基于学生认知障碍的原电池教学策略与实践探索

程俊 柳先美

摘要：原电池问题是高中化学教学的重点，但更是难点，大量的学生在反复练习中混淆、迷失。基于对学生认知障碍的分析、基于四要素模型理论基础，提出三项教学策略：（1）找准目标——模型建构;（2）衔接基础——氧化还原原理及应用;（3）创新方式——实践探究、深度对话。并利用真实情境展示深入实践的案例，使学生的学科素养得以提升。

关键词：认知障碍;四要素;模型建构;真实情境;深度对话

文章编号：1008-0546（2020）10-0002-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.001

在电化学的教学中，老师们通常有个共性的困惑。就是学生在学原电池的基本原理问题时，感觉已经很清晰明了，但是，最后一面对综合问题或陌生情境，很容易迷惑和混淆，原来觉得很简单的问题，可能都不知道从哪里人手。笔者也曾为此困惑，因此连续几届深入了解学生的思维障碍，提出了几点改进策略，进行了实践探索，成效明显。

一、学生认知障碍分析

分析学生解决原电池的典型错误和障碍，发现问题主要在以下几个方面：

1.没有稳定的解决问题的思路

让分析一个原电池，学生常常不知从何人手，语言之间缺乏相应的逻辑联系。其根源是没抓住问题的本质，只是看到复杂多变的表象，不能从得失电子的起点来分析问题。没有从根源上认识到，因为有自发的氧化还原反应，才有原电池。

2.对常见元素化合物的基本性质掌握不全面

因为对一些基本物质的性质不熟练，所以学生在原电池体系中找不到自发的氧化还原反应，所以不知道是什么物质得失电子、引发电流。

3.没有理解电极反应式书写的实质

对电极反應式的配平，很多学生抓不住本质问题，即电子的得失是首要的，其次才是环境问题和原子守恒，有的学生首先盯着原子守恒，为了配原子守恒，随意书写电子得失数、随意配置环境微粒，结果总是反复出错。

4.不理解双液原电池

不理解为何氧化剂还原剂不接触，反应还能发生。这是很多学生在面对电池问题时的原始困惑，连能产生电都表示怀疑，所以，不少学生在心里对原电池表示本能抗拒。其实，这需要教师给学生补充浅显的电极电势差的知识。

5.不理解没有金属的原电池

看到有金属的体系，马上就判断金属为负极，找不到金属的体系，思维就比较混乱。这仍然是没有抓住氧化还原的本质，做负极的是还原剂，不一定要是金属。

6.对于电池中各部分的作用认识不准确、不全面

当某部分被其他物质替代而形成新的电池后，对于各部分在电池中担当的角色就比较混乱，所以无法应对各种变化的化学电源。

二、理论基础及分析

综合分析近年来国内对原电池教学的研究，北师大王磊教授高端备课团队的四要素法理论价值最高、影响最大，主张建构四要素的原电池认知模型。

王维臻、王磊、支瑶等人抽象和建立了“正负极反应物、电子导体、正负极材料、离子导体”的四要素普适模型，从认识对象、装置、原理、能力四个维度立体诠释该模型对学科认知方式、能力发展的影响[1]。史凡、王磊提出知识呈现的阶段、价值对学生模型建构有重要影响，比如在必修原电池教学时即引入氢氧燃料电池，将电极反应物和电极材料的功能分开。也提出模型的建构需要几个阶段：建构、陈述思维外显、模型各因素的连接、模型中各因素的改变、模型的应用[2]。以上研究对帮助学生建立原电池的思维模型和认识思路帮助很大，能够破解学生的部分认知障碍，但主要停留在必修阶段的教学，对于复杂变式的研究不够深入具体、对学生氧化还原能力的缺失研究不足。

三、教学策略研究与实践探索

本研究将具体阐释如何建立模型，如何与常用元素化合物知识相衔接，如何创造课堂氛围、充分利用多种变式和真实情境帮助学生实现知识的内化和迁移。

1.找准目标——模型建构

《普通高中化学课程标准（2017年版）》要求“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律[3]。”模型建构是化学核心素养的重要组成部分，特别是对于原电池这样具有规律性的极有利于建模的课题。

但是，建模的思想和方法还没有引起较大的关注。在广东省内随机抽取52名高中化学教师调查发现，针对同样进行人教版选修四原电池教学的教师，约19%的教师没有建模的意识，69%的教师有建模的意识，但对模型的认知有偏差，剩下9%的教师有较正确的建模认知，但不都能明确有效地帮学生建立起来。在有意识帮学生建立模型的教师中，80%左右的教师将Zn-Cu单液原电池作为原电池学习的模型，所以导致障碍4、5、6的产生，带来一些很难纠正的错误观念。这些错误观念的产生，原因是多方面的，如模型呈现的偏差、模型建构流程设计不科学、模型应用不到位等。

下面，以某重点中学三个班级选修阶段原电池教学的实践情况为例，具体阐释如何引导学生建构模型。

（1）模型建构流程

如表1所示。

（2）模型应用与巩固

【模型应用】已知：2Fe3++S03-+H2O=2Fe2++SO42-+2H+。如图l是一套电化学装置，图中C、D均为铂电极，U为盐桥，G是灵敏电流计，其指针总是偏向电源负极，请分析该电池如何工作？

【关键障碍】这个陌生的体系，没有活泼金属电极，两个电极又是一样的，也没有单质可以参与反应，前面没有哪类原型与其类似。同时，还是一个可逆反应，因为担心发生逆反应，学生的思维进一步受到干扰。

【问题解决模型】将体系中物质分为氧化剂还原剂两类→找到最强的还原剂和氧化剂（做负极和正极反应物）→写主反应→写电极反应式→画电子、离子移动方向→判断其它物质的作用→确定原电池的四要素。（因为题目提供了主反应，所以可根据方程式找到最强的还原剂和氧化剂。）

【思路分析】这个体系中最强的还原剂是SO32-，最强的氧化剂是Fe3+。C、D铂电极做电极材料，Cl-、Na+做离子导体。电池开始工作后，Fe3+和S032‘的浓度下降，Fe2+和SO42-的浓度上升，直到正逆反应的速率相等，达到平衡状态，导线中无电流通过，指针不再偏转。但是可以想办法破坏平衡状态，如增加Fe3+或SO;一的浓度，继续向右发生自发的氧化还原反应、继续输出电流。不管如何陌生，本质都还是寻找和创造自发的氧化还原反应。

整个教学过程中，第一，通过各种电池原型的有序呈现，建立了原电池的四要素普适模型;第二，在各种变式的逐步应用中，建立了先寻找最强还原剂和氧化剂的问题解决模型。后续再用各种新情境来巩固這两个模型，实现从知识到能力和素养的提升。

2.衔接基础——氧化还原原理及应用

从上述实践的关键障碍中发现，学生在运用原电池问题解决模型中最大的困难就是寻找最强的还原剂和氧化剂、建立主反应，或者对于已知的主反应、剖析其氧化还原原理。但是对于一些陌生反应的案例，学生即使知道了四要素模型，却对氧化还原这个拦路虎束手无策。因此，要从以下两方面来复习巩固。

首先，针对陌生反应，巩固电子转移方向、氧化剂还原剂、氧化性还原性这几个重要概念，特别是要弄清楚电子从哪里来到哪里去。

其次，归纳常用的氧化剂还原剂。在必修阶段，有些物质的性质很少涉及，但在电化学中这些物质屡屡被用到，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。学生见到这些相对陌生或性质复杂的物质，难免慌乱，如何能看出谁与谁反应？因此，教师应该带学生夯实好这一学习基础、重温物质氧化还原性的判断。像Li、Ag、Pb、Ni、Cd虽然是少见的物质，但它们都是金属单质，都具有一定的还原性，而Au、Pt是最惰性的金属，一般的氧化剂都不能将其氧化。像Li+、Na+、LiMn2O4、PbO2、MnO2、Ag2O、Ni（OH）2、K2FeO4、Fe3+，虽然结合的元素多种多样，但期间的主要元素都呈最高价态，因此，常常用作氧化剂。而PbSO4、MnOOH中的金属元素呈中间价态，所以可能是高低价态归中的产物，可以作为氧化产物、还原产物。而乙醇、二甲醚、甲醇、葡萄糖这些有机物，常常用作燃料，需要结合氧气或其它氧化性物质才能燃烧，所以在原电池中做还原剂，充当负极反应物。

经过这样的分类巩固，新型电池的神秘感就会大大降低。学生才能从主体和环境中看到所有可能反应的物质，并甄别出其中的氧化还原剂，找到自发的氧化还原反应，才有了电子的转移方向，才产生了电，才有可能辨识出四要素，将建立的模型清晰地用到各种情境中。

下面以学生最容易反复出错和混淆、但在生产生活中又最为普遍的吸氧腐蚀为例，分析无论面对什么样复杂多变的装置，教师都要引导学生将每个物质对应回经典装置，仍能看清氧化还原的本质。

【经典装置】

【教师】请问在如图2装置中能检测到电流吗？

【学生】能，但很小。

【教师】发生了什么电极反应？

【学生】负极：Fe-2e-=Fe2+，正极：2H++2e-=H2

【教师】哪里来的H+？

【学生】水电离的。

【教师】水能与铁自发地发生氧化还原反应吗？

【学生】不能。H+浓度太小了。

【教师】那你们为什么写H+做氧化剂？

【学生l】因为没想到氧气。

【学生2】因为电解里面水电离的微量H+也能得电子。（将强制性的电解反应与自发的原电池反应混淆了。）

【教师】是啊！为什么电解池中，水电离的微量H+也能得电子？

【学生3】因为电解池强制性的输送电子到阴极，H+可以被动地获得电子。

【学生4】但原电池里，需要H+主动获得电子。但水电离的H+浓度太小了，所以没有自发性。

【教师】所以，大家在考虑这样的装置时，一定要认真对比物质的氧化还原性，不能忽略了溶液中的溶解氧和空气中的氧气。

【简单变式】如图所示，将紧紧缠绕不同金属的铁钉放人培养皿中，再加入含有适量酚酞和NaCl的琼脂热溶液，冷却后形成琼胶（离子在琼胶内可以移动）。请问会有什么现象？请书写电极反应式。

【关键障碍】图3：在面对这个装置时，仍然有不少学生认为是食盐水中水电离的H_氧化了铁，没有科学的氧化还原分析思维。没意识到即使将经典装置中的C换为Cu，一样是铁的吸氧腐蚀。

【关键障碍】图4：同样，再将经典装置中的C换成Al，很多学生不能将铁的吸氧腐蚀迁移到铝的吸氧腐蚀，不敢确认铁钉作为正极的身份，因为对于铝和铁的还原性掌握不够透彻。

【复杂变式】某同学进行表2所示的实验。请分析产生实验现象的原因，写出每个部位发生的电极反应或化学反应。

【关键障碍】这是一个真实的情境，图像不是以经典装置的导线、电极材料、溶液的方式呈现出来，而且还出现了新物质。

【模型应用】怎么能看出还是铁的吸氧腐蚀？无论装置的形状如何变幻、有多少干扰离子，最强的氧化还原剂依然是铁和氧气。生铁片发生吸氧腐蚀，中心区域是负极为蓝色，是因为Fe-2e-=Fe2+，Fe2+遇到K3[Fe（CN）6]呈现特征蓝色;边缘处是正极为红色，因为：02+2H2O+4e-=4OH-，酚酞遇到OH-显红色;交界处，Fe2+和OH-相遇产生白色沉淀Fe（OH）2被氧化为Fe（OH）3，后变成红色铁锈。

这种真实却极为陌生的情境，对学生的氧化还原认知、问题解决模型的应用能力都挑战极大。但经过这样装置的不断变形，学生对原电池中氧化还原反应有了更深入的理解，还能结合多变的环境来综合分析。学生心中其实已经建立了一个吸氧腐蚀的问题解决模型：自然条件下，最强的还原剂是最活泼的金属、最强的氧化剂是空气中的氧气一活泼金属做负极反应物失电子、氧气做正极反应物得电子一活泼金属同时做负极材料、其它金属做正极材料一写电极反应式、写总反应判断腐蚀产物。那么，如果改变了自然条件，如酸雨环境下增加了溶液中H+的浓度，根据浓度的不同，H+可以优先做氧化剂或与O2同时得电子发生正极反应。若溶液中混入了其它微粒，考虑问题的根源一样都是确定最强的氧化还原剂。

3.创新方式——实践探究、深度对话

《普通高中化学课程标准（2017年版）》着重强调分析和解决真实问题的思路。但我们在教学中看到一个典型现象，就是学生在老师一问一答的带领中，课堂非常活跃，感觉多数孩子都懂，但是，给个真实情境，让学生独立分析，学生却常常不知道从何下手，这是平时的教学方式出了问题。试问如果教师一直牵着学生的鼻子走，一直给学生简化的、虚拟的问题，学生如何能学会自己走？如何培养解决问题的能力？如何培养创新精神？因此，要培养学生独立思考的能力、教會学生掌握完整的认知模型，必须借助真实情境进行实践探究、给学生深度思考和对话的机会。

下面以生活中常用的几种干电池为例，将一个个真实的电池解剖，考验学生是否仍然能够还原原电池的四要素，并完整分析电池结构和工作原理。

【探究活动】每四人小组物品清单：4个初步解剖的锌锰l号电池（南孚或555牌）、4把小刀、4双塑胶手套。请戴上手套轮流观察每个电池并讨论其工作原理，时间10分钟。

（学生开始都处于蒙圈状态，不知道里面都是什么，更不知道怎么会产生电。渐渐地，用小刀挑开一些内部结构，发现有的中间有金属条、有的没有，有的中间有碳棒、有的没有，有的外面钢壳内有层金属锌、有的钢壳直接包住MnO2，再细细解剖，有的有牛皮纸膜、有的有白色糊状物。一对比，就慢慢有了思路。）

【独立思考】可以从哪些角度来对比这些电池？请每人列出表格来阐述，时间5分钟。

（多数学生都尝试从电池四要素来对比分析，透过复杂的表象去看锌和MnO2间的反应。）

【展示交流】请每个同学将自己的对比表格在小组内完整展示、讨论，然后综合修改（时间10分钟）。之后小组推荐发言人在全班展示。 学生综合讨论发现，南孚和555牌电池都有两种类似下表②③的结构，555牌还多了①这种结构。表3是学生做的比较完整的成果展示（以555牌电池为代表）。

学生还发现，这三种新解剖的电池经过半个月的放置之后，①电池金属明显腐蚀严重、外壳发生溶胀，②稍有腐蚀，③电池基本没有变化。再结合前面观察到①内有白色糊状物，由此判断出①为酸性锌锰干电池。①的价格大约是另外两种电池的1/3，电池寿命也短很多。估计这也是南孚电池没有这个品种的原因。以上分析说明②③是目前常用锌锰电池的两种基本结构，也说明碱性电池更普遍。

另外，学生查阅资料发现，电池工艺的改造、电池寿命的延长，主要包含以下工艺：密封圈材料的工艺、抗高温材料的使用、提高电解液的纯度以防爆炸、防漏液技术、电镀防生锈技术、无汞环保因素[7]。虽然多数具体的工艺还无法理解，但通过基本解剖与探讨，几种常见电池的电极反应原理还是能够被基本掌握。这样真实情境下的实践活动也让学生深刻感受到，一个普通的化学反应是如何走向工业和大众生活，一点微小的工艺差别有可能会带来哪些影响。

整个探究活动的流程是：看实物、动手解剖找异同一小组讨论观察对比的角度一各人自行绘制对比表格一小组交流，全班汇报工作原理一课外延伸学习。每个人都参与了展示和交流，在小组和全班形成学习共同体，展开深度对话。教师提问的数量大大减少，问题的属性由事实性知识指向认识思路。这样，核心的教学目标就不是落在电极反应式的书写上，而是落在对于学生系统分析思路的建立和应用上，落在学生自我内化问题解决模型上。

“唯有使知识和技能回到个人生活、社会生活和职业世界的具体情节巾去探究与实践，方有素养的形成与发展。”[8]化学是最终要面向生产生活实际、面向社会未来发展的学科，因此化学知识的学习，要引导学生在真实的情境中实现知识的主动建构。

参考文献

[1]王维臻，王磊，支瑶，葛继宁，李振玲，于少华.电化学认识模型及其在高三原电池复习教学中的应用[J].化学教育（中英文），2014（1）：34-40

[2][4]史凡，王磊，促进学生学科能力发展的高一原电池教学关键策略[J].化学教育（中英文），2018（1）：19-26

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4

[5] 苏永庆，王宇飞，江立，周文平.废干电池湿法综合回收工艺[J].有色金属（冶炼部分），2000（1）：15-17

[6][7]陈献宇，碱性锌锰电池的工作原理及研究进展[J].湖南有色金属，2001（11）：37-39

[8]张华.论核心素养的内涵[J].全球教育展望，2016（4）：10-24

*本文系广东省教育科研“十三五”规划2020年度教育科研一般项目“促进核心素养发展的中学化学‘教一学一评一体化研究”（2020YQJK594）阶段性成果。