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        基于學(xué)科核心素養(yǎng)的“原電池”課堂實(shí)錄與評析

        2021-09-05 08:16:26姚美霞
        教育周報(bào)·教研版 2021年28期

        姚美霞

        摘要:基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)幫助學(xué)生從原電池的結(jié)構(gòu)、優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)成條件、工作原理構(gòu)建原電池工作原理模型,教學(xué)中運(yùn)用反應(yīng)觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實(shí)驗(yàn)觀等進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì),幫助學(xué)生形成良好的科學(xué)與技術(shù)工程思維能力,從更高層面認(rèn)識原電池蘊(yùn)含的深刻概念和原理。

        關(guān)鍵詞:模型探究;化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);原電池

        一、教學(xué)設(shè)計(jì)思想

        化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨析與微觀探析”“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)態(tài)度與社會責(zé)任”個(gè)各方面[1]。筆者基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),通過模型探究,落實(shí)反應(yīng)觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實(shí)驗(yàn)觀等化學(xué)基本觀念,從根本上改善優(yōu)化學(xué)生對原電池知識能力系統(tǒng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu),為電化學(xué)教學(xué)增添創(chuàng)新的科學(xué)思維和工程方法,拓寬化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)途徑。

        二、教學(xué)內(nèi)容與方法

        “原電池”是選修4第四章電化學(xué)基礎(chǔ)的第一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容,同時(shí)也是必修2第二章化學(xué)能與電能的拓展和深化,在電化學(xué)中起著承上啟下的重要作用。原電池涉及的概念、原理抽象又集中,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中總會存在一些困難,而這些困難會從學(xué)生接觸電化學(xué)開始一直延續(xù)到電解池、金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)等方面的學(xué)習(xí)。

        運(yùn)用反應(yīng)觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實(shí)驗(yàn)觀等進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì),幫助學(xué)生從原電池的結(jié)構(gòu)、優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)成條件、工作原理構(gòu)建原電池工作原理模型,從而形成良好的科學(xué)與技術(shù)工程思維能力,從更高層面認(rèn)識原電池蘊(yùn)含的深刻概念和原理。

        三、學(xué)情分析

        學(xué)生通過必修2第二章化學(xué)能與電能的學(xué)習(xí),知道了原電池的構(gòu)成條件和工作原理,但只是停留在表面上的認(rèn)識,對其中的概念理解比較模糊,學(xué)生的抽象思維不夠強(qiáng)。

        四、教學(xué)目標(biāo)

        (1)通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從宏觀到微觀分析,從裝置要素和原理要素角度初步建構(gòu)“原電池思維模型”;

        (2)通過“Zn︱H2SO4︱Cu”模型的實(shí)驗(yàn)探究,基于數(shù)據(jù)推理分析原電池的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn),繼而得出“負(fù)極區(qū)”、“正極區(qū)”、“鹽橋”等抽象概念和選擇負(fù)極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路和方法;

        (3)學(xué)生能依據(jù)前面探究形成的認(rèn)知基礎(chǔ),分析、討論與交流,在新情境下對原電池相關(guān)概念進(jìn)行普遍性推廣與廣義化理解,進(jìn)一步鞏固“原電池思維模型”的運(yùn)用。

        五、教學(xué)實(shí)錄

        5.1 宏微分析,構(gòu)建單液原電池思維模型[1]

        【學(xué)生活動1】觀看銅鋅原電池視頻,根據(jù)宏觀現(xiàn)象,完成以下任務(wù):

        (1)請?jiān)趫D1中標(biāo)出正極和負(fù)極,標(biāo)出外電路的電子移動情況

        (2)寫出原電池負(fù)極和正極的電極反應(yīng);

        (3)標(biāo)出原電池中內(nèi)電路的離子移動情況;

        (4)將銅鋅原電池的圖形轉(zhuǎn)化為電池符號

        “負(fù)極︱電解質(zhì)溶液︱正極”的簡單形式[3]。

        【設(shè)計(jì)意圖】通過銅鋅原電池實(shí)驗(yàn)視頻回顧原電池的構(gòu)成條件和原電池的工作原理,既能更好地切入思考,構(gòu)建單液原電池思維模型,又能提升課堂教學(xué)有效性,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

        5.2 基于“Zn︱H2SO4︱Cu”模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)探究,理解原理[2]

        【實(shí)驗(yàn)探究】如下圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果:15分鐘后裝置A、B、C測得的溫度如圖示,裝置B中鋅片表面產(chǎn)生大量氣泡。裝置C中鋅片表面產(chǎn)生少量氣泡,銅片表面產(chǎn)生大量氣泡,電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。分析數(shù)據(jù),完成學(xué)生活動2.

        【學(xué)生活動2】分析以上實(shí)驗(yàn)裝置和對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),完成以下任務(wù):

        (1)裝置A的作用是什么?

        (2)結(jié)合裝置B和裝置C的數(shù)據(jù),分析裝置②和裝置③溫度升高以及升高幅度不同的原因。

        (3)判斷一個(gè)電池的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)有哪些?

        (4)如何能提高原電池中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)換效率?

        【設(shè)計(jì)意圖】從學(xué)生最原始的想法入手,層層遞進(jìn),從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出單液原電池設(shè)計(jì)的缺陷,引出改進(jìn)原電池裝置的必要性。這樣的處理利于學(xué)生培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析能力、證據(jù)推理和模型認(rèn)知。

        5.3 雙液原電池工作原理的探究[4]

        【教師】通過前面的科學(xué)探究,我們不難發(fā)現(xiàn)原電池“Zn︱H2SO4︱Cu”有內(nèi)部反應(yīng)(短路)問題,從而降低電池效率,發(fā)生內(nèi)部短路致部分電子直接轉(zhuǎn)移給溶液中的H+,導(dǎo)致反應(yīng)熱一部分直接轉(zhuǎn)化為熱能。那么,如何設(shè)計(jì)才能把原電池中的電解質(zhì)溶液中的得電子離子與負(fù)極物質(zhì)分開?

        【學(xué)生活動3】觀察右圖,完成以下任務(wù):

        (1)若該選用了KCl-瓊脂鹽橋,指出鹽橋中的K+和Cl-的移動方向。

        (2)寫出該原電池負(fù)極和正極的電極反應(yīng)。

        (3)寫出選擇負(fù)極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路和方法。

        (4)將原電池的圖形轉(zhuǎn)化為電池符號。

        【設(shè)計(jì)意圖】首先,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工程思維,采用“隔離”技術(shù),將電解質(zhì)溶液中的得電子離子與負(fù)極物質(zhì)分開,以避免它們相互直接接觸,得出“負(fù)極區(qū)”、“正極區(qū)”等概念。然后,借助“鹽橋”構(gòu)成閉合回路,初步建立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的有序性。最后,通過學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)一步鞏固原電池工作原理和選擇負(fù)極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路和方法。構(gòu)建雙液原電池思維模型。

        5.4 課堂總結(jié),能力提升

        【學(xué)生活動4】將反應(yīng)Fe+2Fe3+= 3Fe2+的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,完成以下任務(wù):

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