電化學復習的結構化設計與實踐

林亮 朱鵬飛

摘要： 在分析課程標準要求、綜述已有文獻研究后，提出了教學內容結構化設計思路模型。針對學生電化學學習過程存在的問題，依據思路模型建構、基于氧化還原反應原理和裝置等維度的電化學內容結構化認知模型，幫助學生提升對電化學內容的系統化認識。在運用結構化模型解決實際問題的過程中，促進學生學科知識結構化，提高化學認識思路和核心觀念的結構化水平，發展化學學科核心素養。

關鍵詞： 高三復習; 電化學; 教學內容結構化; 核心素養

文章編號： 1005-6629（2020）11-0041-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

普通高中教材中涉及的電化學知識主要是指原電池和電解池的工作原理及其應用。電化學是普通高中化學核心知識之一，是化學反應原理板塊中的重要組成部分，其特點是概念多而集中，原理抽象且復雜。根據每年對學生的課堂表現以及電化學問題解決方法等方面的調研統計分析，發現學生在電化學的學習中總是存在不少困難。從開始接觸到電化學（必修2），尤其是原電池后再進行的電解池知識相關學習時，這些困難和問題會進一步顯現，進而持續到高三后期的復習，可以說伴隨整個電化學的學習過程，尤其是在陌生情境的電化學裝置分析過程中顯得更為突出。

電化學尤其是新型電池的研究是目前的熱點領域，也是高考重點關注的內容，是學生的得分難點。據此，在近兩年的高三復習迎考中，課題組組織了多次研討，開展了電化學有關的高考真題的收集整理，試卷的數據分析和深度挖掘，精心篩選了學生存在的問題（困難），從“電池電極判斷、電極反應方程式的書寫、陌生情境電池分析”等維度對部分學生進行了訪談。訪談發現，學生的電化學問題（困難）主要集中在“電極反應類型判斷、電子（電流）和離子流向、電極反應式書寫、陌生情境電池分析”等方面。經過查閱相關文獻、深度研討及教學實踐，發現存在以上問題的根本原因是： 學生對于原電池或電解池的工作原理（基于氧化還原反應原理）和形成閉合回路的條件及過程未能深度理解，故僅憑淺層印象識記一些簡單的原電池或電解池的反應和裝置;關于學生在學習過程中存在許多偏差認識，目前的教學普遍未能有效地轉變學生的這些偏差認識，真正建立起電化學結構化的核心觀念;傳統的高三復習重在題型訓練，學生在面對新型電池情境時仍然束手無策，缺乏分析電化學問題的結構化思維、認識思路和遷移應用（如正確書寫電極反應式、陌生情境電池分析）的能力，換“外形”而忘“本質”[1]。

針對已有的電化學復習的相關文獻進行分析，發現研究的重點內容主要包括： 學生學習過程存在的問題研究以及解決電化學問題的教學方式和方法的研究。王維臻、王磊[2]等通過分析高中化學課程標準和整理已有的學生學習研究及大量的課堂證據，從原理維度、裝置維度和任務維度3個方面建構了電化學認識模型，并以此進行了高三原電池的復習教學研究。丁雯[3]提出用系統思維去理解電化學的原理及其應用，突出思維過程培養。黃毓展等[4]從微粒在電化學裝置中的行為角度出發，分析電化學裝置的工作過程，幫助學生建立起解決電化學裝置工作原理問題的思維模型，提升解決這類問題的能力。許奕欣[5]則從氧化還原的本質——電子轉移這一思維模型來認識電化學，突破電化學學習的重難點。

總的來看，對于如何幫助學生完成電化學內容的結構化建構，形成系統化認識，解決認識角度、系統思維缺失等問題，研究者關注較少。相對而言，王磊等提出的電化學認識模型，是學生整個高中學段電化學認識發展的系統思維模型，體現了知識的系統性和能力發展的進階性。它不僅能幫助教師更好地理解電化學主題的核心問題和認識角度，也有利于學生知識的結構化，以及學生科學素養的提升[6]。

然而，在一線教師的教學實踐中開展針對電化學內容復習結構化設計的研究文獻相對較少。如何對該部分內容進行結構化處理，基于怎樣的認知模型開展教學內容結構化設計，從而實現原電池和電解池的知識關聯，使其統一于氧化還原反應原理的結構化認識思路和學科觀念之下？有待進一步挖掘和研究，這也是本文嘗試達成的目標。

2? 教學內容結構化設計及模型

2.1? 教學內容結構化的涵義

鄭金洲[7]指出，教學內容結構化是指“在新舊知識之間、新知識各構成部分之間、新知識與學生生活世界之間尋找關聯，形成對知識的整體性認識”。《高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）也指出，化學教學內容的結構化是促進學生從化學學科知識向化學學科核心素養轉化的關鍵，強調教師在組織教學內容時應高度重視化學知識的結構化設計，充分認識知識結構化對于學生化學學科核心素養發展的重要性。可以看出，教學內容結構化設計是新課程改革的必然選擇。

教學內容結構化設計不僅適用于新授課，更適用于復習課。好的復習課具有喚醒、重組、提升的功能，既要能提高學生對學科知識系統和核心觀念的認識水平，又要避免將復習課變成筆記抄寫課或習題講評課。人類的記憶首要問題不是儲存而是檢索，而檢索的關鍵則在于結構組織。如果能將零散的知識組織成結構整體，可大大增強記憶的牢固性，并提高檢索提取的效率。《課程標準》也明確提出，“單元與模塊復習應依據內容要求，圍繞化學核心概念和觀念的結構化來進行，通過提問或繪制概念圖等策略，診斷學生化學核心概念和觀念的結構化水平;對于處在‘知識關聯水平的學生，應引導他們進一步概括核心概念的認識思路，形成基于‘認識思路的結構化，從而提升化學核心概念和觀念的結構化水平，發展化學學科核心素養”[8]。

2.2? 教學內容結構化設計思路

根據多年的教學實踐和課程標準中關于教學內容結構化的要求，開展了基于“視角-表征-實施”3個維度的教學內容結構化設計的探索與實踐，形成了教學內容結構化的設計思路（如圖1所示）。

（1） 視角維度。將教學內容基于某種視角進行結構化，是實現教學目標的階梯與關鍵，也是實現教學內容結構化的基本策略，可以直觀地反映思維整合過程。根據教學內容的不同特點，可選擇不同的結構化視角。視角一是基于知識關聯結構化，將教學內容中分散的、相對孤立的陳述性知識（化學概念和化學事實）整合為具有邏輯關聯的知識結構，可以幫助學生用聯系的觀點審視化學事實，深度理解化學概念，建構知識體系;視角二是基于認識思路結構化，是從學科本原出發來融合、概括物質及其變化的認識，形成認知流程，有利于學生形成縝密的學科思維;視角三是基于核心觀念結構化，是指進一步抽象和概括物質及其變化和其認識過程，將學科知識的建構、方法的運用、思維的訓練等融入核心觀念的建構與發展中。

（2） 表征維度： 通過不同結構化視角，可以得到不同的教學內容結構化表征，這是抽象思維過程的直觀呈現： 知識網絡圖、思路流程圖、思維導向圖、價類二維轉化圖等，這樣的結構化表征有助于清晰表達知識結構和思維優化，幫助學生整合知識碎片，形成知識網絡，整體把握核心概念。

（3） 實施維度： 教學設計需要通過教與學的行為來完成實施，通過不同思維視角進行的教學內容結構化后形成直觀結構化表征，成為教學設計中的核心要素，是實施教學行為的重要載體。可以按如下過程實施： 首先圍繞核心概念的知識組織是高度結構化的知識組織[9]，根據教學內容中的核心概念或觀念，確定教學主題和教學目標，就有了結構化的“魂”;然后圍繞主題和目標創設真實、具有應用價值的問題情境，依據情境設置系列關聯性學習任務，在“分析解釋、論證預測、概括關聯”過程中，基于不同視角進行教學內容結構化并借助內容結構化表征，形成解決問題的思維模型;最后再利用思維模型來解決化學中的實際問題，讓學生在解決問題過程中體會學科價值，形成認識思路與核心觀念結構化，發展學科核心素養。

從“視角-表征-實施”3個維度進行教學內容結構化設計，適合單元教學或主題復習。這樣的教學設計有利于學生展開自主探究與深度學習，進而建構知識內在關聯、掌握學科認識思路和核心觀念，能夠綜合和靈活運用認識思路和核心觀念來解決實際問題，在解決實際問題中發展學生的學科核心素養。

3? 教學內容結構化實踐——電化學復習結構化設計

圍繞教學內容結構化設計思路，對電化學主題內容復習展開結構化設計與實踐，具體過程如下。

3.1? 核心概念統攝，確定主題內容

電化學是關于電能和化學能之間的互相轉化以及轉化過程中相關規律的科學，而能量的轉變需要有一定的裝置和介質，即原電池和電解池。從學科本原來看，都需要電極和形成閉合回路。但無論原電池還是電解池都需要知道電極和相應的電解質溶液中所發生的變化及其原理。

《課程標準》中選擇性必修課程的內容要求如下： （1）認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。（2）了解原電池及常見化學電源的工作原理。（3）了解電解池的工作原理，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用。（4）了解金屬發生電化學腐蝕的本質，知道金屬腐蝕的危害，了解防止金屬腐蝕的措施[10]。特別需引起關注的是《課程標準》將“重視化學能與電能之間轉化的實際意義及其重要應用”作為第一條要求出現。從教學要求來看，對“金屬的腐蝕”只是一般了解，對“原電池和電解池的基本原理及應用”要求較高，尤其是針對學生在電化學的學習中存在一些諸如認知角度、認識思路、系統性思維等關鍵性認識的缺失方面，《課程標準》對電化學內容的教學設計、思路和評價提出了具體的要求。

3.2? 基于真實情境，創設關聯任務

根據課程標準要求及電化學內容知識結構化特征，采用單元教學設計，基于真實性、多樣性情境素材，創設關聯性、功能匹配性的學習任務，在任務解決過程中形成認識思路和思維模型。考慮到學生的“最近發展區”及大多數版本教材中使用的電池原型，所以選擇的第一個任務素材是單液銅-鋅原電池，目的是要學生回憶起原電池基本知識，并認識電化學的四大基本要素。更重要的是通過簡單電池為例喚醒學生“化學能轉化為電能”的認識，并建立起基于氧化還原反應的角度認識電化學原理。

即使這樣，仍會給學生造成偏差認識，如容易混淆電極材料與電極反應物的作用，電解質溶液的兩重性易讓學生誤認為“離子導體必須參加反應”等。這就要求教師在教學過程中幫助學生厘清裝置中各部分的作用，需后續選取變式素材電池及時糾正學生的偏差認識。此時適合安排雙液銅-鋅電池素材任務，胡久華[11]認為，其比單液銅-鋅原電池更有利于學生建構原電池的認識，突破“氧化反應、還原反應分開進行”的認識難點，有利于避免認識偏差的形成。

為進一步拓寬原理維度理解電化學，選取了氫氧燃料電池作為素材任務。目的有三個： 一是加深學生對于能量轉化的理解，體會研制新型電池的重要性;二是能很好地轉變學生的認識偏差“離子導體必須參加反應”“電極材料與電極反應混為一談”等，有利于對電化學構成要素作用的理解;三是通過氫氣氧氣不接觸、不點燃的條件下產生電流，可以加深學生理解電化學原理就是“氧化還原反應”這一核心觀念。在教學過程中要注意電極反應的書寫，更重要的是要“建立電化學結構化模型”這一目標定位。

根據以往的教學經驗，復習過程中要控制復習的難度與方向，如復習雙液電池任務時，不宜過多探究電池的裝置問題，而應該把重點放在建立原理維度這一教學目標上。這樣通過對三種典型電池遞進式、關聯性分析，可以幫助學生鞏固、豐富和發展對原電池的認識角度和認識思路。

化學能與電能一定條件下的相互轉化是電化學實際應用中的價值所在，電解則是實現物質轉化和儲存能量最為重要的方法之一，所以電解池復習也是電化學復習的重點。另外，作為高三的復習課仍然不能忽略對學生“科學態度與社會責任”等價值觀的培養，因此選取的第四個情境任務是非常貼近學生生活情境的鉛蓄電池（電動自行車等已廣泛使用）作為分析型任務。這是一個真實且應用廣泛的情境，通過組織學生對鉛蓄電池形成閉合回路構成要素的分析，再次加深學生對電化學中“電極材料與電極反應”構成要素的理解與認識，更重要的是借助鉛蓄電池充電電池的特征，推斷預測充電時電極連接方式、反應類型等，讓學生形成“電解的本質也是氧化還原反應”這一認知，統一對電化學原理認知維度的構建。再通過分析“SO2-4、 H+等離子導體”“電子導體”與放電時流動方向進行比較說明、概括關聯，進一步構建電化學裝置維度的認知。在此基礎上繼續設置設計型的任務情境，讓學生綜合設計論證，用鉛蓄電池作為電源電解熔融氯化鈉和飽和食鹽水等任務素材，并進行問題分析與相互評價活動，發展電化學原理和裝置維度的認識與應用。