高中化学教材中氧化还原反应与电化学内容的比较研究*

马朋朋 周 青

（陕西师范大学化学化工学院 陕西 西安 710062）

氧化还原反应与电化学是高中化学教学中的重点和难点。氧化还原反应的学习可以让学生从元素化合价变化与电子转移的角度认识化学反应，理解宏观反应现象与物质微观内在结构的必然联系，对化学反应的认识不再局限于仅仅依靠对宏观现象的判断；电化学内容的学习可以让学生深化理解氧化还原反应，让学生深刻体会到化学反应的能量变化现象，认识电能和化学能之间相互转化的装置，认识到运用化学知识发展技术的现实性，让学生体会到科学的价值与魅力所在，形成运用化学原理发展技术的能力［1］。本文通过比较基础教育发达国家高中化学教材中氧化还原反应与电化学内容的选取、呈现和编排特点［2］，为我国高中化学教材中氧化还原反应与电化学编写和实际教学过程提供反思与启示。

一、知识内容的选择比较

本文选取的研究对象是： 人民教育出版社2007年出版的《化学1（必修）》，《化学2（必修）》，《化学4（选修）》（中国）；Glencoe／McGraw－Hill 公司2009年出版的Chemistry：Concepts and Application （化学：概念与应用）（美国）；Pearson Australia Education 公司2010年出版的《Chemistry 1》和《Chemistry 2》（澳大利亚）；Pearson South Asia Pte Ltd Education 公 司2007年出版的《CHEMISTRY INSIGHTS （O－Level）》（新加坡）；Pearson Longman Education 公 司2004年 出版的《Longman GCSE Chemistry》（英国）。

根据氧化还原反应与电化学知识的内容特点，我们将氧化还原反应与电化学的知识内容分为氧化还原反应、原电池、电解池三个部分来分析。上述五个国家高中化学教材中氧化还原反应与电化学内容选取见表1。

表1 五个国家氧化还原反应与电化学选取的知识点

原反应黑白相片制作、火箭发动机的能源、炼铁炉的原理、呼吸测醉器的原理、自由女神像为什么显绿色、闪电下的氮反应、银器遇硫化氢变黑、化学发光、生物发光、苹果生锈金属腐蚀、金属冶炼、火山爆发、金属和酸的反应高锰酸根滴定双氧水浓度的计算、碘单质氧化二氧化硫的实验及计算、重铬酸钾的氧化性、重铬酸钾滴定乙醇反应计算金属腐蚀、金属冶炼、燃烧、腐败、电镀锌和硫酸铜的反应、铜和硝酸银的反应、钙镁锌铁和水的反应、氢气和氧化铜的反应、金属活动表预测原电池原电池定义、电池回路、正负极反应、盐桥 原电池定义、正负极反应历史上第一个原电池、柠檬电池、铜镁电池、铜锌原电池、柠檬电池串联、干电池组装、人体内的电流、燃料电池工作、蓄电池锌氢电池的半反应及化学式原电池定义、电池回路、正负极反应、盐桥干电池原电池定义、电池回路、正负极反应、盐桥、发电原理铜锌原电池、锌锰电池、铅蓄电池、燃料电池、铁的吸氧析氢腐蚀、牺牲阳极保护原电池定义正负极反应、标准氢电极的定义、常见金属标准电极电势、探究金属活泼性与电压及正负极的关系丹尼尔电池、微电池、氢氧燃料电池阴阳级、能量变化、回路 阴阳极、正负极、能量变化、回路阴阳极、能量变化、回路阴阳级、正负极能量变化回路电解、电解质、电解的原理、金属和碳的导电性电解池熔融氯化钠电解、氯化钠溶液电解、铜锌原电池和电解池的区别、冶金、电镀、外加电源保护金属、电泳、DNA分离鉴别熔融氯化钠电解、硫酸电解、硫酸铜电解、冶金、电镀、外加电源保护金属、化学药品的制备、铜线提纯氯化钠溶液电解、氯化铜溶液电解、冶金、电镀、外加电源保护金属熔融氯化钠电解、氯化钠溶液电解、硫酸电解、硫酸铜电解、熔融溴化铅电解、库伦的概念、电量库伦与电流的关系转换、法拉第定义的概念、金属电极的电势、电解硫酸铜、电解涉及气体的相关计算、电解硫酸时间计算、电解盐桥连接的两种溶液的计算

由表1 我们可以发现：

在氧化还原反应内容选取上，五个国家高中化学教材都是从化合价变化和电子得失的角度给出氧化反应、还原反应、氧化剂、还原剂、氧化还原反应定义。在能力要求上，五个国家高中化学教材都要求氧化还原反应方程式和半反应的书写，中国、美国、新加坡高中化学教材还给出了用单线桥和双线桥表示出电子转移的方法；新加坡和澳大利亚高中化学教材选取氧化数的计算；澳大利亚高中化学教材还选取了运用氧化还原反应滴定法求溶液浓度的计算。

在原电池内容选取上，英国高中化学教材选取的内容最多，包括原电池定义、正负极反应、电极电势、标准氢电极、参比电极、金属活泼性与电压的关系、金属活泼性与正负极的关系。美国、澳大利亚、中国的高中化学教材包括原电池定义、正负极反应、电池中电流回路、双液电池、盐桥。新加坡高中化学教材仅选取原电池定义和正负极反应。

在电解池知识内容选取上，英国高中化学教材选取的内容最多，有电解原理、阴阳级、电子流向、金属的导电性、库伦定律以其计算；美国、新加坡、中国高中化学教材仅有电解原理、阴阳极反应、电子流向。

二、编排比较

表2 为五个国家高中化学教材的章节分布汇成表格。

由表2 我们可以发现，将氧化还原反应与电化学的内容分四章编排的是英国高中化学教材。英国高中化学教材将氧化还原反应编在章题目为“一系列化学反应”的第6 章中，该章六节的标题依次是：“金属氧化物的置换反应”、“氧化还原”、“盐溶液的置换反应”、“金属与水反应”、“使用氢作为还原剂”、“用反应做预测”等。其第11 章是“电解池”，共分三节依次是：“一些重要背景”、“熔融化合物的电解”、“水溶液的电解”。其第12 章是“化学电池”分“原电池”和“燃料电池”两节。其第27 章是“电解计算”用“如何解释电极方程式”和“一些实例计算”两节编排电极反应原理和电解池的相关计算。

表2 五个国家高中化学教材的章节分布表

中国高中化学教材将氧化还原反应与电化学分“氧化还原反应”、“化学能与电能”、“电化学基础”三章编排，依次分布在必修一、必修二、选修四中。“氧化还原反应” 被编为必修一第2 章 “化学物质及其变化”的第三节。“化学能与电能”被编在必修二第2 章“化学反应与能量”的第二节。选修四第4 章是“电化学基础” 共分四节编排依次是：“原电池”、“化学电源”、“电解池”和“金属的电化学腐蚀与防护”。

美国、澳大利亚和新加坡高中化学教材都将氧化还原反应与电化学分两章编排。美国高中化学教材的第16 章是“氧化还原反应”，用“自然界中的氧化还原反应”和“氧化还原反应的应用”两节编排。其第17 章是“电化学”用“原电池：从化学能到电能”和“电解池：从电能到化学能”两节编排；澳大利亚高中化学教材上册第14 章是“氧化还原反应与金属反应”，共分三节分别为“氧化和还原”、“原电池”和“腐蚀”。下册进一步强化氧化还原反应，其第4 章是“氧化还原反应容量分析”共分两节依次是“氧化还原反应”和“氧化还原滴定”； 新加坡高中化学教材用 “氧化还原反应”和“电解”两章编排氧化还原反应与电化学，第19章“氧化还原反应”分六节依次是“氧化反应和还原反应的应用”，“从得氧、失氧理解氧化反应还原反应”，“从得电子、失电子理解氧化反应、还原反应”，“氧化数”，“从氧化数的变化理解氧化反应、还原反应”。第20 章“电解”分6 节依次为“电解的应用”、“电解”、“熔融化合物的电解”、“水溶液的电解”、“电镀和原电池”。由此可知，新加坡高中化学教材重点编排氧化还原反应和电解； 澳大利亚高中化学教材中没有电解池，重点编排氧化还原反应。

三、内容呈现方式比较

1．氧化还原反应

对于氧化还原反应概念的呈现，美国高中化学教材是先给出真实的生活情景，如对苹果生锈、银器发黑、雷电现象、火山原理、荧光现象、制作照片等，让学生建立起氧化还原反应概念。然后从化合价和电子得失的角度分析一系列化学反应实例，以帮助学生理解氧化还原反应的特征，最后再给出实例让学生运用氧化还原反应的原理进行判断理解。英国高中化学教材以金属的化学性质呈现氧化还原反应内容。例如对金属的置换反应、盐溶液的置换反应、金属与水反应，及以氢作为还原剂、预测金属活动性顺序等反应分析，增加学生对氧化还原反应的理解。

2．原电池内容

在原电池内容呈现上，澳大利亚高中化学教材先通过大量的原电池工作原理图片和原电池内发生的化学反应方程式呈现原理，然后再分析生活中的干电池和金属的电化学腐蚀等增加学生对原电池的感性认识。美国高中化学教材所举出的实例最丰富，先介绍历史上第一个原电池， 然后列举各种各样的原电池，例如人体内的原电池、柠檬电池、干电池等增加学生对原电池的感性认识， 激发学生学习原电池的兴趣；英国高中化学教材是通过干电池、微电池、丹尼尔电池呈现原电池相关原理；中国高中化学教材则直接呈现铜锌原电池、锌锰电池、铅蓄电池、燃料电池进行原电池原理讲解。新加坡高中化学教材中呈现的原电池内容很少，主要是通过锌氢电池学习原电池原理。

3．电解池内容

在电解池内容的呈现上，美国、英国和中国高中化学教材相似。美国高中化学教材以熔融氯化钠电解和氯化钠溶液电解为例，用图片形式说明电解池的阴阳极反应、电子流动方向、电流回路及物质的变化情况等，图文并茂，便于理解。中国高中化学教材以氯化钠溶液电解为例， 所呈现的电解池知识与美国相同，但因主要采用文字讲解显得略逊于美国。英国高中化学教材以熔融氯化钠电解、氯化钠溶液电解、硫酸和硫酸铜溶液电解为例先讲解电解池的基本理论，呈现较多概念，然后给出库伦定义等进行与电解相关的计算。美国和中国高中化学教材都举出了电解池的工业应用，如冶金、电镀、外加电源保护金属，但美国高中化学教材有DNA 分离鉴别等生活应用，而中国没有。英国给出的应用实例很少。澳大利亚高中化学教材没有电解池。

四、结论与启示

通过比较上述五个国家高中化学教材中氧化还原反应与电化学的内容选取、编排和呈现特点我们可以得出以下结论：

在内容选取上，五国高中化学教材对于氧化还原反应都选取了相同的基本概念；美国高中化学教材选取的反应类型贴近生活，重视学生的感性认识；澳大利亚高中化学教材重视培养学生的氧化还原反应计算能力；在原电池和电解池的内容选取上，英国高中化学教材内容选取较深，不仅有关于原电池和电解池的概念，还有库伦定律概念，并用电解计算巩固学生对原理的理解。在编排上，五国高中化学教材都以氧化还原反应为基础讲解原电池和电解池。

对我国高中化学教材氧化还原反应与电化学的编写和教学设计启示如下［3］：

在氧化还原反应原理的内容设计上应提供学生感性认识的引导性设计，给出大量的氧化还原反应的具体实例，引导学生分析探索，掌握氧化还原反应的本质特征。在电解池、原电池的内容呈现方式上运用多种表征方式，例如可以将电流走向、电极反应、溶液中离子移动和交换都在图片上清晰注明，便于学生理解掌握。同时要重视选取的基于电化学原理的工业和生活中的实例， 注意内容的时代性和科学前沿性，例如电解在制药和基因工程上的应用。

［1］周青，朱雪莲，杨辉祥．英美两种高中化学教材中原电池内容的编制特点［J］．化学教育，2008，（1）：13－15

［2］周丽娇．教材比较研究策略例谈 ［J］．中小学数学 （小学版），2013，（11）：11－12

［3］吴冯．中美化学教材中“氧化还原反应”课例比较［J］．化学教与学，2013，（8）：58－59