高中生“化学能与电能相互转化”学习进程分析

夏 军

(江苏省宝应县画川高级中学，江苏 宝应 225800)

高中生“化学能与电能相互转化”学习进程分析

夏 军

(江苏省宝应县画川高级中学，江苏 宝应 225800)

学习进程在课程教学方面有重大的研究价值，因而受到研究者们的广泛关注。文章选择“化学能与电能相互转化”这一主题，旨在建构中学生“化学能与电能相互转化”的学习进程，从而为化学教学提供一定的参考依据。根据中学化学课程中有关“化学能与电能相互转化”的学习要求和内容，对其学习进程做了分析，并提出了电化学相关内容的教学建议。

学习进程；化学能与电能；相互转化

一、问题的提出

1.问题提出的背景

在日常的生产生活中，我们经常会遇到电能与化学能相互转化的实例。比如，各种类型的电池即利用化学反应将化学能直接转化为电能；而电解、电镀等工业技术则是将电能转化为化学能。因此，向学生传授“化学能与电能相互转化”即电化学的相关知识，尤其重要与必要。另外，在近几年江苏的化学高考中，电化学相关知识每年都会出现，并且占有一定的比例，经常会与其他知识点结合起来考查，十分重视其在生产生活中的应用。

江苏省2016年的高考化学学科考试说明中，明确指出了对电化学知识的考查要求[1]：

(1)能说明化学反应中能量转化的主要原因，知道化学变化中常见的能量转化形式；

(2)理解原电池和电解池的工作原理，能写出常见的简单电极反应和电池反应方程式；

(3)了解常见的化学电源，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用；

(4)认识金属腐蚀的危害，理解金属发生电化学腐蚀的原因，能运用恰当的措施防止铁、铝等金属腐蚀；

(5)了解提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型化学电源的重要性。

电化学所涉及的知识点多且复杂，中学生在学习这一块知识时面临着很大的难题。因此，本文选择了“中学化学课程中的电化学部分”作为研究对象，旨在建构中学生“化学能与电能相互转化”的学习进程，从而为践行化学有效教学提供一定的参考与依据。

2.问题研究的意义

(1)有利于提高学生自主学习能力

由于化学能与电能之间的转化涉及很多核心概念，比如氧化还原反应、原电池与电解池、电池反应与电极反应、电化学腐蚀、化学电源等，这些概念不仅多而杂，而且比较抽象，这会给学生理解相关概念带来很大的困难。通过建构中学生关于电化学的学习进程，学生不仅能认识化学能与电能的相互转化，而且会把这些知识建构在能量转化与守恒的概念框架下，形成稳定的认知结构，并提升知识的迁移能力。这不仅对学生自主学习能力的提高有促进作用，还会激发他们学习化学原理，以及应用知识解决问题的热情，这对培养学生积极主动的思维方式具有重要的意义。

(2)有利于提高化学课堂教学效率

虽然“填鸭式”教学方式对于短时间内提高学生成绩有很大的帮助，但从学生自身发展方面考虑，这种方式不仅不注重学生的内在需求，而且学生的学习也变得非常被动。通过本问题的研究，教师能更好地了解目前中学生学习电化学所存在的问题，也利于教师从学生的角度出发，根据学生已有的知识经验和思维方式，更有针对性地选择课堂教学策略，建立更系统、完善、全面的知识要点框图，以及构建知识体系。这样一来，学生在掌握基础知识和基本技能的同时，也能找到更适合自己的、有效的学习方法，从而既能提高化学课堂教学效率，也能提高学生的学习效率。

二、学习进程的概念和相关界定

1.学习进程的概念

学习进程主要描述了学生在恰当的教学条件下，对科学概念以及相关科学实践的理解和应用能力，随着时间的推移趋于复杂、深入的过程。[2]有别于文科，理科的学习进程是要基于实证的，通过提出“学生在一定教学环境下，其理解和应用的能力随时间的推移而增长且变得更加复杂化的可供检验”的假说。这些假说描绘了学生在学习学科核心内容时可能经历的路线，这是在学生实际学习状态的基础上进行的研究，是联系生活实际的，并不是根据个人的经历或者已有的学科经验推理所得。这些假说提出后，都要经过实证检测来确定它们的建构效度(在给定的适当的教学条件下，假说序列是否描述了大部分学生实际经历的路径)和最终去评估它们的结果效度(基于学习进程的教学对大部分学生来说，结果是否会更好)。[3]

2.学习进程的构成

学习进程是对学生在某一阶段内，对某一知识的理解随时间的推移逐渐趋于复杂过程的描述，它侧重于研究学生对核心概念的理解和解释。从国内外已有的关于“学习进程”的文献中，我们可以得出这样的结论，即一个完整的学习进程必然包含五大要素：

(1)学习目标(learning targets)，它们是结合社会期望以及学科核心内容或者主题的理解，而确定的一个终点。

(2)过程变量(progress variables)，它们描述的是随着时间的推移，学生对各个学科中核心知识理解的变化过程。

(3)成就层次(levels of achievements)或者发展阶段(stages of progress)，它们是学习进程的中间步骤。这些阶段能反映在之前的学习过程中，学生思维发展的整体水平或者共同特点。

(4)学习表现(learning performances)，它们是对某一特定阶段的学生理解及技能状况的操作性定义，这为学生验证自己对某一学科知识的理解提供了可评估的发展规范。

(5)评价测试(tests of assessments)，它们可以用来衡量学生对关键概念的理解和实践，也能使用相关措施来追踪随着时间推移学生的学习发展过程。

3.学习进程的特征

虽然目前对学习进程的研究还处在不成熟阶段，许多学者对学习进程的定义及研究方法都持有不同的观点，但就学习进程的特征还是形成了一些共识，具体如下:

(1)学习进程主要关注一些基本的、可产生规律性的概念和实践。作为科学素养的核心，这些概念和实践能够将学习者的过去和将来联系起来。

(2)学习进程描述的层次水平是有上下限的，不是无止境的，它的上限是学生在阶段学习最后所期望知道以及能够达到的目标；下限是学习者在学习新知识前已有的知识经验或者技能状况。学习进程沿着几个有内在一致性的理科的理解和实践维度，以学生的思维随时间的发展为特征，描述了代表连续的更加复杂的理解和实践层次。

(3)在学习进程的起点和终点之间还存在多个水平层次，这些水平层次是从现有的研究学生的学习领域以及实证研究的进展中推测而来(比如具有代表性的研究和教学经验)，这可以作为学生达到不同理解水平和能力的证据。

(4)学习进程的发展需要实践的验证。更确切地说，学习进程的发展需要通过大量重复循环的经验测试和理论上的修订并不断地精炼细化。

(5)学习进程认为学生的学习进展并不一定是线性的，也不一定是单一的，而是有几种可行的发展路径和阶段，并且这些路径不是亦步亦趋的，可能更像生态演替过程。另外，学习进程中提到的路径也是不全面的，它并不代表完整地列出了所有可能的路径。

三、高中化学课程中“化学能与电能相互转化”的学习要求分析

电化学相关知识是高中化学课程的重要内容。《普通高中化学课程标准(实验)》依据学生个性发展的多样化需求，分别在必修课程模块“化学2”和选修课程模块“化学反应原理”中提出了与电化学相关的学习要求。为了促进学生科学素养的发展并为高中阶段后续课程的学习打下基础，必修课程模块“化学2”中提出的要求很简单，仅使用了“举例说明”“了解”等达到认知性学习目标水平的用词，目的在于使学生通过对简单原电池和电解池的了解，认识化学能与电能的应用以及研制新型电池的重要性，知道电能转化为化学能在实现物质间转化中的作用。另外，选修模块“化学反应原理”更侧重于学生在“基本原理、基本规律、实际应用”等方面的目标达成。

综上所述，笔者对高中化学课程标准中有关电化学内容的教学要求做了如下总结，详见图1：

图1 中学化学课程标准中对电化学相关内容的教学要求

四、中学化学课程中“化学能与电能相互转化”的学习进程分析

前文我们已经对中学化学课程中化学能与电能相互转化的学习要求和学习内容进行了系统的描述，我们发现，中学生学习电化学不是一蹴而就的，是分多个阶段并且逐渐深入和发展的。对此，笔者在理论和资料分析的基础上，初步提出中学生化学能与电能相互转化的学习进程，该进程包含五个层次的学习表现水平：

水平1：能举例说明化学反应释放出电能在日常生活中的应用，能举例说明通过电解进行的化学反应。达到该水平要求学生能够：(1)知道化学电池就是通过化学反应释放电能，用电器充电、电解等都是为化学反应提供电能；(2)能举出如锌铜电池、电解水等化学能与电能相互转化的例子；(3)认识化学能与电能相互转化的应用和意义。

水平2：认识氧化还原的本质是电子的转移，能举例说明通过化学反应能实现化学能转化为电能和电能转化为化学能。达到该水平要求学生能够：(1)知道氧化还原的本质是电子转移，氧化还原反应能实现化学能与电能的相互转化；(2)能举出更多的例子说明化学能与电能的相互转化，知道转化过程中遵循能量守恒原则；(3)能画出简单的化学能与电能相互转化的装置示意图；(4)认识化学能与电能相互转化在贮存能量和转化物质等方面的应用。

水平3：认识实现电能与化学能相互转化的反应与氧化还原反应的关系，能用化学符号或图形表征化学能与电能相互转化的反应和装置。达到该水平要求学生能够：(1)知道化学能与电能的相互转化是通过氧化还原反应来实现的；(2)了解原电池能将化学能转化为电能，电解池能将电能转化为化学能；(3)能举出日常生产生活中常见的原电池和电解池的例子，如化学电源、电镀等；(4)认识原电池和电解池的构成条件，能判断出正负极(阴阳极),画出简单的原电池及电解池装置示意图，知道各电极上发生的反应。

水平4：理解电能与化学能相互转化的原理，能从宏观、微观和符号等多个维度表征化学能与电能相互转化的过程。达到该水平要求学生能够：(1)理解原电池及电解池的工作原理，能写出各电极反应式及总反应方程式；(2)知道在原电池或电解池中，电子的流向以及溶液中的阴、阳离子的流向，并构成一个闭合的回路；(3)掌握一些典型的化学电池工作原理，如氢氧燃料电池、铅蓄电池等；(4)认识并能解释电解或电镀在工业上的应用。

水平5：能应用化学能与电能相互转化的原理，解释或解决与之相关的实际问题。达到该水平要求的学生能够：(1)根据已给的反应方程式，设计出原电池或电解池装置图；(2)理解电化学腐蚀的概念，能解释不同环境下钢铁电化学腐蚀的原理；(3)运用化学能与电能相互转化的原理，提出切实有效的措施对金属进行电化学防护。

五、结论与启示

1.高中“化学能与电能相互转化”教学应重视整体设计

前文我们就已经提到，“化学能与电能相互转化”即电化学部分涉及到许多零散的、抽象的概念，包括氧化还原反应、原电池与电解池、电池反应与电极反应、电化学腐烛、化学电源等，如果仅把这些概念分散地灌输给学生，不从整体上进行把握设计，这肯定不利于学生更好地理解和吃透这些知识点，对于他们构建完整清晰的概念图也会有阻碍。因此，教师在教授电化学部分时，应该重视单元整体教学设计。这就要求教师在对课程标准、教材等教学指导性资源进行深入地解读和剖析后，能够根据自己对教学内容的理解，以及学生的情况和特点，对教学内容进行分析、整合、重组，形成相对完整的教学主题，并以一个完整的教学主题作为一个单元的教学。

2.高中“化学能与电能相互转化”教学应遵循学生的认知规律

20世纪60年代，美国心理学家奈瑟就在他的《认知心理学》中提到了认知规律。他认为人既是信息传递器，也是信息加工系统。在教学上运用认知规律，要求教师在教学过程中不仅要研究学生的认知过程、策略及条件，还要研究学生在认知活动展开过程中的情感、意志等支持系统的变化。运用认知规律进行教学，可以提高课堂学习效率，达到事半功倍的效果。[4]另外，由于电化学的知识点比较抽象，虽然高中阶段的学生抽象思维已经得到发展，但他们在学习这块知识的时候还是会遇到困难。并且电化学的知识点虽然比较多，但它们之间是有着紧密的联系，知识点的难度也是逐步递增的，比如氧化还原反应的本质是得失电子，而电解池、原电池就是通过氧化还原反应来实现的。基于这两点原因，教师在讲解“化学能与电能相互转化”时，要遵循学生的认知发展规律，从他们的已有生活经验出发，在已学知识的基础上，通过新旧知识间的联系更好地开展新知识的教学，从而帮助学生形成更完善的知识体系，提高学生学习效率，优化课堂教学效果。

[1] 江苏省教育考试院.2016年普通高等学校招生全国统一考试说明:江苏卷[M].南京:江苏教育出版社,2015.

[2] 高芳,陈志伟.学习进程:美国科学教育改革新思路[J].外国教育研究,2011，(5): 87-90.

[3] 苗宁.中学生“化学反应与能量”学习进程的研究[D].南京师范大学硕士学位论文,2012.

[4] 陈国选,李文福.遵循学生认知规律,提高课堂教学实效[J].新课程研究(上旬刊)，2011, (2):113-114.

[5] 斯海霞.学习进程研究方法述评[J]. 外国教育研究.2013,(11):21-28.

[6] 谌秀云.中学生化学反应学习进程研究[D]. 华东师范大学硕士学位论文,2012.

Analysis on the Learning Process of High School Students on “Chemical Energy to Electric Energy Conversion”

XIA Jun

(Huachuan Senior Middle School in Baoying County, Baoying Jiangsu, 225800)

Learning process is invaluable in teaching and curriculum research, which enjoys wide attention of scholars In the paper, we choose “chemical energy to electrical energy conversion” aiming at identifying the learning process of such topic to provide a reference for chemistry teaching. According to related learning requirements and content in Chemistry Curriculum we analyzed students’ learning process and proposed teaching suggestions on related contents.

learning process, chemical energy and electrical energy, reciprocal transformation

夏 军，江苏宝应人，江苏省宝应县画川高级中学高级教师，主要从事学生学习需求和学习方式研究。