覃琦 陳延林

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱2017版課標）提出的化學學科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學精神與社會責任五個方面，創(chuàng)新意識是其中的重要內(nèi)容之一?！八仞B(yǎng)為本”的高中化學教學要求教師注重把課內(nèi)知識傳授延伸到課外實踐應用，著力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力。

創(chuàng)新意識是在解決問題過程中自覺形成的一種突破常規(guī)的意識。教學中，教師可以采用加減法、逆向法、類比法、聯(lián)想法、迂回法等方法培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。在原電池原理教學中，如果按常規(guī)直接依照教材編排安排教學，以知識傳授為主，就很難培養(yǎng)學生的科學探究意識和創(chuàng)新思維，學生對原電池的自發(fā)發(fā)生反應、電流的產(chǎn)生、離子電子流動方向等只能死記硬背，無法上升到對新型電池的理解層面。本文以電池的發(fā)展歷程為背景，以“素養(yǎng)為本”理念為指引，探討如何在“原電池”教學設計中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

一、探究原電池的原理

【教學導入】高中生對生活中使用的干電池比較熟悉，教師課前布置學生每人收集2節(jié)廢舊大號干電池。上課伊始，教師指導學生拆解舊的干電池，觀察干電池的內(nèi)部結構，然后從對干電池的結構探究引申到原電池裝置構成的學習上來。

【教學目的】實物探究，可以讓學生有意識地把生活中的化學和教材中的化學知識聯(lián)系起來，加深學生對電池構造的印象，提高學生的宏觀辨識能力，激發(fā)學生的探究愿望，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

（一）動手實驗

【教師活動】教師組織學生到實驗室上課，并指導學生動手實驗，探究電池內(nèi)部結構，并提出下列問題：

（1）電池由哪幾部分構成？

（2）電池內(nèi)部的碳棒是什么極？

（3）電池的負極在哪里？

（4）電池內(nèi)部黑色粉末的作用是什么？

提出問題后，教師把學生分成4個小組，要求學生組內(nèi)討論。學生無法回答第4個問題時，教師不是直接告知答案，而是引導學生利用信息技術在課堂上查閱資料，培養(yǎng)學生解決問題的路徑思維。

【學生活動】學生在教師指導下，拆開舊的大號干電池，探究干電池的內(nèi)部結構。學生經(jīng)過討論并結合干電池的使用經(jīng)驗，很快就可以回答老師提出的前3個問題：

（1）電池由鋅筒、碳棒、黑色粉末三部分組成。

（2）碳棒是電池的正極。

（3）鋅筒是電池的負極。

對第4個問題學生一時答不上來。各小組通過網(wǎng)上查閱資料后，結合物理學的閉合電路原理得出了答案：黑色粉末能夠?qū)щ?，便于形成閉合回路。

【化學核心素養(yǎng)價值體現(xiàn)】本環(huán)節(jié)通過創(chuàng)設新穎的教學情境，激發(fā)學生自主探究的積極性，體現(xiàn)了證據(jù)推理與模型認知的化學核心素養(yǎng)價值觀。學生能通過實驗收集科學證據(jù)和確立尋找證據(jù)的途徑，為預測電池革新可能出現(xiàn)的結果打下知識基礎，搭建起解決深層次化學問題的思維框架。

（二）原理探究

【教師活動】教師根據(jù)干電池的結構，結合教材內(nèi)容進行原電池原理教學。教師實驗展示（學生分成A、B、C、D四個小組同步進行實驗），邊解說邊實驗：如果我們把鋅筒換成鋅片，碳棒換成銅片，黑色粉末改成稀硫酸溶液（如圖1），那么我們可以得到與該實驗相關的第一組問題：

（1）分別把鋅片和銅片插入稀硫酸中，出現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

（2）用導線把鋅片與銅片連起來，同時插入稀硫酸溶液中，出現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

（3）如果在鋅片和銅片之間連接靈敏電流計，又出現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

學生回答上述問題后，教師再依上述實驗繼續(xù)提出第二組問題：

（1）三組實驗中，鋅、銅上分別發(fā)生了什么反應？銅片上為何產(chǎn)生了氣泡？

（2）電流流動方向如何？

（3）溶液中氫離子是怎樣移動的？氫離子得到電子才變成氫氣，電子又從何而來？

（4）構成原電池的條件有哪些？

【學生活動】四個小組的學生在教師的講解下，完成裝置的組裝，然后觀察實驗現(xiàn)象，A、B、C三組派代表回答教師提出的第一組問題：

（1）A組觀察到鋅片上有大量氣泡產(chǎn)生，銅片上沒有氣泡。

（2）B組觀察到銅片上產(chǎn)生了大量氣泡，鋅片幾乎沒有氣泡，實驗后鋅表面有腐蝕。

（3）C組觀察到銅片上有大量氣泡產(chǎn)生，鋅片幾乎沒有氣泡，同時靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)，實驗后鋅表面有腐蝕。

學生在回答第一組問題后，再通過上述實驗，繼續(xù)回答教師提出的第二組問題：

（1）A組回答：三組實驗中，銅本身都不參加反應，鋅都溶解反應了。

（2）B組回答：根據(jù)電流計指針偏轉(zhuǎn)方向，可推知電流方向是由銅片流向鋅片。

（3）C組回答：實驗2、3中，銅片上都有H2產(chǎn)生，發(fā)生反應式為2H++2e-=H2↑，說明銅片上聚集電子，可推理出氫離子往銅片移動并得到電子，這些電子來自鋅。

（4）D組總結：原電池的構成條件——自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應、有兩個活性不同的電極、有電解質(zhì)溶液、形成閉合回路。

【化學核心素養(yǎng)價值體現(xiàn)】本環(huán)節(jié)融入了創(chuàng)新思維，提出了開放式探究問題，體現(xiàn)了宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)，引導學生將在化學宏觀層面觀察到的實驗現(xiàn)象通過微觀探析加以辨別。如：Cu電極上有氣泡產(chǎn)生（宏觀辨識），原因是2H++2e-=H2↑，說明溶液中的H+向銅電極移動并獲得從Zn轉(zhuǎn)移過來的電子（微觀探析）。這樣的設計能使學生理解宏微結合、變化可控，有助于學生建構化學核心知識模型。

（三）原理歸納

【教師活動】基于以上實驗探究，教師和學生共同完成原電池原理歸納，設計成導學案，建立原電池裝置模型和知識模型（如圖2）。

【學生活動】學生完成導學案后，歸納出以下原電池原理。

1.原電池的構成條件：①自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應;②有兩個活性不同的電極;③有電解質(zhì)溶液;④形成閉合回路。

2.能量轉(zhuǎn)化：化學能轉(zhuǎn)化成電能。

3.電極名稱和電極反應

負極：氧化反應Zn-2e-=Zn2+

正極：還原反應2H++2e-=H2↑

總反應：Zn+2H+=Zn2++H2↑

4.幾個流向：

電子：（-）→外電路→（+）

離子：陽離子→（+），陰離子→（-）

電流：（+）→外電路（-）→內(nèi)電路→（+）

【化學核心素養(yǎng)價值體現(xiàn)】本環(huán)節(jié)讓學生樹立變化的觀念（自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應）和平衡的思想（得失電子守恒）。學生通過探究干電池內(nèi)部結構，有意識地聯(lián)系化學變化中的變化與守恒思想，逐步揭示各類變化的特征和規(guī)律，預測了某些物質(zhì)在一定條件下可能發(fā)生的化學變化，從而為原電池的原理探究提供了思維保障。

二、探究原電池的應用

【教學導入】從意大利物理學家伏特發(fā)明的第一個電池到現(xiàn)在常見的高能電池，人類對電池的探索經(jīng)歷了200多年。在這一過程中，科學家們重點探索電極材料和電解質(zhì)溶液的革新，不斷提高電池效能、延長電池壽命。教師可以布置學生在課前觀察生活中常見的蓄電池、紐扣電池、手機鋰電池等實物，查詢并收集當今市面上常見電池的相關資料。

【教學目的】在學習原電池原理的基礎上，結合學生查閱資料獲得的知識，引導學生從電極材料探索和電解質(zhì)溶液變化兩個角度去思考“如何提高電池的效能和延長電池的壽命”這一現(xiàn)實問題，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識。

【教師活動】引導學生完成實驗裝置連接，問學生“觀察到了什么現(xiàn)象”;引導學生把導線斷開后，再問學生“觀察到了什么現(xiàn)象”，這樣的實驗能回答“如何提高電池的效能和延長電池的壽命”這一問題嗎？生答“不能”后，教師接著引出：生活中見到的化學電源很多，每種化學電源的原理都是一樣的，不同的是它們的電極和電解質(zhì)，因此應該從這兩個方面去探討如何提高原電池的效能（開始下面兩個實驗，提醒學生邊觀察邊思考）：

（1）將鋅片和碳棒同時插入稀硫酸中，實驗現(xiàn)象有什么異同。

（2）將鋅片和銅片同時插入醋酸溶液中，實驗現(xiàn)象有什么異同。

（3）關于如何提高電池的效能，同學們有什么想法？（開放性問題，學生自由發(fā)言）

學生自由發(fā)言后，教師繼續(xù)設疑：通過實驗我們知道，在鋅片和銅片斷開的情況下，鋅片可以和稀硫酸繼續(xù)反應，但沒有產(chǎn)生電流，造成不必要的損耗，縮短了電池的壽命。那么如何解決這一問題，從而延長電池的壽命呢？

對于這一問題，學生因知識有限無法作答，但教師不能直接告訴學生解決辦法，而應從培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識上進行引導：①核心問題是什么？②解決方向是什么？③提出解決方案;④實驗探究驗證;⑤形成解決方案。

根據(jù)學生反饋，教師對原電池裝置做出改進（實驗展示;學生同步）：嘗試將鋅片放入盛有ZnSO4溶液的燒杯中，銅片放入盛有稀H2SO4溶液的燒杯中，用導線連接鋅片和銅片，觀察到的結果是無電流。

教師引導：根據(jù)原電池的本質(zhì)和原電池組成三要素內(nèi)容，請同學們思考問題在哪里？如何解決這樣的問題？

實驗展示（學生同步）：教師展示鹽橋?qū)嵨铮邀}橋兩端分別插入兩個燒杯溶液中（如圖3），引導學生觀察現(xiàn)象，然后通過PPT展示鹽橋的構成，讓學生直觀認識到U型管中裝的是用飽和KCl溶液和瓊膠制成的凍膠。

【學生活動】四個小組的學生在教師的指導下，完成裝置的組裝，并回答：兩個燒杯分開，溶液間沒有形成閉合回路，解決方法是使燒杯溶液連通起來，增加連通裝置。然后，學生觀察實驗現(xiàn)象。各組代表反饋如下：

（1）相同：碳棒上產(chǎn)生大量氣泡，鋅片幾乎沒有氣泡，電流表指針偏轉(zhuǎn)，鋅表面有腐蝕。區(qū)別：產(chǎn)生氣體速度變快，電流表指針偏轉(zhuǎn)幅度變大。

（2）相同：碳棒上有大量氣泡產(chǎn)生，鋅片幾乎沒有氣泡，電流表指針偏轉(zhuǎn)，鋅表面有腐蝕。區(qū)別：產(chǎn)生的氣體速度變慢，電流表指針偏轉(zhuǎn)幅度變小。

歸納：影響原電池效能的要素：①電極活性大小;②電解質(zhì)類型。

（3）生1發(fā)言：改變電極活性，可以使用更活潑的金屬作為電池負極，如鋰、鈉、鎂等。生2發(fā)言：使用新的電解質(zhì)，如固態(tài)電解質(zhì)等。

針對教師提出的“如何延長電池壽命”這一問題，四組學生在教師的引導下進行組內(nèi)討論，然后各組派代表反饋：核心問題是鋅與硫酸接觸，思考方向是鋅與硫酸分離，解決方案是設計新的原電池裝置并進行實驗探究。（四組學生在教師的引導下，完成裝置的組裝）

觀察實驗現(xiàn)象后，各組代表反饋：沒有氣泡產(chǎn)生，電流表不偏轉(zhuǎn)。銅片上有大量氣泡產(chǎn)生，鋅片幾乎沒有氣泡，同時電流表指針偏轉(zhuǎn)，實驗后鋅表面有腐蝕，說明構成了原電池。斷開導線連接后，鋅片不反應，有效解決了教師提出的問題。

【化學核心素養(yǎng)價值體現(xiàn)】生活與生產(chǎn)是創(chuàng)新意識產(chǎn)生的源泉，學生在實驗過程中不斷發(fā)現(xiàn)、不斷探索，能夠在尊重事實和科學依據(jù)的基礎上，對實驗方案進行創(chuàng)新優(yōu)化和深度思考，喚起學生的創(chuàng)新愿望，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

總之，高中化學課程中包含著豐富的貼近生活與生產(chǎn)的教學內(nèi)容，教師除了要教好化學知識，還應有意識地挖掘教材中的知識與現(xiàn)實問題相聯(lián)系的部分，基于學科核心素養(yǎng)進行教學設計。本節(jié)關于“原電池”內(nèi)容的教學，就是在學生已有生活認知的基礎上，運用逆向思維模式進行教學設計，讓學生動手實驗，從對具體事物的感性認識上升到對化學原理的理性認識，從而有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。（題圖作者左為陳延林，右為覃琦）

參考文獻：

[1]貝淑妹，衷明華.基于核心素養(yǎng)的《原電池》教學設計[J].課程教育研究，2017（18）.

注：本文為2017年度廣西教育科學“十三五”規(guī)劃A類重點課題“基于學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學教學單元設計的研究”（課題編號2017A003）的階段研究成果。

（責編 歐金昌）