基于学生“电解池”学习困难的测查与教学建议
文章编号：1008-0546（2017）07-0002-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.001
一、前言
电解池知识在新课程人教版的“化学反应原理”中列为学生学习重点知识，也是高考必考的知识点。通过对这部分知识的学习使学生了解电解池反应所遵循的规律，知道电解池知识在生产、生活和科学研究中的作用。电解池的相关概念和原理较为抽象，需要学生从宏观、微观和符号三个层次进行理解，具有较强的系统性和抽象性，是中学化学教学的难点。目前国内对电解池的研究集中于研究电解池与原电池的对比、有关电化学的教学设计、电解池的教学策略等[1-9]。大多数关于电解池的研究均与原电池相结合，单独涉及到电解池的研究较少，且关于专门针对电解池的学习困难的研究也较少。本研究通过认知结构测查与纸笔测验相结合的方式，试图探查学生在“电解池”领域的知识结构特征及可能存在的学习困难，打破以往仅通过教师经验分析或纸笔测验结果认识学生在具体知识点掌握方面所存在的模式[10]，解释学生建构该领域知识过程中的规律及其问题，并提出针对性的教学建议。
二、研究设计
1. 研究对象
被试群体为陕西省西安市东元路学校高三年级的21名学生，这21名学生代表着不同的学习成绩水平，其中7名优等生、7名中等生、7名学困生。
2. 研究方法
本研究采用流程图法[11-12]表征学生的认知结构。流程图法是在自然状态下，用一种非直接的方式获得人的思维顺序和结构组织特征，并用特定图形来展示受访者回忆内容的?序和内容之间的网络联系。即通过转录绘制流程图展现学生对于电解池内容的认知结构，采用线性箭头将学生的知识表达顺序连接，采用回归箭头表示重复知识点或相关知识点之间的逻辑关联。还需统计学生回答访谈问题所消耗的时间，需排除研究者提问所花费时间。有关认知结构变量及信息处理策略变量的内涵及计算如表1、表2所示。
三、研究结果与分析
1. 认知结构的定性分析
转录文本绘制21名学生的认知结构流程图，因篇幅有限，只选择列出学优生1、中等生2、学困生3的认知结构流程图，见图1。
通过展示3名学生关于电解池的流程图，可看出认知结构是具有整体性、层次性和差异性的组织系统。3名学生对电解池认知结构的广度和丰富度具有差异性。学生1认知结构的知识点较丰富，知识间的网络联系比较丰富，知识间系统性强。叙述框架有6个层次，依次为电解池的构成条件、电解池本质、阴阳极的判断、两极反应规律、阴阳极放电顺序及电解原理的应用，思路清晰，层次分明。学生2的叙述依次为电解池构成条件、两极反应规律及电解原理的应用，层次较鲜明，但条理性较差，说出两条电解池构成条件且未掌握阴阳极放电顺序。学生3认知结构的层次性和条理性都较差，只谈到电解池的本质、阴阳极判断及阴阳离子在溶液中的移动方向，未提及电解池的构成条件，未领会阴阳极知识的重要方面即阴阳极反应规律与阴阳极放电顺序。学生3与学生2和学生1相比，认知结构的整体性较差，需要后续进一步的提高和完善。
2. 数据处理与分析
（1）认知结构的定量分析
对学生认知结构整体结果进行分析，3名学生认知结构变量和信息处理策略数据的结果见表3。
由表中数据可以看出，学生1对于电解池可说出的知识点数目和知识之间的联系较多，且认知结构变量的整合度高于中等生与学困生，不存在错误描述，信息检索率相对较高。
电解池知识的信息处理策略中，学生1与学生2都倾向于用描述的信息处理策略表达电解池的构成条件。学生1能熟练地使用比较与对比的信息处理策略处理电解池阴阳极相关的知识，且倾向于使用情景推理与解释的信息处理策略处理电解池应用的相关知识。学生2倾向于使用描述的信息处理策略处理电解池应用的相关知识。学生2与学生3也能够使用比较与对比的信息处理策略处理电解池阴阳极的相关知识，但存在知识缺陷。
3. 相关性分析
（1）认知结构变量与成绩的相关性分析
从表4可得，关于“电解池”知识内容，学生的纸笔测试成绩与认知结构的丰富度和整合度密切相关（？鄢？鄢P < 0.01），纸笔测试成绩越高的学生其头脑中知识之间的联系越丰富、知识结构的整合度越高。
此外，认知结构的广度和丰富度、整合度、信息检索率密切相关（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；丰富度与整合度、信息检索率密切相关（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；有趣的是认知结构的错误概念与丰富度、整合度成负相关性（？鄢？鄢P < 0.01），而与信息检索率成正相关性（？鄢P < 0.05），这说明学生头脑中知识之间的关系越密切、知识结构的整合性越强，头脑中出现的错误概念就越少，但是学生若追求快速而准确的提取信息还是有一定困难的，容易出现错误概念。
（2）信息处理策略与成绩的相关性分析
由表5可得，关于“电解池”知识内容，学生的纸笔测试成绩与比较和对比、情景推理信息处理策略密切相关（？鄢P < 0.05），即学习成绩好的学生在呈现电解池相关知识时善于用较高级的信息处理策略。
（3）认知结构变量与信息处理策略的相关性分析 由表6可得，关于“电解池”知识内容，学生认知结构的广度和丰富度与比较和对比、情景推理信息处理策略显著相关（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；此外，认知结构的广度还与描述密切相关（？鄢？鄢P < 0.01）；认知结构的整合度与比较和对比显著性相关（？鄢P < 0.05）；信息检索率也与情景推理密切相关（？鄢？鄢P < 0.01）。说明学生所掌握的知识越多，对知识间的联系理解得越透彻，则更倾向于使用比较对比、情景推理与解释的较高级信息处理策略。
4. 学生的学习困难
对学生关于电解池知识的掌握情况及学习困难进行分析：
（1）电解池定义与原理：学生掌握的情况欠佳，提到电解池能量转化，电解池工作原理与电解池对应手机充放电的人数较少，所占比例分别为20%、33.3%、13.3%。说明学生对电解池的定义与本质不够重视。
（2）电解池的构成条件：学生对电解池构成条件掌握不全面。大部分学生都可以正确回答出电解池构成条件有阴阳极，所占人数为66.7%，这与电解池与阴阳极紧密相关不可分割，且学生可以回忆出来的知识点之间的联系也大多与阴阳极有关，如：阴阳极的判断、阴阳极的反应规律及阴阳极的放电顺序。学生回答出电解池构成条件电解质、外接电源与闭合回路，所占比例分别为20%、23.3%、10%。
学生对电解池构成条件存在的迷思概念是学生认为电解池构成条件含盐桥，但人数很少，仅6.7%。出现这种情况的原因可能是学生未将电解池构成条件与原电池构成条件区分，对原电池与电解池的区别与联系掌握的不够透彻。
（3）两极反应规律：56.7%的学生能正确判断阴阳极且理解阴阳极得失电子发生的氧化反应与还原反应。然而，仅13.3%的学生可正确将原电池正负极与电解池阴阳极类比进行叙述。10%的学生在该知识上存在迷思概念，认为电解池阳极对应原电池正极，电解池阴极对应原电池负极。说明学生对电解池与原电池的区别与联系辨别不清。
对于电解池两极的材料，10%的学生提到电解池发生的电极反应与阴阳极的材料相关。13.4%的学生存在迷思概念，其中6.7%的学生认为电解池两极的材料均为惰性金属，6.7%的学生认为若用活泼金属做电极材料，则电解两极的金属。学生未真正认识到电解池阴阳极材料与电解池发生的具体反应之间的关系。
（4）离子移动方向：46.7%的学生能正确说出电解质溶液中离子移动方向，6.7%的学生存在迷思概念。?W生对电解池溶液中离子移动方向较不重视，且部分学生没有真正理解阴阳离子在溶液中移动的方向与电路中电子移动的关系。
（5） 阴阳极离子放电顺序：20%的学生能正确回答出电解池中阴极阳离子放电顺序和阳极阴离子放电顺序。6.7%的学生提到“阴极放电顺序：氯离子、溴离子在氢之前反应”，学生未理解溶液中离子移动方向且混淆离子放电顺序。6.7%的学生认为阴极放电顺序为强的金属离子先于弱的金属离子放电，忽略阴极阳离子放电以氢离子为界限。说明仅少数同学理解了阴阳极离子放电顺序。
（6）电解池的应用：学生可以举出部分电解池的应用实例。如：精炼铜、电镀、电解氯化钠、贵金属提炼等。但存在较多的迷思概念。如：轮船的保护、析氢腐蚀与吸氧腐蚀、燃料电池等，所占比例均为6.7%，原因可能是学生未区分清楚原电池与电解池的应用。有6.7%的学生提到电解池的应用是将其他形式的能量储存起来转换为电能，学生未理解电解池的原理是将电能转换为化学能。
四、讨论与教学建议
通过运用流程图法与纸笔测验法对高中学生关于电解池知识学习困难的测查与分析得出以下结论：首先，有关电解池的认知结构完整性、层次性与条理性较差，不能对电解池的原理与本质、构成条件、阴阳极反应规律、溶液中离子移动方向、阴阳极离子放电顺序及电解池的应用有系统且全面的认识；其次，学生对于电解池知识存在的迷思概念较多且分布较广；最后，学生对电解池与原电池的区别与联系理解不够透彻，如：原电池与电解池的工作原理；原电池正负极与电解池阴阳极的对应关系；原电池的应用与电解池的应用等。但是，在分析流程图中发现学生倾向于将电解池的阴极与阳极知识进行对比描述，条理清楚，表述明确。
针对以上学生关于电解池认知结构的情况，提出以下教学建议：（1）在电解池知识的教授过程中，使用对比教学策略，将电解池与原电池的工作原理与本质及装置构成条件进行比较，再辅以动画模拟或实践操作设计电解池与原电池，使学生直观形象、清楚明了地理解电解池与原电池的区别与联系。
（2）教师可在电解池阴阳极教学时强化学生的学习。即将阴阳极判断、溶液中离子的移动方向、阴阳极反应规律、阴阳极离子放电顺序的知识系统化、层次化、条理化，使学生整体上把握与理解电解池中关于阴阳极的知识。
（3）与物理学电路知识相联系，引导学生认识、理解电解池中电流与电子的移动方向，从而去推理判断电解质溶液中离子的移动方向与阴阳极离子的放电顺序。
（4）重视对比金属防腐蚀时电解池与原电池的工作原理，找出两种方法在金属防腐蚀方面的区别与联系，使学生理解它们的共同点与不同点。
（5）注重电解池知识的整体性，采取有效措施动画模拟或实践操作等使学生认识理解电解池的完整性，建立系统的知识体系脉络及清晰的认知结构。
