高中生“原电池”错误概念的诊断及教学对策

      “原电池”是高中化学教学中的重要概念，也是学生学习的难点之一。在教学实践中发现，学生在学习原电池的过程中，常常形成了一些模糊甚至错误的认识，而这些认识会影响学生对科学概念的正确理解，造成学生学习的困难。有研究者力图从学生入手，从不同角度揭示学生学习过程中的错误概念并提出一些教学策略；有研究者从知识本体切入，建立原电池的认识模型。这些研究都为本研究提供了很好的支撑。本研究侧重于在原电池本体知识分析的基础上，测查学生的错误概念及其形成的深层次原因，并提出相应的教学对策。

      一、学生对“原电池”概念认识的研究框架

      学生在学习原电池之前已经学习了氧化还原反应，知道了氧化剂和还原剂在反应中的得失电子行为和变化结果。引入原电池装置的根本意义在于将自发的氧化还原反应中的氧化反应与还原反应拆分在不同的区域进行，将氧化剂、还原剂之间的直接接触传递电子的行为改变为间接传递电子的行为，即通过导线实现氧化剂和还原剂电子传递。在这个过程中可以对导线中的电子流进行利用，从而实现了化学能到电能的转变。在拆分氧化还原反应的过程中必须要形成闭合回路，两极、离子导体和电子导体就构成了必不可少的装置要素。每个装置要素从“是什么”“工作时有什么行为”“工作后产生什么结果”三个维度去考虑，就可以构成认识原电池的基本框架（见下页表1）。

      

      二、学生对原电池的错误认识及其分析

      依据上述研究框架，采取课堂观察、作业和测试分析、访谈等方式，对学生关于“原电池”概念的认识进行了测查按照电极（电极材料和电极反应物）、离子（离子导体种类和离子行为）、电子（电子导体和电子行为）三个认识角度对学生典型的错误认识进行归纳，主要表现如表2所示。

      （一）有关“电极”错误认识的分析

      分析有关电极的错误表现不难发现，造成上述错误的原因之一就是学生将铜锌原电池模型泛化为原电池的通用模型。铜锌原电池是教材中用来揭示原电池工作原理的常用模型之一：活泼的锌和稀硫酸反应，失去电子，作为负极反应物并作为负极材料；不活泼的铜和稀硫酸不反应，作为正极材料。如果将铜锌原电池模型作为所有原电池的通用模型，就会自然得出较活泼金属作负极，较不活泼金属作正极的结论。既然有了活泼金属与不活泼金属之分，学生脑海中自然而然就会演变形成了“两个电极必须不同”，甚至发展到“必须有金属电极才能形成原电池”的结论。

      

      目前教学中铜锌原电池模型泛化的现象依然存在：一些教师授课中直接让学生记忆“活泼金属作负极”这样的结论，将原电池的构成原理描述为“电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成”。应该说，对于原电池模型的以偏概全、理解偏差是造成学生原电池学习困难、出现一系列错位概念的源头。

      另外，从错误概念的表象进行深入思考，可以感受到，“电极”概念的泛化使用也是造成出现原电池学习困难的原因之一。在原电池的认识中，存在电极材料和电极反应物两个概念：电极材料是提供氧化还原反应发生的场所，有物质在这样的场所内发生反应，即电极反应物。当电极反应物为固态电导体时，经常就以电极反应物充当电极材料：如金属和酸的反应，经常让活泼金属这样的固态负极反应物作为负极材料。而当反应物为气体或液体时，需要另外寻找固态电导体作为电极材料，常用的如石墨、铂、镍等。如氢氧燃料电池就是以多孔镍电极作为电极材料，氢气、氧气作为电极反应物。在教材中和具体的教学实践中，没有将“电极材料”和“电极反应物”从名词上加以区分，而是通用“电极”来称呼，造成了学生学习原电池时思考角度的混乱，产生了一系列错误概念。

      （二）有关“离子”错误认识的分析

      关于“离子”的错误认识可以分为3类。第一类是源于铜锌原电池模型的泛化造成的错误认识。从铜锌原电池作为原电池通用模型就会形成如“离子导体必须是电解质溶液”、“负极材料一般要能和电解质溶液反应”的错误认识。值得一提的是，被访谈的高三学生在互相提醒的过程中，能够逐渐丰富原电池的例子，矫正以上的错误概念。由此，关于离子导体是否参与反应的问题，学生可以在继续的学习中、在案例逐渐丰富的基础上完成概念的自我矫正。

      第二类是源于对某个结论性语言片面机械记忆造成的错误概念。由于电解质溶液的主要功能是离子导体，一些学生强化了这样的认识而忽略了电解质溶液可能同时承担反应物的功能，从而认为“电极反应与电解质溶液没有关系”。这类错误认识，在原电池的继续学习过程中，通过加强原理认识和案例的逐渐丰富也可以实现自我矫正。

      第三类是源于学生的前概念造成的原电池的错误概念。“阳离子向负极移动”这个错误概念出现的并不是十分普遍。而有趣的是刚刚学习完原电池的学生出现这个错误概念的比率很低，反倒是学过一段时间后的学生这个错误概念出现比率就有所提升。在对有这样想法的学生做访谈的时候，学生描述了这样的思维过程：“‘阳’和‘正’是对应的、‘阴’与‘负’是对应的。既然正负相吸引，那么阳与负也是相吸引的。”分析这样的思维过程，固然有“与电源正极相连的是电解池的阳极”这样的概念干扰，也有生活中类似于“纯阳正气”等一些生活经验作为前概念的思维暗示。例如在学习原电池概念时，学生刚开始接受了新概念，但是和脑海中前概念有所冲突并且没有同化，久而久之，当新概念没有那么清晰时，就受到前概念的影响导致概念异化，最终形成了错误概念。