中美高中化学教材中电化学内容比较研究

邱亚莉 吴晓红

摘  要 电化学是高中化学重要知识，是高考必考考点。从内容的选取与编排、概念引出与原理应用等方面对中美高中化学教材中电化学知识进行对比分析，并得出利用类比策略、联系已有经验、渗透STSE理念三方面启示，以期为课程改革和教学提供参考。

关键词 高中化学;教材;电化学;STSE理念

中图分类号：G633.8    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）15-0134-03

0  前言

电化学是对氧化还原反应的应用，知识面涉及宽，理论性强，不仅是高中化学知识的重要组成部分，也是高考考查的热点。本文选取美国主流高中化学教材Chemistry： Concepts and Application（下文简称美版教材）和我国人教版高中化学教材就电化学内容进行对比分析，并简要提出几点启示，以期为我国化学教材编写及一线化学教师教学提供参考与启示。

1  中美高中化学教材电化学知识比较研究

1.1  对电化学相关知识的对比分析

我国人教版高中化学教材电化学知识分布于必修2第六章和选修1第三章，美版教材安排在第十七章，具体内容见表1。中美高中化学教材关于电化学知识都置于氧化还原反应之后，但所在章节和内容略有差异。

我国人教版高中化学教材将电化学知识置于化学反应与能量知识体系中，以化学反应中能量的转化为主线，在必修阶段通过原电池简单介绍化学能可以转化为电能，学生很容易理解;在选修阶段学习了化学反应与能量的转化及化学平衡后，接着再学习电化学，较必修阶段，选修部分电化学内容更加系统、全面，难度较大，这样螺旋式排列的方式，由易到难、由浅到深，比较符合学生的认知习惯。

而美版教材是以氧化还原反应原理为主线，即在介绍了氧化还原反应之后，提出问题：氧化还原反应涉及电子转移，为何一种元素可以接受其他元素的电子？在反应开始前，你能否预测出哪种元素被氧化，哪种元素被还原吗？然后引出原电池、电解池的相关内容。

1.2  对电化学知识编排特点的对比分析

人教版高中化学教材电化学知识主要集中在选修1《化学反应原理》这一册书中，在介绍了化学反应中产生的能量可与其他形式的能量相互转化后，在第四章介绍化学能与电能转化的相关知识。根据奥斯贝尔的学习理论，这属于概念学习中的下位学习，这样的编排更有利于学生对新知识进行同化和顺应[1]。

而美版教材则是从化学反应类型的角度进行编排，即学习了酸碱反应、氧化还原反应之后，介绍电化学，电化学内容相当于氧化还原反应的拓展和延伸。这样的编排有利于学生迁移应用所学的氧化还原知识理解电化学的原理。

中美高中化学教材在编排和呈现上所应用的学习理论虽有所不同，但都可以帮助学生更好地理解和掌握知识，符合学生的认知规律。

1.3  对原电池概念引出的对比分析

人教版高中化学教材运用对比实验引出原电池的概

念：首先将锌片与铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察到只有锌片上有气泡产生;接着将锌片与铜片用导线相连，铜片上有气泡产生;最后用导线在锌片和铜片之间串联电流表，指针发生偏转。通过引导学生观察并解释实验现象，最终引出原电池的概念。

美版教材则是以“柠檬电池”为情境载体，让学生在课前起步实验中做柠檬电池，学生通过改变柠檬中铜片和锌片的位置可以观察到明显的电势差（电压）变化。基于此提出问题：锌片、铜片、柠檬的作用分别是什么？柠檬电池与普通电池有何异同？其他水果电池能否取得相同的结果？让学生带着这一系列问题进入原电池的正式学习中。通过联系学生已经学习过的氧化还原反应引出电子流动的方向即电流的方向，根据电解质可以导电这一特点说明柠檬在柠檬电池中的作用，然后顺水推舟，讲解柠檬电池中哪一极发生氧化反应，哪一极发生还原反应;再通过电压表中电势差变化这一现象引出电势差的概念，并强调“柠檬电池”之所以能产生电流，是因为正负两极的电势差;最后回到氧化反应上，通过表格呈现不同金属被氧化的难易程度，解释为何“柠檬电池”中锌片被氧化。在这一系列铺垫的基础上引出原电池的概念：通过运行自发进行的氧化还原反应产生电压的化学电池为原电池。

通过上述对比不难发现，虽然中美两版高中化学教材都借助实验解释原电池，但仍存在较大差异。人教版高中化學教材采用的是布鲁纳的发现学习理论：首先通过对比实验引起学生的认知冲突，激发起学生的求知欲;然后对实验现象产生的原因进行探究，这样由现象到本质，从感性认识上升到理性认识，进而总结出原电池的概念。而美版教材运用的是奥苏贝尔的认知同化学习理论——先行组织者策略：在前面学习了氧化还原反应及电解质的前提下，以“柠檬电池”为情境线索，联系学生已有的氧化还原知识，将学生的认知有逻辑地进行同化和顺应，自然而然地引出原电池的概念。

1.4  对电化学应用的对比分析

人教版高中化学教材中电化学的应用主要分布于正文及资料卡片、科学·技术·社会等栏目中，且教材将原电池及电解池在生产生活中的应用进行了分类，如原电池主要用来做化学电源在生产生活中发挥作用，而化学电源按类型可以分为一次电池、二次电池、燃料电池。在介绍每种类型的电池时，以其中某一个具体的电池为例，介绍其工作原理、电极反应并总结其优缺点及应用前景。

美版教材中电化学的应用主要分布于正文及工作原理、化学与技术、生活与化学、化学工作者栏目中，且在不同的栏目和位置陈述方式不同：在正文部分介绍应用主要介绍碳锌干电池、铅蓄电池的工作原理，电极反应及应用于何处;在“工作原理”栏目介绍了心脏起搏器、镍铬充电电池、氢氧燃料电池，并通过展示图片将使用的注意事项及反应原理用图片加备注的形式呈现;在“化学与技术”栏目则将相关工艺流程分解为若干步进行介绍，如在介绍如何从铜矿到铜导线时，将这一过程分为采矿，矿砂的富集、灼烧、冶炼、精炼，电导线的生产，电导线的拉伸等步骤，清晰地呈现出从铜矿到铜导线的具体过程;在“生活中的化学”栏目介绍了CD的制作过程，和“化学与技术”栏目类似，这一栏目也将制作过程分步骤呈现，并在其中贯穿化学反应原理。

值得一提的是，美版教材在栏目中介绍完原电池的应用后都会提出一个小问题，问题是在电化学知识基础上的适当拓展，激发学生发散性思维。如在展示完氢氧燃料电池的工作原理后，提出这样的问题：“假如燃料电池的利用率为75%，剩余25%的能量是以什么形式消失的？”[2]

通过以上对比不难发现：人教版高中化学教材在介绍原电池在生产生活中的应用时以讲述不同类型电池所涉及的电化学知识为主，而美版教材则从电化学与健康、工业、生活、汽车等方面介绍原电池在生产生活中的应用，且对具体的制作和应用过程进行详细介绍。

2  启发与思考

通过以上分析可看出，两版教材在内容选取和编排上各有特色，可以从中得到以下几点启示。

2.1  合理利用类比策略

奥苏贝尔等人强烈主张将新知识融入一个更大、更有意义和组织性的知识脉络中，这种融入的过程需要通过向学生提供线索来引发，因为线索可以提醒学生将已有经验与新知识联系在一起。类比就可以提供这样的线索[3]。美版教材“电化学”这一章节多次用到这一策略，例如：在引出电解池需要外加电源这一特点时，它将其与骑自行车上山必须通过踩踏板提供能量进行类比;在讲解电势差时将向容器中注入水水位升高与电子不断向正极流动形成电势差进行类比。这样的类比与学生的生活经验相联系，可以变抽象为形象，降低学生学习难度。

2.2  联系学生已有知识经验

建构主义学习理论认为学习总是要涉及学生原有的认知结构，并以自身已有的认知经验来理解和构建新知识。电化学知识与生产生活联系紧密，就可利用这一点。例如：在教学原电池概念和原理时，可联系学生已经学过的氧化还原反应知识解释电子是如何移动的;在说明“柠檬电池”中柠檬的作用时，先引导学生回顾电解质是可以导电的化合物，然后解释其可以导电是因为柠檬酸可以电离出部分H+，不仅具有酸味，还可以作为导电的离子。像这样联系学生已有知识经验，不仅可以帮助学生将未知变为已知，而且可以加深其对知识的理解，从而使学生的学习达到事半功倍的效果。

2.3  渗透STSE理念

STSE是科学、技术、社会、环境四门学科的交叉融合。《普通高中化学课程标准（2017版）》提出：在化学教学中，教师应重视STSE内容主题的选择和组织，紧密联系生产生活实际[4]。电化学这一部分知識很好地体现了这一点。比

如：从铜矿石到铜导线涉及粗铜精炼知识，体现了化学与生产技术的关系;光盘的制作涉及电镀的知识，体现了化学与生活的关系;利用电解法可除去有毒废弃物涉及电解原理，体现了化学与环境的关系;等等。这样不仅可以使学生真实地感受到化学来源于生活，同时应用于生活，而且有利于培养学生正确的科学观和社会责任感。

参考文献

[1]施良方.学习论[M].北京：人民教育出版社，2001：211-239.

[2]菲利普，王祖浩.化学：概念与应用[M].杭州：浙江教育出版社，2008.

[3]姜海娟，李广洲.中学化学教材中的类比策略：基于一套美国化学教材的分析[J].化学教育，2011，32（11）：10-12.

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