我國高中“電化學”主題教學研究現狀

單媛媛 鄭長龍

摘要：以2008～2018年國內32篇碩士學位論文作為研究對象，統計、梳理和分析我國“電化學”主題教學研究現狀。研究結果表明，“電化學”主題研究主要包含認識理解、迷思概念、學困成因、教學策略、教材結構等5個方面。研究方法多樣，研究取向廣泛，研究結果豐富，對于今后“電化學”主題的教學和研究具有啟示意義。

關鍵詞：電化學;化學反應與電能;教學策略;教學建議;教學研究

“電化學”主題是高中化學教學的重點和難點，承載著“變化觀念與平衡思想”這一化學學科核心素養。“化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質”[1]。

“電化學”主題是理解化學學科、培養化學思維、形成化學觀念的主要載體之一。近年來，國內許多學者對其進行研究和分析，探查合適的測評方式、教學策略和學習方法，力求能夠達到理想的教學效果。其中，碩士論文具有一定的代表性和歸納性，可以反映出專業的學科研究內容，具有比較高的學術價值和使用價值，是本專業科學研究和教育實踐進一步發展的重要依據[2，3]。本文對國內高中“電化學”主題的教學研究現狀進行梳理和總結，以期為化學教育研究和教學實踐提供參考。

1 研究對象與方法

通過中國知網進行主題、數據庫來源、年限及研究層次的檢索。主題：電化學或化學反應與電能;數據庫：碩博論文;研究層次：基礎教育和中等職業教育;年限：2008～2018年。通過以上檢索過程后，進行人工篩選，最終確定32篇碩士學位論文作為研究對象。

將選取的論文作為研究樣本，對其研究方向和研究方法進行分類歸納，分別從“電化學”主題的認識理解、迷思概念、學困成因、教學策略、教材結構等5個方面進行總結，并呈現相應的研究結果和分析。

2 研究結果與分析

32篇學位論文中主要涉及5個研究方向，分別為認識理解[4～12]、迷思概念[13～20]、學困成因[21～24]、教學策略[25～31]、教材結構[32～36]等，涉及相應領域的文獻數如表1所示。由于本文重點關注“電化學”主題的教學維度，而教材結構主要研究的是不同國家或不同版本教材內容、教材欄目、教材編排等的比較，因此對其不進行重點介紹分析。作者顯性提出的研究方法共有13種，以文獻分析法、紙筆測試法、問卷調查法、訪談法為主，同時有涉及實踐研究法、二段式診斷測試、個案分析法、課堂觀察法、對比實驗法、統計分析法、文本分析法、比較分析法、口語報告法。

2.1 “電化學”主題認識理解研究

對于“電化學”主題認識理解的研究，選取的文獻中有9篇涉及，在研究內容上可以概括為兩大類。一類研究注重不同年級學生認識理解主題內容的“相似性”和“差異性”，另一類研究則注重的是學生認識理解的“進階性”和“連續性”。第一類研究多數采用紙筆測試、問卷調查、訪談等方法，第二類研究在此基礎上，還會運用文本分析法、實踐研究法等。

2.1.1 關注學生認識理解“相似性”和“差異性”

學生認識理解“電化學”主題的“相似性”，體現在不同時期、不同年級學生的宏觀表征相差不大，比較穩定和均衡。而基于“能量觀念”視角認識化學反應時，總體處于較低水平。王亞靜（2017）探查高中三個年級學生在能量觀念的視角下認識化學反應的“深廣度和有序性”，得到結論：大多數中學生具有從能量角度認識事實的宏觀視角，但是微觀、符號視角理解和解決問題存在困難。

學生認識理解“電化學”主題的“差異性”，體現在認知結構、心智模型、問題解決、概念應用等，在不同年級和不同學業成就水平的學生中存在顯著性差異。方婷（2008）在對高三、大一、大四學生的“認知發展”進行測評后發現：（1）隨著年級的升高，經過積累和量變，學生對電化學基本概念的認知結構發生變化，并具有一定的穩定性;（2）三個年級的學生在應用概念解決問題時存在顯著差異，隨著年級的升高，學生對電化學概念應用的水平越高。甘珍（2017）運用對高中生的電化學“心智模型”進行探測，最終發現：（1）不同年級學生對電化學概念的理解及掌握情況不同;（2）不同學習成就的學生的電化學心智模型有所差別。

2.1.2 關注學生認識理解“進階性”和“連續性”

學生認識理解“電化學”主題的“進階性”和“連續性”，體現在研究者通過對核心概念價值、課程標準、教材呈現等的分析，構建出“電化學”主題不同階段的進階維度和進階水平。主要涉及的文獻有范文娟（2015）、蘇莉虹（2016）和吳有萍（2017）3篇，均提出了“電化學”主題相關學生的進階理論預設，但進階維度和進階水平的劃分有所不同。

蘇莉虹（2016）構建了“原電池”核心概念從初三到高三的四個進階水平，研究關注“教學內容”的進階，進階描述注重“知識本體”內容。而范文娟（2015）和吳有萍（2017）在關注“知識本體”維度上，均又關注了“學生認識”的維度。

范文娟（2015）旨在探索學生認識“化學反應中能量轉化”核心概念的學習進階水平。其理論模型分為“學習進程”和“表征類型”兩個維度，分別有四個水平。其中“學習進程”維度是基于“知識本體”的描述，而“表征類型”維度則是基于學生“宏微符三重表征”思想的描述。

吳有萍（2017）通過對課程標準和考試大綱的分析，確定了更加具體全面的學習進階模型。包括“知識本體”以及“學生認知”兩個維度。“知識本體”指原電池、電解池、金屬的電化學腐蝕與防護。“學生認知”包含“化學表征方式”和“模型建構能力”，其中學生學習化學的三種表征水平為宏觀、微觀、符號;學生建模能力三水平為認識模型、理解模型、運用模型;最終預期表現為學生化學學習能力發展的三個層級，分別為學習理解、應用實踐、遷移創新。六個進階水平分別為：水平一：氧化還原反應;水平二：基于氧化還原反應、宏觀能量轉化角度認識原電池裝置;水平三：認識半電池裝置，從微觀粒子反應角度理解原電池、電解池模型，符號表征電極反應;水平四：微觀理解金屬的電化腐蝕與防護，設計雙液原電池、電解池;水平五：建立原電池、電解池系統認識模型，在三個表征水平之間靈活轉換;水平六：自主運用原電池、電解池模型對情境陌生復雜裝置進行遷移創新。

相比國外的學習進階的研究，國內研究理論預設的科學性還有待加強，進階的學段也主要集中于高中。同時測量理論均采用的是經典反應理論，研究結果也是局限于百分比的描述，缺少相應的多元統計分析。

2.2 “電化學”主題迷思概念研究

迷思概念的探查方式基本采用紙筆測驗、訪談或者二者相結合的方式。試題形式大多采用多項選擇、判斷對錯，少數采用填空形式，對測試結果進行分析，找到學生的迷思概念。其中，趙國敏（2013）、閆婷婷（2018）采用的是二段式測試題。二段式測試是從Treagust[37]發展而來，兼具測驗與訪談的特征，被試需要對選擇結果進行解釋和說明，從而降低了被試根據猜測而答對的概率，以此獲取被試的迷思概念，不僅有利于診斷其認知結構，而且能夠深入挖掘被試產生迷思概念的原因，該測評方式也是目前國際測評研究主要采用的方式。

對于“電化學”主題迷思概念的測查，選取的文獻中共涉及8篇，主要是對相關知識點的全面考察。對于相關文獻中迷思概念知識點進行分析，以其形成原因和結果作為分類標準，可以大致分為3類。

2.2.1 未考慮前提假設對定義死記硬背和拓展

學生認為形成原電池的條件有：一是活潑性不同的兩個金屬電極，二是電解質溶液，三是閉合回路。進而認為“原電池的電極只能由兩種不同的‘金屬構成，且必須用導線相連”“相對活潑性強的金屬一定做負極”“若原電池的兩極均為惰性電極，則不能構成原電池”“原電池和電解池中電解質溶液必須是水溶液”;部分認為“有電池的就是原電池裝置”。

學生認識到原電池和電解池是化學能和電能之間進行轉化的裝置，其中涉及氧化還原反應和電子的得失、與能量變化有關。從而產生“所有的電池都涉及氧化還原”“只有氧化還原才能放出能量”“因為電壓所以形成電流和原電池”等迷思概念。

學生能夠記住陰陽離子的放電順序，“但是未去考慮電極是不是惰性電極”，“電解質相同，而酸度不同時，只考慮電解質的放電，并沒有考慮溶液中氫離子的放電情況”。

2.2.2 基于原有知識對于電化學現象解釋錯誤

由于電化學裝置和原理的獨特性，其有些現象的解釋不能運用原有的知識。如對于其工作原理，學生認為“回路中有電流產生是因為電子在電解質溶液中運動著”“溶液中陰陽離子的移動是由于靜電力作用，異性相吸”。原電池會增加化學反應速率，對于其原因，學生認為“銅在鋅—稀硫酸反應過程中起到了催化劑的作用”。

2.2.3 守恒思想和系統思考缺失導致書寫困難

學生由于缺乏“物質守恒”和“電子守恒”的思想，因此“學生不會根據電子守恒和物料守恒來書寫電極反應和電池反應”。同時由于沒有系統地思考原電池和電解池的體系環境影響，會“認為在溶液中都是水放電”“對電解質的酸堿性條件下的不同電極反應式的書寫感到困難”。

2.3 “電化學”主題學困成因研究

對于“電化學”主題學生學習困難成因及其影響因素的研究共計9篇。研究主要運用問卷調查法、訪談法，發現學習困難成因及影響因素主要包含生活經驗、迷思概念、教材、教師、學生、學科六個方面，其中以學生和教師為主。

2.3.1 學生方面

一方面體現在學生本身對于知識的理解不夠深入，關聯程度不夠，系統化和組織化程度低[38]。如電化學知識與氧化還原知識緊密相連，學生由于氧化還原知識學得不好，物質氧化性與還原性相對強弱的比較存在困難，氧化還原反應方程式配平缺乏“守恒”的思想，從而影響對電化學知識的理解的應用。同時學生的學習方法以記憶為主，無法深層次理解氧化還原是原電池和電解池的本質，也就無法通過類比的方式對二者進行對比關聯記憶，進而導致面對陌生情景、實際問題時遷移能力較弱[39]。

另一方面體現在學生無法基于能量觀念、三重表征思想理解電化學內容[40，41]。原電池和電解池是化學能與電能轉化的裝置，其轉化的本質在于電荷載體（電子和離子）的定向移動，進而體現能量傳遞的一種有序的形式，即功，因此對于電荷載體（電子和離子）的移動方向的理解和表征對于理解裝置的工作原理和本質至關重要。在這其中微觀視角至關重要，只有將宏觀現象、微觀解釋、符號表達三者相互關聯，才能使學生更加深刻結構化地整體理解電化學內容，減少學困形成。

還有一部分屬于非智力因素的影響，如學生的學習動機、意志力、刻苦程度，同時也包括學習信心、期望及失敗歸因等[42]。

2.3.2 教師方面

一方面源于自身對于知識內容理解的不到位，也無法從整體上對電化學內容架構出合理的模型[43]。正如研究表明，學生的迷思概念、學困成因一部分是源于教師自身存在的迷思概念。有些教師對教學內容的選擇依靠自身的教學經驗或者直接使用高考考綱，單純追求內容的一步到位，教學取材單一，使得教師在“教什么”方面存在一定的問題。

另一方面的問題出現在“如何教”的層面，由于教師采用純粹的講授法，只關注知識點的散點式傳授，內容之間邏輯性不夠，缺乏相應的方法和思想，表述不夠嚴謹，進而造成學生對于“電化學”主題學習的困難[44]。

2.4 “電化學”主題教學策略研究

針對“電化學”主題教學提出教學策略的文獻共有20篇，研究主要采用了課堂觀察法、對比實驗法、實踐研究法、個案分析法等。主要可以從提出教學策略的方式和提出的教學策略類型兩方面對教學策略的研究進行認識和分類。

2.4.1 提出教學策略的方式

通過分析相應的文獻可以看出，教學策略的選擇和提出方式主要分為兩種，一種是在對學生的迷思概念、學困成因進行測評分析后，為解決上述問題提出相應的教學策略建議。這種提出教學策略的方式更多是基于經驗，在研究的最后定性地提出，缺少驗證和實踐過程。

另一種則是通過教學實踐檢驗對于“電化學”主題不同教學策略的有效性。這種教學策略的提出方式屬于實證研究，基于控制組和實驗組前測和后測的教學效果對比，進而得出結論。如閆婷婷（2018）通過運用三種不同的教學策略對高二學生進行平行教學對比，通過前測和后測發現，“可視化的教學策略”相較于“概念圖”和“問題中心的認知沖突”策略，對于轉變學生的“電化學”主題的迷思概念更為有效。

[18]黃萍. 高中生“化學反應與能量變化”迷思概念的研究[D]. 福州：福建師范大學碩士學位論文，2014.

[19]劉勝文. 高二學生“原電池”前概念測查與教學研究[D]. 濟南：山東師范大學碩士學位論文，2013.

[20]趙國敏. 概念轉變理論指導下的高中電化學教學設計研究與實踐[D]. 上海：上海師范大學碩士學位論文，2013.

[21]李鴻舸. 高中生電化學問題解決障礙成因及對策研究[D]. 武漢：華中師范大學碩士學位論文，2018.

[22][38]邵景雪. 高中化學“電解池”學習困難成因分析及教學建議[D]. 大連：遼寧師范大學碩士學位論文，2018.

[23][42]房文艷. “電化學”學習困難成因及對策研究[D]. 西寧：青海師范大學碩士學位論文，2018.

[24]王夢可. 電化學問題解決中思維障礙的測查及對策研究[D]. 武漢：華中師范大學碩士學位論文，2015.

[25]肖春琳. 物理化學對高中化學教師指導作用的探究[D]. 南充：西華師范大學碩士學位論文，2017.

[26][45]周小燕. 高中生化學迷思概念的診斷及轉化策略研究[D]. 蘇州：蘇州大學碩士學位論文，2015.

[27]彭文坤. 提高中學電化學教學質量的理論與實踐研究[D]. 昆明：云南師范大學碩士學位論文，2014.

[28]丁婷. 基于手持技術的電化學實驗研究與教學設計[D]. 天津：天津師范大學碩士學位論文，2014.

[29]祝蒙蒙. 基于“整體建構”理論的中學電化學教學研究[D]. 合肥：合肥師范學院碩士學位論文，2014.

[30]蔡小瓊. “基于問題的學習”在電化學教學中的應用研究[D]. 福州：福建師范大學碩士學位論文，2013.

[31]張鐵華. 觀念為本視角下的《原電池》教學實踐調查[D]. 長春：東北師范大學碩士學位論文，2010.

[32][41]榮政. 人教版中學化學教材中“電化學”銜接性研究[D]. 貴陽：貴州師范大學碩士學位論文，2018.

[33]李林雁. 基于認知發展的高中“電化學”教材比較及讀本設計[D]. 長沙：湖南師范大學碩士學位論文，2016.

[34]宋爽. 在科學素養視角下，中外關于“電化學”的教科書比較[D]. 天津：天津師范大學碩士學位論文，2013.

[35]黃娜. 教學內容編排順序對學生認知結構的影響研究[D]. 西安：陜西師范大學碩士學位論文，2012.

[36]王珍珍. 不同版本《化學反應原理》教材中電化學內容的比較研究[D]. 長春：東北師范大學碩士學位論文，2011.

[37]Treagust D F，Smith C L. Secondary Students Understanding of Gravity and the Motion of Planets [J]. School Science & Mathematics，1989，89（5）：380～391.