單世乾 倪娟

摘要： “核心素養(yǎng)”背景下的原電池探究實驗教學，旨在從學生認識角度建立原電池認知模型。學生在濾紙上完成實驗探究，經(jīng)歷“鋅銅單液原電池鋅銅雙液原電池鐵碳食鹽水原電池”的電池原型，從建立“負極材料與電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)”的經(jīng)典鋅銅原電池認知模型，逐漸認識到“存在自發(fā)氧化還原反應(yīng)、電解質(zhì)的基本功能是離子導體、根據(jù)實際需要選擇電極、電解質(zhì)、隔膜”的通用原電池認知模型。探究過程中，定性分析與定量研究相結(jié)合，基于證據(jù)培養(yǎng)創(chuàng)新意識、科學精神和問題解決能力，從而提升發(fā)展核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 原電池教學; 實驗探究; 認知模型; 核心素養(yǎng)

文章編號： 10056629（2018）12005906中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1?問題的提出

關(guān)注學生“核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)是目前基礎(chǔ)教育理論研究和實踐變革的重大趨勢，如何在學生發(fā)展核心素養(yǎng)與課程教學之間建立起內(nèi)在聯(lián)系成為課程改革的重點[1]。陳進前對化學核心素養(yǎng)導向的教學，提出了“從課本實驗到科學探究和創(chuàng)新意識”，“從事實到證據(jù)推理和模型認識”的建議[2]。從這種意義上來說，實驗探究的過程，是培養(yǎng)學生理性判斷思維、創(chuàng)新精神和實踐能力的過程，也是作為一種研究手段獲得證據(jù)，構(gòu)建不同發(fā)展階段理論模型的過程。

高中電化學內(nèi)容具有較強的理論性，原電池中反應(yīng)原理、電極判斷、電極方程式書寫等較為抽象，與學生的生活經(jīng)驗有一定的距離，僅依賴課本經(jīng)典裝置則證據(jù)不足，容易造成思維固化、易形成迷思概念。對于電化學這一理論教學的難點，傳統(tǒng)的分析推理教學方法難以達到提升素養(yǎng)的教學目標。若利用鋅銅稀硫酸雙液原電池等實驗素材，組織學生分析推理、推論預(yù)測、設(shè)計評價等探究活動，才能有效促使學生認識到電極反應(yīng)、電極材料、離子導體、電子導體等基本要素，從而建立原電池認知模型，提高對原電池本質(zhì)的認識。

2?原電池認知模型建構(gòu)的必要性分析

2.1?依據(jù)“原電池”學情

基于學情設(shè)計教學，才能激發(fā)學生主動探究，突出學生的主體作用。教學實踐中發(fā)現(xiàn)，“原電池”學習中，學生易形成以下錯誤認識，應(yīng)在教學設(shè)計中重點關(guān)注，研究產(chǎn)生的根源。

認識1： 認為原電池的形成條件之一必須要有電解質(zhì)溶液;

認識2： 原電池反應(yīng)中，電解質(zhì)溶液一定和電極（負極）直接接觸并反應(yīng);

認識3： 同種金屬不能構(gòu)成原電池的正負極;

認識4： 原電池中陰離子向正極移動，陽離子向負極移動。

不難看出，部分學生想當然地認為正極帶正電、吸引陰離子，從而形成“認識4”離子移動的迷思概念。其余錯誤認識，均源于從鋅銅稀硫酸經(jīng)典原電池裝置中獲得的刻板印象。化學理論性知識是化學教學內(nèi)容的精髓，具有高度的概括性，是從豐富具體的事實材料中抽象概括出來的。其概念形成過程需要大量的具體例證，并據(jù)此概括關(guān)鍵特征。作為理論性知識的代表內(nèi)容，原電池學習僅僅利用一個原型無法激發(fā)學生的探究性思維，教學過程中需要更換電極、電解質(zhì)，變通連接方式，提供符合科學發(fā)展的實際場景，利用多個原電池原型構(gòu)建原電池認知模型并逐漸完善，以此促進學生歸納與演繹能力發(fā)展，將知識與學科觀念、學習與問題解決聯(lián)系起來。

2.2?依據(jù)核心素養(yǎng)背景下“原電池”教學要求

蘇教版化學2“化學能轉(zhuǎn)化為電能”由鋅銅原電池探究實驗入手，引導學生感性認識電能的轉(zhuǎn)化，分析反應(yīng)原理和電極反應(yīng)，得出原電池的構(gòu)成條件，引出電極、電極反應(yīng)、電流回路等原電池相關(guān)概念;選修4“原電池的工作原理”基于鋅銅硫酸銅雙液原電池的探究實驗，理性分析化學能與電能的轉(zhuǎn)化，認識氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在負極區(qū)和正極區(qū)發(fā)生，體現(xiàn)了氧化還原反應(yīng)的“自發(fā)性”，也為后續(xù)原電池、電解池中的隔膜技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)化學學科核心素養(yǎng)對高中學生發(fā)展的要求，普通高中化學課程標準[3]提出，“要基于證據(jù)進行分析推理，能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型”的課程目標。通過高中必修模塊學習，學生對原電池的工作原理已有一定認識，選修內(nèi)容的教學任務(wù)是喚醒高一原電池的已有認識，在完善學生認知模型的過程中，培養(yǎng)學科觀念。如對于原電池認知模型的發(fā)展，不僅要建立認識角度，還應(yīng)當發(fā)展學生對于電池動力和溶液內(nèi)部離子運動的認識，對電池發(fā)展的科學探究過程及對實用電池的分析評價等。因此教師在教學設(shè)計時尤其要關(guān)注化學學科的實踐性特征，將實踐性素材中化學與生活、生產(chǎn)實際，科學研究等聯(lián)系挖掘出來，通過營造真實情境，提供豐富的情境素材，激勵學生通過實驗探究活動建立認知模型、理解原電池的基本原理及相關(guān)概念，感悟電池的改進與發(fā)展的理論依據(jù)及方法。

由此確立本節(jié)教學目標為： 通過設(shè)計與組裝原電池，深化理解原電池的本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，理解原電池的工作原理，構(gòu)建并逐漸完善原電池認知模型;通過定性分析與定量研究相結(jié)合獲取證據(jù)，明確生產(chǎn)生活中原電池的評價依據(jù)與發(fā)展方向，感悟科學精神和社會責任。使課堂教學目標從“教會知識”向“發(fā)展素養(yǎng)”轉(zhuǎn)變[4]，以提升學生“科學探究與創(chuàng)新意識”、“證據(jù)推理與模型認知”、“科學態(tài)度與社會責任”等化學學科核心素養(yǎng)。

3?原電池認知模型構(gòu)建的教學設(shè)計

3.1?篩選學生問題，挖掘教學價值

不論演示實驗還是分組探究實驗，學生均能從實驗過程中觀察到超出預(yù)期的實驗現(xiàn)象，經(jīng)過分析推理，提出一些自己不能解決的問題。梳理這些問題，正是探查學情、發(fā)現(xiàn)知識生長點的時機。利用學生提出的問題組織教學，更能激發(fā)學生思維、激勵學生主動地進行科學探究。

問題1?鋅片表面為什么有紅色斑點？

問題2?電壓表讀數(shù)為什么越來越小？

問題3?雙液原電池中，鋅片不與硫酸銅接觸，為什么有電流產(chǎn)生？

問題4?原電池效率的影響因素有什么？

問題5?鐵碳、鋅碳都不與氯化鈉反應(yīng)，為什么能構(gòu)成原電池？

這些問題都是學生在學習過程中自然生成的，經(jīng)過小組交流討論基本都能得到解答。例如，問題1和問題2的答案是雙液原電池改進的依據(jù)： 銅鋅硫酸銅單液原電池實驗探究中，理論上作為負極的鋅片表面本應(yīng)沒有斑點出現(xiàn)，事實上仍有較為明顯的現(xiàn)象，排除鋅片不純的影響因素，負極與電解質(zhì)中的氧化劑直接接觸，部分電子未經(jīng)導線轉(zhuǎn)移而直接在鋅電極表面被銅離子捕獲，導致電能轉(zhuǎn)化率降低;而在雙液原電池中鋅單質(zhì)和硫酸鋅接觸、銅單質(zhì)和硫酸銅接觸，兩份溶液通過鹽橋聯(lián)通，不會出現(xiàn)氧化劑和還原劑之間的直接反應(yīng)，提高了電池的效率。從電流角度看，由于鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，銅在鋅片表面析出，鋅表面也構(gòu)成了原電池，進一步加速銅在鋅表面析出，致使向外輸出的電流強度減弱;雙液原電池使用鹽橋，可使由它連接的兩溶液保持電中性，鹽橋保障了電子通過外電路從鋅到銅的不斷轉(zhuǎn)移，使鋅的溶解和銅的析出過程得以持續(xù)進行，在外電路形成持續(xù)穩(wěn)定的電流。后面幾個問題均在引導學生結(jié)合實驗探究進行分析推理，順利建立并完善原電池認知模型中發(fā)揮作用。

3.2?精選教學素材，激發(fā)探究熱情

為了幫助學生深入認識原電池本質(zhì)，教學中提供豐富的實驗素材，激勵學生積極主動探究，模擬解決實際問題。

電極材料： 鋅片、銅片、碳棒、鐵釘、鎂條、鋁片

介質(zhì)： 食鹽水、蘋果、西紅柿、白蘿卜、土豆等生活素材，濾紙（玻璃片）、高錳酸鉀溶液

驗電器材： 電流計、連有蜂鳴器和發(fā)光二極管的電路板、鬧鐘、小馬達

設(shè)計濾紙玻璃片微量實驗，除了方便操作、試劑用量少等優(yōu)點，該裝置與學生熟知的原電池裝置圖相似（見圖1、圖2），既體現(xiàn)化學實驗的創(chuàng)新精神，又有利于學生形象感知原電池裝置圖。在此基礎(chǔ)上，形成電極、電極反應(yīng)、電流回路等原電池相關(guān)概念;認識氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在負極區(qū)和正極區(qū)發(fā)生，體現(xiàn)了氧化還原反應(yīng)的“自發(fā)性”，總結(jié)歸納出原電池的構(gòu)成條件和工作原理。

選擇蘋果、白蘿卜等生活素材，可以促使學生深入思考，即使不清楚電解質(zhì)的成分，只要存在自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，就可以設(shè)計原電池;可通過變換電極、改變電極間隔等方式，發(fā)現(xiàn)電壓表讀數(shù)的變化;從定量探究的角度去分析推理，發(fā)現(xiàn)影響電池效率的因素，體會電池設(shè)計與發(fā)展的科學思想和敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神。尤其在鐵碳食鹽水原電池的探究中，得出負極材料不與電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的結(jié)論，為原電池認知模型的完善提供了有力的證據(jù)。

3.3?基于證據(jù)推理，建構(gòu)三種認知模型

確定教學環(huán)節(jié)及設(shè)計意圖如圖3。

通過探究實驗逐步揭示“負極材料與電解質(zhì)反應(yīng)→電極與電解質(zhì)中溶解的氣體反應(yīng)→電極材料上吸附物質(zhì)之間的反應(yīng)”自發(fā)氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)，從而深入理解原電池的構(gòu)成條件和工作原理，為實際原電池選擇特殊電解質(zhì)和隔膜技術(shù)奠定認識基礎(chǔ)。在這里，證據(jù)推理指向模型認知，有了多種證據(jù)的支撐，學生構(gòu)建并完善原電池認知模型就變得順理成章了。

由理解到應(yīng)用，從現(xiàn)狀到前景，既符合學生認知發(fā)展規(guī)律、滿足學習心理，又反映應(yīng)用知識改善生活的必然性，進而提升了知識在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用屬性。

4?原電池認知模型構(gòu)建的教學過程

研究學生的認知規(guī)律，梳理有價值的學生問題，提供豐富的實驗素材，學生在實驗探究中，解決問題，建立并逐步完善原電池認知模型。具體實驗教學過程如下：

實驗1?學生根據(jù)實驗素材，設(shè)計改進實驗，利用濾紙在塑料片上完成鋅、銅、硫酸銅溶液的原電池實驗（見圖1）。

設(shè)計意圖： 以鋅銅稀硫酸原電池為例，建立起分析電池的幾個核心認識角度——電子移動和離子移動、電極反應(yīng)和電極反應(yīng)表達、能量轉(zhuǎn)化與微粒變化等。突出負極材料與電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別、同時發(fā)生。

[學生問題]鋅片為什么有大量氣泡？電流為什么減弱？

[問題解決]分析推理： 鋅片不純，與硫酸接觸構(gòu)成原電池;鋅片直接與硫酸發(fā)生反應(yīng)，電能轉(zhuǎn)化率低。利用雙線橋法和單線橋法分析反應(yīng)原理。

[模型建構(gòu)]以濾紙微型電池原型，構(gòu)建鋅銅經(jīng)典原電池認知模型如圖4。

實驗2?學生結(jié)合濾紙單液原電池實驗，設(shè)計并完成濾紙上鋅、銅、硫酸鋅溶液、硫酸銅溶液的雙液原電池實驗（如圖2）。

將滴有硫酸鋅、硫酸銅溶液的濾紙條分別放在鋅片與銅片上，氯化鈉濾紙橫在兩電極之間。

設(shè)計意圖： 通過觀察到實驗異?，F(xiàn)象，分析單液原電池的弊端，提出質(zhì)疑和新的實驗設(shè)想。在探究過程中學生理解閉合回路的建立，理解通過導線上電子的轉(zhuǎn)移和電解質(zhì)中離子的定向移動，實現(xiàn)化學能向電能的轉(zhuǎn)化。從本質(zhì)上理解原電池中氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極發(fā)生，理解總反應(yīng)與電極反應(yīng)的關(guān)系。

[學生問題]鋅與硫酸銅不直接接觸，化學能怎么轉(zhuǎn)化為電能？

[問題解決]分析推理： 導線上有電子轉(zhuǎn)移、電解質(zhì)與鹽橋中離子定向移動建立閉合回路，通過導線上電子的轉(zhuǎn)移和電解質(zhì)中離子的定向移動，實現(xiàn)化學能向電能的轉(zhuǎn)化。氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極發(fā)生。

[模型建構(gòu)]理解雙液原電池工作原理，構(gòu)建認知模型如圖5。

實驗3?學生在教師提示下，組裝鎂、碳、氯化鈉溶液原電池，并在中間滴加少量KMnO4溶液。

設(shè)計意圖： 通過分析，學生理解在鎂、碳、氯化鈉溶液原電池中，正極上溶液中溶解的O2得到電子，電解質(zhì)的基本功能是提供自由離子，電極材料不一定直接與電解質(zhì)反應(yīng)，擴大原電池的認識范圍，為認識燃料電池奠定基礎(chǔ)，建立原電池的認知模型。利用濾紙上有色離子的遷移“看到”離子的移動，不僅有效突破教學重難點，還能引導學生從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析問題，基于證據(jù)，分析推理加以證實或證偽。

實驗4?學生自主選擇提供實驗素材，設(shè)計原電池。

設(shè)計意圖： 學生根據(jù)需要選擇電極材料、電解質(zhì)、離子隔膜?；趯嶒炞C據(jù)和生產(chǎn)生活中對原電池的要求，在經(jīng)典單液原電池與雙液原電池模型基礎(chǔ)之上，構(gòu)建通用原電池認知模型。

[學生發(fā)現(xiàn)]水果電池中，鋅、鐵可能與溶解的氧氣反應(yīng)，也可能與蘿卜中的有機酸等電解質(zhì)反應(yīng)。不同的電極材料組合、不同類別不同濃度的電解質(zhì)，都可能影響到電池效率，生活中使用的電池可能會考慮很多實際因素。

[模型建構(gòu)]學生結(jié)合生產(chǎn)生活中的常用電池，進一步提煉原電池構(gòu)成條件和工作原理，建構(gòu)認知模型如圖6。

設(shè)計意圖： 在原電池探究實驗教學中，學生從問題和假設(shè)出發(fā)，設(shè)計實驗，通過親自操作獲取感知。如利用電流表指針偏轉(zhuǎn)感知正負極，通過電極及附近實驗現(xiàn)象理解氧化和還原反應(yīng)、判斷電子和離子移動的方向等。結(jié)合分析推理，認識原電池的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素和工作原理，建立并逐步完善原電池認知模型，并能運用模型解釋生活和生產(chǎn)中的電化學現(xiàn)象，在實際應(yīng)用中深化理解。從探究實驗、構(gòu)建認知模型的過程，反映了理論知識學習的科學路徑。

5?教學反思

對于學生逐步發(fā)展證據(jù)推理和模型認知的素養(yǎng)要求，普通高中化學課程標準[5]提出： 從定性與定量結(jié)合上收集證據(jù)，對模型和原型的關(guān)系進行評價以改進模型，對復(fù)雜的化學問題情境中的關(guān)鍵要素進行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學問題。與此對應(yīng)，本節(jié)課教學主線為： 利用探究實驗獲得原型，建構(gòu)相應(yīng)原電池認知模型，并在解釋現(xiàn)象和解決問題的過程中逐步完善模型。

科學的本質(zhì)不是科學知識，而是產(chǎn)生知識的方法與過程。真實科學探究的核心是科學知識的生成和論證[6]。三個原電池認知模型的建構(gòu)，反映了在“原電池”實驗探究中的認識發(fā)展過程： 鋅銅稀硫酸經(jīng)典原電池實驗，提供了負極材料與電解質(zhì)反應(yīng)的原電池原型，結(jié)合鋅銅硫酸銅濾紙微型實驗，學生可以順利建構(gòu)圖4所示的鋅銅稀硫酸經(jīng)典原電池認知模型;鋅片上的紅色斑點，激發(fā)了學生實驗改進的動機并研究出雙液原電池微型實驗;如何實現(xiàn)化學能向電能的轉(zhuǎn)化是理解的難點，這需要實驗中的證據(jù)支持，學生利用電壓表指針偏轉(zhuǎn)和高錳酸根離子的移動，物理電學和電化學結(jié)合，逐漸推理出離子移動和電子移動的回路，將原型轉(zhuǎn)化為模型（圖5）。從圖5到圖6的認知模型完善，學生沒有能力一次完成，大多數(shù)標注的是具體氧化劑和負極材料。在經(jīng)歷多種素材的原電池組合實驗后，小組分析討論了氧氣、硫酸、硫酸銅在幾組反應(yīng)中的作用，提煉出氧化劑的本質(zhì)，為燃料電池的后續(xù)學習奠定基礎(chǔ)。

從經(jīng)典鋅銅單液原電池原型中負極材料與電解質(zhì)反應(yīng)出發(fā)，逐漸擴大到認識存在自發(fā)的氧化還原反應(yīng)、電子導體和離子導體，幫助學生從他們的認識角度建構(gòu)認識模型，突破認識難點，在抽象概括中逐步發(fā)展認識，并在實際問題解決中檢驗學習成果，是不同階段知識學習的需要，更是核心素養(yǎng)背景下關(guān)鍵能力的發(fā)展需要。

參考文獻：

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