不同阶段化学教材中电化学内容的衔接性分析

陈文莉 项生昌 郑柳萍

摘要：以人教版教材中“电化学”主题为研究对象，从内容广度、认知角度、模型认知层级和思维能力这四个方面进行从初中到大学阶段的衔接性分析，发现主要表现是内容广度增加，认知角度层层递进，模型认知层级逐渐丰富以及强化能力发展。根据这些特点提出了相应的教学建议。

关键词：电化学；认知角度；模型认知层级；能力发展

文章编号：1008-0546（2021）11-0072-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.018

衔接主要指不同知识点在某一阶段或相同知识点在不同阶段之间纵横交错的内在联系[1]。当学生在学习过程中，由于各阶段的教科书编写以及目标要求差异，使学生进入新的学习阶段时，知识构建可能会出现偏差甚至断层的现象[2]。为了消除这种现象，更好地适应每个阶段的学习，教材的编排和教师教学应该做到更好的衔接。

“电化学”主题是理解化学学科、培养化学思维和形成化学观念的主要载体之一[3]，还蕴含着“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”等多种化学学科核心素养。电化学的知识建构过程中，对化学观念的形成和学科素养的培养起着至关重要的作用。目前对电化学主题认识的连续性研究，主要是对教材呈现、课程标准等进行分析，关注教学内容知识的进阶，对初中和高一年级、高中和大学的教学内容衔接研究，很少将初中、必修、选择性必修、大学这四阶段视为一个整体进行研究，对学生认识角度的分析更少。因此，本文从电化学主题的进阶性和连续性的整体视角出发，梳理了人民教育出版社出版的九年级义务教育化学教科书下册[4]（以下简称初中）、普通高中教科书化学·必修第二册[5]（以下簡称必修）、普通高中教科书化学·选择性必修1化学反应原理[6]（以下简称选择性必修）及宋天佑等学者编写的无机化学第四版上册（大学无机化学）[7]中有关电化学的内容。

通过对于认知角度的三种表征水平和模型建构等方面来探讨学生在高中电化学学习过程中的学生思维发展变化和能力发展变化，并且针对这一变化，提出相应的衔接教学策略。

一、内容深广度递增

学生在初中阶段了解到水的电解的宏观现象，掌握常见金属的金属活动性强弱，形成感性认知，注重知识的基础性和启蒙性。高中必修阶段还会从单液原电池、常见化学电池等学习过程中，初步将原电池原理与氧化还原反应结合起来，进行宏微结合的分析，高中选择性必修阶段学习了双液原电池盐桥、内电路、外电路，电解池，电解，金属电化学腐蚀等概念，侧重从微观角度去分析电池原理，开始书写电极方程式进行简单符号表征，帮助学生形成基础的电化学概念体系，内容逐渐转向复杂性和理论性。大学无机化学在高中的基础上从电池符号书写，电极电势计算，能斯特方程，分解电压，超电压，元素电势图，自由能-氧化数图等学习中，定量认识电极电势、分解电压等，形成系统完整的电化学知识体系。根据学习进阶理论将电化学的学习过程划分为初中阶段、必修阶段、选择性必修阶段、大学无机化学阶段这四个阶段（如图1）。其中原电池、电解池、金属电化学腐蚀这几个基本概念贯穿整个电化学的学习阶段。由图1可以看出，随着电化学学习阶段的升高，电化学相关概念的内涵逐渐扩大。

二、认知角度层层递进

认知角度主要包括了宏观、微观、符号三重表征，电化学的整个学习阶段中，教材中知识的认知角度呈现什么样的变化？以原电池概念学习和电解池的概念学习为例来进行分析。

1.原电池

在讲解原电池这个基础概念时，虽然四个阶段中原电池的概念都是从能量转化的角度给出的定义——将化学能转变成电能的装置称为原电池，但是每个阶段对原电池概念的认识角度并不相同。

初中是知其然而不知其所以然的阶段，主要是了解到铁生锈的现象是铁与空气中氧气和水发生的化学反应，注重学生的感性认识，并且从实验探究的角度让学生去探究锈蚀的原因，并且根据这些原因去进行防护，只是宏观上对锈蚀这个现象的认识，并没有深入去了解锈蚀的本质原因。

而到了必修中主要是以原电池的构成要素为核心，初步揭示了氧化还原反应为原电池的反应原理，初步掌握正负极的判断，通过原电池的总反应方程式来分析溶液中离子的变化，将实验现象与原电池电极上发生的反应和电子的移动相结合，除了引导学生关注宏观的感性认识之外，还引导学生将实验现象与电极上的反应结合起来，进行微观推理，初步培养学生宏微结合分析问题的意识，但是必修中引入了原电池的概念，主要以探究原电池的构成要素为主，在分析构成要素时主要以宏观实验现象为主，电极反应和电子移动方向的要求相对较少，相对初中阶段，增加了微观层面的分析。选择性必修阶段从离子移动的角度定性分析参与电极反应的离子并且给出了电极反应符号表征，从宏观、微观、符号这三个角度对原电池进行三重表征，而此时的符号表征要求相对简单，主要是在对电极反应和总反应式的书写上，逐步强调了微观层面上的离子移动，在原电池的学习阶段中逐渐形成了宏观辨识与微观探析的化学学科素养。

大学无机化学是对同一原电池的反应本质进行宏、微、符号的三重表征，并且可以在这三个表征水平中灵活切换，主要通过对电极电势、分解电压这些特征化参数进行定量化计算，学会运用相应图表来快速判断原电池是否形成来体现。从整体上来说认识角度不断扩大，从单一的宏观现象到微观的工作原理，再到电极反应的符号表征，最后通过计算电极电势判断原电池的输出电能的能力和离子放电顺序，以及运用图表分析从本质上了解到影响电极电势的因素，层层递进，形成系统的原电池概念体系，如图2。

2.电解池

在讲解电解池这个概念，初中阶段和必修阶段只有一些电解池的简单应用，都没有给出明确的定义，直到选择性必修阶段才系统地讲解了电解池。初中阶段虽然在探究水的组成那一章节中已经给出电解水的装置，这是学生第一次接触到的电解池，但是教材中只是简单地要求学生观察实验现象，记住负氢氧正2∶1的简单结论，讲解的侧重点在实验现象上而不是实验的原理，关注实验的宏观现象。

必修阶段关于电解池的内容也比较少，介绍了一些电解池的应用，不过都分散在不同的章节，比如必修一离子反应中试验物质导电性的装置就是电解池装置；二次电池中充电过程是将电能转化为化学能；利用电解法来制备活泼金属，这些都是电解池的应用，只不过在必修中并没有提及电解池的原理，主要还是留在宏观层面上观察生活中电解池的实际价值。选择性必修阶段利用电解氯化铜的装置讲解电解池概念，分析离子移动和给出电极反应方程式，并且详细讲解了电解原理的应用，氯碱工业和电冶金等。从宏观、微观、符号这三个角度对电解池进行三重表征。

大学无机化学阶段主要是以认识分解电压，超电压，利用能斯特方程进行定量计算来判断某一反应的分解电压和離子的放电顺序，运用图表分析从本质上了解到影响电极电势的因素。整体来说，电解池的概念在教科书的编写中并没有像原电池认识的角度逐渐增大，选择性必修中刚刚接触就要求学生掌握宏微符三重表征，这一看好像十分困难，但是在选择性必修讲解电解池时，学生已经较好掌握原电池的知识，此时再引入电解池的概念，原电池的知识对电解池的内容起着正迁移的作用，帮助学生快速理解电解池的原理以及电极反应。必修阶段主要讲解原电池，此时增加了电解池的讲解怕引起学生认知的混乱，因此必修阶段弱化电解池的内容也是合理的。大学无机化学中同样也是先利用原电池讲解了电极电势，用电极电势来判断离子的放电顺序后，再提及分解电压，描述分解电压的内容很少，但是原电池的电极电势详细的讲解过程，为理解分解电压打下了基础，如图3。

根据以上分析，电化学的整个学习阶段中，教材中知识的认知角度发展顺序是从宏观的单一角度到宏微结合的视角，再到宏微符三重表征，学生的宏微结合的思想以及符号书写的能力不断发展。这也是定性分析到定量分析的过程。这一认知角度的顺序也符合学生认知发展的顺序。

三、模型认知层级逐渐丰富

必修中关于原电池这一概念模型的认识是需要自发的氧化还原反应，有电极材料，形成闭合回路，其中氧化剂、还原剂直接接触发生电子转移形成了原电池，在课标中学业要求（如表1）则要求能够辨识简单原电池的构成要素，分析简单原电池的工作原理，说明这个阶段学生已经初步形成了简单原电池的概念模型。而选择性必修阶段对于原电池的装置中增加了盐桥，使得氧化剂和还原剂隔离开，在不同的区域之间通过盐桥或离子交换膜实现了电子的定向转移，使得原电池能够更加稳定，持续地产生电流，丰富了学生对原电池这一概念模型的认识。学业要求（见表1）中则要求能够分析、解释原电池工作原理，能设计简单的原电池，利用相关信息分析化学电源工作原理，从辨识（认识模型）到解释（理解模型）再到设计（运用模型），学生对于原电池这一模型的认识逐渐深入并且不断运用模型去解决问题，而且原电池的这一模型对后面学习电解池这一概念模型也起着正向迁移的作用，培养学生证据推理与模型认知的化学学科核心素养。

到了大学无机化学阶段，形成了对复杂原电池认知模型和理解模型，并且对应用模型的要求也有了明显的提高。首先对于认知模型和理解模型更加全面化，由于在中学阶段依据金属活动性顺序表判断原电池的正、负极。但是原电池和电极是多种多样的，仅靠这种办法去判断是不够的，而且往往随着反应条件和环境的不同，放电顺序是不相同的，因此在大学阶段引入了电极电势的概念进一步学习原电池的构成条件，并且提出了多种不同的电极，并且补充了原电池的另一应用——可以用来计算反应平衡常数。习题中大多数的题目都围绕着电极电势的计算，需要根据前面所学的原电池的知识，来书写电极方程式和能斯特方程。前面的模型建立是后面大学化学中对电化学进行定量分析的基础，在模型熟练应用下，更好地进行电极电势的计算。由此可见在学习电化学的四个阶段中模型认知层级是逐渐丰富的，四个阶段中对模型的现象和认知是不断完善和增强的，并且逐渐接触模型的本质和运用这些知识去解释应用。

四、能力发展要求不断提高

教材中的实验活动激发了学生的学习兴趣，为化学理论知识提供了感性认识，培养学生的操作技能和思维能力，是化学学科学习中必不可少的一个环节，教科书中关于电化学模块的能力培养是什么样的呢？以原电池为例进行分析。教科书中关于原电池的实验，见表2。

在初中的教材中，将铁钉放在不同的环境下，要求学生每天观察铁钉的生锈情况，从感官上感受铁钉的锈蚀程度，总结出铁钉锈蚀的条件。在必修中实验6-3中锌铜原电池的构建分为三步操作步骤，观察每一步操作的现象，根据现象概括出原电池的构成要素。实验活动6实验目的为认识原电池的构成要素及作用，学生通过控制变量法，观察采用不同电极材料和不同装置的实验现象，根据现象归纳出原电池构成要素。这一系列的操作与现象结合，让学生直观地对原电池装置构成要素形成初步的认识，培养学生分析、概括的抽象思维，帮助学生学习理解原电池这一概念。在选择性必修中，思考与讨论栏目就已经要求学生根据实验4-1的图4-1锌铜原电池装置来绘制原电池的工作原理示意图，这对学生的分析能力和推理能力有了较高的要求。在实验4-3中是铁钉吸氧腐蚀的实验，是在初中化学实验的基础上，要求学生运用原电池来分析金属的锈蚀中最典型的一种——吸氧腐蚀。在后面的实验4-4中，也是观察实验现象并根据原电池的原理来分析产生这些现象的原因，这跟在必修中只根据实验现象和实验条件来归纳总结所要求的能力更高。而到最后实验活动5中，实验目的要求学生要设计和制作一个氢氧燃料电池，这样设计性的实验，要求学生能够综合运用所学知识，在实践中进行迁移，并且锻炼学生的动手能力，培养他们的应用实践能力。除此之外，在电解池这一节中出现的方法引导栏目——电化学过程中系统的思想与方法。用系统的思想和方法去比较电解池与原电池的同异，由此可见，在学习知识的过程当中，不仅仅是知识的掌握很重要，教科书同样也注重学生能力的培养和帮助学生形成科学的思维能力，使学生能够学以致用。大学阶段无机化学中主要讲解的都是理论知识，需要学生对所学知识进行严密的推理和能够进行三重表征，但是书本中主要的实验活动几乎没有，主要是因为到了大学期间无机化学会开设专门的无机化学实验课程，实验的内容和数目增多，并且在高中所进行的实验形成的实验技能，都为了大学进行铺垫，故在这里不进行比较。

可见，教科书中关于电化学的实验活动要求逐步增加，由感官对实验现象形成的感性认知到研究电化学的一般方法，都在逐步地培养学生学习理解、应用实践、迁移创新的能力以及严密的逻辑思维能力。

五、高中电化学内容教学建议

针对以上电化学在各学习阶段的衔接特点，教学上更要把握好知识之间的内在联系和知识层次，选择合理恰当的教学策略，使得学生更好地构建电化学这一核心概念知识的网络体系。以下几点建议可以提供一些帮助。

1.把握教学内容的深广度，合理扩展教学内容

在电化学的教学中，在九年级阶段主要建立感性认识。运用一些常见的生活现象引入主题，比如利用常见的共享单车长期在外面风吹日晒为什么生锈情况并不是很严重这一现象，引起学生思考，进行对铁制品锈蚀条件的探究。在必修阶段可以运用探究栏目中水果电池的制作，引起学生兴趣，进一步探究水果电池能发电的原因，最终形成对原电池的初步认识，选择性必修中可以继续利用水果电池这一情景，提出为什么水果电池能使灯泡亮起来的时间很短，引入盐桥的概念和作用。这一教学过程符合学生认知发展。但是不过度讲授知识并不是一点知识都不延展。在高中阶段的学习中学习原电池中为什么会在两个电极之间产生电流，为什么锌电极上失去电子要通过导线流向铜电极，可以类比物理中水往低处流是因为水位差，电子从锌流向铜是因为这两个电极之间产生了电势差，可以让学生先初步将物理中的电势差类比到原电池上，为后面大学学习电极电势形成一个初步的印象。

2.找准知识的衔接点，建立内容的前后联系

在电化学的学习阶段中，会存在一些连接点，重复点，把握这些重复点和连接点，帮助学生构建知识网络。在必修第41页练习与应用第6题图1出现了两个电极分别在两个装了稀硫酸的烧杯中的示意图，对应的问题是图1所示装置能将化学能转化为电能，显然这里主要考察的是原电池的能量转换，但是却涉及了类似双液原电池的装置。我们可以在选择性必修中双液原电池的教学开始前，可以先利用这道题目帮助学生回忆原电池的构成要素，帮助学生回忆起前知识，在利用这个装置中不会有电流流过，与选择性必修中锌铜双液原电池进行对比，学生很容易发现增加了盐桥这一装置溶液又可以导电了，带着这样的好奇心进行接下来的学习。另外燃料电池在整个学习过程中也是一个不断发展的衔接点，在必修中先是在科学·技术·社会这一栏目中介绍了发展中的燃料电池，了解到燃料电池的原材料和优点以及用途后，在研究与实践栏目对车用电源进行了讨论，认为燃料电池作为车用电池污染小，能量转换高。到了选择性必修中燃料电池那一小节中增加了车用燃料电池的示意图，认为它是绿色发电站，最后又在实验活动4中让学生制作简单的燃料电池，到了大学阶段为了测量电动势，引入了标准氢电极，标准氢电极的反应就是燃料电池中负极，属于气体-离子电极，是大学学习多种电极的其中之一。因此可以利用车用电源这一素材进行原电池的学习，增强各个学习阶段知识之间的联系，更好地衔接。在学习电解池中也可以利用电冶金这个衔接点，在必修化学课持续发展有講到一些金属十分活泼只能采用电解法冶炼，并且在思考与讨论栏目中提到了生产1mol铝消耗的电能，也有铝生产原理的示意图，但是必修中关于对电冶金的原理不作要求，可以利用这个作为学习电化学的连接点，作为选择性必修中引出电解池的学习。

3.关注中学与大学相异性知识

在中学的学习过程中，由于学生的认知水平和思维能力还不算特别高，电化学相关知识为了避免繁难偏旧，很多知识点的归纳都不够全面，如果教师一味注重学生对电极反应的书写，离子放电顺序等知识的记忆，就会导致学生在高中和大学阶段的学习产生断层。因此在教学中，教师应该注重对学生能力的培养，为大学期间对电化学的深入学习做好铺垫。在必修中探究栏目，建议电池的设计与制作进一步体会原电池的构成要素，其中“问题与讨论”中原电池的构成要素不要让学生简单直观地得出结论——“一定有两个活泼性不同的金属电极”，这样显然和后面学习的燃料电池中相同的电极材料及大学将要学习的几种电极类型不相同，会引起学生迷思。应该引导学生简单概括为形成闭合回路，有电极，有自发的氧化还原反应。中学阶段大多依据金属活动性顺序表判断原电池的正、负极和离子的放电顺序，但是原电池和电极是多种多样的，仅靠这种办法去记忆判断是不够的，因为随着反应条件和环境的不同，放电顺序是不相同的，需要根据电对的电极电势来进行判断，但是中学并没有涉及到大学无机化学电极电势的概念和影响电极电势的因素。因此在中学的学习过程中，教师在讲解利用金属活动性顺序表判断时，一定要强调只是在一般情况下，这种顺序并不是绝对的，以免学生对这个放电顺序形成绝对化的观念，也从侧面让学生认识到环境和条件对结论的影响。

总而言之，在电化学的四个学习阶段中，内容衔接紧密，认知角度，模型认知层级、学习能力随着电化学内容的深广度的增加逐渐发展完善。在教学中，教师充分了解各阶段的衔接特点，并且选择合适的教学策略进行教学，才能帮助学生系统完整地掌握电化学知识结构。

参考文献

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[5]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书·化学必修第二册[M].北京：人民教育出版社，2019

[6]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书·化学选择性必修1化学反应原理[M].北京：人民教育出版社，2019

[7]宋天佑，程鹏，徐家宁，张丽荣.无机化学（第四版）上册[M].北京：高等教育出版社，2019