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        新高考背景下高中化學(xué)與物理交叉教學(xué)研究
        ——以“原電池”為例*

        2023-01-11 06:25:08柳聰慧王宏社
        云南化工 2022年12期
        關(guān)鍵詞:鋅片銅片原電池

        柳聰慧,徐 穎,王宏社,閆 雪

        (寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,陜西 寶雞 721013)

        隨著新高考“3+1+2”模式和新課程標(biāo)準(zhǔn)的推行和調(diào)整[1],使得各學(xué)科之間的聯(lián)系越來越緊密,不再讓學(xué)生拘泥于單一的思維模式。對于這種新模式下的12種學(xué)科組合方式的選擇,也更能體現(xiàn)跨學(xué)科融合交叉的重要性。以物理類組合中的“物+化+X”模式為例,對于高中化學(xué)教師來說,若想促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)以及理科能力的提高,還是要建立在分科課程的基礎(chǔ)之上,立足于化學(xué)教學(xué),同時注意與物理等學(xué)科進(jìn)行適時適度的交叉融合教學(xué)[2]。

        1 人教版高中化學(xué)與物理交叉內(nèi)容教學(xué)設(shè)計

        1.1 教學(xué)設(shè)計思路

        在進(jìn)行教學(xué)過程設(shè)計之前要做好充足的準(zhǔn)備,明確高中化學(xué)與物理這兩個學(xué)科內(nèi)容之間存在的交叉點,并將這些交叉點的內(nèi)容梳理出來,分析交叉內(nèi)容在兩學(xué)科教學(xué)中的教學(xué)進(jìn)度,根據(jù)教學(xué)進(jìn)度設(shè)計教學(xué);明確高中化學(xué)與物理兩學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的課程要求以及所要求掌握的內(nèi)容深度區(qū)別,進(jìn)而對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;對化學(xué)和物理教科書進(jìn)行分類和整合,分析本節(jié)內(nèi)容在本章節(jié)或者整個知識體系的重要程度以及判斷兩學(xué)科交叉內(nèi)容如何應(yīng)用;分析學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前對相關(guān)知識掌握情況。根據(jù)分析兩學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)、教科書內(nèi)容,以及學(xué)情等方面,確定本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點及教學(xué)方法,進(jìn)行教學(xué)過程的設(shè)計并且實施;最后,進(jìn)行教學(xué)評價和反思,分析本節(jié)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計存在的缺點和不足,進(jìn)行改進(jìn)和提升。

        1.2 教學(xué)設(shè)計案例——以“原電池”教學(xué)設(shè)計為例

        【設(shè)計思想】

        學(xué)生在初中的物理學(xué)習(xí)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了電學(xué)的相關(guān)知識,對電流流向、電流表的使用、電荷守恒定律的相關(guān)知識等都有了一定的了解。在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中,“原電池”這部分內(nèi)容就會涉及到初中物理中電學(xué)這部分知識,這就意味著可以利用已經(jīng)學(xué)過的電學(xué)知識來設(shè)計教學(xué)。這節(jié)課主要是通過教師的引導(dǎo),學(xué)生自主去探究和學(xué)習(xí)新知識。這有利于發(fā)揮學(xué)生主體作用,有利于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實驗探究能力,有利于培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系不同學(xué)科之間交叉知識的意識。

        【教材分析】

        本節(jié)教學(xué)內(nèi)容選自人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書必修二第二章“化學(xué)反應(yīng)與能量”第二節(jié)“化學(xué)能與電能”中的“原電池”片段[3]。從《課程標(biāo)準(zhǔn)》中了解到[4],關(guān)于學(xué)生對化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的掌握程度,只要求能夠認(rèn)識化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義和應(yīng)用;能夠了解原電池的工作原理和其他的化學(xué)電源。

        從跨學(xué)科的知識體系來看,本節(jié)課的內(nèi)容是在學(xué)習(xí)了初中物理的電學(xué)知識,以及化學(xué)中的氧化還原反應(yīng)(必修1)的內(nèi)容后學(xué)習(xí)的。因此,本節(jié)課是對氧化還原反應(yīng)本質(zhì)的再探索和延伸,是對化學(xué)能與其他能量轉(zhuǎn)換的補(bǔ)充,是建立電化學(xué)基本概念的基礎(chǔ),還是對化學(xué)和物理這兩門學(xué)科之間存在的交叉內(nèi)容的意識培養(yǎng)。在化學(xué)選修1(化學(xué)與生活)(金屬腐蝕與防護(hù)),以及化學(xué)選修4(化學(xué)反應(yīng)原理)中,還將進(jìn)一步學(xué)習(xí)電化學(xué)的相關(guān)知識,所以本節(jié)課只是為后面知識的學(xué)習(xí)提供理論基礎(chǔ)。綜上所述,在知識結(jié)構(gòu)上“化學(xué)能與電能”這一節(jié)起到了承上啟下的作用。

        【學(xué)情分析】

        1)通過高中化學(xué)必修一的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)掌握了氧化還原反應(yīng),并且知道氧化還原反應(yīng)可以分為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)去探討,知道了電子轉(zhuǎn)移是氧化還原的本質(zhì);

        2)在初中物理學(xué)習(xí)中,已經(jīng)知道電子定向移動會形成電流,并且已經(jīng)初步認(rèn)識氧化還原反應(yīng)的過程中會有電子的定向移動。但是,對原電池還比較陌生,對借助原電池的氧化還原反應(yīng)是否還會有電子的定向移動存在疑惑,對化學(xué)和物理這兩門學(xué)科的交叉滲透學(xué)習(xí)意識不強(qiáng)。

        3)知道電解質(zhì)溶液是可以導(dǎo)電的,知道在電場的作用下,溶液中的離子是可以定向移動的。但是對于學(xué)生來說,如何判斷原電池內(nèi)電路中電流流向方面還存在問題。

        4)知道能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。由于“化學(xué)能與電能”這部分涉及到的原電池是新知識,所以學(xué)生對于原電池中涉及到的能量轉(zhuǎn)化還不能很快的去接受,可能會認(rèn)為引入原電池這個新裝置會對能量之間的轉(zhuǎn)化有影響。

        【教學(xué)目標(biāo)】

        教學(xué)目標(biāo)如表1所示。

        表1 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

        【教學(xué)過程】

        環(huán)節(jié)一:創(chuàng)設(shè)情境,引入教學(xué)

        同學(xué)們,你們知道伏打這位物理學(xué)家嗎?就是他發(fā)明了世界上第一塊電池(伏打電池)。正是由于電池的發(fā)明,我們的生活才那么便利。例如,我們生活中用到的筆記本電腦、手機(jī)等,都應(yīng)用到了電池。那么,你們有沒有想過,電池是怎么把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的呢?工作原理又是什么呢?那就讓我們一起來學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容,解開這個謎底吧!

        設(shè)計意圖:利用物理史科學(xué)家的故事導(dǎo)入新課,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的好奇心和興趣,培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系不同學(xué)科之間交叉知識的意識,激起他們更深層次探索的欲望。

        環(huán)節(jié)二:實驗探究,新課學(xué)習(xí)

        師:我們在這節(jié)課的實驗中會用到電流表,那電流表是如何使用的呢?指針偏轉(zhuǎn)能說明什么?

        生:指針不同的偏轉(zhuǎn)方向,代表連接的方式不同。正極接正接線柱,負(fù)極接負(fù)接線柱,指針就會向正值的方向偏轉(zhuǎn)(這是正確的方法)。反之向負(fù)極偏轉(zhuǎn)。指針偏轉(zhuǎn)就代表有電流產(chǎn)生。

        探究實驗:

        ①將鋅片和銅片插入盛有稀硫酸的燒杯中,觀察現(xiàn)象。

        ②用導(dǎo)線連接鋅片和銅片,并將其插入到盛有稀硫酸的燒杯中,觀察、比較導(dǎo)線連接前后的現(xiàn)象。

        ③用導(dǎo)線在鋅片和銅片之間串聯(lián)一個電流表,并將金屬片也插入到盛有稀硫酸的燒杯中,觀察電流表的指針是否偏轉(zhuǎn)。

        現(xiàn)象:當(dāng)鋅片與銅片插入稀硫酸時,鋅片上有氣泡產(chǎn)生,而銅片上無明顯現(xiàn)象;用導(dǎo)線將鋅片和銅片相連后,銅片上有氣泡產(chǎn)生;串聯(lián)電流表后,發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

        師:我們接下來先一起分析實驗,為什么鋅片有氣泡產(chǎn)生,而銅片無明顯現(xiàn)象?

        生:通過金屬活動性順序表可知,鋅的活動性位于氫前面,因此鋅可以置換出稀硫酸中的H+,生成氫氣;而銅的活動性位于氫之后,和稀硫酸不發(fā)生置換反應(yīng)。

        師:找同學(xué)到黑板上書寫鋅和稀硫酸反應(yīng)的離子方程式,并用單線橋標(biāo)注電子轉(zhuǎn)移方向和數(shù)目。通過這個方程式,可以發(fā)現(xiàn),每生成 1 mol 氫氣,就會轉(zhuǎn)移 2 mol 電子。下面來分析實驗,為什么連接導(dǎo)線之后,銅片上有氣泡生成,鋅片的質(zhì)量會減少,難道違背了金屬活動性順序嗎?

        師:其實并沒有違背金屬活動性順序,我們在剛剛的演示實驗中,把鋅片電極和銅片電極一同浸入到稀鹽酸中,通過導(dǎo)線連接,形成了一個通路。通過金屬活動性順序表可知,鋅比銅的活動性要強(qiáng),容易失去2個電子,被氧化為Zn2+進(jìn)入到溶液中,電子則通過導(dǎo)線從鋅片電極流向銅片電極,溶液中有大量的H+,H+從銅片電極獲得電子被還原成了氫原子,氫原子之間再相互結(jié)合成氫分子,以氣體的形式從銅片電極逸出去。這一變化的過程如下:

        設(shè)計意圖:連接導(dǎo)線后,實驗的“連接導(dǎo)線之后,銅片上有氣泡生成,鋅片的質(zhì)量會減少”現(xiàn)象會引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,學(xué)生會感到疑惑并且產(chǎn)生想要繼續(xù)解決問題的興趣,教師順勢引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論,學(xué)生能夠得到這個過程中有電子轉(zhuǎn)移的過程。在這個分析中已經(jīng)開始建立原電池的模型,而解答學(xué)生疑惑的過程中也是學(xué)生對原電池的探秘。

        師:請同學(xué)們回憶一下初中物理中我們所學(xué)習(xí)過的電學(xué)知識,思考以下問問題:

        ①你是如何判斷電子的流動方向的呢?

        ②你是怎么判斷出哪個電極是這個裝置(Zn-Cu原電池)的正極?哪個電極是負(fù)極的呢?

        生:根據(jù)電子流動方向:負(fù)極→正極;電流方向:正極→負(fù)極。物理上根據(jù)電流表偏轉(zhuǎn)方向可以判斷正負(fù)極。此裝置中,Zn片是電子流出的一極,為負(fù)極;Cu片是電子流入的一極,為正極。

        教師再次進(jìn)行引導(dǎo),讓學(xué)生進(jìn)行思考并回答:由電流表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn),可知有電流產(chǎn)生了,那也意味著有電能產(chǎn)生了,這個裝置中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為了電能。教師帶領(lǐng)學(xué)生一起引出來原電池概念。

        過渡:大家再思考一下,是不是我們把這兩塊金屬電極用導(dǎo)線連接插入到任何液體中,都可以產(chǎn)生電流呢?下面讓我們做實驗來探究一下吧。

        探究實驗:用導(dǎo)線在鋅片和銅片之間串聯(lián)一個電流表,并將金屬片也插入到盛有酒精的燒杯中,觀察電流表的指針是否偏轉(zhuǎn)。

        現(xiàn)象:兩電極均沒有氣泡產(chǎn)生,電流表指針不偏轉(zhuǎn)。

        師:為什么當(dāng)電極插入酒精中,電流表不偏轉(zhuǎn),沒有電流產(chǎn)生?

        生:電解質(zhì)溶液能導(dǎo)電,非電解質(zhì)溶液不導(dǎo)電。酒精不是電解質(zhì)溶液。

        師:這就相當(dāng)于物理電學(xué)中的故障電路,酒精作為非電解質(zhì)溶液,不導(dǎo)電,形成了斷路。所以要想形成原電池,一定得是一個閉合的通路。

        設(shè)計意圖:在已有的物理電學(xué)知識的基礎(chǔ)之上讓學(xué)生進(jìn)行觀察回答,既調(diào)動學(xué)生充分利用初中知識的熱情,又能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力,培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系不同學(xué)科交叉知識的意識。并且,通過實驗,引出原電池的相關(guān)概念原理以及構(gòu)成原電池的條件之一是要形成一個閉合的回路。

        環(huán)節(jié)三:習(xí)題鞏固,課堂總結(jié)。

        師:本節(jié)課結(jié)合初中物理所學(xué)到的電學(xué)知識以及化學(xué)中的氧化還原反應(yīng)等知識,知道原電池是一個將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置;并且通過對實驗的分析,初步了解到原電池的不同區(qū)域分別進(jìn)行著氧化反應(yīng)和還原反應(yīng),并且可以通過導(dǎo)線傳遞其中的電子形成電流。經(jīng)過分組討論制定方案并進(jìn)行探究實驗,一起歸納原電池的工作原理,并且知道了原電池的形成條件之一,是要形成一個閉合的回路。接下來一起做道練習(xí)題來鞏固一下吧!

        設(shè)計意圖:通過進(jìn)行課堂小結(jié),幫助學(xué)生理清本節(jié)內(nèi)容的思路,有利于學(xué)生新的知識體系的構(gòu)建以及對本節(jié)內(nèi)容的掌握。

        練習(xí)題:

        如圖裝置中,M棒變細(xì),N棒變粗。由此判斷下表所列M、N、R物質(zhì),其中合理的是( )。

        裝置編號MNRA鋅銅稀硫酸B銅鐵稀鹽酸C鐵銅硝酸銀D銅鐵蔗糖溶液

        評析:本道題主要是考查了原電池的工作原理的相關(guān)知識,屬于基礎(chǔ)性練習(xí),更側(cè)重于學(xué)生知識點掌握、分析能力的考查。根據(jù)題目中M棒變細(xì),N棒變粗,可知M為負(fù)極,是失去電子的一極,發(fā)生氧化反應(yīng);N為正極,是得到電子的一極,發(fā)生還原反應(yīng)。A、D選項,酒精、蔗糖為非電解質(zhì),酒精、蔗糖溶液不能導(dǎo)電,結(jié)合物理上電路知識,會發(fā)生斷路,不再是通路,電流不能通過,所以A、D選項不符合題意。B選項,鐵電極為負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),變細(xì),銅電極為正極,氫離子在銅電極放電產(chǎn)生氫氣,電極不會變粗,所以B不符合題意;C選項,形成原電池,此時鐵為負(fù)極,銅為正極,正極上銀離子得到電子在銅電極析出銀單質(zhì),N棒變粗,所以C符合題意。

        設(shè)計意圖:這是一道要應(yīng)用學(xué)科交叉的方法來解答的練習(xí)題,在學(xué)生學(xué)習(xí)完原電池的工作原理等知識之后進(jìn)行聯(lián)系鞏固,幫助學(xué)生掌握此節(jié)內(nèi)容。在解題的過程中會用到物理學(xué)科中電學(xué)的知識。這些已經(jīng)掌握的物理知識為學(xué)生解答化學(xué)問題以及重難點突破方面提供了很大的幫助,促進(jìn)了學(xué)生知識遷移能力以及發(fā)散思維水平的提高,幫助學(xué)生認(rèn)識到學(xué)科交叉的重要性。

        2 人教版高中化學(xué)與物理交叉教學(xué)的意義

        學(xué)科交叉教學(xué)將多個學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)內(nèi)容進(jìn)行高度整合和聯(lián)系,并且按照合理的邏輯順序進(jìn)行編排,加強(qiáng)了新舊知識之間的關(guān)聯(lián)性,能夠更加有效的促進(jìn)學(xué)科知識間的遷移,若在化學(xué)教學(xué)中實現(xiàn)知識的交叉教學(xué),不但可以促進(jìn)化學(xué)的學(xué)習(xí),而且對物理等關(guān)聯(lián)學(xué)科的學(xué)習(xí)也會起到很好的正向促進(jìn)作用。這樣不僅豐富了課堂的教學(xué)形式,可以讓學(xué)生多角度去思考和解決問題,培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維,而且對培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力有很重要的意義。對于老師來說,在高中化學(xué)和物理進(jìn)行交叉滲透教學(xué)中,教師的知識得到了豐富,自身的綜合素質(zhì)和能力也得到了廣泛的提升,提高了高中化學(xué)學(xué)科課堂教學(xué)的質(zhì)量。從總體來看,進(jìn)行交叉教學(xué)無論對于學(xué)生還是對于老師能力提升都有一定意義。

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