一、 電化學概念的相關研究
電化學的單元內容包含電池和電解電鍍，其主要概念如表2.1.1 所示，分為 基本概念及電流迴圈路徑兩部分。基本概念包含電池和電解槽的組成、氧化還原 及正負極的判斷，電流迴圈路徑指的是內電路的離子移動與外電路中的電子移動。
表2.1.1 電化學的概念
基本概念及組成
電 化 學
l 化學電池為自發的化學反應，會將化學能轉為電能
l 電池會發生氧化還原反應，氧化和還原通常各自發生在分開的兩個半 電池中
l 反應物的相對活性決定其發生氧化或還原反應
電
由於本研究的其中一個研究問題為學生在經過不同的動畫使用方式之後，是 否有利於電化學概念中微觀層次或多層次概念的學習成效，因此以 Johnstone (1993) 所提出的化學學習層次來區分電化學單元的概念，如表 2.1.2。學生在巨 觀層次上除了需要知道電解質和非電解質的概念，以及電池和電解在過程中的變 化；在微觀層次上，學生需要了解在電解過程中，離子和電子的移動；在符號表 徵上，學生還要將此過程轉換成化學式或反應式(Osman & Lee, 2014)。
選擇電化學單元的原因為學生經常在此單元遭遇迷思概念(Ciplickas et al., 2009; Patrick J Garnett et al., 1995; Pamela J Garnett & Treagust, 1992; Hameed et al., 1993; Hamza & Wickman, 2008; Huann-Shyang Lin et al., 2002; Michael J Sanger &
Thomas J Greenbowe, 1997a, 1997b)，尤其學生在面對微觀層次和符號表徵。以鋅 銅電池為例，由於巨觀「可見」，學生可透過實驗直接觀察到鋅半電池的鋅片溶 解、質量減少，而銅半電池有銅析出、溶液顏色也會改變；而微觀層次的離子移 動、電子移動，並且轉換成化學反應式的符號表徵，這些都是不可見的，學生難 以想像電池其中的分子、離子，以及內部的反應機制，自然而然就較難被學生理 解。
因此有些研究指出，學生認為化學中最難理解的單元，其中之一即為電化學 (O. De Jong et al., 1995; Thompson & Soyibo, 2002)，因為其概念多為抽象 (Bojczuk, 1982; Huann-Shyang Lin et al., 2002)，以及具有新的專有名詞，例如氧 化或還原、氧化劑或還原劑等。
Jong 與 Treagust (2002) 整理出學生在學習化學電池會面臨到的困難，有分 為概念性以及過程性，本文僅針對欲研究的電化學概念，摘要出以下四個：
1. 電解質的傳導 (Conduction in the electrolyte)：指的是學生認為電子會出現 在溶液中，因為受到溶液中帶正電的離子吸引而在鹽橋中流動，完成了 整個電流路徑。
2. 電解質的電中性 (Electrical neutrality of the electrolyte)：學生認為的電中 性是其中一個半電池的正電荷的數目和另一半電池負電荷的數目相等
（意即正負電荷是分離的），或者是將電中性認為是兩半電池的離子濃 度要相等。
3. 陰陽極的帶電 (Charge on the anode and the cathode in galvanic cells)：學生 對於陰陽極的正負電判斷會有困難，並發展出自己的一套想法，例如學 生會認為陽極帶負電是因為陽極吸引溶液中的陽離子，陰極反之；或是 陽極帶正電是因為陽極會失去電子。
4. 辨別陰陽極 (Identifying the anode and the cathode)：Michael J Sanger 與 Thomas J Greenbowe (1997b)指出，學生對於辨別陰陽極主要依靠課本上 所提供的電池圖片，其物體的配置去做判斷，除此之外有些課本上的圖 片，對於電子的流動標示的並不明確，而讓學生對電子移動產生其他的 另有概念。
表2.1.2 化學層次與其相關的電化學概念
化學層次 定義 Content Knowledge
（內容知識）
範例
Macroscopic nature of matter
（巨觀）
Particulate or submicroscopic nature of matter
（微觀）
The symbolic representations of
matter
根據上述所提到的困難，學生在學習電化學概念常遭遇到的另有概念，整理 如表2.1.3。
表2.1.3 關於學生在學習電化學常見的另有概念
二、 電化學概念的教學方式
抽象、不可見的概念，學生因為無法想像而遭遇學習困難，因此若要幫助學 生對於電化學的概念有更佳的理解，尤其針對微觀和符號表徵，就是要讓學生能 夠「看得見」。在教學實作上，雖然可以透過做實驗，讓學生實際看到檢流計的
電化學電池 l 一般說的電流即是正電荷的移動
l 陰陽離子會互相吸引，而影響電極中離子的移動 l 陽極帶負電，因為其會吸引陽離子，陰極反之 l 離子和電子都在電解液中移動
l 電子會流向電解液中，因為溶液中陽離子的吸引
l 電子會進入陰極的電解液中，在電解液中移動然後出現在陽極
l 鹽橋會協助電子流，因為在鹽橋中的陽離子會吸引電子從一個半電池移到 另一個半電池
l 在電池中，陰陽離子會一直移動直到兩半電池的濃度一致（與電中性的概 念搞混）
電解及電鍍
l 電解時，所提供電壓的兩端，對於陰陽極的位置不影響 l 惰性電極的表面不會發生反應
l 陰陽極的氧化還原反應，在電池和電解是完全相反的，在電池陽極發生氧化 反應，電解時陰極發生氧化反應
l 電子從陽極的電極端流向陰極 l 其餘與電化學電池的另有概念相似
數字變化，或是電極、溶液顏色的改變，但其中的化學過程也只停留在巨觀層次，
無法展現微觀層次，除此之外，實驗時間的長短，以及實驗過程中不可控制的外 在因素，例如同儕間的互動，或是教師的實驗說明等，皆會影響學生對於觀察實 驗的重點，因而較無法直接有效地將概念傳達給學習者。
為了能夠加強學生在微觀概念的學習，有一些研究透過讓學生使用電腦模擬 及觀看動畫的方式，來讓學生看到電池中的反應過程，幫助他們學習(Osman &
Lee, 2014)。
例如Yang, Andre, Greenbowe, 與 Tibell (2003) 以Paivio (1990)的二元碼理論 (dual-coding theory) 為基礎，應用聲音和圖像同時存在，較好被記憶和理解的原 則，讓學生在有教學引導的情況下看電池的動畫，研究結果發現，相較於以靜態 圖示教學的控制組，看動畫的組別較能夠提升學生的學習，也更能夠讓學生看見 在微觀層次上的化學反應，除此之外，還能夠提高學生的學習興趣。
Doymus, Karacop, 與 Simsek (2010)的研究有兩個實驗組（一個是使用合作 學習的教學方式，另一個是讓學生觀看動畫）和一個對照組（傳統教學法），在 此僅針對觀看動畫的組別進行討論。觀看動畫的組別是老師讓學生在邊看動畫的 過程，邊逐步解釋動畫的內容，一共包含四個類別（電化學電池、燃料電池、電 解以及生鏽），結果顯示讓學生觀看有關電化學概念的動畫，相較於另外兩組，
學生對於粒子微觀層次有較佳的理解，雖然如此，但是觀看動畫的學生，同時也 會產生其他的迷思概念或誤解，因此研究也提到，若讓學生只看動畫或是只看靜 態的圖片，都不足以讓學生對於電化學概念有全盤的了解。
Osman 與 Lee (2014)是使用一個電化學單元的互動式媒體模組（interactive multimedia module with the pedagogical agent (IMMPA)），並輔以模組內建的學習 助理(pedagogical agents, PAs)，來促進學生對於概念的理解與動機，模組內容包 含個別指導(tutorial)、實驗(experiment)、練習(exercise)、小測驗(quiz)、筆記(memo) 以及遊戲(game)。研究發現，使用此模組的學生，有比較高的成就表現，尤其是 在微觀和符號層次的概念，此結果也能對應先前之研究(Atkinson, 2002; Kizilkaya
& Askar, 2008; Moreno, Mayer, & Lester, 2000)。
在國內研究部分，張秀澂 (2002)將電化學概念製成電腦動畫的教材，再融入 不同的教學方式（講解式教學、實驗教學、小組示範實驗教學），研究結果顯示，
電腦動畫教材搭配實驗教學法，最能有效提高學生的學習成效，除此之外，也提 到動畫輔助學習，可提高學生的學習興趣以及幫助學生進入粒子微觀世界。
柯明志 (2002)以電流的化學效應（電解）為主題，以引導式探究的教學模式，
搭配微觀粒子的模擬動畫，來幫助國三學生建立其心智模型，結果顯示此教學方 式達顯著成效。劉漢欽 (2006)也根據過去的研究提出，電腦模擬可能是一個有力 的工具，可以被應用在一個主動學習的環境，提升學生之間的互動，來達成對於 一個科學概念的理解；其研究欲在一個主動學習策略的架構下，來了解學生如何 使用電腦模擬來理解電化學的概念，研究結果顯示，電腦模擬可提供一些可視化 的資訊，尤其是分子微觀的動畫，可以幫助學生連結對於化學反應到以符號表示 的反應式之間的理解；除此之外，還能提升學生之間和與電腦間的互動。蘇金豆 (2018)更將電化學動畫應用在概念圖上，採用此種「動畫融入概念圖」的教學策 略，能讓學生主動思考，提升學習成效和成就、減少另有概念的產生，並促使學 生的學習態度更正面積極。