高中化学“电化学”主题的基本课程问题探析

黄鸣春 薄一琳

摘要：选取改革开放以来5版高中化学课程标准/教学大纲及对应的5版人民教育出版社出版的高中化学教科书，采用内容分析法，站在促进学生素养发展的角度从知识、活动、素材上梳理电化学主题基本的课程内容选取和组织问题。研究发现：电化学内容选取上逐渐素养导向化，表现为概念的下位概念进一步清晰，匹配知识的活动和素材趋向丰富多变。有些知识内容尚待讨论。主题内的活动设计缺乏稳定性，电化学应用相关实验存在差异。课标缺乏稳定的电化学原型素材，教科书中体现学科前沿化的素材有待进一步挖掘。在内容组织上，形成了从原理到应用的二元组织思路。

关键词：高中化学; 电化学; 课程问题; 教科书

文章编号：1005-6629（2021）08-0027-06

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 问题提出

电化学主题在整个高中化学学习中占据非常重要的地位，通过以“电化学、电解池、原电池、腐蚀”为主题，分别选定《化学教育》《化学教学》期刊，进行检索并在结果中再次以“教材”为主题进一步检索，发现目前文献中对“电化学”的课程内容研究主要有四个方面：一是教科书中“电化学”相关内容辨析和释疑;二是不同教科书中“电化学”内容比较;三是“电化学”内容的教材分析;四是“电化学”实验的设计与讨论。已有文献较少立足于课程立场，探究电化学主题内容的稳定性和趋势。本研究试图基于促进学生素养发展的角度从知识、活动、素材上梳理电化学主题内容基本的课程内容选取和组织问题。

2 分析框架

基于文献[1，2]及课程标准的规定，本研究建构电化学课程内容的分析框架见图1。其中，电化学主题内容分为以下四个方面：（1）电化学构成要素，包括电极材料、电极反应物和电极产物、离子导体和电子导体;（2）电化学过程，包括电荷移动及流向、放电顺序;（3）电化学反应及表征，即电池总反应方程式和电极反应;（4）电化学应用，包括不同的化学电源、金属的腐蚀与防护、电解原理的应用。其中（1）（2）（3）可归为电化学的原理。针对这四个方面，从知识、活动、素材三个方面来进行课程分析。活动为教科书中的活动性栏目所体现，主要针对实验类活动。

素材主要指的是选取的原电池、电解池、金属的腐蚀与防护的原型和应用实例。

3 研究对象与方法

研究对象为1978～2020年高中化学课程标准/教学大纲（以下简称课标/大纲）及相应人民教育出版社出版的高中化学教科书中的“电化学”内容，涉及的高中化学课程标准/教学大纲及对应教科书见表1，在后文中以年份表示课程标准和教科书。本研究主要采用内容分析法，基于促进学生素养发展的角度从知识、活动、素材上梳理电化学主题基本的课程内容选取和组织问题。

4 研究结果

4.1 电化学内容选取上逐渐素养导向化，表现为概念的下位概念进一步清晰，匹配知识的活动和素材趋向丰富多变

4.1.1 历年课标/大纲中电化学主题内容选取在知识上基本稳定为电化学的原理和应用，匹配的实验活动不稳定，素材不具体外显

首先，知识上，原电池、电解池、电化学应用是固定选取的内容，电化学过程未涉及，差异在于是否明确提出电化学构成要素以及电化学表征的要求，

具体情况见表2。仅2017年必修中的学业要求提及了原电池的构成要素，其他均未提及。每版课标/大纲均选取了原电池和电解池原理。2017年选择性必修的学业要求中对设计简单的原电池和电解池做出了要求，而其他课程标准均未提及。电化学过程在这五版课标/大纲均无明确表述。电化学表征只在2003年版课程标准中被提及，对电极反应和电池反应方程式做出了要求。电化学应用在这五版课程标准中均被选取，具体表述有细微差异。

其次，活动上，电化学实验内容的选取一直都有变化，具体情况见表3。整体来看，这5版课标/大纲中实验类活动与电化学过程和电化学应用有关。前后出现过3个与电化学过程相关的实验。与电化学应用相关的实验共出现过4个。电镀实验除了2003年没有提及外，其他年份均有提及。金属的电化学腐蚀只在1983年和1994年出现过，2003年的内容要求中有相关文字表述“通过实验探究防止金属腐蚀的措施”。制作简单的燃料电池只在2017年为学生必做实验。

最后，课标/大纲中列出的具体素材逐步减少，具体情况见表4。只有1994年明确提到电化学原理选取的是“铜锌原电池”和“电解氯化铜溶液”素材，其他沒有明确指明。前三版教学大纲中列出的是电化学的具体应用，后两版课程标准没有明确提出“电解食盐水”这样的具体应用，而是概括为认识电解的应用。干电池、蓄电池是在1978年被明确提出具体的化学电源，1983年和1994年没有提到“化学电源”，2003年和2017年提到“化学电源”，但未给出具体种类。前三版课标/大纲均提及电解食盐水、电镀，1994年还提到了立式隔膜电解槽，同时还给出了两种具体的金属防护方法。

4.1.2 教科书中电化学内容选取在原理知识上进一步精确化，而在电化学应用、匹配的活动及素材上稳固了一定的原型，也在逐步丰富中

首先，知识上，原电池、电解池的定义及其中电荷的流向，电池反应方程式，电镀定义、金属的腐蚀定义、化学腐蚀和电化学腐蚀的定义、铁的吸氧和析氢腐蚀原理，以及牺牲阳极的阴极保护法是固定选取的内容，存在争议的选取内容有：电化学的构成要素、离子的放电顺序、电冶金的概念、外接电流的阴极保护法等内容。

（1） 电化学构成要素未在教科书中有明确表述。

在前3版教科书中电化学构成要素没有被明确地表述，在2007年必修的思考与交流栏目中有提出原电池（单液原电池）组成的问题，在2019年必修的探究栏目中，通过制作水果电池的实验探究“电池不可或缺的构成部分有哪些”，在选择性必修的思考与讨论栏目中，要求学生“绘制反映原电池工作原理的示意图，示意图要求注明原电池（双液原电池）组成”。

（2） 电化学过程不同版本教科书阐述逻辑和详尽程度稍有不同，放电顺序有待讨论。

5版教科书对于原电池（单液原电池）的电子电荷移动及流向的表述是相同的，原电池（双液原电池）的电荷移动及流向的核心内容是相同的，只是表述有所差别。电解池内容中，2019年只介绍了阴离子、阳离子的迁移方向，并未明确给出电子的运动方向，而是以活动的形式让学生标注出来，其他教科书均明确给出了电子电荷移动及流向。电解池的电化学过程还涉及到放电顺序，电解CuCl2溶液的内容中，1980、 1984和1995年均介绍了Cu2+和H+、 Cl-和OH-的放电顺序，2007年有提及但没有讨论，2019年未提及。

（3） 电极反应的表征即电极反应式均在教科书中呈现。但5版教科书中均未给出电极反应的明确概念，电池总反应的概念待明晰。

（4） 电化学应用内容有明显变化。

对于金属腐蚀的内容，5版教科书均选取了金属腐蚀的定义、化学腐蚀和电化学腐蚀的定义、析氢腐蚀和吸氧腐蚀的原理、电镀的定义。在金属的防护内容中，1995年只介绍了牺牲阳极的阴极保护法，删减了外加电流的阴极保护法，2007年和2019年增加了电冶金的内容。

其次，活动上，实验类活动稳定不变的是Zn-Cu-稀硫酸（单液原电池）、CuCl2溶液电解实验，存在争议的是锌铜原电池（双液原电池）、电解食盐水、电镀、铁钉的吸氧腐蚀、牺牲阳极法实验。

从5版教科书中电化学实验选取情况来看，Zn-Cu-稀硫酸（单液原电池）、CuCl2溶液电解是稳定不变的实验活动。前3版教科书中的实验类活动是相同的，还有电解食盐水和镀锌实验，2007年和2019年教科书删去了镀锌实验，主要是由于缺乏适合中学实验条件的较为理想的镀液，实验常常难以达到预期的效果[13]。“电解食盐水”由实验变为正文，增加的“锌铜双液原电池实验”能够让学生从宏观的实验现象探究微观原理，更好地理解原电池（双液原电池）的构成与工作原理;“简易电池的制作”能够让学生探究原电池的构成要素;“铁钉的吸氧腐蚀实验”能够帮助学生认识金属的吸氧腐蚀原理;“牺牲阳极法实验”说明利用电解原理如何阻止金属的腐蚀。

最后，素材上，稳定不变的是Zn-Cu-稀硫酸（单液原电池）和电解CuCl2溶液这两个电化学原型，化学电源和电解实例均有所增減。

从电化学原型来看，5版教科书中原电池（单液原电池）均选用Zn-Cu-稀硫酸电池原型，2007年选修和2019年选择性必修中增加了原电池（双液原电池），并选用锌铜原电池原型，用盐桥连接两种电解质溶液。5版教科书电解池均选用电解CuCl2溶液原型，负极材料和正极材料均为石墨棒。5版教科书中均未区分电极和电极材料，未提及离子导体和电子导体的概念，也未指明电池模型中离子导体和电子导体分别是什么。

从电化学应用实例来看，化学电源的种类不断丰富，1980年、1984年和1995年的化学电源内容只是简单提及干电池和蓄电池的应用，2007年对酸性锌锰干电池的构造，锂离子电池的性能和用途，碱性锌锰干电池、纽扣式锌银电池、铅蓄电池和燃料电池的构造和电极反应进行了介绍，2019年在2007年的基础上删减了纽扣式锌银电池，介绍了锂离子电池的用途和一种锂离子电池的电极反应。

而电解的典型素材为电解食盐水，但使用的生产设备不同。1980年、1984年和1995年介绍了工业上电解食盐水采用立式隔膜电解槽，2007年将其删减，2019年则是离子交换膜电解槽。每版教科书都有电镀的概念，不同的是1980年、1984年和1995年电镀的应用都是以镀锌为例，2007年和2019年改为铜的电解精炼。而电冶金的内容，1980年和1984年没有提及，1995年选取的是铝的冶炼，2007年和2019年选取的是电解熔融氯化钠制取钠。

4.2 电化学内容组织上内部形成了从原理到应用的二元组织思路

首先，电化学内容的一级组织问题是电化学内容与化学反应与能量、化学反应速率与平衡、水溶液相关主题知识的组织顺序问题，人教版教科书电化学内容组织见图2。1980年、1984年和1995年版教科书电化学内容都是在电解质溶液之后，均将原电池内容和金属的腐蚀防护放在一节内容中，之后才是电解和电镀。2007年和2019年版教科书把必修中的电化学内容放在能量部分，与能量联系在一起，建立起完整的与能量相关的知识逻辑体系。

其次，电化学内容本体的组织是其二级组织的问题，总体上从原电池到电解池的顺序。金属的腐蚀与防护起初是和原电池在一节，后来单独成节。由于电化学腐蚀的两种防护方法分别应用原电池原理和电解原理，金属的腐蚀与防护单独成节，并且放在原电池和电解池之后是合适的。

最后，每一节内容的组织是其三级组织的问题，总体上是从电化学原理到电化学应用，以原电池为模型认识化学能与电能之间的转化关系，认识生活中的电源，进而认识电能转化为化学能的方式，即电解池，认识电解原理在工业生产中的应用，最后基于对电化学原理的认知了解金属腐蚀的原理，解决生活中“金属的腐蚀与防护”问题。5版教科书中，章顺序按照原电池-电解池进行组织，章内部每一节都是按照“原理—应用”的顺序编排的。基于分析，5版教科书中电化学内容的组织逻辑见图3。

基于上述分析，可以看出我国高中电化学核心课程内容的选取和组织都呈现出一定的稳定性，但也存在一些待讨论的问题。一方面对于具体内容，如“电化学原型”仍然存在可讨论的空间，一是所放的位置教材中呈现不同，是内容组织问题。二是知识选取的价值问题。如原电池的原型一直都是Zn-Cu-稀硫酸（单液原电池），但这个原型存在的局限性也很明显，如实验现象与教科书上的实验现象描述不一致、易引发学生对于原电池模型及其工作原理的错误理解等[15]。因此，关于电化学稳定原型的选择，仍会成为课程论的一个问题。另一方面，在《化学教育》《化学教学》期刊上，电化学主题的相关文献近千篇，而这些研究性的内容应该作为教科书内容更新的支撑之一。

参考文献：

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