高中生“原电池”学习困难成因初探

束婷婷++吴琼

【摘 要】“原电池”是化学学科的重要学习内容，但从学习过程和结果来看，很多学生对于“原电池”知识表现出学习困难。文献研究及访谈调查表明，教材处理方式、新知识处理方式、知识结构处理方式、题目处理方式及学生情绪处理方式等是决定高中生“原电池”学习效果的主要因素。文章以这5个因素为出发点，探讨高中生“原电池”学习困难的主要原因，对于改善“原电池”学习现状具有重要的指导意义。

【关键词】高中生；原电池；学习困难

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2017）10-0072-03

“原电池”是化学科学的重要组成部分，原电池概念及原理的学习有利于深化“能量守恒”的思想，从而帮助学生建立科学的世界观，而原电池实验的学习与应用对于培养学生的科学研究能力也具有重要意义。电化学工业推动着生产生活的发展并发挥着不可替代的作用，原电池理论作为电化学工业的基础，促使学生理论联系实际并发挥知识的价值，有利于提高学生学习动机。另外，高中教材中电解池的学习是以原电池为基础，因而原电池知识的掌握程度又会直接影响学生电解池的学习。由此看来，原电池的学习具有重要的理论和现实意义。然而，很多研究表明，高中生“原电池”学习困难，并在此知识点上出现成绩分化，甚至出现厌恶化学学科的现象。

高中生“原电池”学习困难主要表现在混淆阴、阳离子移动方向及电子电流流向、难以完成复杂电极反应式的书写及判断离子浓度变化等方面。教师作为学生学习的指导者，其对学习进程中各种因素的处理方式决定了学生的学习效果。因此，本文尝试从教材处理方式、新知识处理方式、知识结构处理方式、题目处理方式及学生情绪处理方式等5个方面，探讨高中生“原电池”学习困难的主要原因。

一、教材处理方式

根据新课程“螺旋式上升”的理念，“原电池”分别出现在高中化学必修2和选修4两本教材中。从教材内容来看，必修2将原电池内容放在第二章“化学反应与能量”中，所以此处重点从能量的角度围绕化学能与电能的转换关系来展开原电池教学，主要包括以下4个方面：化学能为什么可以转化为电能？化学能如何转化为电能？化学能转化为电能的装置是什么？化学能转化为电能的意义是什么？而选修4第四章第一节“原电池”看似和必修2内容重复，但教材又从提高原电池效率的出发点提出盐桥的概念。同样，第二节“化学电源”将必修2中提到的一次电池、二次电池及燃料电池的内容深化展开，分析了各类电池的工作原理及电极反应，并以此探讨了每种电池的优缺点。因此，选修4中原电池内容的核心目的是让学生思考如何将原电池原理很好地应用于生活实际。不难发现，必修2强调学习原电池的理论基础，而选修4则着重从实际应用角度展开并深化原电池知识。

由于新课程内容由必修到选修“螺旋式上升”的特点，使得教学深度的控制一直是困扰中学教师的重要问题，教学深度把握含糊，导致教学目标不清晰，难免会影响教学效果。教师可根据学生的学习水平有选择地调整教学顺序，如在必修2的教学中就将生活中常见的化学电源电极反应式的书写作为教学目标并展开教学。但不能使教学内容和教学目标错位，比如在必修2的实际教学中并未涉及一次电池、二次电池等电极反应式书写的内容，却在课后习题中布置相应练习，虽然部分学生可以解决，但对于基础较弱的学生来说必然会造成学习障碍。所以，教师首先应明确各部分的教学目标，在各自教学目标的基础上再对学生提出相应要求，切忌忽略学生知识基础而盲目提高学生水平。

二、新知识处理方式

在原电池原理教学时，部分教师往往将原电池以完整的体系呈现给学生，再逐个分析原电池的每个构成要素及其存在的必要性。这种新知识处理方式可以使学生在短时间内模式化地掌握原电池的组成要素并完成相应练习，但难以使学生从本质上了解原电池工作原理。心理学家皮亚杰（Jean Piaget）的认知发展理论认为，应将教学内容以符合学生认知规律的方式呈现给学生，使学生将新知识合理地纳入原有认知结构中，从而使学生达到对事物的理解。从学生的知识基础出发为学生提供支架，将原电池内容所包含的知识要素以逻辑关系的方式逐个呈现，使其变为课堂中师生互动的生成性知识。如含有盐桥的鋅铜原电池，盐桥中离子移动方向的问题就可以以Zn失电子转化为Zn2+进入ZnSO4溶液，Cu2+获得电子成为金属铜沉积在铜电极上为教学起点，以教师提供的“溶液呈电中性”“扩散规律”为支架展开学习，这种知识处理方式促使学生主动将新知纳入原有的认知结构中，有利于知识的掌握。

另外，不少学生容易混淆原电池正负极和电解池阴阳极及其反应类型。在大学物理化学的教学中，通常采用电化学中公认的约定：无论是电解池或是原电池，在讨论其中单个电极时，都把发生氧化作用的电极称为阳极，把发生还原作用的电极称为阴极。在高中阶段，电解池分阴阳两极，与大学物理化学没有差异。而原电池电极分为正负两极，并没有阴阳极的提法。可以理解，高中教材如此处理原电池电极问题是由于原电池本身的意义就是电池。在物理学中认为，电子在电场作用下发生定向移动而显示电流，并规定：以正电荷的运动方向为电流的方向，且电流总是从电势高的正极流向电势低的负极，这与电子的流向刚好相反。因此，有人也常常用正、负极来表示原电池中的两个电极。虽然高中教材并未提及原电池阴阳极的说法，但是如果教师从更高的理论水平理解原电池两极的含义，在“原电池”教学中，首先提及阴阳极的概念，一方面可以帮助学生将电极与电极反应有机地联系在一起，另一方面又能为后续电解池阴阳极做铺垫；再由原电池的功能和物理学原理将原电池阴阳极转换为正负极（如图1）。这种知识处理方法，不仅有利于学生从更深的层次理解原电池正负极且不与阴阳极混淆，还使知识点统一于化学科学，不致使学生在遇到原电池阴阳极的提法时产生认知冲突。

三、知识结构处理方式

学生“原电池”学习困难还有一个重要表现是，遇到原电池相关问题时不知该如何下手、不知该如何利用已知条件解决问题、不能从复杂的电池体系中辨别出其构成要素以及混淆原电池和电解池的性质等。究其原因，在于学生自身未建立系统的认知结构或者认知结构可利用性、稳定性、可辨别性较低，知识杂糅在一起，难以提取。这个过程的关键因素就是教师，教师是否对庞杂的知识体系进行梳理总结以帮助学生建立系统的知识结构体系？

根据原电池知识特点，教师应帮助学生从3个方面建立认知结构。首先，建立原电池自身运行体系的认知结构，厘清原电池构成的基本要素及其逻辑关系。其次，建立几种典型的原电池认知结构，如二次电池、燃料电池等。另外，还应建立原电池和电解池区别与联系的认知结构，如装置组成、电极名称与反应等。如图2（a）、（b）分别表示了铅蓄电池的放电和充电过程。这种知识处理方式不仅有利于加深学生对二次电池工作原理的理解，还有利于学生建立稳定的关于原电池和电解池的认知结构。教师总结规律时，应注意规律的科学性并且让学生理解规律所暗含的更深层次的意义，适时地列举分析特例，从而帮助学生建立更为合理、严谨的认知结构。

四、题目处理方式

高中生“原电池”学习困难的一个很重要的因素是很多原电池相关习题属于结构不良问题，这类题目通常取材于实际，考察方式新颖灵活，有利于发展学生的综合能力。简妮·爱丽丝·奥姆罗德（Jeanne Ellis Ormrod）认为结构不良问题的特点是：目标状态模糊、缺失必要的信息、没有一种确定的方法达到目标状态。如2016年浙江省高考理综卷11题，就是学生想要回避的题型，题目考查原电池原理的应用，题干中并未明确给出电池的正负极、电解质溶液等相关信息，也未直接给出解题的目标。因此，可以看作结构不良问题。对于刚接触这类题型以及基础较弱的学生来说，必然难以下手，若学生没有及时掌握此类问题的处理方法便会产生畏难情绪。

（2016年浙江省高考理综卷11题）金属（M）-空气电池（如图3）具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：4M + nO2 + 2nH2O = 4M（OH）n。已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是：

A. 采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面

B. 比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电池，Al-空气电池的理论比能量最高

C. M-空气电池放电过程的正极反应式：4Mn+ + nO2 + 2nH2O + 4ne- = 4M（OH）n

D. 在Mg-空气电池中，为防止负极区沉积Mg（OH）2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜

解决结构不良问题的一个策略是：将这个问题界定得更为具体详细，即让他们变为结构良好的问题，通过分析问题提取已知信息，明确问题目标以及由已知信息到目标的操作方法。对于原电池工作系统，正负电极、电解质溶液、构成电流通路的导线是3个基本要素，从题目中提取这3个要素作为已知信息，再根據原电池工作原理分析正负电极反应式、电子、电流及离子的移动方向等即可解决问题目标。这种方法使问题情境与学生原电池相关的认知结构更为贴近，有利于问题的解决。

五、学生情绪处理方式

在访谈与调查中，很多学生表示 “原电池电解池的题我都做不好，所以每次看到这类题目我就跳过不做”。可见，对于原电池相关问题，部分学生在学习前期遇到挫折，导致学生在学习后期缺乏学习动机并采取消极的态度应对。本来可以解决的问题，却因为情绪障碍使学生止步不前。循环往复，导致学生原电池知识学习形成障碍，难以攻破。

对于学习行为障碍，即使最初不是由于情绪原因造成的，在该障碍的发展过程中，也是由情绪因素来推波助澜的。要改善这种现象，最根本的途径就是消除学生相关的消极情绪反射，并创造积极的情绪体验。选取原电池典型题目，分析题目使其中的信息与学生认知产生联系，克服学生对题目的消极情绪，并给学生展示问题解决的过程和思路，再做对应练习，当学生能完全解决此类题目并产生了积极情绪后，再做几组变式练习，强化巩固。一旦学生错误率下降，积极情绪就会代替消极情绪，从而克服原电池学习障碍。在这个过程中，教师还应注意适时、适量给予学生鼓励。

“原电池”内容本身的特点是造成“原电池”学习困难不可忽略的因素，而教师作为课程的指导者，从知识、学生的角度考虑，通过积极处理教学内容、优化教学设计、调整教学节奏等方式，最大限度地减弱不利于学生“原电池”学习的因素，方能帮助学生克服“原电池”学习障碍。

参考文献：

[1] 傅献彩，沈文霞，姚天扬等.物理化学（第五版）下册[M].北京：高等教育出版社，2005：3.

[2] 傅献彩，沈文霞，姚天扬等.物理化学（第五版）下册[M].北京：高等教育出版社，2005：4.

[3] Jeanne Ellis Ormrod.学习心理学（第六版）[M].北京：中国人民大学出版社，2015：306.

[4] 金洪源.学习行为障碍的诊断与辅导[M].上海：上海教育出版社，2005：105.

（编辑：杨 迪）