德国中学化学教材“电化学”内容的设置及启示

单世乾+倪娟

摘要：对比国内高中化学教科书与德国教材《今日化学SⅡ》的“电化学”内容，发现德国教材理论内容的设置特色鲜明：素材选择体现联系生产生活的教学需求；内容组织强化理论的论证过程；基于技术应用设计实验探究教学活动。对我国高中化学教材理论内容的编制及教学提供借鉴与启示。

关键词：德国教材《今日化学SⅡ》；电化学；内容设置；特点分析

文章编号：1005–6629（2017）11–0023–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题提出

高中电化学内容具有较强的理论性，有关原电池中反应的原理、电极的判断、电极方程式的书写等方面的内容较为抽象，与学生的生活经验有一定的距离，学生对这部分概念、原理的理解存在很大的困难。《普通高中化学课程标准（征求意见稿）》针对“电化学”提出的学习要求为：“认识化学能与电能转化的实际意义及重要应用”，可见有关电化学内容的教学需要强化联系生产实际，让学生认识到化学理论的指导作用。此外，对于电化学等理论性知识教学，毕华林提出了要“加强探究教学”的策略[1]；刘知新教授也指出要“突出理论的论证性，发展学生抽象思维能力”[2]。根据上述电化学内容的学习特点分析以及相关学者的指导性观点，电化学教学应充分发掘生产实际素材，设计合适的实验探究活动来学习原电池的基本原理及相关概念，引导学生理解电池的改进与发展的理论依据及方法，从而应用于生产实际问题的解决，以提升学生“科学探究与创新意识”、“科学精神与社会责任”等化学学科核心素养。教材作为教与学的重要依据，若在素材选择和探究活动设计方面能给教师提供直接的参考，将有利于提升电化学等理论内容的教学效益。

德国中学化学教材十分重视理论知识[3]，其理论内容的编制，在生产生活素材的选择[4]、发挥实验的探究功能[5]等方面有重要借鉴意义。本研究对国内高中化学苏教版、人教版教材与德国化学教材《今日化学SⅡ》中“电化学”部分内容进行对比分析，发现德国教材理论内容的编制特点鲜明，可为我国高中化学教材理论内容的编写与教学提供参考。

2 国内高中化学教材与德国教材《今日化学SⅡ》“电化学”内容设置

2.1 国内高中化学教材“电化学”内容设置

我国高中化学使用苏教版、人教版、鲁科版三套教材，三个版本“电化学”内容的选择和编排顺序极为相似，分别在必修2与选修4设置“电化学”内容，以定性视角描述原电池的概念。以苏教版为例，教材中“原电池”内容设置见表1。

在必修2中由锌铜原电池探究实验入手，引导学生感性认识电能的转化，分析反应原理和电极反应，得出原电池的构成条件，引出电极、电极反应、电流回路等原电池相关概念；选修4中基于锌、铜、硫酸铜双液原电池的探究实验，理论分析化学能与电能的转化，认识氧化反应和还原反应分别在负极区和正极区发生，体现了氧化还原反应的“自发性”，也为后续原电池、电解池中的隔膜技术奠定基础。内容编排主要按照“原电池→化学电源→电解池→金属腐蚀及防护”顺序，在学习原电池和电解池原理后，帮助学生综合所学知识，解决生活生产中的金属腐蚀问题。由此可见，国内教材关注学科知识的逻辑顺序，注意概念学习的阶段性和知识的系统性，合理布局必修与选修内容，尤其注重在活动与探究中分析原理、形成概念，在问题解决中深化理解、应用概念。但是，教材内容缺少基于工业生产与生活实际的实验探究，电池的改进与发展未见定量研究的证据支持，这样的内容设置不利于开展指向核心素养的实验探究和定量研究的教学。

2.2 德国教材《今日化学SⅡ》“电化学”内容设置

《今日化学SⅡ》[6]中有关“电化学”的内容选择、组织方式充分体现了“应用于生产生活”这一主题，具体如表2所示。

从内容选择来看，制备锌、精炼铜、氯碱工业的膜工艺、锈蚀与防锈、EDV（电子数据处理）设备中的锂电池、燃料电池汽车技术等，均基于知识在生产生活中的应用，体现了化学知识的实用性；从内容组织来看，基础理论知识→电解→铁锈蚀→电池→蓄电池→燃料电池，由理论到实践，由现状到前景，由理解到应用，既符合学生认知发展规律，又关注学以致用，让学生感受知识在生活生产中的应用，学会应用知识来改善生活。

该教材内容不仅重视理论研究，更注意将理论知识应用于工业生产实际中的问题解决，设计了大量真实的实验探究，定性研究与定量分析相结合，基于这样的设计开展教学活动对于学生核心素养提升的作用不言而喻。

3 德国教材电化学内容特点分析及教学思考

3.1 素材选择体现联系生产生活的教学需求

从学习心理来看，学习内容有意义，才能最大程度地激发学习动机。创设日常生活、工业生产实际中的真实情境，在真实的情境中学习真实的化学，这是落实学科核心素养的教学需求。

德国教材电化学内容选择贴近生活与生产实际，并体现高新科技融入现实生活。既有锂/镍、锌/空气等不同功能的实用电池，也有塑料件镀镍的科普知识，凸显了化学对生产生活的作用。例如，在研究日常生活中铁的锈蚀现象时，教材引入锈蚀原理示意图（见图1）。

利用圖示箭头揭示微粒变化，描述铁锈形成过程，解释生活现象。溶解在水中的氧对铁的锈蚀起着决定性的作用，它使铁氧化成铁（Ⅱ）离子，氧分子则还原成氢氧根离子。富氧区优先生成氢氧根离子：O2+2H2O+4e-→4OH-，而铁（Ⅱ）离子主要是在缺氧区生成的：2Fe→2Fe2++4e-，由于扩散的铁（Ⅱ）离子与氢氧根离子在两个区域交界处相遇，化合而生成氢氧化亚铁（Ⅱ），氢氧化亚铁（Ⅱ）被空气中的氧慢慢氧化成红棕色的胶状氢氧化铁（Ⅲ）[FeO（OH）]。显而易见，在生活生产中，如果隔离氧气和电解质，可以有效防止铁的锈蚀。endprint

德国教材内容在联系生产实际时，又特别尊重其复杂性。例如，在氯碱工业中采用隔膜工艺，电解池中有一块多孔板，即隔膜把正极室和负极室分开。在老的设备中用石棉作隔膜，较新的隔膜则用塑料纤维。气泡不能从膜中透过，氢气和氯气也不会混合生成爆炸性混合物。教材对几种工艺进行介绍和比较，指出膜工艺与隔膜工艺、汞齐工艺相比可以节约电能17%，而且没有隔膜工艺中的石棉和汞齐工艺中的汞这样有害于环境的物质逸出；在工艺上更简易可靠，并且投入成本比两种老工艺都要低。而隔膜工艺的缺点是生成的氢氧化钠溶液中含有氯化钠，生成的氯气中含有氧，并且氢氧化钠溶液的浓度只达到13%。

管中窥豹，德国教材理论内容的素材选择和内容组织沿着自然界→实验室→生活生产的背景线索，从应用概念与原理解决熟知的生活问题入手，继而视野开拓至工业生产场景，不仅可以深化理解概念，还能让学生领悟学科对社会发展的价值和责任。

相比较而言，国内教材在“指向生活生产实际的问题解决”相关内容的设置较为欠缺。教学中可考虑补充选择一些热点话题，如“电镀工业对环境的影响，电解在污水处理、煤炭脱硫中的应用，新型电池的开发，航空航天科技中的燃料电池，电化学方法用于防止金属腐蚀的措施方案选择与评价”等。利用这些内容组织教学活动，使学生学习有用的化学，激励他们将所掌握的知识投入到实际生活与生产中去，并对敏感的社会问题作出科学的、理性的判断，是培养和发展学生“科学精神与社会责任”素养的重要契机。

3.2 内容组织强化理论的论证过程

化學理论性知识是从大量事实性知识中抽象概括而来的，其形成过程需要通过积极的思维活动，运用归纳法理解事物变化的本质。而理论的应用过程则为理论的论证过程，由一般到特殊，需要运用概念和原理去解释化学现象、解决化学问题，这一过程标志着学生认识深入到了实际事物变化的本质，对学生抽象思维能力有较高的要求。

基于上述分析，电化学课堂教学应围绕核心概念组织教学，精心设计问题，帮助学生形成概念并认识概念的抽象性和概括性。同时关注学生在特定情境下应用理论时的思维方式，指导学生运用逻辑推理寻找现象背后隐含的本质，在实际应用中深化理解。在国内教材的铜锌稀硫酸单液原电池实验探究中，理论上作为负极的锌片表面本应没有气泡出现，事实上仍有较为明显的现象，排除锌片不纯的影响因素，负极与电解质中的氧化剂直接接触，部分电子未经导线转移而直接在锌电极表面被氢离子捕获，导致电能转化率降低。实际应用中，往往通过采用隔膜技术避免此种情况。而在理论学习中，以双液原电池为载体，分析两个区域中还原剂与氧化剂不直接接触，不发生自放电反应等确保电能利用率的提高，这也是生产实际中设计、改进电池的基本要素。

电化学理论的学习具有明显的阶段性，理论应用还要注意在某学段的适用性，防止形成思维定势。单就原电池发生的原理来说，中学阶段原电池的理论基础是氧化还原反应，强调反应的自发性，即氧化还原反应的方向一般由半反应的电极电势决定，正极反应与负极反应也据此确定；而在大学阶段，根据能斯特方程，半反应的电极电势受pH和浓度等因素的影响，如果某些氧化还原反应的电动势不大，改变氧化剂和还原剂的浓度或调节电解质溶液的pH，负极区和正极区的反应方向可能会发生逆转。另外，即使是相同的半反应，控制浓度，也可形成电流，构成浓差电池。受限于不同学段教学要求的差异，教学中不能随意补充教学内容，但是要引导学生在应用理论时注意中学化学的部分概念发展的阶段性，要学会辩证发展地认识相应的理论解释。

3.3 基于技术应用设计实验探究教学活动

真实科学探究的核心是科学知识的生成和论证[7]。运用科学的方法进行实验探究，并由实验室中的探究到生活、生产实际中的创新应用，在实践中探索、反思，最后形成技术。科学与技术融合，是实验探究的最大价值，也是促进社会发展的重要途径。

相对于国内教科书注重通过定性实验探究理解电化学原理，德国教材侧重以定量视角研究原电池的效率和选择依据，同时还设置了多样化的电解质与更贴近实用电池的连接方式。教材组织以定量研究为主的实验探究活动：给出的生产信息中，有具体的电解电压——采用9V的电池组给铁片镀黄铜；电解质溶液的温度和浓度要求——铜的精炼采用电解60℃下硫酸铜溶液，锌/碳电池使用20%的氯化铵溶液；也有电极材料及厚度、间隔，可操作性强——精炼铜选择优质钢薄板作负极，正极则用4cm厚的要精炼的粗铜板，电解槽中有多达50对相距4mm的负极/正极板。这种研究方式，给学生潜移默化式的启发，面对真实的数据，学生感受到的是科学探究的意义、艰辛与成就感。与此对应，教材在实验作业中也组织了真实的探究活动——锌碳电池组装、铁锈蚀和防锈、钥匙镀铜等共有10个探究实验，有检索铅蓄电池的优点和缺点、说明在锌碳电池中不用锌棒而用锌杯、说明为什么Leclanche电池在有负荷时测出的电压明显低于1.5V等技术性任务问题等，均能最大程度地激发学生的探究热情。

借鉴德国教材的设计，我们在原电池概念学习中，可以利用国内教材的现有活动与探究栏目，组织“锌铜稀硫酸电池→铁碳食盐水电池→水果电池→燃料电池”的定性实验探究活动，可以逐步揭示“负极材料与电解质反应→电极与电解质中溶解的气体反应→电极材料上吸附物质之间的反应”自发氧化还原反应的实质，从而深化理解原电池的构成条件和工作原理。如果说以上定性实验探究帮助学生理解原电池的相关原理，那么教学过程还需要定量实验探究来指导学生利用原理解决问题。真正体现电池发展的科学探究过程，离不开定量研究的数据支持，也标志着学生认识发展从定性研究深入到定量研究水平。教材可以通过拓展视野的方式，给出电极电势的计算公式；在教学中，可利用滤纸条、玻璃片设计定量的微型实验探究，通过调整Fe、Mg、C、Cu等电极材料及表面积，调整电极间隔，改变电解质种类及浓度，研究电压表读数。利用变量控制思想进行定量分析，通过实验实证，不断改进，发现影响电池效率的因素，体会电池设计与发展的科学思想和敢于质疑、勇于创新的精神，感悟电池发展的科学探究过程。这是培养与发展学生“科学探究与创新意识”核心素养的重要途径。endprint

4 理论内容的教材编制及教学启示

在对比研究我国和德国高中化学教材中电化学内容的设置情况基础上，进一步联系和思考理论化学这一内容的教材编制与教学处理问题。化学基础理论是高中化学教学内容的精髓，具有高度的概括性和抽象性，在化学教材中起着统领作用，是培养学生化学学科核心素养的重要载体。教材的内容选择，要关注社会生活或体现科技发展趋势的真实情境；要重视实验探究，包括基于建构核心概念和原理的基础实验，以及深化理解概念和原理的拓展实验、微型实验、家庭小实验、定量实验。教材的内容编排，要在学生已有知识和生活经验基础之上呈现知识，将概念与情境、活动和问题解决融為一体，尤其在实验探究和问题解决等学习活动的设计中应用概念和理论进行定性、定量分析，发展学生的抽象思维能力。

理论性知识的学习过程，是感性认识经过思维加工上升到理性认识的过程。借助有意义、直观化素材或手段如生活生产实际问题、实验现象及结果、图片、数据、多媒体影像等，激发学生兴趣，启迪学生通过思维加工、揭示概念和原理的本质。理论教学要求教师关注学生思维发展和认识发展规律，以培养学生相关的化学学科核心素养为最终目标，精选素材、精心组织探究活动，将理论学习与科学研究、生产实际联系起来，引导学生主动钻研与思考现象性知识背后的理论与规律。教师还可激励学生通过查阅资料开阔视野，将科学探究的精神延伸至课外，在生产与生活实际中体会科学知识、科学方法的价值。

参考文献：

[1]毕华林，亓英丽.化学教学设计[M].北京：北京师范大学出版社，2013：116.

[2]刘知新.化学教学论（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1997：249.

[3]邓育红，倪娟.重理论讲方法强实际——德国化学教材《今日化学》特色与启示[J].中学化学教学参考，2013，（12）：65～67

[4]耿秀梅，倪娟.德国中学化学教材中核心概念的编写特色研究[J].化学教学，2016，（8）：17～22.

[5]虞琦，倪娟.德国中学化学教材编写特点及其启示[J].化学教学，2015，（4）：93～97.

[6] Wolfgang Asseblbornusw. Chemieheute-Sekundarbereich S Ⅱ. Bildungshaus Schulbuchverlage，2010：195～228.

[7] National Research Council. （1996）. National science education standards. Washington. DC： National Academy Press.endprint