程俊 柳先美

摘要：原電池問題是高中化學教學的重點，但更是難點，大量的學生在反復練習中混淆、迷失?；趯W生認知障礙的分析、基于四要素模型理論基礎(chǔ)，提出三項教學策略：（1）找準目標——模型建構(gòu);（2）銜接基礎(chǔ)——氧化還原原理及應用;（3）創(chuàng)新方式——實踐探究、深度對話。并利用真實情境展示深入實踐的案例，使學生的學科素養(yǎng)得以提升。

關(guān)鍵詞：認知障礙;四要素;模型建構(gòu);真實情境;深度對話

文章編號：1008-0546（2020）10-0002-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.001

在電化學的教學中，老師們通常有個共性的困惑。就是學生在學原電池的基本原理問題時，感覺已經(jīng)很清晰明了，但是，最后一面對綜合問題或陌生情境，很容易迷惑和混淆，原來覺得很簡單的問題，可能都不知道從哪里人手。筆者也曾為此困惑，因此連續(xù)幾屆深入了解學生的思維障礙，提出了幾點改進策略，進行了實踐探索，成效明顯。

一、學生認知障礙分析

分析學生解決原電池的典型錯誤和障礙，發(fā)現(xiàn)問題主要在以下幾個方面：

1.沒有穩(wěn)定的解決問題的思路

讓分析一個原電池，學生常常不知從何人手，語言之間缺乏相應的邏輯聯(lián)系。其根源是沒抓住問題的本質(zhì)，只是看到復雜多變的表象，不能從得失電子的起點來分析問題。沒有從根源上認識到，因為有自發(fā)的氧化還原反應，才有原電池。

2.對常見元素化合物的基本性質(zhì)掌握不全面

因為對一些基本物質(zhì)的性質(zhì)不熟練，所以學生在原電池體系中找不到自發(fā)的氧化還原反應，所以不知道是什么物質(zhì)得失電子、引發(fā)電流。

3.沒有理解電極反應式書寫的實質(zhì)

對電極反應式的配平，很多學生抓不住本質(zhì)問題，即電子的得失是首要的，其次才是環(huán)境問題和原子守恒，有的學生首先盯著原子守恒，為了配原子守恒，隨意書寫電子得失數(shù)、隨意配置環(huán)境微粒，結(jié)果總是反復出錯。

4.不理解雙液原電池

不理解為何氧化劑還原劑不接觸，反應還能發(fā)生。這是很多學生在面對電池問題時的原始困惑，連能產(chǎn)生電都表示懷疑，所以，不少學生在心里對原電池表示本能抗拒。其實，這需要教師給學生補充淺顯的電極電勢差的知識。

5.不理解沒有金屬的原電池

看到有金屬的體系，馬上就判斷金屬為負極，找不到金屬的體系，思維就比較混亂。這仍然是沒有抓住氧化還原的本質(zhì)，做負極的是還原劑，不一定要是金屬。

6.對于電池中各部分的作用認識不準確、不全面

當某部分被其他物質(zhì)替代而形成新的電池后，對于各部分在電池中擔當?shù)慕巧捅容^混亂，所以無法應對各種變化的化學電源。

二、理論基礎(chǔ)及分析

綜合分析近年來國內(nèi)對原電池教學的研究，北師大王磊教授高端備課團隊的四要素法理論價值最高、影響最大，主張建構(gòu)四要素的原電池認知模型。

王維臻、王磊、支瑤等人抽象和建立了“正負極反應物、電子導體、正負極材料、離子導體”的四要素普適模型，從認識對象、裝置、原理、能力四個維度立體詮釋該模型對學科認知方式、能力發(fā)展的影響[1]。史凡、王磊提出知識呈現(xiàn)的階段、價值對學生模型建構(gòu)有重要影響，比如在必修原電池教學時即引入氫氧燃料電池，將電極反應物和電極材料的功能分開。也提出模型的建構(gòu)需要幾個階段：建構(gòu)、陳述思維外顯、模型各因素的連接、模型中各因素的改變、模型的應用[2]。以上研究對幫助學生建立原電池的思維模型和認識思路幫助很大，能夠破解學生的部分認知障礙，但主要停留在必修階段的教學，對于復雜變式的研究不夠深入具體、對學生氧化還原能力的缺失研究不足。

三、教學策略研究與實踐探索

本研究將具體闡釋如何建立模型，如何與常用元素化合物知識相銜接，如何創(chuàng)造課堂氛圍、充分利用多種變式和真實情境幫助學生實現(xiàn)知識的內(nèi)化和遷移。

1.找準目標——模型建構(gòu)

《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[3]。”模型建構(gòu)是化學核心素養(yǎng)的重要組成部分，特別是對于原電池這樣具有規(guī)律性的極有利于建模的課題。

但是，建模的思想和方法還沒有引起較大的關(guān)注。在廣東省內(nèi)隨機抽取52名高中化學教師調(diào)查發(fā)現(xiàn)，針對同樣進行人教版選修四原電池教學的教師，約19%的教師沒有建模的意識，69%的教師有建模的意識，但對模型的認知有偏差，剩下9%的教師有較正確的建模認知，但不都能明確有效地幫學生建立起來。在有意識幫學生建立模型的教師中，80%左右的教師將Zn-Cu單液原電池作為原電池學習的模型，所以導致障礙4、5、6的產(chǎn)生，帶來一些很難糾正的錯誤觀念。這些錯誤觀念的產(chǎn)生，原因是多方面的，如模型呈現(xiàn)的偏差、模型建構(gòu)流程設(shè)計不科學、模型應用不到位等。

下面，以某重點中學三個班級選修階段原電池教學的實踐情況為例，具體闡釋如何引導學生建構(gòu)模型。

（1）模型建構(gòu)流程

如表1所示。

（2）模型應用與鞏固

【模型應用】已知：2Fe3++S03-+H2O=2Fe2++SO42-+2H+。如圖l是一套電化學裝置，圖中C、D均為鉑電極，U為鹽橋，G是靈敏電流計，其指針總是偏向電源負極，請分析該電池如何工作？

【關(guān)鍵障礙】這個陌生的體系，沒有活潑金屬電極，兩個電極又是一樣的，也沒有單質(zhì)可以參與反應，前面沒有哪類原型與其類似。同時，還是一個可逆反應，因為擔心發(fā)生逆反應，學生的思維進一步受到干擾。

【問題解決模型】將體系中物質(zhì)分為氧化劑還原劑兩類→找到最強的還原劑和氧化劑（做負極和正極反應物）→寫主反應→寫電極反應式→畫電子、離子移動方向→判斷其它物質(zhì)的作用→確定原電池的四要素。（因為題目提供了主反應，所以可根據(jù)方程式找到最強的還原劑和氧化劑。）

【思路分析】這個體系中最強的還原劑是SO32-，最強的氧化劑是Fe3+。C、D鉑電極做電極材料，Cl-、Na+做離子導體。電池開始工作后，F(xiàn)e3+和S032‘的濃度下降，F(xiàn)e2+和SO42-的濃度上升，直到正逆反應的速率相等，達到平衡狀態(tài)，導線中無電流通過，指針不再偏轉(zhuǎn)。但是可以想辦法破壞平衡狀態(tài)，如增加Fe3+或SO;一的濃度，繼續(xù)向右發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應、繼續(xù)輸出電流。不管如何陌生，本質(zhì)都還是尋找和創(chuàng)造自發(fā)的氧化還原反應。

整個教學過程中，第一，通過各種電池原型的有序呈現(xiàn)，建立了原電池的四要素普適模型;第二，在各種變式的逐步應用中，建立了先尋找最強還原劑和氧化劑的問題解決模型。后續(xù)再用各種新情境來鞏固這兩個模型，實現(xiàn)從知識到能力和素養(yǎng)的提升。

2.銜接基礎(chǔ)——氧化還原原理及應用

從上述實踐的關(guān)鍵障礙中發(fā)現(xiàn)，學生在運用原電池問題解決模型中最大的困難就是尋找最強的還原劑和氧化劑、建立主反應，或者對于已知的主反應、剖析其氧化還原原理。但是對于一些陌生反應的案例，學生即使知道了四要素模型，卻對氧化還原這個攔路虎束手無策。因此，要從以下兩方面來復習鞏固。

首先，針對陌生反應，鞏固電子轉(zhuǎn)移方向、氧化劑還原劑、氧化性還原性這幾個重要概念，特別是要弄清楚電子從哪里來到哪里去。

其次，歸納常用的氧化劑還原劑。在必修階段，有些物質(zhì)的性質(zhì)很少涉及，但在電化學中這些物質(zhì)屢屢被用到，如Li、Li+、LiMn204、Pb、PbS04、Pb02、Mn02、MnOOH、Pt、Ag、Ag20、Ni、N1（OH）2、Cd、K2Fe04 Fe3+、AsO42-、NH十、NH3、乙醇、二甲醚、甲醇等。學生見到這些相對陌生或性質(zhì)復雜的物質(zhì)，難免慌亂，如何能看出誰與誰反應？因此，教師應該帶學生夯實好這一學習基礎(chǔ)、重溫物質(zhì)氧化還原性的判斷。像Li、Ag、Pb、Ni、Cd雖然是少見的物質(zhì)，但它們都是金屬單質(zhì)，都具有一定的還原性，而Au、Pt是最惰性的金屬，一般的氧化劑都不能將其氧化。像Li+、Na+、LiMn2O4、PbO2、MnO2、Ag2O、Ni（OH）2、K2FeO4、Fe3+，雖然結(jié)合的元素多種多樣，但期間的主要元素都呈最高價態(tài)，因此，常常用作氧化劑。而PbSO4、MnOOH中的金屬元素呈中間價態(tài)，所以可能是高低價態(tài)歸中的產(chǎn)物，可以作為氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物。而乙醇、二甲醚、甲醇、葡萄糖這些有機物，常常用作燃料，需要結(jié)合氧氣或其它氧化性物質(zhì)才能燃燒，所以在原電池中做還原劑，充當負極反應物。

經(jīng)過這樣的分類鞏固，新型電池的神秘感就會大大降低。學生才能從主體和環(huán)境中看到所有可能反應的物質(zhì)，并甄別出其中的氧化還原劑，找到自發(fā)的氧化還原反應，才有了電子的轉(zhuǎn)移方向，才產(chǎn)生了電，才有可能辨識出四要素，將建立的模型清晰地用到各種情境中。

下面以學生最容易反復出錯和混淆、但在生產(chǎn)生活中又最為普遍的吸氧腐蝕為例，分析無論面對什么樣復雜多變的裝置，教師都要引導學生將每個物質(zhì)對應回經(jīng)典裝置，仍能看清氧化還原的本質(zhì)。

【經(jīng)典裝置】

【教師】請問在如圖2裝置中能檢測到電流嗎？

【學生】能，但很小。

【教師】發(fā)生了什么電極反應？

【學生】負極：Fe-2e-=Fe2+，正極：2H++2e-=H2

【教師】哪里來的H+？

【學生】水電離的。

【教師】水能與鐵自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應嗎？

【學生】不能。H+濃度太小了。

【教師】那你們?yōu)槭裁磳慔+做氧化劑？

【學生l】因為沒想到氧氣。

【學生2】因為電解里面水電離的微量H+也能得電子。（將強制性的電解反應與自發(fā)的原電池反應混淆了。）

【教師】是啊！為什么電解池中，水電離的微量H+也能得電子？

【學生3】因為電解池強制性的輸送電子到陰極，H+可以被動地獲得電子。

【學生4】但原電池里，需要H+主動獲得電子。但水電離的H+濃度太小了，所以沒有自發(fā)性。

【教師】所以，大家在考慮這樣的裝置時，一定要認真對比物質(zhì)的氧化還原性，不能忽略了溶液中的溶解氧和空氣中的氧氣。

【簡單變式】如圖所示，將緊緊纏繞不同金屬的鐵釘放人培養(yǎng)皿中，再加入含有適量酚酞和NaCl的瓊脂熱溶液，冷卻后形成瓊膠（離子在瓊膠內(nèi)可以移動）。請問會有什么現(xiàn)象？請書寫電極反應式。

【關(guān)鍵障礙】圖3：在面對這個裝置時，仍然有不少學生認為是食鹽水中水電離的H_氧化了鐵，沒有科學的氧化還原分析思維。沒意識到即使將經(jīng)典裝置中的C換為Cu，一樣是鐵的吸氧腐蝕。

【關(guān)鍵障礙】圖4：同樣，再將經(jīng)典裝置中的C換成Al，很多學生不能將鐵的吸氧腐蝕遷移到鋁的吸氧腐蝕，不敢確認鐵釘作為正極的身份，因為對于鋁和鐵的還原性掌握不夠透徹。

【復雜變式】某同學進行表2所示的實驗。請分析產(chǎn)生實驗現(xiàn)象的原因，寫出每個部位發(fā)生的電極反應或化學反應。

【關(guān)鍵障礙】這是一個真實的情境，圖像不是以經(jīng)典裝置的導線、電極材料、溶液的方式呈現(xiàn)出來，而且還出現(xiàn)了新物質(zhì)。

【模型應用】怎么能看出還是鐵的吸氧腐蝕？無論裝置的形狀如何變幻、有多少干擾離子，最強的氧化還原劑依然是鐵和氧氣。生鐵片發(fā)生吸氧腐蝕，中心區(qū)域是負極為藍色，是因為Fe-2e-=Fe2+，F(xiàn)e2+遇到K3[Fe（CN）6]呈現(xiàn)特征藍色;邊緣處是正極為紅色，因為：02+2H2O+4e-=4OH-，酚酞遇到OH-顯紅色;交界處，F(xiàn)e2+和OH-相遇產(chǎn)生白色沉淀Fe（OH）2被氧化為Fe（OH）3，后變成紅色鐵銹。

這種真實卻極為陌生的情境，對學生的氧化還原認知、問題解決模型的應用能力都挑戰(zhàn)極大。但經(jīng)過這樣裝置的不斷變形，學生對原電池中氧化還原反應有了更深入的理解，還能結(jié)合多變的環(huán)境來綜合分析。學生心中其實已經(jīng)建立了一個吸氧腐蝕的問題解決模型：自然條件下，最強的還原劑是最活潑的金屬、最強的氧化劑是空氣中的氧氣一活潑金屬做負極反應物失電子、氧氣做正極反應物得電子一活潑金屬同時做負極材料、其它金屬做正極材料一寫電極反應式、寫總反應判斷腐蝕產(chǎn)物。那么，如果改變了自然條件，如酸雨環(huán)境下增加了溶液中H+的濃度，根據(jù)濃度的不同，H+可以優(yōu)先做氧化劑或與O2同時得電子發(fā)生正極反應。若溶液中混入了其它微粒，考慮問題的根源一樣都是確定最強的氧化還原劑。

3.創(chuàng)新方式——實踐探究、深度對話

《普通高中化學課程標準（2017年版）》著重強調(diào)分析和解決真實問題的思路。但我們在教學中看到一個典型現(xiàn)象，就是學生在老師一問一答的帶領(lǐng)中，課堂非?；钴S，感覺多數(shù)孩子都懂，但是，給個真實情境，讓學生獨立分析，學生卻常常不知道從何下手，這是平時的教學方式出了問題。試問如果教師一直牽著學生的鼻子走，一直給學生簡化的、虛擬的問題，學生如何能學會自己走？如何培養(yǎng)解決問題的能力？如何培養(yǎng)創(chuàng)新精神？因此，要培養(yǎng)學生獨立思考的能力、教會學生掌握完整的認知模型，必須借助真實情境進行實踐探究、給學生深度思考和對話的機會。

下面以生活中常用的幾種干電池為例，將一個個真實的電池解剖，考驗學生是否仍然能夠還原原電池的四要素，并完整分析電池結(jié)構(gòu)和工作原理。

【探究活動】每四人小組物品清單：4個初步解剖的鋅錳l號電池（南孚或555牌）、4把小刀、4雙塑膠手套。請戴上手套輪流觀察每個電池并討論其工作原理，時間10分鐘。

（學生開始都處于蒙圈狀態(tài)，不知道里面都是什么，更不知道怎么會產(chǎn)生電。漸漸地，用小刀挑開一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有的中間有金屬條、有的沒有，有的中間有碳棒、有的沒有，有的外面鋼殼內(nèi)有層金屬鋅、有的鋼殼直接包住MnO2，再細細解剖，有的有牛皮紙膜、有的有白色糊狀物。一對比，就慢慢有了思路。）

【獨立思考】可以從哪些角度來對比這些電池？請每人列出表格來闡述，時間5分鐘。

（多數(shù)學生都嘗試從電池四要素來對比分析，透過復雜的表象去看鋅和MnO2間的反應。）

【展示交流】請每個同學將自己的對比表格在小組內(nèi)完整展示、討論，然后綜合修改（時間10分鐘）。之后小組推薦發(fā)言人在全班展示。 學生綜合討論發(fā)現(xiàn)，南孚和555牌電池都有兩種類似下表②③的結(jié)構(gòu)，555牌還多了①這種結(jié)構(gòu)。表3是學生做的比較完整的成果展示（以555牌電池為代表）。

學生還發(fā)現(xiàn)，這三種新解剖的電池經(jīng)過半個月的放置之后，①電池金屬明顯腐蝕嚴重、外殼發(fā)生溶脹，②稍有腐蝕，③電池基本沒有變化。再結(jié)合前面觀察到①內(nèi)有白色糊狀物，由此判斷出①為酸性鋅錳干電池。①的價格大約是另外兩種電池的1/3，電池壽命也短很多。估計這也是南孚電池沒有這個品種的原因。以上分析說明②③是目前常用鋅錳電池的兩種基本結(jié)構(gòu)，也說明堿性電池更普遍。

另外，學生查閱資料發(fā)現(xiàn)，電池工藝的改造、電池壽命的延長，主要包含以下工藝：密封圈材料的工藝、抗高溫材料的使用、提高電解液的純度以防爆炸、防漏液技術(shù)、電鍍防生銹技術(shù)、無汞環(huán)保因素[7]。雖然多數(shù)具體的工藝還無法理解，但通過基本解剖與探討，幾種常見電池的電極反應原理還是能夠被基本掌握。這樣真實情境下的實踐活動也讓學生深刻感受到，一個普通的化學反應是如何走向工業(yè)和大眾生活，一點微小的工藝差別有可能會帶來哪些影響。

整個探究活動的流程是：看實物、動手解剖找異同一小組討論觀察對比的角度一各人自行繪制對比表格一小組交流，全班匯報工作原理一課外延伸學習。每個人都參與了展示和交流，在小組和全班形成學習共同體，展開深度對話。教師提問的數(shù)量大大減少，問題的屬性由事實性知識指向認識思路。這樣，核心的教學目標就不是落在電極反應式的書寫上，而是落在對于學生系統(tǒng)分析思路的建立和應用上，落在學生自我內(nèi)化問題解決模型上。

“唯有使知識和技能回到個人生活、社會生活和職業(yè)世界的具體情節(jié)巾去探究與實踐，方有素養(yǎng)的形成與發(fā)展?！盵8]化學是最終要面向生產(chǎn)生活實際、面向社會未來發(fā)展的學科，因此化學知識的學習，要引導學生在真實的情境中實現(xiàn)知識的主動建構(gòu)。

參考文獻

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*本文系廣東省教育科研“十三五”規(guī)劃2020年度教育科研一般項目“促進核心素養(yǎng)發(fā)展的中學化學‘教一學一評一體化研究”（2020YQJK594）階段性成果。