教科书中电化学内容组织方式的分析研究

摘要：本文分析了电化学知识对学生认识发展的作用，对不同中学教科书中电化学内容的组织方式进行了阐释，进而从促进学生认识发展视角探讨了电化学组织方式的教学论问题。

关键词：认识发展；教科书；电化学；组织方式

文章编号：1005－6629(2011)02－0009－04　中图分类号：G633.8　文献标识码：B

电化学内容是中学化学概念的重要组成部分。不同教科书在组织和呈现电化学内容方面有何不同?对学生的认识发展起到怎样的影响?以及由此产生了哪些与学生认识发展相关的教学论问题?

1　不同教科书中电化学内容的组织方式分析

1.1　人教版

教科书《化学反应原理》模块将电化学内容放在整本书的最后一章。前面的知识有化学能与热能的转化、化学反应速率、化学平衡、弱电解质及其电离平衡、沉淀溶解平衡、盐类水解。在这些知识的基础上，通过锌与硫酸铜的反应，让学生认识到化学能与热能的转化。并分析反应的实质是电子转移。但没有得到电流，有热放出；然后介绍如果把氧化反应和还原反应分开在不同的区域进行。再以适当方式连接起来。就可以获得电流。并演示带有盐桥的锌铜原电池：最后，通过电极反应和文字解释分析现象和原理，让学生建立原电池的工作原理。在此基础上，认识日常生活中的各种电池及化学实质。教科书通过电解氯化铜溶液的实验，应用电极反应、微观图示和文字阐述分析电解原理。然后通过具体的实例让学生认识到电解在制备生产生活中需要的物质、物质的纯化、镀层等方面的应用。在原电池和电解知识的基础上，让学生认识金属的电化学腐蚀现象和原理，并且应用电化学知识进行金属的防腐分析。

1.2　鲁科版

将电化学内容放在第一章。前面有化学反应的热效应内容，即化学能与热能的转化。以从氯化钠制备钠需要电能的实例，引发学生分析怎样将电能转化为化学能。以电解熔融的氯化钠为例分析原理和微粒的运动情况，建立电解、电解池和电极反应的认识。然后，让学生认识电解原理在制备烧碱、铜的精炼和电镀方面的应用。在电解认识的基础上，让学生学习原电池。教科书通过让学生设计把锌与硫酸铜反应放出的热能转化为电能的活动。激发学生关于原电池的已有认识，在此基础上建立原电池中的电极反应认识。紧接着，给出带有盐桥的铜锌原电池，进一步深化学生对原电池的认识。然后介绍几种常见的化学电源，并且分析其中的电极反应，最后分析金属腐蚀和防腐问题。

1.3　苏教版

教科书中《化学反应原理》模块也将电化学内容安排于全书的第一章。首先探讨化学反应中的热效应。然后分析化学能与电能的转化，最后是金属的腐蚀与防护。该书先分析原电池，通过探究锌与硫酸铜的反应释放热能、铜锌原电池产生电能的差异。引导学生建构原电池的工作原理。进而建立半电池、负极、正极等认识。然后通过将离子反应Fe+Cu²⁺=Fe²⁺+Cu设计成一个原电池的活动，迁移应用原电池的原理。在此基础上，介绍各种化学电池。较深入分析了银锌钮扣电池、锌锰干电池、铅蓄电池等。紧接原电池内容，教科书探讨电解池的工作原理及其应用。通过交流讨论电解熔融氯化铜。建立电解和电解池的概念。通过探究电解氯化铜溶液。使学生初步建立离子放电顺序的认识。进而介绍电解原理在生产生活中的广泛应用，较充分分析了电解饱和食盐水、电镀银实例。最后。通过整理与归纳活动，将原电池和电解池进行分析、比较。

1.4　美国高中主流理科教材

《化学概念与应用》在电化学之前，安排的内容有化学键、化学量、水和溶液、酸碱反应、氧化还原反应等，之后安排的内容包括有机化学、化学反应与能量变化(吸热反应、放热反应、热效应的测定等)、核化学等。在电化学专题中，首先介绍电解。然后探讨原电池。关于电解。通过科学研究中的事件引入，在正式学习之前让学生回顾氧化还原反应等知识。然后沿着电化学发展史。介绍戴维制作的电池。并让电流通过熔融氯化钠。给出阴极和阳极，进而介绍戴维用这种方法发现了多种元素，以及现代商用电解熔融盐的装置。在这些介绍的基础上。详细分析电解熔融氯化钠过程。使学生认识到电解过程的综合效应就是促使一个平衡的氧化还原反应不断进行。最后介绍电解原理的应用，包括：电解制备化工产品、金属冶炼(分析电解炼铝。在化学与技术栏目中介绍“从铜矿石到铜导线”)、电镀及其用途(在化学与生活栏目中介绍“制作一张畅销CD”、在化学工作者栏目中介绍对电镀工程师哈维·莫瑟的访问)、用电解法清理、电解有毒废弃物。关于原电池，该书以化学史和现实生活中对电池需求两条线索推进。首先介绍电化学电池，让学生进行柠檬电池实验活动。并进行深入分析，建立电势差认识。在此基础上，以带有盐桥的镁－铜原电池为例进行分析，使学生建立原电池认识，并且介绍电池的实用性。然后介绍电池的优化，分析碳－锌干电池、汽车的铅蓄电池、电动汽车中的电池。其中插有各种栏目内容，如化学实验(氧化还原反应与化学电池)、医学链接(锂电池与心脏起搏器)、工作原理(镍镉充电电池、氢－氧燃料电池)等。

2　关于电化学内容教学论问题的提出与探讨

2.1　电化学内容是放在化学反应原理模块教科书的第一章还是最后一章?

如果放在第一章，需要学生通过电化学知识学习，建立微观、动态、相互作用的认识深度，并且建立分析反应体系中微粒及运动情况的认识思路。然后将其认识思路和认识深度应用到化学平衡、溶液中离子平衡等问题的分析。如果放在最后一章，前面溶液中的离子平衡知识已经为学生建立了必要的认识思路，认识深度也达到了微观、动态、相互作用的层次，在电化学中主要是应用和深化。这引发我们进一步思考：比较而言，是电化学内容更利于学生建立微粒观，还是溶液中的离子平衡更利于学生建立微粒观?通过教学实践不难发现，溶液中的离子平衡更易于学生建立微粒观，因为学生比较熟悉溶液中的离子反应，在必修阶段具有较多的经验。电化学内容对学生来说比较困难，学生拥有的已有经验较少。在化学反应原理模块第一章安排这样的内容。对学生学习理解来说具有一定的困难。需要教师在教学处理中把握好教学内容的选择和深广度，特别是具体知识的获得与学生认识发展的融合统一。

2.2　电解和原电池内容的先后顺序对学生的认识发展有何影响?

鲁科版教科书把电解内容放在原电池前面。人教版教科书把电解内容放在了原电池之后。这样的差异，引发了一系列问题：在学生已有认识的基础上，电解和原电池内容，哪个更具备良好的认识基础?在认识深度上，电解和原电池，哪个认识更复杂，学生更难以建立相关认识?在认识思路上。电解和原电池，哪个是建立电化学认识思路的基础?笔者认为，关于电解内容学生具有良好的认识基础。因为学

生在必修化学中接触到了电解水反应、电解饱和食盐水的反应。关于在通电条件下发生化学反应的问题。学生已经具备了一定的认识基础：其次，电解的原理比原电池简单。更适合建立分析电化学问题的认识思路。能够更好地帮助学生建立电化学的原理和装置。包括电极反应物、闭合回路和电极材料、电解质溶液、其他活性材料。能够更好地帮助学生建立综合运用微粒观和氧化还原反应原理分析电化学问题的基本思路。因为电解原理涉及到的问题比原电池单纯。学生在初中物理中已经探讨过外电路中电子是怎样流动的，通过必修化学的学习。学生也了解了电解质溶液中离子的运动情况。结合氧化还原反应的知识，较容易掌握电解的原理。这样的处理分散了原电池的教学难点。

2.3　金属腐蚀与防腐内容放在哪里更合适?

利用金属腐蚀与防腐知识。可以开展电化学内容的综合认识实践活动。单独成节具有一定的价值和意义。这种意义体现为：进一步深化电极的认识(溶液内部为阴、阳电极，外电路为正、负电极)，避免学生形成原电池只有正负极、电解池只有阴阳极的偏差认识：综合应用电化学知识，充分认识实际问题。因为金属防腐措施，既有应用原电池原理的措施(如牺牲阳极保护法)，也有应用电解原理的措施(如阴极保护法)。

2.4　选择怎样的实例帮助学生建立电解和原电池的基本认识?

我国的中学化学教材通常选用电解氯化铜实验和铜锌原电池实例。有的教科书选用电解熔融的氯化钠和带有盐桥的铜锌原电池。有的选用带有盐桥的镁－铜原电池。笔者认为使用电解熔融氯化钠比电解氯化铜溶液更有优势。因为电解熔融的氯化钠这个实例简单，学生易于分析微粒得失电子情况。该实例不但在化学史上具有一席之地。而且现在仍有应用价值，能够对学生的认识形成较大的冲击，对学生产生情感上的触动。此外，通过设计核心问题线索，有利于学生形成分析电化学的基本角度和思路，如：①接通电源后，熔融氯化钠中Na⁺和Cl^-各向哪个方向移动?②移动到电极表面的Na⁺和C1^－将发生什么变化?③有什么产物生成?④电源、导线、电极材料起到了什么作用?电解氯化铜溶液，由于涉及不同离子得失电子能力问题，对于初学者来说较复杂，该素材的一个优点在于实验现象鲜明。笔者认为使用带有盐桥的铜锌原电池或镁－铜原电池比单液铜锌原电池更有利于学生建构原电池的认识和帮助学生解决认识发展的障碍点。通过调查访谈，笔者发现学生关于原电池的认识。主要的难点之一在于形成氧化反应、还原反应分开进行的理解，即使学生看到了分开进行的现象，他们仍然无法认同。单液铜锌原电池更不利于学生形成科学认识。反而易形成认识偏差，因为单液铜锌原电池中，氧化剂和还原剂仍然在一个反应容器中。学生往往认为氧化剂和还原剂直接接触才能发生氧化还原反应，从而产生电流。如果使用带有盐桥的原电池实例进行教学，恰恰能够解决这个问题。

2.5　选择怎样的STS内容使学生认识到电化学的应用价值?

通过比较分析。不难发现我国教科书关于电化学应用的内容比较单一，主要包括氯碱工业、金属冶炼和精制、电镀。而《化学概念与应用》一书中关于电化学应用的内容却非常丰富。特别是注意到电化学在各个领域中的应用，书中的一句话极具有震撼力——“毫不夸张地说，从艺术领域到重工业领域，都有电解技术的用武之地”。此外，这些素材从久远的历史到当今生活的现代科技，从规模庞大的生产到生活中的细节。从课堂学习到职业生涯。无论是横向还是纵向，都具较大的视野空间。这无疑能够使学生形成对电化学应用的广泛而深入的认识，触及学生的内心。

通过对以上问题的探讨。笔者建议电化学知识放在溶液中的离子平衡之后。共分为三个部分。先后顺序和内容为：电解原理及其应用、原电池与化学电池、金属腐蚀与防腐。通过分析电解熔融氯化钠帮助学生建立电解的基本认识，通过分析电解氯化铜溶液或者电解食盐水，使学生认识离子放电的顺序，通过多领域、多角度电解应用实例分析，使学生建立对电解应用价值的认识，进而帮助学生建立分析电解问题的基本思路：通过回顾氧化还原反应。使学生认识到原电池中把氧化反应和还原反应分开进行，可以得到电流。然后通过带有盐桥的原电池实例(学生熟悉的自发氧化还原反应)，使学生建构原电池的工作原理，即电流形成的原因和装置的作用。最后通过分析各类化学电池，帮助学生深化对原电池原理的理解，建立解决原电池问题的基本思路，特别建议增加燃料电池的分析。

参考文献：

[1]王磊等主编，高中化学选修课教与学[M]，北京：北京大学出版社，2005.

[2]普通高中课程标准实验教科书，化学反应原理[M]，济南：山东科学技术出版社，2007(7)：2.

[3]高中化学课程标准实验教科书，化学反应原理[M]，北京：人民教育出版社，2007(2)：3.

[4]高中化学课程标准实验教科书，化学反应原理[M]，南京：江苏教育出版社，2008(6)：3.

[5](美)菲利普等著；王祖浩等译，科学发现者，化学概念与应用[M].杭州：浙江教育出版社，2008，8.