學內容選取上逐漸素養(yǎng)導向化，表現(xiàn)為概念的下位概念進一步清晰，匹配知識的活動和素材趨向豐富多變。有些知識內容尚待討論。主題內的活動設計缺乏穩(wěn)定性，電化學應用相關實驗存在差異。課標缺乏穩(wěn)定的電化學原型素材，教科書中體現(xiàn)學科前沿化的素材有待進一步挖掘。在內容組織上，形成了從原理到應用的二元組織思路。

關鍵詞：高中化學; 電化學; 課程問題; 教科書

文章編號：1005-6629（2021）08-0027-06

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題提出

電化學主題在整個高中化學學習中占據非常重要的地位，通過以“電化學、電解池、原電池、腐蝕”為主題，分別選定《化學教育》《化學教學》期刊，進行檢索并在結果中再次以“教材”為主題進一步檢索，發(fā)現(xiàn)目前文獻中對“電化學”的課程內容研究主要有四個方面：一是教科書中“電化學”相關內容辨析和釋疑;二是不同教科書中“電化學”內容比較;三是“電化學”內容的教材分析;四是“電化學”實驗的設計與討論。已有文獻較少立足于課程立場，探究電化學主題內容的穩(wěn)定性和趨勢。本研究試圖基于促進學生素養(yǎng)發(fā)展的角度從知識、活動、素材上梳理電化學主題內容基本的課程內容選取和組織問題。

2 分析框架

基于文獻[1，2]及課程標準的規(guī)定，本研究建構電化學課程內容的分析框架見圖1。其中，電化學主題內容分為以下四個方面：（1）電化學構成要素，包括電極材料、電極反應物和電極產物、離子導體和電子導體;（2）電化學過程，包括電荷移動及流向、放電順序;（3）電化學反應及表征，即電池總反應方程式和電極反應;（4）電化學應用，包括不同的化學電源、金屬的腐蝕與防護、電解原理的應用。其中（1）（2）（3）可歸為電化學的原理。針對這四個方面，從知識、活動、素材三個方面來進行課程分析。活動為教科書中的活動性欄目所體現(xiàn)，主要針對實驗類活動。

素材主要指的是選取的原電池、電解池、金屬的腐蝕與防護的原型和應用實例。

3 研究對象與方法

研究對象為1978～2020年高中化學課程標準/教學大綱（以下簡稱課標/大綱）及相應人民教育出版社出版的高中化學教科書中的“電化學”內容，涉及的高中化學課程標準/教學大綱及對應教科書見表1，在后文中以年份表示課程標準和教科書。本研究主要采用內容分析法，基于促進學生素養(yǎng)發(fā)展的角度從知識、活動、素材上梳理電化學主題基本的課程內容選取和組織問題。

4 研究結果

4.1 電化學內容選取上逐漸素養(yǎng)導向化，表現(xiàn)為概念的下位概念進一步清晰，匹配知識的活動和素材趨向豐富多變

4.1.1 歷年課標/大綱中電化學主題內容選取在知識上基本穩(wěn)定為電化學的原理和應用，匹配的實驗活動不穩(wěn)定，素材不具體外顯

首先，知識上，原電池、電解池、電化學應用是固定選取的內容，電化學過程未涉及，差異在于是否明確提出電化學構成要素以及電化學表征的要求，

具體情況見表2。僅2017年必修中的學業(yè)要求提及了原電池的構成要素，其他均未提及。每版課標/大綱均選取了原電池和電解池原理。2017年選擇性必修的學業(yè)要求中對設計簡單的原電池和電解池做出了要求，而其他課程標準均未提及。電化學過程在這五版課標/大綱均無明確表述。電化學表征只在2003年版課程標準中被提及，對電極反應和電池反應方程式做出了要求。電化學應用在這五版課程標準中均被選取，具體表述有細微差異。

其次，活動上，電化學實驗內容的選取一直都有變化，具體情況見表3。整體來看，這5版課標/大綱中實驗類活動與電化學過程和電化學應用有關。前后出現(xiàn)過3個與電化學過程相關的實驗。與電化學應用相關的實驗共出現(xiàn)過4個。電鍍實驗除了2003年沒有提及外，其他年份均有提及。金屬的電化學腐蝕只在1983年和1994年出現(xiàn)過，2003年的內容要求中有相關文字表述“通過實驗探究防止金屬腐蝕的措施”。制作簡單的燃料電池只在2017年為學生必做實驗。

最后，課標/大綱中列出的具體素材逐步減少，具體情況見表4。只有1994年明確提到電化學原理選取的是“銅鋅原電池”和“電解氯化銅溶液”素材，其他沒有明確指明。前三版教學大綱中列出的是電化學的具體應用，后兩版課程標準沒有明確提出“電解食鹽水”這樣的具體應用，而是概括為認識電解的應用。干電池、蓄電池是在1978年被明確提出具體的化學電源，1983年和1994年沒有提到“化學電源”，2003年和2017年提到“化學電源”，但未給出具體種類。前三版課標/大綱均提及電解食鹽水、電鍍，1994年還提到了立式隔膜電解槽，同時還給出了兩種具體的金屬防護方法。

4.1.2 教科書中電化學內容選取在原理知識上進一步精確化，而在電化學應用、匹配的活動及素材上穩(wěn)固了一定的原型，也在逐步豐富中

首先，知識上，原電池、電解池的定義及其中電荷的流向，電池反應方程式，電鍍定義、金屬的腐蝕定義、化學腐蝕和電化學腐蝕的定義、鐵的吸氧和析氫腐蝕原理，以及犧牲陽極的陰極保護法是固定選取的內容，存在爭議的選取內容有：電化學的構成要素、離子的放電順序、電冶金的概念、外接電流的陰極保護法等內容。

（1） 電化學構成要素未在教科書中有明確表述。

在前3版教科書中電化學構成要素沒有被明確地表述，在2007年必修的思考與交流欄目中有提出原電池（單液原電池）組成的問題，在2019年必修的探究欄目中，通過制作水果電池的實驗探究“電池不可或缺的構成部分有哪些”，在選擇性必修的思考與討論欄目中，要求學生“繪制反映原電池工作原理的示意圖，示意圖要求注明原電池（雙液原電池）組成”。

（2） 電化學過程不同版本教科書闡述邏輯和詳盡程度稍有不同，放電順序有待討論。

5版教科書對于原電池（單液原電池）的電子電荷移動及流向的表述是相同的，原電池（雙液原電池）的電荷移動及流向的核心內容是相同的，只是表述有所差別。電解池內容中，2019年只介紹了陰離子、陽離子的遷移方向，并未明確給出電子的運動方向，而是以活動的形式讓學生標注出來，其他教科書均明確給出了電子電荷移動及流向。電解池的電化學過程還涉及到放電順序，電解CuCl2溶液的內容中，1980、 1984和1995年均介紹了Cu2+和H+、 Cl-和OH-的放電順序，2007年有提及但沒有討論，2019年未提及。

（3） 電極反應的表征即電極反應式均在教科書中呈現(xiàn)。但5版教科書中均未給出電極反應的明確概念，電池總反應的概念待明晰。

（4） 電化學應用內容有明顯變化。

對于金屬腐蝕的內容，5版教科書均選取了金屬腐蝕的定義、化學腐蝕和電化學腐蝕的定義、析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理、電鍍的定義。在金屬的防護內容中，1995年只介紹了犧牲陽極的陰極保護法，刪減了外加電流的陰極保護法，2007年和2019年增加了電冶金的內容。

其次，活動上，實驗類活動穩(wěn)定不變的是Zn-Cu-稀硫酸（單液原電池）、CuCl2溶液電解實驗，存在爭議的是鋅銅原電池（雙液原電池）、電解食鹽水、電鍍、鐵釘的吸氧腐蝕、犧牲陽極法實驗。

從5版教科書中電化學實驗選取情況來看，Zn-Cu-稀硫酸（單液原電池）、CuCl2溶液電解是穩(wěn)定不變的實驗活動。前3版教科書中的實驗類活動是相同的，還有電解食鹽水和鍍鋅實驗，2007年和2019年教科書刪去了鍍鋅實驗，主要是由于缺乏適合中學實驗條件的較為理想的鍍液，實驗常常難以達到預期的效果[13]。“電解食鹽水”由實驗變?yōu)檎?，增加的“鋅銅雙液原電池實驗”能夠讓學生從宏觀的實驗現(xiàn)象探究微觀原理，更好地理解原電池（雙液原電池）的構成與工作原理;“簡易電池的制作”能夠讓學生探究原電池的構成要素;“鐵釘的吸氧腐蝕實驗”能夠幫助學生認識金屬的吸氧腐蝕原理;“犧牲陽極法實驗”說明利用電解原理如何阻止金屬的腐蝕。

最后，素材上，穩(wěn)定不變的是Zn-Cu-稀硫酸（單液原電池）和電解CuCl2溶液這兩個電化學原型，化學電源和電解實例均有所增減。

從電化學原型來看，5版教科書中原電池（單液原電池）均選用Zn-Cu-稀硫酸電池原型，2007年選修和2019年選擇性必修中增加了原電池（雙液原電池），并選用鋅銅原電池原型，用鹽橋連接兩種電解質溶液。5版教科書電解池均選用電解CuCl2溶液原型，負極材料和正極材料均為石墨棒。5版教科書中均未區(qū)分電極和電極材料，未提及離子導體和電子導體的概念，也未指明電池模型中離子導體和電子導體分別是什么。

從電化學應用實例來看，化學電源的種類不斷豐富，1980年、1984年和1995年的化學電源內容只是簡單提及干電池和蓄電池的應用，2007年對酸性鋅錳干電池的構造，鋰離子電池的性能和用途，堿性鋅錳干電池、紐扣式鋅銀電池、鉛蓄電池和燃料電池的構造和電極反應進行了介紹，2019年在2007年的基礎上刪減了紐扣式鋅銀電池，介紹了鋰離子電池的用途和一種鋰離子電池的電極反應。

而電解的典型素材為電解食鹽水，但使用的生產設備不同。1980年、1984年和1995年介紹了工業(yè)上電解食鹽水采用立式隔膜電解槽，2007年將其刪減，2019年則是離子交換膜電解槽。每版教科書都有電鍍的概念，不同的是1980年、1984年和1995年電鍍的應用都是以鍍鋅為例，2007年和2019年改為銅的電解精煉。而電冶金的內容，1980年和1984年沒有提及，1995年選取的是鋁的冶煉，2007年和2019年選取的是電解熔融氯化鈉制取鈉。

4.2 電化學內容組織上內部形成了從原理到應用的二元組織思路

首先，電化學內容的一級組織問題是電化學內容與化學反應與能量、化學反應速率與平衡、水溶液相關主題知識的組織順序問題，人教版教科書電化學內容組織見圖2。1980年、1984年和1995年版教科書電化學內容都是在電解質溶液之后，均將原電池內容和金屬的腐蝕防護放在一節(jié)內容中，之后才是電解和電鍍。2007年和2019年版教科書把必修中的電化學內容放在能量部分，與能量聯(lián)系在一起，建立起完整的與能量相關的知識邏輯體系。

其次，電化學內容本體的組織是其二級組織的問題，總體上從原電池到電解池的順序。金屬的腐蝕與防護起初是和原電池在一節(jié)，后來單獨成節(jié)。由于電化學腐蝕的兩種防護方法分別應用原電池原理和電解原理，金屬的腐蝕與防護單獨成節(jié)，并且放在原電池和電解池之后是合適的。

最后，每一節(jié)內容的組織是其三級組織的問題，總體上是從電化學原理到電化學應用，以原電池為模型認識化學能與電能之間的轉化關系，認識生活中的電源，進而認識電能轉化為化學能的方式，即電解池，認識電解原理在工業(yè)生產中的應用，最后基于對電化學原理的認知了解金屬腐蝕的原理，解決生活中“金屬的腐蝕與防護”問題。5版教科書中，章順序按照原電池-電解池進行組織，章內部每一節(jié)都是按照“原理—應用”的順序編排的。基于分析，5版教科書中電化學內容的組織邏輯見圖3。

基于上述分析，可以看出我國高中電化學核心課程內容的選取和組織都呈現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，但也存在一些待討論的問題。一方面對于具體內容，如“電化學原型”仍然存在可討論的空間，一是所放的位置教材中呈現(xiàn)不同，是內容組織問題。二是知識選取的價值問題。如原電池的原型一直都是Zn-Cu-稀硫酸（單液原電池），但這個原型存在的局限性也很明顯，如實驗現(xiàn)象與教科書上的實驗現(xiàn)象描述不一致、易引發(fā)學生對于原電池模型及其工作原理的錯誤理解等[15]。因此，關于電化學穩(wěn)定原型的選擇，仍會成為課程論的一個問題。另一方面，在《化學教育》《化學教學》期刊上，電化學主題的相關文獻近千篇，而這些研究性的內容應該作為教科書內容更新的支撐之一。

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