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我国高中“电化学”主题教学研究现状

范文

单媛媛郑长龙

摘要：以2008～2018年国内32篇硕士学位论文作为研究对象，统计、梳理和分析我國“电化学”主题教学研究现状。研究结果表明，“电化学”主题研究主要包含认识理解、迷思概念、学困成因、教学策略、教材结构等5个方面。研究方法多样，研究取向广泛，研究结果丰富，对于今后“电化学”主题的教学和研究具有启示意义。

关键词：电化学;化学反应与电能;教学策略;教学建议;教学研究

“电化学”主题是高中化学教学的重点和难点，承载着“变化观念与平衡思想”这一化学学科核心素养。“化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质”[1]。

“电化学”主题是理解化学学科、培养化学思维、形成化学观念的主要载体之一。近年来，国内许多学者对其进行研究和分析，探查合适的测评方式、教学策略和学习方法，力求能够达到理想的教学效果。其中，硕士论文具有一定的代表性和归纳性，可以反映出专业的学科研究内容，具有比较高的学术价值和使用价值，是本专业科学研究和教育实践进一步发展的重要依据[2，3]。本文对国内高中“电化学”主题的教学研究现状进行梳理和总结，以期为化学教育研究和教学实践提供参考。

1 研究对象与方法

通过中国知网进行主题、数据库来源、年限及研究层次的检索。主题：电化学或化学反应与电能;数据库：硕博论文;研究层次：基础教育和中等职业教育;年限：2008～2018年。通过以上检索过程后，进行人工筛选，最终确定32篇硕士学位论文作为研究对象。

将选取的论文作为研究样本，对其研究方向和研究方法进行分类归纳，分别从“电化学”主题的认识理解、迷思概念、学困成因、教学策略、教材结构等5个方面进行总结，并呈现相应的研究结果和分析。

2 研究结果与分析

32篇学位论文中主要涉及5个研究方向，分别为认识理解[4～12]、迷思概念[13～20]、学困成因[21～24]、教学策略[25～31]、教材结构[32～36]等，涉及相应领域的文献数如表1所示。由于本文重点关注“电化学”主题的教学维度，而教材结构主要研究的是不同国家或不同版本教材内容、教材栏目、教材编排等的比较，因此对其不进行重点介绍分析。作者显性提出的研究方法共有13种，以文献分析法、纸笔测试法、问卷调查法、访谈法为主，同时有涉及实践研究法、二段式诊断测试、个案分析法、课堂观察法、对比实验法、统计分析法、文本分析法、比较分析法、口语报告法。

2.1 “电化学”主题认识理解研究

对于“电化学”主题认识理解的研究，选取的文献中有9篇涉及，在研究内容上可以概括为两大类。一类研究注重不同年级学生认识理解主题内容的“相似性”和“差异性”，另一类研究则注重的是学生认识理解的“进阶性”和“连续性”。第一类研究多数采用纸笔测试、问卷调查、访谈等方法，第二类研究在此基础上，还会运用文本分析法、实践研究法等。

2.1.1 关注学生认识理解“相似性”和“差异性”

学生认识理解“电化学”主题的“相似性”，体现在不同时期、不同年级学生的宏观表征相差不大，比较稳定和均衡。而基于“能量观念”视角认识化学反应时，总体处于较低水平。王亚静（2017）探查高中三个年级学生在能量观念的视角下认识化学反应的“深广度和有序性”，得到结论：大多数中学生具有从能量角度认识事实的宏观视角，但是微观、符号视角理解和解决问题存在困难。

学生认识理解“电化学”主题的“差异性”，体现在认知结构、心智模型、问题解决、概念应用等，在不同年级和不同学业成就水平的学生中存在显著性差异。方婷（2008）在对高三、大一、大四学生的“认知发展”进行测评后发现：（1）随着年级的升高，经过积累和量变，学生对电化学基本概念的认知结构发生变化，并具有一定的稳定性;（2）三个年级的学生在应用概念解决问题时存在显著差异，随着年级的升高，学生对电化学概念应用的水平越高。甘珍（2017）运用对高中生的电化学“心智模型”进行探测，最终发现：（1）不同年级学生对电化学概念的理解及掌握情况不同;（2）不同学习成就的学生的电化学心智模型有所差别。

2.1.2 关注学生认识理解“进阶性”和“连续性”

学生认识理解“电化学”主题的“进阶性”和“连续性”，体现在研究者通过对核心概念价值、课程标准、教材呈现等的分析，构建出“电化学”主题不同阶段的进阶维度和进阶水平。主要涉及的文献有范文娟（2015）、苏莉虹（2016）和吴有萍（2017）3篇，均提出了“电化学”主题相关学生的进阶理论预设，但进阶维度和进阶水平的划分有所不同。

苏莉虹（2016）构建了“原电池”核心概念从初三到高三的四个进阶水平，研究关注“教学内容”的进阶，进阶描述注重“知识本体”内容。而范文娟（2015）和吴有萍（2017）在关注“知识本体”维度上，均又关注了“学生认识”的维度。

范文娟（2015）旨在探索学生认识“化学反应中能量转化”核心概念的学习进阶水平。其理论模型分为“学习进程”和“表征类型”两个维度，分别有四个水平。其中“学习进程”维度是基于“知识本体”的描述，而“表征类型”维度则是基于学生“宏微符三重表征”思想的描述。

吴有萍（2017）通过对课程标准和考试大纲的分析，确定了更加具体全面的学习进阶模型。包括“知识本体”以及“学生认知”两个维度。“知识本体”指原电池、电解池、金属的电化学腐蚀与防护。“学生认知”包含“化学表征方式”和“模型建构能力”，其中学生学习化学的三种表征水平为宏观、微观、符号;学生建模能力三水平为认识模型、理解模型、运用模型;最终预期表现为学生化学学习能力发展的三个层级，分别为学习理解、应用实践、迁移创新。六个进阶水平分别为：水平一：氧化还原反应;水平二：基于氧化还原反应、宏观能量转化角度认识原电池装置;水平三：认识半电池装置，从微观粒子反应角度理解原电池、电解池模型，符号表征电极反应;水平四：微观理解金属的电化腐蚀与防护，设计双液原电池、电解池;水平五：建立原电池、电解池系统认识模型，在三个表征水平之间灵活转换;水平六：自主运用原电池、电解池模型对情境陌生复杂装置进行迁移创新。

相比国外的学习进阶的研究，国内研究理论预设的科学性还有待加强，进阶的学段也主要集中于高中。同时测量理论均采用的是经典反应理论，研究结果也是局限于百分比的描述，缺少相应的多元统计分析。

2.2 “电化学”主题迷思概念研究

迷思概念的探查方式基本采用纸笔测验、访谈或者二者相结合的方式。试题形式大多采用多项选择、判断对错，少数采用填空形式，对测试结果进行分析，找到学生的迷思概念。其中，赵国敏（2013）、闫婷婷（2018）采用的是二段式测试题。二段式测试是从Treagust[37]发展而来，兼具测验与访谈的特征，被试需要对选择结果进行解释和说明，从而降低了被试根据猜测而答对的概率，以此获取被试的迷思概念，不仅有利于诊断其认知结构，而且能够深入挖掘被试产生迷思概念的原因，该测评方式也是目前国际测评研究主要采用的方式。

对于“电化学”主题迷思概念的测查，选取的文献中共涉及8篇，主要是对相关知识点的全面考察。对于相关文献中迷思概念知识点进行分析，以其形成原因和结果作为分类标准，可以大致分为3类。

2.2.1 未考虑前提假设对定义死记硬背和拓展

学生认为形成原电池的条件有：一是活泼性不同的两个金属电极，二是电解质溶液，三是闭合回路。进而认为“原电池的电极只能由两种不同的‘金属构成，且必须用导线相连”“相对活泼性强的金属一定做负极”“若原电池的两极均为惰性电极，则不能构成原电池”“原电池和电解池中电解质溶液必须是水溶液”;部分认为“有电池的就是原电池装置”。

学生认识到原电池和电解池是化学能和电能之间进行转化的装置，其中涉及氧化还原反应和电子的得失、与能量变化有关。从而产生“所有的电池都涉及氧化还原”“只有氧化还原才能放出能量”“因为电压所以形成电流和原电池”等迷思概念。

学生能够记住阴阳离子的放电顺序，“但是未去考虑电极是不是惰性电极”，“电解质相同，而酸度不同时，只考虑电解质的放电，并没有考虑溶液中氢离子的放电情况”。

2.2.2 基于原有知识对于电化学现象解释错误

由于电化学装置和原理的独特性，其有些现象的解释不能运用原有的知识。如对于其工作原理，学生认为“回路中有电流产生是因为电子在电解质溶液中运动着”“溶液中阴阳离子的移动是由于静电力作用，异性相吸”。原电池会增加化学反应速率，对于其原因，学生认为“铜在锌—稀硫酸反应过程中起到了催化剂的作用”。

2.2.3 守恒思想和系统思考缺失导致书写困难

学生由于缺乏“物质守恒”和“电子守恒”的思想，因此“学生不会根据电子守恒和物料守恒来书写电极反应和电池反应”。同时由于没有系统地思考原电池和电解池的体系环境影响，会“认为在溶液中都是水放电”“对电解质的酸碱性条件下的不同电极反应式的书写感到困难”。

2.3 “电化学”主题学困成因研究

对于“电化学”主题学生学习困难成因及其影响因素的研究共计9篇。研究主要运用问卷调查法、访谈法，发现学习困难成因及影响因素主要包含生活经验、迷思概念、教材、教师、学生、学科六个方面，其中以学生和教师为主。

2.3.1 学生方面

一方面体现在学生本身对于知识的理解不够深入，关联程度不够，系统化和组织化程度低[38]。如电化学知识与氧化还原知识紧密相连，学生由于氧化还原知识学得不好，物质氧化性与还原性相对强弱的比较存在困难，氧化还原反应方程式配平缺乏“守恒”的思想，从而影响对电化学知识的理解的应用。同时学生的学习方法以记忆为主，无法深层次理解氧化还原是原电池和电解池的本质，也就无法通过类比的方式对二者进行对比关联记忆，进而导致面对陌生情景、实际问题时迁移能力较弱[39]。

另一方面体现在学生无法基于能量观念、三重表征思想理解电化学内容[40，41]。原电池和电解池是化学能与电能转化的装置，其转化的本质在于电荷载体（电子和离子）的定向移动，进而体现能量传递的一种有序的形式，即功，因此对于电荷载体（电子和离子）的移动方向的理解和表征对于理解装置的工作原理和本质至关重要。在这其中微观视角至关重要，只有将宏观现象、微观解释、符号表达三者相互关联，才能使学生更加深刻结构化地整体理解电化学内容，减少学困形成。

还有一部分属于非智力因素的影响，如学生的学习动机、意志力、刻苦程度，同时也包括学习信心、期望及失败归因等[42]。

2.3.2 教师方面

一方面源于自身对于知识内容理解的不到位，也无法从整体上对电化学内容架构出合理的模型[43]。正如研究表明，学生的迷思概念、学困成因一部分是源于教师自身存在的迷思概念。有些教师对教学内容的选择依靠自身的教学经验或者直接使用高考考纲，单纯追求内容的一步到位，教学取材单一，使得教师在“教什么”方面存在一定的问题。

另一方面的问题出现在“如何教”的层面，由于教师采用纯粹的讲授法，只关注知识点的散点式传授，内容之间逻辑性不够，缺乏相应的方法和思想，表述不够严谨，进而造成学生对于“电化学”主题学习的困难[44]。

2.4 “电化学”主题教学策略研究

针对“电化学”主题教学提出教学策略的文献共有20篇，研究主要采用了课堂观察法、对比实验法、实践研究法、個案分析法等。主要可以从提出教学策略的方式和提出的教学策略类型两方面对教学策略的研究进行认识和分类。

2.4.1 提出教学策略的方式

通过分析相应的文献可以看出，教学策略的选择和提出方式主要分为两种，一种是在对学生的迷思概念、学困成因进行测评分析后，为解决上述问题提出相应的教学策略建议。这种提出教学策略的方式更多是基于经验，在研究的最后定性地提出，缺少验证和实践过程。

另一种则是通过教学实践检验对于“电化学”主题不同教学策略的有效性。这种教学策略的提出方式属于实证研究，基于控制组和实验组前测和后测的教学效果对比，进而得出结论。如闫婷婷（2018）通过运用三种不同的教学策略对高二学生进行平行教学对比，通过前测和后测发现，“可视化的教学策略”相较于“概念图”和“问题中心的认知冲突”策略，对于转变学生的“电化学”主题的迷思概念更为有效。

[18]黄萍. 高中生“化学反应与能量变化”迷思概念的研究[D]. 福州：福建师范大学硕士学位论文，2014.

[19]刘胜文. 高二学生“原电池”前概念测查与教学研究[D]. 济南：山东师范大学硕士学位论文，2013.

[20]赵国敏. 概念转变理论指导下的高中电化学教学设计研究与实践[D]. 上海：上海师范大学硕士学位论文，2013.

[21]李鸿舸. 高中生电化学问题解决障碍成因及对策研究[D]. 武汉：华中师范大学硕士学位论文，2018.

[22][38]邵景雪. 高中化学“电解池”学习困难成因分析及教學建议[D]. 大连：辽宁师范大学硕士学位论文，2018.

[23][42]房文艳. “电化学”学习困难成因及对策研究[D]. 西宁：青海师范大学硕士学位论文，2018.

[24]王梦可. 电化学问题解决中思维障碍的测查及对策研究[D]. 武汉：华中师范大学硕士学位论文，2015.

[25]肖春琳. 物理化学对高中化学教师指导作用的探究[D]. 南充：西华师范大学硕士学位论文，2017.

[26][45]周小燕. 高中生化学迷思概念的诊断及转化策略研究[D]. 苏州：苏州大学硕士学位论文，2015.

[27]彭文坤. 提高中学电化学教学质量的理论与实践研究[D]. 昆明：云南师范大学硕士学位论文，2014.

[28]丁婷. 基于手持技术的电化学实验研究与教学设计[D]. 天津：天津师范大学硕士学位论文，2014.

[29]祝蒙蒙. 基于“整体建构”理论的中学电化学教学研究[D]. 合肥：合肥师范学院硕士学位论文，2014.

[30]蔡小琼. “基于问题的学习”在电化学教学中的应用研究[D]. 福州：福建师范大学硕士学位论文，2013.

[31]张铁华. 观念为本视角下的《原电池》教学实践调查[D]. 长春：东北师范大学硕士学位论文，2010.

[32][41]荣政. 人教版中学化学教材中“电化学”衔接性研究[D]. 贵阳：贵州师范大学硕士学位论文，2018.

[33]李林雁. 基于认知发展的高中“电化学”教材比较及读本设计[D]. 长沙：湖南师范大学硕士学位论文，2016.

[34]宋爽. 在科学素养视角下，中外关于“电化学”的教科书比较[D]. 天津：天津师范大学硕士学位论文，2013.

[35]黄娜. 教学内容编排顺序对学生认知结构的影响研究[D]. 西安：陕西师范大学硕士学位论文，2012.

[36]王珍珍. 不同版本《化学反应原理》教材中电化学内容的比较研究[D]. 长春：东北师范大学硕士学位论文，2011.

[37]Treagust D F，Smith C L. Secondary Students Understanding of Gravity and the Motion of Planets [J]. School Science & Mathematics，1989，89（5）：380～391.

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