鄧亞鵬

【摘要】《化學(xué)能與電能》是高中化學(xué)必修階段的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，本節(jié)核心知識“原電池原理”對氧化還原反應(yīng)、化學(xué)能與熱能、化學(xué)電源、電解原理等基本概念和基本理論的學(xué)習(xí)起著承上啟下的作用。本文以此為例，重點通過對銅鋅原電池原理的“宏觀辨識與微觀探析”及“證據(jù)推理”，建立一般的“單池”原電池的“模型認(rèn)知”，實踐探索基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué)；教學(xué)設(shè)計；《化學(xué)能與電能》；原電池原理

【中圖分類號】G633.8【文獻標(biāo)志碼】A【文章編號】1004—0463（2021）11—0120—02

教育部制定的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》指出，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“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)態(tài)度與社會責(zé)任”等五個方面[1]?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)要做到真正的落實，離不開全體化學(xué)教師的具體教學(xué)實踐，特別是在進行課堂教學(xué)設(shè)計時要根據(jù)具體的知識內(nèi)容、采取適宜的教學(xué)方法、設(shè)計高效的學(xué)習(xí)活動，確保學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中實實在在地逐步形成必備品格、關(guān)鍵能力和正確的價值觀念。本文以人教版《化學(xué)2（必修）》第二章第二節(jié)“原電池原理”為例[2]，實踐探索基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計。

一、“原電池原理”教學(xué)設(shè)計

【情景引入】教師利用真實的情景引入，展示新能源汽車與飛機起飛的競速視頻以及其動力電池的結(jié)構(gòu)圖片，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；引導(dǎo)學(xué)生回顧生活中的干電池、紐扣電池、手機電池等；展示實物——音樂賀卡、南孚5號干電池。提出疑問：化學(xué)電池是如何產(chǎn)生電流的？

核心活動一：通過宏觀辨識與微觀探析，初步建立原電池的概念。

教師打開音樂賀卡，音樂響起，取下紐扣電池，音樂停止；重新裝上紐扣電池，音樂再次響起，讓學(xué)生對化學(xué)電池能提供電能，產(chǎn)生電流形成了初步的感性認(rèn)識。

【實驗1】用干電池、靈敏電流計、小燈泡（帶燈座）以及導(dǎo)線組裝成一個串聯(lián)電路，并畫出電路圖。觀察現(xiàn)象：電流表指針偏轉(zhuǎn)（提示學(xué)生注意電流表指針偏轉(zhuǎn)方向與電池正負(fù)極之間的關(guān)系）、小燈泡發(fā)光，說明有電流產(chǎn)生。

【實驗2】將實驗1裝置中的干電池取下，用導(dǎo)線連接鋅片和銅片，平行（不要接觸）插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象。

【學(xué)生討論】學(xué)生討論觀察到的現(xiàn)象，并分析得出結(jié)論。銅片上有氣泡，鋅片上也有少量氣泡并不斷溶解，溶液為無色；燈泡發(fā)光，電流表指針偏轉(zhuǎn)，說明有電流產(chǎn)生。該裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，形成原電池；從電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向判斷，銅片是原電池的正極，則鋅片是負(fù)極。

【板書】定義——將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置稱為原電池。

核心活動二：通過宏觀辨識與微觀探析，證據(jù)推理與模型認(rèn)知，以鋅銅原電池為模型，學(xué)生自主探究原電池的工作原理。

【提出問題】原電池是如何產(chǎn)生電流的？

【提出假說】學(xué)生大膽推測，提出假設(shè)。鋅和稀硫酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，有電子轉(zhuǎn)移；銅片上產(chǎn)生的氫氣不可能是銅和稀硫酸反應(yīng)生成，唯一的可能是鋅失去的電子沿導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到銅片上，整個裝置構(gòu)成完整的閉合電路。

【實驗探究】學(xué)生提出問題，設(shè)計實驗，觀察現(xiàn)象，分析討論，得出結(jié)論。

問題：①Zn和Cu分別能與稀硫酸反應(yīng)生成氫氣嗎？

②如何實現(xiàn)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能？

實驗及現(xiàn)象：

①分別將Zn片、Cu片插入稀硫酸中?，F(xiàn)象：Zn片表面有氣泡產(chǎn)生；Cu片上沒有明顯現(xiàn)象，溶液不變藍色。

②Zn片、Cu片平行（不要接觸）插入稀硫酸中；現(xiàn)象與實驗①相同。

③將Zn片、Cu片用連有電流計和小燈泡的導(dǎo)線連接，并插入稀硫酸中；現(xiàn)象：銅片表面有氣泡，鋅片不斷溶解，溶液為無色，燈泡發(fā)光，電流表指針偏轉(zhuǎn)。

④將實驗③裝置的Cu片換成碳棒，重新實驗?，F(xiàn)象：碳棒表面有氣泡，鋅片不斷溶解，溶液為無色；燈泡發(fā)光，電流表指針偏轉(zhuǎn)。

⑤將實驗③裝置的Zn片換成鎂條，重新實驗。現(xiàn)象：銅片表面有氣泡，鎂條不斷溶解；燈泡發(fā)光，電流表指針偏轉(zhuǎn)。

【學(xué)生討論】教師引導(dǎo)學(xué)生討論以下問題：實驗①Zn與稀硫酸反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移情況？可否用雙線橋畫出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目（為電極反應(yīng)式的書寫做知識儲備）？實驗③為什么有電流產(chǎn)生，如何判斷電子的流向？實驗①和③發(fā)生的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在區(qū)域上有什么不同？

【學(xué)生分析】實驗①證明，Cu不與稀硫酸反應(yīng)；實驗②證明Zn能與稀硫酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)。實驗③的現(xiàn)象說明形成原電池，且Zn為負(fù)極，Cu為正極，溶液不變藍，說明Cu沒有反應(yīng)，只起導(dǎo)電作用；銅片上有氫氣生成，說明H+在銅片上得到電子生成氫氣。那么，H+的電子從何而來呢？從微觀分析，電子的來源只有一個合理的可能性——Zn失電子生成Zn2+進入溶液，電子沿著導(dǎo)線定向移動到銅片上。電子沿導(dǎo)線定向移動必然產(chǎn)生電流，而且電流的方向和電子移動的方向相反，即外電路導(dǎo)線中，電流從Cu片流出，從鋅片流入，所以Cu片是正極，鋅片是負(fù)極。在原電池裝置內(nèi)部，電解質(zhì)溶液中的陰、陽離子定向移動形成電流，電流從負(fù)極流向正極，所以陽離子向正極定向移動，陰離子向負(fù)極定向移動，構(gòu)成完整的閉合回路。實驗③④⑤形成閉合回路的原理相似，都需要有活潑性不同的電極、電解質(zhì)溶液、自發(fā)的氧化還原反應(yīng)、形成閉合回路。

【模型認(rèn)知】以銅鋅原電池為模型，歸納原電池的工作原理，展示小組的學(xué)習(xí)成果。

負(fù)極（鋅）：失去電子，元素化合價升高，發(fā)生氧化反應(yīng)，（外電路）電子流出、電流流入，（內(nèi)電路）陰離子移向負(fù)極。

正極（銅）：得到電子，元素化合價降低，發(fā)生還原反應(yīng)，（外電路）電子流入、電流流出，（內(nèi)電路）陽離子移向正極。

【教師板書】規(guī)范符號標(biāo)準(zhǔn)——電極反應(yīng)式的定義及書寫規(guī)則。用特定的化學(xué)用語表征原電池負(fù)極和正極兩個不同的區(qū)域發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的式子稱為電極反應(yīng)式。

核心活動三：通過小組實驗，自主探究構(gòu)成原電池的一般條件。

【實驗用品】鎂條、銅片、鋁片、鋅片、碳棒各兩個，稀硫酸、NaOH溶液、酒精、橙汁、西紅柿、蘋果，100ml燒杯幾只，靈敏電流計、小燈泡（帶燈座）以及導(dǎo)線若干。

以下是學(xué)生實驗探究活動過程中組裝的數(shù)十個實驗裝置的一部分，在較短的實驗時間內(nèi)，沒有考慮氧氣作用的金屬緩慢腐蝕過程。

構(gòu)成原電池：Zn-碳棒∣稀硫酸；Al-Cu∣NaOH溶液；MgFe∣橙汁；Fe-Cu∣蘋果；Mg-Zn∣一個西紅柿；現(xiàn)象均為電流表指針偏轉(zhuǎn)，燈泡發(fā)光。

不能構(gòu)成原電池：Zn-Zn∣稀硫酸；Fe-Cu∣NaOH溶液；Cu-碳棒∣橙汁；Mg-Zn∣兩個西紅柿；Mg-Fe∣酒精。

【師生歸納】分析以上實驗結(jié)果，得出構(gòu)成原電池的一般條件：兩個活潑性不同的電極；電解質(zhì)溶液；形成閉合回路；自發(fā)進行氧化還原反應(yīng)。

【思考交流】如何根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理來設(shè)計原電池呢？請將反應(yīng)：Zn + Cu2+= Cu + Zn2+設(shè)計成電池，并畫出裝置示意圖。

二、教學(xué)反思

本文嘗試基于“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的課堂教學(xué)設(shè)計。依托銅鋅原電池工作原理的自主實驗探究，通過宏觀辨識物質(zhì)的形態(tài)及變化現(xiàn)象，從微觀層面理解產(chǎn)生電流與物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的聯(lián)系；通過設(shè)計有針對性的問題，組織學(xué)生自主學(xué)習(xí)，逐步樹立證據(jù)意識，能基于證據(jù)對原電池產(chǎn)生電流的原因提出可能的假設(shè)，并通過分析推理加以證實；培養(yǎng)學(xué)生的分析、歸納、推理能力、實驗?zāi)芰?；依?jù)銅鋅原電池工作原理構(gòu)建模型、通過模型認(rèn)知并解決原電池的有關(guān)問題[3]。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018（01）：18-21.

[2]王秀紅，李志航，張冬華.發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的“化學(xué)能與電能”教學(xué)[J].化學(xué)教育（中英文），2020（03）：27-32.

[3]戴雨濛，吳新建，張賢金.基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的對話教學(xué)評析[J].案例研究，2019（07）：51-54.

（本文系2018年度甘肅省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃一般自籌課題《基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)研究》的研究成果，課題立項號：GS[2018]GHB0294）

編輯：張昀