江蘇省常州市北郊高級中學 張 穎

一、問題的提出

1.課標要求：原電池是高中化學的重要概念，是電化學的基礎。必修中要求“舉例說明化學能與電能的轉化關系及應用”，因此教學目標主要是通過鋅—銅—稀硫酸在不同條件下實驗幫助學生理解化學能轉化為電能并形成對原電池模型的初步認識。選修4 則要求學生了解原電池的工作原理，熟練寫出電極反應式，了解常見化學電源工作原理。這是對學生認知能力、理解能力和思維能力的挑戰(zhàn)。多樣化的電池，復雜多變的情境對學生的思維深度和廣度都提出更高的要求，學生只有對原電池模型有本質深刻的理解，才能萬變不離其宗，找到解決問題的思路和方法。

2.學情要求：必修學習中學生對鋅—銅—稀硫酸單液原電池有了初步的理解和認識。但理解是否存在偏差，認知是否完全正確？根據學情反饋，我們發(fā)現學生存在以下認知誤區(qū)：負極一定與電解質溶液接觸并反應；不同的金屬材料做電極才能形成原電池；活潑金屬一定做負極；電解質溶液是形成原電池的必要條件。認識誤區(qū)產生的根本原因是學生對原電池模型認知的不透徹。經典原模型可以幫助學生初步了解原電池概念，但原電池是一個高度理論抽象性的概念，單一、刻板的模型不能讓學生全面充分地理解原電池本質。因此學生難以理解吸氧腐蝕、燃料電池、熔融鹽電池也就不足為怪了。這就需要我們不斷進行模型解構、進化和再構，豐富認知的內涵，加深學生對概念本質的理解。

二、模型建構和模型進化

人們傾向于從模型與所表征對象的關系角度和認知心理學的角度兩個方面來理解模型建構。前者認為模型建構就是將物質世界與理論和模型世界聯系起來，在理解科學本質中起著核心作用；后者認為建模就是內隱心智模型通過模型來使思考具體化的方式?！敖嬛髁x理論認為，任何知識的獲得都必須通過學生的主動地同化，而主動地同化則必須以適當認知結構的存在為前提”，同時指出知覺受制于心理活動，知覺者常常憑借推理的心理活動已經搜索到自己要看的東西。在抽象性的概念教學中，模型建構無論是從學生認知發(fā)展層面還是從心理發(fā)展層面都有助于學生參與科學理論的探索，理解科學概念的本質。

基于概念的模型并不是刻板單一的，它有著豐富的內涵。學習過程中學生會基于自我樸素心理框架形成錯誤概念，我們需要幫助學生在模型原型基礎上不斷地驗證、評估、修正，應用模型才能實現錯誤概念的轉變，形成對科學概念充分而全面的理解，這就是模型進化過程，也是學生心理模型不斷沖突、否定、修正和重建的動態(tài)過程。

三、模型進化促學生思維發(fā)展的教學實踐

本節(jié)課將學習目標定位為：通過原電池模型修正和進化，構建完善的原電池認知模型，加深對概念本質的理解。通過實驗探究、模型的設計與優(yōu)化，體驗科學探究的基本方法。通過電池發(fā)展史，體驗化學學科價值。

【學習過程】

環(huán)節(jié)一、回顧原電池——構建原電池經典模型。

情境1：音樂卡芯為什么會響？

通過鎂—碳—稀硫酸單液原電池裝置復習回顧形成原電池的基本條件及電極反應、電子流向、離子流向等原電池的相關概念，喚醒學生腦海中對原電池的認知，構建經典單液原電池模型。

環(huán)節(jié)二、再探原電池——解構原電池經典模型。

情境2：音樂卡芯的聲音為什么越來越弱？

通過鋅片、銅片、硫酸銅溶液、音樂卡芯形成的裝置中音樂卡芯的聲音變化情況發(fā)現此款原電池存在的問題。

學生活動1：鋅、銅、硫酸銅“單液”濾紙原電池。

實際現象與預測的差異：1.鋅片表面有銅析出；2.電流一段時間后變小。

通過差異現象，學生發(fā)現這種電池的弊端——能量轉化率低，不能提供持續(xù)穩(wěn)定的電流，時間稍長電流就很快減弱。產生這一弊端的原因是因為鋅片表面析出了銅。這促使學生從心理認知層面認為原來的原電池不完美，從而自覺地對原電池經典模型進行解構。那么如何才能解決這一問題？順其自然就促使學生思考，如何改進電池，構建起更合理的原電池模型，即進行模型的進化。

環(huán)節(jié)三：改進原電池——重構雙液原電池模型。

情境3：如何能讓音樂卡芯響得更持久？

交流與討論：改進鋅—銅—硫酸銅原電池關鍵要解決什么問題？

生1：鋅片不能直接與硫酸銅接觸，把鋅片放另一燒杯中，畫出圖一裝置。

追問1：選擇什么電解質溶液？

生2：鋅片的那一極應該不能放硫酸銅。

追問2：根據總反應的生成物對你有什么啟示？

生3：可以選用硫酸鋅，它與鋅不反應，畫出圖二裝置。

追問3：如何讓圖二裝置形成閉合回路？

生4：最好有一個連通器將兩邊液體連通起來，設計圖三裝置。

師：想法很好，在兩個溶液之間架一座橋梁。選擇什么做橋梁呢？導線行嗎？

生5：導線中是電子在移動，現在是要讓溶液中離子定向移動，用電解質。

通過交流和討論，學生從自己的經驗和認知中構建出了雙液原電池的基本雛形，但理論推導正確與否還需實驗事實來證明。

學生活動2：鋅—銅—硫酸銅“雙液”濾紙原電池。

學生通過觀察分析搭上浸有KCl濾紙前后電流表指針的變化，發(fā)現自主構建的雙液原電池雛形可以實現化學能向電能的轉化，并且電流穩(wěn)定。此時教師補充介紹鹽橋的相關概念和作用，引導學生思考此時電極反應方程式如何書寫，鹽橋中K+和Cl-的移動方向如何？

化學是一門以實驗為基礎的科學，實驗的事實已經揭示了負極依然是Zn-2e-= Zn2+,正極依然是Cu2++ 2e-= Cu ,總反應還是Zn +Cu2+= Zn2++Cu。 由于這個電池模型是學生基于單液鋅—銅—硫酸銅不斷改進得出的，學生理解水到渠成。同時通過模型的重構過程，學生不難得出這樣的結論：原電池的負極可不與電解質溶液接觸反應，只需存在氧化還原反應即可，并且不直接接觸電流更穩(wěn)定。學生的迷思概念得到轉變，對原電池概念的理解更為清晰。

化學史料：丹尼爾改良了伏打電堆，丹尼爾電池早期用于鐵路信號燈。

演示實驗：鋅—銅—硫酸銅單液原電池和雙液原電池電流對比。

原電池與數字電流表連接起來，先觀察雙液原電池電流表示數變化，再取出鹽橋，改用單液原電池觀察示數的變化。

現象：U 型管雙液電池的電流比較穩(wěn)定，但電流強度比單液原電池小得多。

情境4：如何讓音樂唱得持久又響亮？

生：鹽橋窄而長，不利于離子移動，電池內阻大，縮短鹽橋，增加鹽橋寬度。

教師結合學生想法介紹生活中實用的膜電池。

環(huán)節(jié)四：設計原電池——構建燃料電池模型。

思考1：已知Fe3++2Fe=3Fe2+, 設計雙液原電池。

思考2：已知2I-+2Fe3+=2Fe2++I2，請設計一個雙液原電池。

思考1 旨在幫助學生形成設計雙液電池的一般思維模式——從單液到雙液；思考2 則是對學生認知的又一次沖擊，電解材料相同，電解質溶液為互不接觸的FeCl3和KI 溶液。認知沖突促使原電池模型再次解構，修正和進化。而這一原電池模型也成為學生理解燃料電池的基礎，學生思維進階。此時理解燃料電池、熔融鹽電池就水到渠成了。至此，學生深刻理解原電池本質并得出構成原電池的兩個必要條件：（1）氧化還原反應（2）閉合回路。

化學史料：電池發(fā)展的前世今生。

學習過程的模型也正是歷史發(fā)展的模型，通過電池發(fā)展引領學生在模型進化過程中感受科學發(fā)展的價值與魅力。

四、結語

建構主義理論要求我們在教學過程中對學生提出既不超出當前學生認知結構的同化能力，又應基于學生現有認知結構，創(chuàng)設情境產生認知沖突，促使學生思維向更高階段發(fā)展。“錯誤會引起學生順化自己的認知結構，并把所觀察到的結果同化到修正過了的認知結構中去”。在本節(jié)課的學習過程中正是通過學生對原電池模型的不斷的認知沖突，修正、發(fā)展，擴展、優(yōu)化和完善了學生的認知結構，實現了學生對原電池概念的認知轉變，促進了學生思維的進階發(fā)展。