楊茵

摘要：具身認知是一種全新的認知范式。以“原電池的原理及應用”為例，闡述具身認知視域下的高中化學教學是學生身體體驗的過程，更加注重認知的情境性，更加注重參與體驗，更加注重合作交流。讓學生以體認的方式認識化學世界，發(fā)展學生的思維能力，提升學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：具身認知;體驗;化學課堂;原電池;應用

文章編號：1008-0546（2022）04-0066-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.014

20世紀70年代以來，認知科學領域經歷了一場重大變革，從關注學習者“心理”發(fā)展為重點的“離身認知”，走向意識到身體的參與對學習者意義建構重要性的“具身認知”。葉浩生教授是國內第一個為具身認知作出較完整定義的學者，他認為具身認知可以從三個視角解讀：第一，身體的狀態(tài)直接影響著認知過程的進行，知覺和運動系統(tǒng)在概念形成和理性推理中扮演了要素角色;第二，大腦與身體的特殊感覺—運動通道在認知的形成中扮演著非常重要的角色，概念的使用涉及到真實體驗的感覺一運動狀態(tài)的再激活;第三，認知是基于身體的，而身體處在環(huán)境的大背景下，認知、身體和環(huán)境組成了一個動態(tài)的統(tǒng)一體[1]。

隨著具身認知理論的發(fā)展，把具身認知理論應用于教學的研究也逐漸興起。具身學習理論強調學習者學習過程的具身性，讓學習者的心智、身體與環(huán)境不斷交互包容，在此過程中學習概念，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，掌握原理。這與化學教學中常用的實驗探究、觀察思考、證據推理、模型認知等的研究方法非常契合。具身認知視域下的高中化學課堂，教師在教學中應強化情境性、具身性以及交互性的設計。具體可通過創(chuàng)設真實、探究的教學情境調動學生動手的積極性;通過問題討論增加師生、生生交互性;借助實驗以體認的方式認識化學世界，形成化學經驗。從而使學生在親歷中感受到豐富的、直接的體驗，使課堂更開放和有意義，有效提高教學的實效性，發(fā)展學生的化學學科素養(yǎng)。

筆者以原電池的原理及應用高二復習課教學設計為例，談談具身認知視域下的化學課堂體驗教學。

一、課前思考

復習課是我們教學中一種重要的課型，它可以診斷和彌補新授課中的不足，幫助學生建構系統(tǒng)化和結構化的知識網絡。但若還是像新授課一樣僅僅關注知識點的講解，學生會覺得“炒冷飯”，沒意思。因此，本節(jié)課從具身認知角度對學科知識進行重構，以研究主題為中心，以問題為導向，以探究為載體，以實驗為抓手，充分發(fā)揮了學生的主動性，讓學生在一個動態(tài)、開放的環(huán)境中接收知識，培養(yǎng)學生實驗動手能力和創(chuàng)新精神，注重滲透核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，讓學生感受化學科學的生活價值、社會價值。

整節(jié)課明暗兩條線索貫穿課堂研究的始末，明線以“設計裝置使LED燈發(fā)光”為研究主題，三個探究性問題：“為什么會亮”“如何使它亮”“如何更亮，亮的時間更長”培養(yǎng)學生在實際問題解決過程中不斷遷移應用化學知識的能力，鍛煉學生開闊的思路，提升學生思維水平。同時以電池發(fā)展史教學素材為暗線，沿著原電池科學發(fā)展軌跡，從電池材料和電池結構兩個方面的發(fā)展幫助學生厘清原電池工作原理在具體的應用實踐中研究的視角和路徑。

本節(jié)課設定的教學目標為：

1.通過對真實問題情境“如何使LED燈亮”的探索，經歷思考、討論、實驗等交互活動過程，讓學生的心智、身體與環(huán)境不斷交互“碰撞”，獲取對學科知識的“活”的生活體驗。

2.從電勢差角度深度理解原電池的工作原理，發(fā)展學生宏微探析的能力。

3.能運用原電池工作原理設計簡單原電池裝置，培養(yǎng)學生探究與實踐實際運用知識的能力。

4.通過對電池發(fā)展史的了解，理解社會生活中的科學，感受到化學對人類生活的改變。

二、教學過程

1.創(chuàng)設情境，激發(fā)興趣

[引入]小侄兒的自然課老師要求用家里的物品

設計裝置使LED燈亮起來?，F(xiàn)在家里有這些物品。

[情境]有鉛筆、水、水杯、泡沫塑料盒、銅鑰匙、鐵釘、帶鱷魚夾的導線、檸檬、9V南孚電池、LED燈、魚缸增氧泵、硫酸銅、袋裝食鹽等物品。如何設計裝置讓LED燈亮起來？

[討論一]LED燈為什么會亮？

[學生]有電流。

[過渡]該裝置實現(xiàn)了能量怎樣的轉化？這樣的裝置稱為什么裝置？

[學生]原電池：化學能轉化為電能

設計意圖：具身認知認為大腦嵌入身體，身體嵌入環(huán)境，三者構成了一體的認知系統(tǒng)[2]。身體一旦離開了情境，大腦的工作往往是機械性的，所以，通過創(chuàng)設“如何設計裝置使LED燈亮起來”的實驗問題情境，給學生創(chuàng)造充足的與環(huán)境互動的機會，調動學生的多種感知覺經驗，讓學生身臨其境地去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，這樣不僅能調動學生學習積極性，還能促進學生認知的發(fā)展。

2.動腦動手，探索路徑

[討論二]你能想到幾種方法讓LED燈亮起來？

[學生1]鐵釘、銅鎖插入檸檬中，連接導線與LED燈連起來。

[學生實驗1]鐵銅“水果電池”使電流表指針偏轉，但不能使LED燈亮。

[提問]鐵銅“水果電池”是否構成電源？為什么LED燈不亮？

[學生回答]構成電源，但電壓小，所以LED燈不亮。

[講述]水果電池也是電源，依據“鐵銅水果電池”畫出等效電路圖。電池中存在電勢高低。

[提問]鐵銅兩極那端電勢高？

[展示]鐵銅原電池等效電路圖（圖1）

[講述]電子從電勢低的負極流出，定向移動形成電流。

[學生2]用導線把9V電池和LED燈連起來。

[解釋]想法很好，但LED燈功率比較小，只有3V，9V電池接上去電壓大會爆掉。

[學生3]削鉛筆取鉛筆芯，和鐵釘、食鹽水、導線構成原電池產生電流。

[學生實驗2]鐵棒-石墨棒-食鹽水電池使LED燈亮。

[提問]正負極上什么物質在反應？

[學生]書寫電極反應式

[講述]這與我們熟悉的鋼鐵吸氧腐蝕發(fā)生的反

應是不是一樣的？其實這里就是發(fā)生了鐵的吸氧腐蝕，氧化劑來自于空氣中的氧氣。我們知道很多金屬都能和氧氣反應，科技工作者由此制成了金屬空氣電池。

[展示]金屬空氣電池結構圖（圖2）

[提問]多孔正極的作用？

[介紹]其中鋅-空氣電池是研究最多且已廣泛應用的一種電池，用途之一可用作助聽器專用電池。

設計意圖：身體經驗是建構知識的源泉之一，能讓學生感受到課本知識“活”起來了，與生活環(huán)境“接軌”。通過問題討論增加師生、生生交互性，獲得多種實驗方案;借助實驗以體認的方式獲得直觀感受，引發(fā)認知沖突，簡單原電池裝置可以生電，但不一定有穩(wěn)定電壓，這樣建構知識的認知方式能讓學生印象深刻。同時由簡單的原電池工作原理類推出復雜的具有廣泛應用的金屬空氣電池，培養(yǎng)學生對感知的情境進行類比應用的能力。從而使學生在親歷中感受到豐富的、直接的體驗，使課堂更開放和有意義，有效提高教學的實效性，發(fā)展學生的化學學科素養(yǎng)。

3.小組探究，提升功能

[討論三]如何讓LED燈更亮，維持時間更長？

[講述]要使LED燈更亮，維持時間更長，也就是要增大電勢差，增大電容量。有哪些方法？

[學生]可以把幾個水果電池串聯(lián)起來

[PPT]方法1.串聯(lián)

[講述]這個方法1800年伏打就使用了，他把鋅

板、銅板之間夾含食鹽水的濕布，一層一層疊起來制成伏打電堆成功產生了電火花，提供人們研究直流電的可能性。伏打電堆就是課本上介紹銅鋅硫酸原電池的雛形。

[學生實驗3]多個鐵銅“水果電池”串聯(lián)使LED燈亮

[提問]我們知道單液原電池有很多缺陷，例如能量轉化率很低。轉化效率低的原因？如何進行改造？

[學生]氧化劑和還原劑直接接觸，部分能量以熱能形式散發(fā)出去。可以把單液電池變?yōu)殡p液電池，將氧化與還原分開，讓電子的運動有序。

[PPT]方法2.改變電池結構

[介紹]1836年丹尼爾發(fā)明雙液電池，用鹽橋構成閉合回路，能形成穩(wěn)定電流，

[提問]雙液電池中哪端電勢高？鋅、銅電勢差產生原因？

[講述]金屬在鹽溶液中的“溶解沉積”平衡（圖3）。

所以，鋅棒上帶負電荷，同時吸引溶液中異種電荷;銅棒上帶正電荷，同時吸引溶液中的異種電荷。

[PPT]播放動畫，鋅棒和銅棒上產生電勢差的原因（圖4）

[講述]鋅棒和銅棒上產生電勢差，鋅電勢低，銅電勢高。[提問]當用導線把鋅棒和銅棒連接，導線中發(fā)生

什么變化？[過渡]丹尼爾電池并不能廣泛使用，因為體積太

大。真實的第一個實用電池1887年赫勒森發(fā)明的干電池，和我們現(xiàn)在用的干電池差不多。

[展示]赫勒森干電池結構

[介紹]電解質不是溶液，而是糊狀的氯化銨，便于攜帶。

[過渡]如果我們再來看新型的電池，內部結構又發(fā)生改變，是螺旋狀的，正極、負極、電解質和隔膜都壓成片狀，螺旋狀卷起來。

[展示]新型干電池解剖圖

[提問]隔膜（離子半透膜）起了什么作用？

[學生]隔離正極和負極，防止接觸產生短路;讓離子能順利通過，溝通離子通路。

[提問]大家想要的電池是什么樣的？

[學生]質量輕，方便攜帶，提供電能大，便宜。

[過渡]電化學里把電能除以質量，得到一個參數叫比能量。就是參與反應的單位質量的電極材料放出電能的多少。比能量越高，電池是不是越好，滿足大家希望的質量輕、電能大的要求。所以科學家們需要尋找比能量高的物質。

[PPT]方法3.改變電極反應物

[提問]比能量怎么求？請以鋅為例進行計算。

[講述]老師把常見金屬算了一下，排了個隊。

[PPT]負極反應物角度尋找比能量高的物質（1）金屬中的比能量大小順序：

[講述]雖然鈹的比能量高，但是有劇毒，不能使用，所以我們現(xiàn)在常用電池的負極材料是鋰鋁鎂。尤其是鋰系電池，鋰系電池中現(xiàn)在普遍使用的是鋰離子電池。今年的諾貝爾化學獎頒給了三位在鋰離子電池領域作出巨大貢獻的化學家，研制出世界上最強的電池。

[展示]鋰離子電池工作示意圖（圖5）。[提問]鋰離子電池是如何工作的？[介紹]脫嵌技術。在充放電過程中，Li+在兩個電

極之間往返嵌入和脫出，被形象地稱之為“搖椅式電池”。充電時，Li+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，正極處于貧鋰態(tài)，同時電子的補償從外電路供給到碳負極，保證負極的電荷平衡;放電時，Li+從負極脫嵌經過電解質嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)。

[提問]除了金屬以外，還有沒有比能量高的物質？

[學生]H2

[PPT]（2）非金屬H2的比能量：2/2

[過渡]H2的比能量特別的高。1839年格羅夫通過電解硫酸溶液制造了第一個“氣體電極電池”，該裝置的原理是現(xiàn)代燃料電池技術的基礎。下面我們也一起來實驗一下。

[學生實驗4]往泡沫塑料盒中倒入適量水（已加入少量硫酸鈉溶液），在鉛筆芯兩端接上9V電池電解水，30秒后拿開9V電池，接上LED燈，觀察實驗現(xiàn)象。

[講述]不同于一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此限制了電池容量，燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，因此燃料電池是名副其實的能量轉換機器。

[PPT]燃料電池結構示意圖

[提問]燃料電池負極和正極反應物可以是哪些物質？電解質可以有哪些類別的物質？

[學生]書寫電解質為氧化物時燃料電池電極反應式。

[介紹]從最早的磷酸做介質的一代產品，到熔融碳酸鹽的二代，以氧化鋯、氫氧化鉀作電解質的未來三代產品，發(fā)電效率不斷得到提高。

[提問]還有沒有其他方法使LED燈亮？

[演示實驗]把兩塊相同的銅片，分別插入盛有不同濃度硫酸銅溶液的兩只燒杯中（以鹽橋連接兩燒杯），接入靈敏電流計，觀察現(xiàn)象。

[解釋]高濃度的為正極，低濃度的為負極。由于濃度差異造成電勢差異。硫酸銅濃差電池在兩個電極上分別發(fā)生了氧化還原反應。

[介紹]海水濃差發(fā)電是利用陸地水和海水之間有3%左右的鹽分濃度差，實現(xiàn)化學能與電能的轉換。

[講述]利用原電池工作原理開發(fā)了很多電源（圖6）。

[板書]如圖6

設計意圖：對深度知識的理解和掌握光靠想象很難實現(xiàn)，需要教師通過多角度的問題鏈和多層次的具身實驗，讓學生在問題解決中和實驗探究中將心智根植于身體，將身體根植于環(huán)境，從身體和環(huán)境的互動反饋中深刻理解、把握和遷移運用知識。通過串聯(lián)的方法增大電勢差，增大電容量，這是學生容易想到的，但改變電池結構和改變電極反應物這兩個辦法需要老師引導和啟發(fā)。通過對電池發(fā)展史的介紹，能很好地營造標識化科學環(huán)境，讓學生在沉浸式感染中挖掘電池發(fā)展的內涵和意義。

4.展望未來，深化認知

[過渡]展望未來，要獲得高電壓，高電容量的電池，可以從哪些方面入手？

[學生]歸納未來電池的研究方向：（1）尋找和改進合適的電池材料。（2）改良電池結構。

[PPT]鈉電池和石墨烯電池（圖7）

[介紹]（1）鋰是稀有元素，比較昂貴，可以用更容易獲得的比容量也不低的鈉離子制造鈉電池，大大降低電池的價格。

（2）石墨烯電池：石墨烯一層層疊起來就是石墨。

[提問]石墨烯中每個碳原子雜化方式？

[學生]sp2雜化。

[講述]對，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯超乎想像的導電能力。另外，石墨烯電池中孔洞的數目比石墨要多，對于目前的利用脫嵌技術的電池來說，如果電極材料中的孔洞越多，則這個過程進行得越迅速。在宏觀的角度看則表現(xiàn)為蓄電池充放電的速度越快。所以，石墨烯電池有非常遠大的前景。

[總結]今天我們一起討論了電池的前世今生和未來，從最初的伏打電池到現(xiàn)在的鋰電池，僅僅經歷了200多年的時間，但真切地改變了我們的生活，這些電池的發(fā)明都基于我們化學的原電池原理，可見科技力量的偉大。

設計意圖：課堂的有效性來源于學生學習的有效性，身體的情境性、自主性和動態(tài)性能讓學生積極投入到學習中，學習興趣得到極大提高。抽象知識的學習來源于自身的經驗和體驗獲得，具身性學習活動促進學生對原電池工作原理深度的理解，從而能遷移利用知識解決未來電池這類復雜的問題。

三、教后感悟

具身認知理論認為教學不應是簡單地機械地記憶知識，而應是教師與學生、學生與學生之間合作認知發(fā)展的過程。這與新課程改革改變學生簡單接受知識的現(xiàn)狀，培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的理念是一致的。

所以，通過創(chuàng)設“如何讓LED燈亮起來”的實驗情境，讓學生成為課堂實踐中的“合法”參與者，充分調動學生參與課堂教學的積極性，在“設計實驗方案-進行實驗操作-感知實驗結果-優(yōu)化實驗方案”的實踐中增加對學科知識和學科技能的感受性和理解性，有助于學生對知識的積極建構和遷移應用。在與他人和社會的融合，自然與自我的統(tǒng)一中，探求知識情境化意義的生成，完成復雜問題的解決。

參考文獻

[1]劉釗，舒寒.具身認知及其對課堂教學的啟示[J].心理技術與應用，2015（7）：34-37.

[2]葉浩生.具身含義的理論辨析[J].心理學報，2014（7）：1032-1042.