摘要：化學(xué)概念不僅是重要的基礎(chǔ)知識，還是培育核心素養(yǎng)的重要素材。以高一必修《化學(xué)能與電能》為例，基于“實驗—性質(zhì)—原理”三元整合策略（簡稱三元整合策略）制造認(rèn)知沖突，圍繞實驗、媒體、社會等素材創(chuàng)設(shè)問題鏈，培育從宏觀辨識到微觀探析，從證據(jù)推理到建立模型，從科學(xué)探究到社會責(zé)任，促進(jìn)各種學(xué)科能力的協(xié)同發(fā)展，獲得很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：三元整合策略；實驗—性質(zhì)—原理；化學(xué)核心素養(yǎng)；化學(xué)概念；原電池

文章編號：1008-0546（2021）10-0026-06中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.007

*本文系廣州教育學(xué)會2019年教育科研課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的元素化合物教學(xué)設(shè)計與實施”（編號：KTLX1201930406）成果。

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

人教版高一必修2第二章第一節(jié)《化學(xué)能與電能》包括原電池基本概念、反應(yīng)本質(zhì)、裝置連接、表征方式、在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用等。其主題內(nèi)容承前啟后，既是必修1中氧化還原反應(yīng)知識的實際應(yīng)用，又是選修4中雙池原電池和電解池的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，更為新型電池的認(rèn)識與設(shè)計提供一般模型。另外，本課還涉及控制條件、有序思維等化學(xué)思想和宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)。原電池既是人類生活的必需化學(xué)物質(zhì)，又是化學(xué)學(xué)科的核心概念之一?；瘜W(xué)概念不僅是重要的基礎(chǔ)知識，概念建構(gòu)過程還承載著發(fā)展學(xué)生學(xué)科能力的功能。本課能讓學(xué)生體驗到學(xué)科概念的建立是依據(jù)大量實驗事實歸納提煉生成，進(jìn)而建立認(rèn)知模型，并在新的情境中運(yùn)用概念模型進(jìn)行變式訓(xùn)練，鞏固、內(nèi)化新概念，形成概念系統(tǒng)，為后續(xù)章節(jié)打下知識、方法和觀念的基礎(chǔ)。

概念教學(xué)，目前存在照本宣科、死記硬背等簡單處理現(xiàn)象，課堂往往“一步到位”給出概念，缺乏“演繹”和“同化”，不注重概念的生成和內(nèi)化。教學(xué)設(shè)計只關(guān)注概念本身，只關(guān)注知識與技能的教學(xué)，忽略概念的階段性、延續(xù)性、整合性，造成知識碎片化，缺乏系統(tǒng)性。概念學(xué)習(xí)，深度不夠，無法遷移。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點

知識本位的認(rèn)識大大壓縮概念形成過程的教學(xué)，存在嚴(yán)重“重結(jié)果、輕過程”的傾向。在引入概念時沒有讓學(xué)生獲得足夠的感性認(rèn)識，致使部分學(xué)生只能死記概念的內(nèi)涵和外延，通過做題套用、強(qiáng)化概念，缺少概念與相關(guān)知識的融合。為了追求“短、平、快”的眼前利益，部分課堂甚至用口頭描述代替課堂演示實驗和學(xué)生實驗。這樣，學(xué)生只能“看到”完美無缺的“感性材料”，完全沒有了與“意外”和“失敗”親密接觸的機(jī)會[1]。鑒于此，本課創(chuàng)新點主要有3點：

（1）利用三元整合策略建構(gòu)化學(xué)概念。三元整合策略是指在課堂上圍繞核心知識（可能是元素化合物，也可能是基本理論或核心概念）進(jìn)行整合型實驗，實驗完成后設(shè)置涉及化學(xué)實驗、反應(yīng)原理和元素化合物性質(zhì)的整合型問題，組織學(xué)生分析思考、相互討論，最后實現(xiàn)多種知識與能力的有效建構(gòu)[2]。“三元”與“概念”“素養(yǎng)”的關(guān)聯(lián)見圖1。這是通過學(xué)生親歷實驗過程，強(qiáng)化感知過程，重視表象觀察，揭示本質(zhì)內(nèi)涵。

（2）整合豐富多樣的素材發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。本課圍繞原電池的相關(guān)內(nèi)容，整合了實驗、媒體、社會等素材，具體見表1，從宏觀辨識到微觀探析再到符號表征；從證據(jù)獲取到推理分析再到建立模型；從科學(xué)探究到科學(xué)精神再到社會責(zé)任各方面促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。

（3）符合概念課課型特征，提出有層次的由知識轉(zhuǎn)化為能力素養(yǎng)的學(xué)科能力活動，見圖2。

三、學(xué)情分析

1.學(xué)情分析

學(xué)生在初三課本和高中必修2第二章第一節(jié)已感受到化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為熱能，對能轉(zhuǎn)化為其他能量有預(yù)設(shè)，只是不知道如何轉(zhuǎn)化，例如電能。另外，學(xué)生在必修1“氧化還原反應(yīng)”中已掌握氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)就是電子轉(zhuǎn)移，根據(jù)物理學(xué)知道電子的定向移動能產(chǎn)生電流。但是學(xué)生已有知識儲備中氧化劑和還原劑是直接接觸反應(yīng)，要實現(xiàn)分開兩個半?yún)^(qū)的反應(yīng)從而引起電子流動是很大的知識沖突，這將會對原電池的本質(zhì)、模型的理解有莫大影響；另外，往屆學(xué)生深受“鋅銅稀硫酸原電池”的影響，總會形成“負(fù)極一定要能與電解液反應(yīng)，否則不能構(gòu)成原電池”的模糊概念，對選修4“吸氧腐蝕”在生活中的應(yīng)用有顯著的抑制作用。同時，學(xué)生控制條件意識、有序思維、證據(jù)推理、模型建立等也處于低級水平，對本課設(shè)計原電池的發(fā)散性探究活動也會帶來一定影響，因此要提前做好引導(dǎo)。

2.教學(xué)目標(biāo)

（1）基于開篇演示實驗的現(xiàn)象進(jìn)行證據(jù)推理，證明化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，建立原電池的基本概念和工作原理，實現(xiàn)“宏觀現(xiàn)象-微觀本質(zhì)-符號表征”的三重表征教學(xué)。

（2）通過讓學(xué)生自行設(shè)計多種不同的原電池裝置，初步培養(yǎng)學(xué)生控制實驗條件的意識和實驗設(shè)計思路的有序思維，提升科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)。

（3）通過氫氧燃料電池裝置的設(shè)計，抽出原電池的本質(zhì)，幫助學(xué)生初步建立電池模型，培養(yǎng)模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

（4）通過“形成原電池”“設(shè)計原電池”“原電池模型”三個逐步提升的認(rèn)知活動，幫助學(xué)生透過現(xiàn)象層層深入理解、掌握“原電池”新概念的本質(zhì)，從“氧化還原反應(yīng)”→“分開兩個區(qū)域形成電子流動”→“電極材料不一定參與得失電子”，避免形成模糊概念，培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想的化學(xué)核心素養(yǎng)。

（5）從火力發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵匕l(fā)電再到當(dāng)今的燃料電池，感受到化學(xué)學(xué)科對人類生活和社會發(fā)展帶來的巨大幫助，營造化學(xué)學(xué)科使命感，培育科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。

四、教學(xué)流程

基于以上分析，結(jié)合三元素材，制造認(rèn)知沖突，設(shè)置問題引導(dǎo)，實現(xiàn)素養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計本節(jié)課的教學(xué)流程，如圖3。

五、教學(xué)實錄

1.對照實驗，制造沖突

【展示】播放實驗視頻：鋅、銅不連接和用導(dǎo)線連接分別放到稀硫酸中，見圖4實驗裝置。

【教師】注意觀察兩個對照實驗中實驗裝置的異同？根據(jù)已有知識解釋裝置1溶液溫度升高的原因。

【學(xué)生】觀察并記錄現(xiàn)象，回答問題。

【學(xué)生甲】裝置相同的是：等體積等濃度的稀硫酸；相同的鋅片與銅片；鋅片插入稀硫酸的時間相同。不同的是：裝置1鋅、銅是直接放進(jìn)稀硫酸中但不相互接觸，裝置2鋅、銅用導(dǎo)線連接放進(jìn)稀硫酸中。

【學(xué)生乙】鋅和稀硫酸反應(yīng)放熱，所以裝置1溶液溫度升高。

【教師】請猜測裝置2中溶液溫度升高幅度小于裝置1的原因。

【學(xué)生甲】有部分能量散失到空氣中。

【學(xué)生乙】根據(jù)能量守恒，有一部分能量以其他形式表現(xiàn)。

【教師】請預(yù)測裝置2中部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成何種形式？如何證明。

【學(xué)生甲】可能轉(zhuǎn)化成電能?？梢越右粋€燈泡。

【學(xué)生乙】我也認(rèn)為是轉(zhuǎn)化成電能。還可以接一個電流表。

2.合理預(yù)測，證據(jù)推理

【展示】裝置2中的鋅、銅用二極管連接放到稀硫酸中。

【教師】請解釋裝置2二極管變亮的原因。

【學(xué)生甲】裝置2中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。

【學(xué)生乙】裝置2形成電路，有電子的流動。

【教師】這種可以使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置就叫原電池。請預(yù)測電路中電子的流動方向并提出依據(jù)。

【學(xué)生甲】電子由鋅片流出，經(jīng)過銅片進(jìn)入溶液形成回路。

【學(xué)生乙】根據(jù)金屬活動性順序表可知鋅比銅活潑，所以鋅更容易失去電子，沿著導(dǎo)線聚集在銅片表面，但不能進(jìn)入溶液。

【教師】按照物理學(xué)的知識可知電子應(yīng)該在導(dǎo)線上傳遞，基于金屬活動性順序表的預(yù)測有一定的合理性，下面我們看看能否通過裝置2的實驗現(xiàn)象進(jìn)一步說明電子的流動方向。

【學(xué)生】按照裝置2完成分組實驗，記錄現(xiàn)象。

3.宏微結(jié)合，建立概念

【學(xué)生】我們小組觀察到：鋅片和銅片表面均有氣泡。

【教師】鋅片表面產(chǎn)生氣泡不奇怪，我們目前先集中思考：銅片表面產(chǎn)生氣泡的成分及其可能成因。

【學(xué)生甲】從體系的元素角度看，很可能是H2，當(dāng)然也可能是O2。

【學(xué)生乙】電子由鋅片經(jīng)過導(dǎo)線流向銅片，溶液中H+獲得電子變成氫原子，進(jìn)而結(jié)合成H2。

【學(xué)生丙】我覺得金屬銅也能提供電子，溶液中H+獲得電子變成H2。

【學(xué)生丁】根據(jù)金屬活動性順序，鋅比銅更容易失去電子，如果銅失電子就變成銅能置換出氫氣不合理，而且也無法做到電子轉(zhuǎn)移不合理。

【展示】播放鋅銅稀硫酸原電池微觀粒子移動Flash。

【教師】請用化學(xué)符號表示鋅片、銅片表面發(fā)生的反應(yīng)。

【學(xué)生】基于宏觀現(xiàn)象結(jié)合微觀粒子移動行為進(jìn)行符號表征。

【教師】在鋅片上發(fā)生反應(yīng)：Zn-2e-=Zn2+，為氧化反應(yīng)，作原電池的負(fù)極；在銅片上發(fā)生反應(yīng)：2H++ 2e-=H2↑，為還原反應(yīng)，作原電池的正極。

【教師】裝置1也發(fā)生反應(yīng)：Zn+2H+=Zn2++H2↑，為何裝置1不能產(chǎn)生電流？

【學(xué)生】裝置1中是鋅和硫酸直接接觸的氧化還原反應(yīng)，不存在電子通過導(dǎo)線的轉(zhuǎn)移，因此沒有電流產(chǎn)生。

【教師】要使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能構(gòu)成原電池裝置，關(guān)鍵就要使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在不同的區(qū)域進(jìn)行，并使其間的電子轉(zhuǎn)移。在裝置上有何要求？

【學(xué)生】要像裝置2一樣：有兩個電極材料，燒杯中要有溶液，還要有導(dǎo)線連接。

4.組裝電池，鞏固轉(zhuǎn)化

【教師】根據(jù)已具備的氧化還原反應(yīng)知識和電學(xué)知識，利用以下提供的實驗用品，組裝盡可能多的原電池裝置，請預(yù)測不同組裝的原電池電流大小情況，連接電流表檢驗自己的預(yù)測。（實驗用品：鋅片、銅片各2片、石墨棒2根；橙汁、稀硫酸、酒精；燒杯、電流表、導(dǎo)線等。）組裝前先思考：如何才能組裝出盡可能多的電池但又不重復(fù)？

【學(xué)生】要有控制變量的意識，先改變電極材料的種類，再改變電解液的種類。

【學(xué)生】組裝電池、分組實驗、記錄現(xiàn)象。

【教師】根據(jù)不同組合的原電池裝置（部分見圖5），結(jié)合電流大小、裝置組成你有什么結(jié)論。

【學(xué)生甲】相同的電解液，電極材料不同，電流大小不同。

【學(xué)生乙】相同的電極材料，電解液不同，電流大小不同。

【學(xué)生丙】金屬片相同時或使用酒精時發(fā)現(xiàn)不產(chǎn)生電流。

【教師】為了實現(xiàn)使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在不同的區(qū)域進(jìn)行，并使其間的電子轉(zhuǎn)移。在原電池最簡易的模型中要求兩個不同的電極、電解質(zhì)溶液并用導(dǎo)線連接形成閉合回路。

5.建立模型，設(shè)計電池

【教師】日常生活需要大量的電池，一次性電池回收處理難度不小，給十九大生態(tài)文明建設(shè)明確提出的“綠水青山就是金山銀山”帶來巨大挑戰(zhàn)。而燃料電池是一種高效、對環(huán)境友好的發(fā)電裝置，其中一種原理是2H2+O2=2H2O。請構(gòu)思該電池的裝置圖并說出你的思路。其中你發(fā)現(xiàn)什么困難？

【學(xué)生】根據(jù)已有知識設(shè)計燃料電池，記錄困難。

【學(xué)生甲】該裝置的電極材料不知道是什么。

【學(xué)生乙】H2和O2不可能是電極材料，但是它們卻是反應(yīng)物，不知如何處理。

【學(xué)生丙】根據(jù)方程式，可以判斷出H2在負(fù)極失電子，O2在正極得電子，但是后面就沒思路了。

【展示】播放實驗視頻：利用石墨電解水產(chǎn)生的H2和O2在電極石墨的條件下形成原電池使小燈泡變亮，見圖6。

【教師】原電池裝置的本質(zhì)是使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在不同的區(qū)域進(jìn)行，能使電子轉(zhuǎn)移。根據(jù)方程式中化合價的分析可以找出氧化劑與還原劑，再結(jié)合物質(zhì)狀態(tài)就可以構(gòu)造出基本裝置。要糾正以下模糊概念：必須要不同電極材料、負(fù)極必須能和電解液反應(yīng)等。原電池基本模型見圖7。

六、教學(xué)效果與反思

1.學(xué)習(xí)效果

課后布置調(diào)研題目：能否利用反應(yīng)Cu+2FeCl3= CuCl2+2FeCl2實現(xiàn)由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能？若能，請畫出其電化學(xué)裝置（作好試劑標(biāo)注）；若不能，則說明理由。檢測情況統(tǒng)計如表2。

課后檢測情況見表2，教學(xué)效果良好。

2.教學(xué)反思

（1）部分學(xué)生通過課本、微課、機(jī)構(gòu)已對原電池有一定認(rèn)識，但是片面的、模糊的。因此，前測的學(xué)情分析是有效教學(xué)的前提。教師只有全面準(zhǔn)確地了解學(xué)生的迷思概念，尊重學(xué)生的已有認(rèn)知，思考學(xué)生的發(fā)展需求，才能使課堂教學(xué)精準(zhǔn)到位。因此建議一定要在學(xué)情分析的基礎(chǔ)上組織教學(xué)[3]。

（2）要靈活運(yùn)用教材創(chuàng)造性的整合素材?；钣媒滩氖切抡n程背景下提出來的全新理念，它賦予了教師駕馭新教材的靈活性。本課創(chuàng)造性地重新編排了若干實驗：①增加鋅銅稀硫酸是否用導(dǎo)線連接的溫度測定對照實驗，引出化學(xué)反應(yīng)除熱能以外的其他能量變化形式；②增加將鋅銅稀硫酸原電池導(dǎo)線換成二極管的實驗，證明化學(xué)能可以轉(zhuǎn)變成電能；③深入分析鋅銅稀硫酸原電池觀察到的現(xiàn)象，建立原電池相關(guān)概念和進(jìn)行符號表征；④利用課本科學(xué)探究實驗提出新要求：組裝盡可能多的原電池裝置并說明依據(jù)，從而培養(yǎng)學(xué)生控制實驗條件的意識和實驗設(shè)計思路的有序思維；⑤增加氫氧燃料電池裝置的實驗設(shè)計，幫助學(xué)生突破迷思概念，完善原電池的認(rèn)知模型。因此建議要將新教材從“教本”向“學(xué)本”轉(zhuǎn)變，教師要將靜態(tài)的教材內(nèi)容“活化”為生動的教學(xué)生成過程，要在教學(xué)過程中能動性、個性化、創(chuàng)造性地實踐[4]。

（3）三元整合策略主張基于學(xué)生在化學(xué)實驗、物質(zhì)性質(zhì)、基本原理三大版塊的已有知識創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，以“認(rèn)知沖突”作為課堂教學(xué)的研究線索貫穿始終，以考綱要求的知識、方法、能力和素養(yǎng)為教學(xué)暗線，圍繞驅(qū)動問題不斷提出解釋和修正解釋。本課在不同教學(xué)環(huán)節(jié)均設(shè)計了不同難度的認(rèn)知沖突，學(xué)生一般不能迅速知道從何入手解決，這樣才能區(qū)分哪些學(xué)生是能夠自覺使用化學(xué)工具進(jìn)行有序思考。因此建議要提高課堂教學(xué)的有效性，關(guān)鍵要制造有意義的涉及內(nèi)容眾多或者出現(xiàn)認(rèn)知沖突的“問題”。

（4）作為對概念教學(xué)增長點的定位，建立原電池概念并不是本節(jié)課的核心目標(biāo)，學(xué)生要學(xué)會利用已有知識結(jié)合證據(jù)進(jìn)行推理才是核心目標(biāo)，能做到圍繞宏觀事實進(jìn)行微觀分析并完成符號表征才是核心目標(biāo)，能做到控制變量進(jìn)行有序思考才是核心目標(biāo)，能不斷地圍繞認(rèn)知沖突建立模型、完善模型才是核心目標(biāo)，能通過認(rèn)識原電池、組裝原電池、設(shè)計原電池的活動使知識經(jīng)驗結(jié)構(gòu)化、程序化、系統(tǒng)化才是核心目標(biāo)。因此建議概念教學(xué)也要注意這種思維方式的指導(dǎo)，學(xué)生在解決類似問題時才能有法可依、目標(biāo)明確、思路清晰。

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