將玲玲

摘要：基于《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》學(xué)科核心素養(yǎng)的水平要求，在原電池新授課中通過設(shè)計(jì)“建立原電池認(rèn)知模型”“修正原電池認(rèn)知模型”“應(yīng)用原電池認(rèn)知模型”三個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，幫助學(xué)生從已有的“氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型”進(jìn)階到“原電池認(rèn)知模型”，在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生的“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“模型認(rèn)知”等核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：原電池;認(rèn)知模型;學(xué)習(xí)進(jìn)階

文章編號(hào)：1008-0546（ 2020）08-0073-03

中圖分類號(hào)：C632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.08.020

一、問題提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出，以原電池為例認(rèn)識(shí)化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原反應(yīng)的角度初步認(rèn)識(shí)原電池的工作原理[1]。通過前期學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)建立起“氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型”，掌握了氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)和特征;還原劑等概念以及還原性強(qiáng)弱的比較方法。雖然學(xué)生在生活中已經(jīng)接觸到例如堿性鋅錳干電池、手機(jī)鋰離子電池、燃料電池等原電池，但不了解原電池工作原理，在學(xué)習(xí)過程中有很多迷惑之處。解決這些問題，需要學(xué)生建構(gòu)“原電池認(rèn)知模型”，能夠透過紛繁復(fù)雜的表象去“辨識(shí)簡單原電池的工作要素，分析簡單原電池的工作原理[1]”。單世乾[2]、顧建辛[3]、丁櫻[4]以蘇教版化學(xué)2“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”為例，嘗試幫助學(xué)生建構(gòu)“原電池認(rèn)知模型”。本文以人教版（2019年版）必修2“化學(xué)能與電能”為例進(jìn)行試探性研究。

二、設(shè)計(jì)思路

原電池是氧化還原反應(yīng)知識(shí)的應(yīng)用，由“氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型”建立“原電池認(rèn)知模型”，在教學(xué)過程中需要解決兩個(gè)問題：電子為什么能定向運(yùn)動(dòng)？電子的定向運(yùn)動(dòng)對其它微粒有何影響？問題一可通過比較不同還原劑還原性強(qiáng)弱進(jìn)行突破;問題二可通過分析各種原電池的閉合回路進(jìn)行突破。教學(xué)設(shè)計(jì)主要由三個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)組成：“建立原電池認(rèn)知模型”“修正原電池認(rèn)知模型”“應(yīng)用原電池認(rèn)知模型”（見表1）。教學(xué)過程中，學(xué)生借助探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，分析電子及其它微粒的移動(dòng)，從而使“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)得到發(fā)展;通過學(xué)習(xí)各種原電池的工作原理，學(xué)生的“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)得到進(jìn)一步提高;由“氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型”到“原電池認(rèn)知模型”的進(jìn)階學(xué)習(xí)，使得學(xué)生的“模型認(rèn)知”素養(yǎng)得到提升。

三、教學(xué)過程

1.溫故知新

【教師活動(dòng)】將鋅片和銅片同時(shí)放人AgNO，溶液中，現(xiàn)象的異同？原因？

【學(xué)生活動(dòng)】鋅片、銅片表面都出現(xiàn)銀白色固體。鋅、銅的還原性比銀強(qiáng)，能夠置換出銀。鋅反應(yīng)速率快，因?yàn)殇\還原性強(qiáng)。

【教師活動(dòng)】將鋅片和銅片同時(shí)放入稀硫酸中，現(xiàn)象？原因？

【學(xué)生活動(dòng)】鋅片表面有氣泡產(chǎn)生。銅還原性弱，不能置換出氫。

【設(shè)計(jì)意圖】通過金屬的置換反應(yīng)，回顧還原劑概念，比較不同還原劑的還原性強(qiáng)弱，喚醒學(xué)生已經(jīng)建立的“氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型”，從而幫助學(xué)生更好地過渡到新知“原電池認(rèn)知模型”。

2.學(xué)習(xí)任務(wù)一：建立原電池認(rèn)知模型

【教師活動(dòng)】所有物質(zhì)中都儲(chǔ)存有化學(xué)能?；鹆Πl(fā)電（展示圖片），化學(xué)能通過多步轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池。請大家判斷以下四個(gè)化學(xué)反應(yīng)哪些能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⒔o出理由。

（l）Zn+H2SO4==ZnSO4+H2↑

（2）2H2+O2=2H2O

（3）NaOH+HCl=NaCl+H2O

（4）2HCl+CaCO3==CaCl2+H2O+CO2↑

【學(xué)生活動(dòng)】小組討論，問題集中在這幾個(gè)反應(yīng)的異同。最終學(xué)生根據(jù)是否有電子轉(zhuǎn)移，將四個(gè)反應(yīng)分為氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)。

【學(xué)生回答】（1）（2）可以，這兩個(gè)反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，有電子的轉(zhuǎn)移，可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

【教師總結(jié)】氧化還原反應(yīng)在原電池中發(fā)生，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽▓D1）。

【設(shè)計(jì)意圖】根據(jù)反應(yīng)過程中是否有電子的轉(zhuǎn)移，判斷哪些反應(yīng)能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而幫助學(xué)生建立了“氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型”與“原電池認(rèn)知模型”的初步聯(lián)系。

【教師設(shè)問】有了氧化還原反應(yīng)是不是就一定能提供電流呢？請大家先完成表2實(shí)驗(yàn)記錄的第一列和第二列。

【學(xué)生討論】大部分同學(xué)覺得（1）（3）（4）應(yīng)該有電流產(chǎn)生;極少數(shù)同學(xué)覺得只有（4）電流產(chǎn)生。

【教師活動(dòng)】請大家通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證你的想法，并完成表2的第三列和第四列。

【學(xué)生活動(dòng)】動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)并完成表格。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生已經(jīng)初步建立“原電池認(rèn)知模型”，知道原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。但是對原電池工作原理的微觀辨析還不清晰。設(shè)計(jì)這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，目的是幫助學(xué)生建立探究實(shí)驗(yàn)的思維模型，為下一環(huán)節(jié)由宏觀變化到微觀辨析做一個(gè)鋪墊。

【教師活動(dòng)】請同學(xué)展示實(shí)驗(yàn)記錄。

【學(xué)生回答】根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中電流表的指針偏轉(zhuǎn)情況判斷，只有（4）裝置中有電流產(chǎn)生。（1）裝置中鋅片表面冒氣泡。（2）裝置無明顯現(xiàn)象。（3）裝置中鋅片表面冒氣泡，銅片表面無明顯現(xiàn)象。（4）裝置中鋅片表面無氣泡，銅片表面有氣泡。

【教師追問】（1）（3）裝置中有氫氣產(chǎn)生，為什么沒電流？

【學(xué)生回答】氫離子在鋅片表面得電子，電子沒發(fā)生定向移動(dòng)。所以沒有產(chǎn)生電流。

【教師追問】（4）裝置中銅片表面冒氣泡。大家能否解釋原因？

【學(xué)生回答】溶液顏色未變?yōu)樗{(lán)色，說明銅沒有失電子。鋅失電子，電子通過導(dǎo)線移動(dòng)到銅片表面，氫離子在銅片表面得電子。

【教師活動(dòng)】鋅失電子能力比銅強(qiáng)，用導(dǎo)線將鋅片和銅片相連后，鋅失去的電子通過導(dǎo)線由鋅片流向銅片，氫離子在銅片表面得電子。氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行。電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生了電流，電子流出的一極是負(fù)極，電子流入的一極是正極。

【教師活動(dòng)】書寫電極反應(yīng)式：負(fù)極（氧化反應(yīng)）：Zn-2e-=2n2+正極（還原反應(yīng)）：2H++2e-==H2↑

【教師總結(jié)】在原電池中，電子由負(fù)極流出，經(jīng)過導(dǎo)線，流入正極，我們將其稱為外電路。

【教師活動(dòng)】鋅銅硫酸原電池反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是鋅與氫離子之間的電子轉(zhuǎn)移，硫酸根有何作用？請大家結(jié)合鋅失電子后，負(fù)極附近鋅離子濃度變大分析。

【學(xué)生回答】硫酸根移向負(fù)極

【教師總結(jié)】電解質(zhì)在溶液中電離出自由移動(dòng)的離子。陰陽離子的定向移動(dòng)形成了內(nèi)電路。因此原電池的構(gòu)成要素可以總結(jié)如圖2所示。

【設(shè)計(jì)意圖】以簡單的鋅銅硫酸原電池為例，由探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過證據(jù)推理，幫助學(xué)生由“氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型”建立“原電池認(rèn)知模型”。宏觀角度，學(xué)生由實(shí)驗(yàn)事實(shí)認(rèn)識(shí)到原電池中氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)分區(qū)進(jìn)行;微觀角度，對閉合回路的形成有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，即離子和電子的定向移動(dòng)分別形成內(nèi)、外電路。

3.學(xué)習(xí)任務(wù)二：修正原電池認(rèn)知模型

【教師展示】堿性鋅錳干電池、鉛蓄電池.氫氧燃料電池、手機(jī)鋰離子電池、高溫熔融鹽電池的工作原理。

【教師活動(dòng)】請大家閱讀圖片中信息，判斷下列幾種說法的正誤，并做出更正。（1）原電池正負(fù)極材料活潑性必須不同;（2）原電池的負(fù)極必失電子;（3）原電池構(gòu)成中必須有電解質(zhì)溶液。

【學(xué)生回答】（1）錯(cuò)，原電池的正負(fù)極可以是同一種材料構(gòu)成，如氫氧燃料電池的正負(fù)極。（2）錯(cuò)，原電池的負(fù)極材料不一定做反應(yīng)的還原劑。（3）錯(cuò)，原電池的構(gòu)成中要有電解質(zhì)，不一定是電解質(zhì)溶液。如高溫熔融鹽電池。

【教師總結(jié)】由以上化學(xué)電源可以總結(jié)出原電池的工作原理：自發(fā)的氧化還原反應(yīng)提供電子，電子通過電子導(dǎo)體定向移動(dòng)，離子的定向移動(dòng)形成離子導(dǎo)體，電子、離子的定向移動(dòng)形成閉合回路。我們可以用圖3來表示。

【設(shè)計(jì)意圖】由簡單的鋅銅硫酸原電池建立“原電池認(rèn)知模型”，優(yōu)點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)簡單，學(xué)生易于建立認(rèn)知模型：缺點(diǎn)是學(xué)生會(huì)由該裝置演繹出一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)：如原電池正負(fù)極材料活潑性必須不同;原電池的負(fù)極必失電子;原電池中必須有電解質(zhì)溶液。因此在教學(xué)中向?qū)W生展示多種化學(xué)電源工作原理的圖片資料，學(xué)生通過閱讀，自主歸納總結(jié)，主動(dòng)修正“原電池認(rèn)知模型”，使該模型更加準(zhǔn)確規(guī)范。

4.學(xué)習(xí)任務(wù)三：應(yīng)用原電池認(rèn)知模型

【教師設(shè)問】實(shí)驗(yàn)室用鋅與稀硫酸制取氫氣，用粗鋅（含銅、鉛等雜質(zhì)）不用純鋅。因?yàn)榇咒\反應(yīng)速率比純鋅快。請用原電池工作原理解釋原因。

【學(xué)生回答】粗鋅中含的雜質(zhì)和鋅、稀硫酸形成原電池，加快了反應(yīng)速率。

【教師設(shè)問】夏天炒菜的生鐵鍋沒刷干凈，有水殘留，第二天發(fā)現(xiàn)鐵鍋生銹。請用原電池工作原理解釋原因。提示：生鐵是鐵和碳的合金。

【學(xué)生回答】水附著在鐵鍋表面，空氣中的氧氣溶于水。鐵失電子做負(fù)極，碳是正極，氧氣在碳表面得電子。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生已經(jīng)建立了“原電池認(rèn)知模型”，設(shè)計(jì)這個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)是幫助學(xué)生將“原電池認(rèn)知模型”與實(shí)際生活中的鋼鐵腐蝕聯(lián)系起來，通過解決真實(shí)情境中的復(fù)雜問題，學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)才能得到發(fā)展。

四、教學(xué)反思

通過教學(xué)實(shí)踐，筆者在先行教學(xué)設(shè)計(jì)中提出的兩個(gè)問題得到了較好的解決，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生能夠建立起基本的“原電池認(rèn)知模型”，對一些簡單的原電池裝置能夠用該模型解答。

對于電子為什么能定向移動(dòng)？筆者在教學(xué)設(shè)計(jì)中提出的失電子能力強(qiáng)的還原劑在負(fù)極先失電子，這個(gè)定性解釋絕大多數(shù)同學(xué)能夠接受。少數(shù)同學(xué)希望給出一個(gè)定量解釋。在課后的討論過程中，筆者提出了電勢差的概念，但是他們難以理解。這說明學(xué)生的“宏觀辨識(shí)與微觀辨析”核心素養(yǎng)未得到很好的發(fā)展。通過閱讀化學(xué)電源的工作原理圖片資料，學(xué)生對于閉合回路的形成，電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深?；瘜W(xué)電源的設(shè)計(jì)及效率的優(yōu)化提升，是一個(gè)系統(tǒng)工程，較為復(fù)雜，對于高一學(xué)生來講，接受難度較大.這些問題將在選修階段的學(xué)習(xí)中得到進(jìn)一步的解決。

參考文獻(xiàn)

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[2]單世乾，倪娟.基于探究實(shí)驗(yàn)建構(gòu)認(rèn)知模型的化學(xué)教學(xué)研究——以“原電池的工作原理”教學(xué)為例[J].化學(xué)教學(xué)，2018（12）：59-64

[3]顧建辛，關(guān)于化學(xué)核心素養(yǎng)培育的微觀思考——原電池教學(xué)中的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”[J].化學(xué)教學(xué)，2017（11）：34-38

[4] 丁櫻.核心素養(yǎng)背景下“化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋苯虒W(xué)的重構(gòu)[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2019（2）：116-117

本文系廣東省教育科學(xué)“十三五規(guī)劃2019年度教育科研一般項(xiàng)目：模型認(rèn)知在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：2019YQJK007）階段成果。