張抗抗

[摘? ?要]以諾貝爾化學(xué)獎的社會熱點為背景，以化學(xué)電源的史實為探索主線，圍繞能源利用率和綠色化學(xué)的學(xué)科思想進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)，利用化學(xué)理論知識解決生活情境問題，有效地將化學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)思想與社會影響的三重交互關(guān)系呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生體會化學(xué)發(fā)展的過程和方法，感受化學(xué)學(xué)科的發(fā)展成就。

[關(guān)鍵詞]核心素養(yǎng);HSP;化學(xué)電源;教學(xué)設(shè)計

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0063-04

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出五大核心素養(yǎng)：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(rèn)知，科學(xué)探究與創(chuàng)新意識，科學(xué)精神與社會責(zé)任?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提出讓化學(xué)史實在化學(xué)教學(xué)中承載了更多的作用與意義。圍繞HSP（History，Philosophy and Sociology of Science）進(jìn)行的教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。但在教學(xué)中，史實不是孤立的，史實之間體現(xiàn)著推理的思想，史實與史實串成的歷史線就是科學(xué)家探索世界的思想線，同時，史實是為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)服務(wù)的，要能融合進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮其重要價值。因此，在《化學(xué)電源》一課的教學(xué)設(shè)計中注重化學(xué)史的連貫性，以電源的發(fā)展史為主線，讓學(xué)生體驗科學(xué)家探索的歷程，同時結(jié)合生活情境，落實本節(jié)課的知識內(nèi)容，感受科學(xué)探索以及經(jīng)濟(jì)生活雙方面的影響對科技發(fā)展的推動作用，促進(jìn)學(xué)生高階思維的建立，發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)能力以及“科學(xué)精神與社會責(zé)任”的核心素養(yǎng)。

一、教學(xué)設(shè)計

1.教材分析

《化學(xué)電源》選自人教版教材選修4第四章第二節(jié)?？v向看，從必修1的單液原電池引出原電池工作原理，初步介紹化學(xué)電源，到選修4的雙液、膜電池，深入分析化學(xué)電源，原電池知識呈螺旋上升。橫向看，化學(xué)電源是第一節(jié)原電池模型的應(yīng)用，是第三節(jié)建立電解池模型的鋪墊，起著承上啟下的作用。

2.基于核心素養(yǎng)的教學(xué)評一體化設(shè)計（見表1）

3.教學(xué)流程（見圖1）

二、教學(xué)過程

1.環(huán)節(jié)一：聚焦社會熱點，初識諾貝爾鋰離子電池，初探化學(xué)電源

導(dǎo)語：2019年10月9日諾貝爾化學(xué)獎頒給了三位科學(xué)家，約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢、吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池發(fā)展上所做的貢獻(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院稱“他們創(chuàng)造出了一個可充電的世界”。那為什么諾貝爾化學(xué)獎會頒發(fā)給鋰離子電池研究者？鋰離子電池對我們的生活究竟有何重要意義？它的工作原理是什么？讓我們一起走進(jìn)電池的世界！

師：這張表（見表2）是生1課前搜集的電池信息，請大家對這些電池進(jìn)行分類，并說明分類的標(biāo)準(zhǔn)是什么。

生2：一次電池是一次性電池，放電之后不能充電;二次電池可以通過充電恢復(fù)到放電前的狀態(tài)。

設(shè)計意圖：通過諾貝爾化學(xué)獎授予鋰離子電池研究者的科學(xué)熱點引課，使得學(xué)生感受到化學(xué)應(yīng)用于科技的實際意義，并落實學(xué)習(xí)任務(wù)——對生活電池進(jìn)行分類，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的分類觀。

2.環(huán)節(jié)二：基于化學(xué)史的原電池模型應(yīng)用

【任務(wù)1】從微觀角度分析解釋5號“南孚”電池即堿性鋅錳電池的放電原理，并用符號語言表達(dá)電極反應(yīng)。

生3：負(fù)極：Zn - 2e-=Zn2+;正極：Zn2++2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnOOH + Zn（OH）2 。

師：你判斷正負(fù)極的依據(jù)是什么？為什么選擇先寫負(fù)極？

生4：因為原電池發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，我先畫雙線橋，再依據(jù)得失電子判斷電池的正負(fù)極。負(fù)極是金屬單質(zhì)時更容易判斷和書寫，用總方程減去一極的電極反應(yīng)就是另一極的電極反應(yīng)。

生5：負(fù)極電極反應(yīng)書寫不正確，這是堿性環(huán)境，鋅離子要以沉淀的形式析出。

師：現(xiàn)在請大家重新整理兩極的電極反應(yīng)，以小組為單位，總結(jié)概括書寫電極反應(yīng)的一般思路。

生6：Zn + 2OH- - 2e- = Zn（OH）2 ;2MnO2 + 2H2O +2e-=2MnOOH + 2OH- 。

第一步，在總方程中標(biāo)雙線橋——判斷正、負(fù)極;

第二步，書寫好寫的一極電極反應(yīng)——考慮環(huán)境條件;

第三步，用總方程減去一極的電極反應(yīng)得到另外一極的電極反應(yīng)。

生7：我補(bǔ)充，第四步為通過加和進(jìn)行驗證（三大守恒）。

師：一次電池在使用過程中有何局限性？

生8：一次電池使用時間短，污染嚴(yán)重。

設(shè)計意圖：利用最簡單的堿性鋅錳電池建立陌生電池電極反應(yīng)的一般書寫模型，利用小組討論促進(jìn)學(xué)生間的交流與協(xié)助，有助于課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的過程性評價。

【任務(wù)2】從補(bǔ)充反應(yīng)物和移除生成物的角度設(shè)計容器，并應(yīng)用原電池模型和電極反應(yīng)書寫的一般方法繪制氫氧燃料電池微觀圖像。

生9：因為有兩種燃料，原電池原理就是讓氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開，以教室作為比擬，氫氣從前門的口進(jìn)，氧氣從后門的口進(jìn)，兩種氣體分別有自己的產(chǎn)物，因此在另一側(cè)分別有兩個出口（如圖2）。我們小組設(shè)計是酸性條件下的氫氧燃料電池。

生10：原電池中原料的消耗會使得電勢差減小，所以需要半透膜。

師：恭喜大家，你們和科學(xué)家葛洛夫想的一樣。1839年，英國科學(xué)家葛洛夫證明了氫氧燃料電池的原理;1948年，葛洛夫制備出第一個氫氧燃料電池。（見圖3）

師：從反應(yīng)方向的角度來看，某一方向放電，另一個方向充電。1859年，Plante設(shè)計鉛蓄電池，1895年，Junger設(shè)計鎳鎘充電電池。

【任務(wù)3】根據(jù)學(xué)生的采訪視頻——洗車房員工介紹給沒有電的汽車電瓶充電的工作經(jīng)驗，讓學(xué)生分組利用所學(xué)知識對充電過程進(jìn)行合理的理論解釋。

生11：因為是充電，與放電方向相反，但電極反應(yīng)的書寫思路一致。充電負(fù)極（陰極）：PbSO4+ 2e-=Pb + SO42-;充電正極（陽極）：PbSO4 - 2e-+ 2H2O=PbO2 + 4H+ + SO42-。

師：氫氧燃料電池和鉛蓄電池有何局限性？

生12：氫氧燃料電池需要不斷補(bǔ)充原料，原料罐體積大，不便捷;鉛蓄電池容量不夠大，鉛不環(huán)保。

播放視頻（二識諾貝爾鋰離子電池）：2019年諾貝爾化學(xué)獎鋰離子電池發(fā)展，展示鋰離子電池的發(fā)展線（如圖4）。

設(shè)計意圖：從成本和操作上模擬科學(xué)家解決問題的過程，引導(dǎo)學(xué)生挖掘問題本質(zhì)，既體現(xiàn)創(chuàng)新精神，又能讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家的思考?xì)v程，感受科學(xué)研究之趣味及社會發(fā)展的無形力量。課后學(xué)生體驗生活，在采訪中感悟知識的應(yīng)用價值以及利用科學(xué)知識辨識生活本質(zhì)的成就，體現(xiàn)“科學(xué)精神與社會責(zé)任”的核心素養(yǎng)。

【任務(wù)4】根據(jù)鋰離子電池圖示信息，寫出鋰離子電池充電的總反應(yīng)式。

生13：因為圖示信息給出了兩極的電極反應(yīng)，可根據(jù)得失電子判斷正負(fù)極，并將兩極的電極反應(yīng)加和，由此可得充電電池的總反應(yīng)式：LiCoO2+C6 = Li（1-x）CoO2+LixC6。

師：從干電池到燃料電池、鉛蓄電池，再到鋰離子電池，評判電池的優(yōu)劣有什么標(biāo)準(zhǔn)？

生14：體積小，攜帶便捷，耐用，環(huán)保。

師：評判電池耐用的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

生15：查閱資料發(fā)現(xiàn)可依據(jù)能量密度來判斷，即參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小。從表1中看到，充電鋰離子電池能量密度較大，能量利用效率更高。

師：沿著化學(xué)電源發(fā)展的印跡，大家能從化學(xué)學(xué)科角度總結(jié)出電池的研究需要考量哪些方面嗎？

生16：能量利用效率和綠色化學(xué)。

設(shè)計意圖：從具體到一般進(jìn)行方法的總結(jié)，接著落實到應(yīng)用，通過小組互評總結(jié)概括判斷電池優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，同時審視電池發(fā)展史。

3.環(huán)節(jié)三：回顧電源發(fā)展線，三識諾貝爾鋰離子電池，展望未來

師：諾貝爾化學(xué)獎得主99歲的Goodenough提出全固體電池新構(gòu)想并表示：在毀滅性的能源危機(jī)和環(huán)境問題來臨前，我們還有30年的時間研發(fā)新電池并使之商業(yè)化，這就是我去世前要做的事情——留下一個更清潔、更美好的世界！這個艱巨的任務(wù)，必然是由大家一起堅守。

設(shè)計意圖：回歸鋰離子電池，以電池評判標(biāo)準(zhǔn)為參照，以電池發(fā)展史為鑒，尋找新電池的發(fā)展基點，展望未來，再一次體現(xiàn)“科學(xué)精神與社會責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、課堂小結(jié)

本課的教學(xué)設(shè)計有三個亮點：聚焦學(xué)科熱點;基于化學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)思想、社會影響與原電池模型相整合;注重學(xué)生評價。從環(huán)節(jié)評價量表看，學(xué)生對原電池模型的應(yīng)用逐漸清晰明了（見表3和圖5）。

反思：

（1） 對電池分類時，如果告知生活通俗名稱（如干電池、電動車電瓶、手機(jī)電池等），學(xué)生能馬上進(jìn)行分類，但是當(dāng)轉(zhuǎn)換成化學(xué)專業(yè)名詞時學(xué)生就不能及時反饋;課下作業(yè)中如果通過生活情境“用一輛汽車的電瓶給另一輛車的電瓶充電，請用圖示（從電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體、電極、電極反應(yīng)幾個角度）描述微觀原理”來提出要求，學(xué)生表達(dá)的正確率只有1.85%（如圖6），當(dāng)語言改成“用一個充滿電的鉛蓄電池給另一個沒有電的鉛蓄電池充電”時，正確率達(dá)40.74%（如圖6），說明通過轉(zhuǎn)化化學(xué)學(xué)科知識來理解生活應(yīng)用不是一節(jié)課就能夠完成的，同時，將微觀原理與宏觀現(xiàn)象結(jié)合并能用圖像表征對學(xué)生來說也是極大的挑戰(zhàn)，需要長時間的培養(yǎng)。

（2）從課堂反應(yīng)來看，學(xué)生在設(shè)計氫氧燃料電池時有很大障礙，小組內(nèi)基本是由個別學(xué)生設(shè)計成型后其他學(xué)生才能領(lǐng)會設(shè)計意圖，所以在不同層次學(xué)生中，設(shè)計活動的水平層次（開放度）也不一樣。本班采用的是“提供思路+設(shè)計”模式;另一個班采用的是“提供方案理解+思路提煉”模式。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 何森彪，吳文中. 基于化學(xué)史實組織教學(xué) 促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展：以學(xué)生深度學(xué)習(xí)原電池原理為例[J]. 化學(xué)教與學(xué)，2017（4）：36-39.

[2]? 史凡，王磊. 促進(jìn)學(xué)生學(xué)科能力發(fā)展的高一原電池教學(xué)關(guān)鍵策略[J]. 化學(xué)教育，2018（1）：19-26.

[3]? 張青揚，張括志. 掌控電能 綠色出行：基于培育學(xué)科核心素養(yǎng)的“電化學(xué)”復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（Z1）：15-17.

[4]? 王燦. 化學(xué)史中的科學(xué)發(fā)展觀：以“化學(xué)電源”教學(xué)設(shè)計為例[J]. 化學(xué)教學(xué)，2014（8）：31-34.

（責(zé)任編輯 羅 艷）