趙延軍

（青海師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué) 青海 西寧 810008）

本文基于維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論，以高中化學(xué)必修第二冊(cè)第六章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”中的第二課時(shí)“化學(xué)反應(yīng)與電能”及化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的必做實(shí)驗(yàn)之一“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)6 化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能”為例對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，通過教師自制的蘋果電池引入課題創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，再對(duì)教材進(jìn)行深入挖掘設(shè)計(jì)了五組探究實(shí)驗(yàn)，通過探究，分析原電池的構(gòu)成要素，構(gòu)建原電池的裝置模型和原理分析模型，學(xué)生通過學(xué)習(xí)最終制作出屬于自己的原電池（水果電池、可樂電池、鹽水電池、紙電池等）。在本教學(xué)設(shè)計(jì)中學(xué)生可以深度參與到實(shí)驗(yàn)探究及電池的制作過程中，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能提高學(xué)生的動(dòng)手能力，還能提升“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等多方面的學(xué)科核心素養(yǎng)，具體教學(xué)環(huán)節(jié)與化學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 教學(xué)環(huán)節(jié)與化學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)系圖

一、教學(xué)分析

1.教材分析

“化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能”是電化學(xué)知識(shí)的核心內(nèi)容，是對(duì)必修第一冊(cè)中學(xué)習(xí)的“氧化還原反應(yīng)”的具體應(yīng)用，也是必修第二冊(cè)第六章“化學(xué)反應(yīng)與能量”中化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能、電能等的具體體現(xiàn)，本節(jié)課的學(xué)習(xí)也為選擇性必修1第四章“化學(xué)反應(yīng)與電能”中原電池和電解池的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)本部分內(nèi)容與物理學(xué)科中的電流等電學(xué)知識(shí)密切相關(guān)，通過學(xué)習(xí)可以促進(jìn)學(xué)科間的交叉融合。在教材中雖然通過“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)6”設(shè)計(jì)了幾組原電池構(gòu)成要素的探究實(shí)驗(yàn)，但其中沒有設(shè)計(jì)兩個(gè)電極與非電解質(zhì)接觸能否構(gòu)成原電池、兩個(gè)不連接的電解質(zhì)沒有形成閉合回路時(shí)能否構(gòu)成原電池等相關(guān)實(shí)驗(yàn)?；诖?，對(duì)本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：通過蘋果電池的導(dǎo)入先在學(xué)生腦海中初步建立原電池的裝置模型，將教材實(shí)驗(yàn)改進(jìn)成五組探究實(shí)驗(yàn)，用來探究不同條件下原電池裝置的構(gòu)成要素，通過探究讓學(xué)生構(gòu)建原電池裝置的基本模型，再利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將學(xué)生看不見的微觀原理宏觀化，從而降低教學(xué)難度，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性，突破本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)難點(diǎn)，利用活動(dòng)“制作一個(gè)簡(jiǎn)單的原電池”讓學(xué)生親自動(dòng)手制作原電池，使每一位學(xué)生充分參與到原電池的制作中，強(qiáng)化原電池裝置的模型認(rèn)知，同時(shí)利用課后查閱資料改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置再次鞏固原電池的構(gòu)成要素及裝置模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原電池的深度學(xué)習(xí)。

2.學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)“化學(xué)反應(yīng)與電能”之前已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)相關(guān)理論知識(shí)，而且對(duì)金屬、非金屬等元素化合物的相關(guān)反應(yīng)和轉(zhuǎn)化也比較熟悉，能寫出常見的氧化還原反應(yīng)的化學(xué)方程式，可以根據(jù)元素化合價(jià)的變化分析電子的得失情況，同時(shí)在初中物理中學(xué)過電流產(chǎn)生的原因是電子發(fā)生定向移動(dòng)，而且在生活中也經(jīng)常見到干電池、充電電池等，但學(xué)生對(duì)化學(xué)能是如何轉(zhuǎn)化成電能、原電池的基本構(gòu)成要素、工作原理等不是很清楚，無法自行設(shè)計(jì)制作原電池。

從方法技能角度來看，學(xué)生初步掌握了探究式學(xué)習(xí)的一般方法和過程；能通過觀察到的具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尋找相關(guān)證據(jù)，進(jìn)而分析得出部分結(jié)論，但此時(shí)的學(xué)生對(duì)結(jié)論的分析并不全面，而且缺乏從微觀角度分析原電池工作原理的能力。

二、教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)重難點(diǎn)

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過五組實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)能能否轉(zhuǎn)化成電能，通過收集證據(jù)推理出原電池的構(gòu)成要素，進(jìn)一步構(gòu)建原電池的基本模型，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（2）通過宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如鋅片質(zhì)量減少、銅片上產(chǎn)生氣泡、電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)等）分析其微觀離子、電子的移動(dòng)，從宏觀現(xiàn)象分析微觀原理，建立原電池原理的分析模型，提升“宏觀辨識(shí)和微觀探析”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（3）通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的探究、制作屬于自己的原電池（水果電池、可樂電池、鹽水電池、紙電池等）激發(fā)學(xué)生的探究興趣，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展及“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)的發(fā)展。

（4）通過課后對(duì)“電池的發(fā)展史”“回收廢舊電池的意義”的了解，感受化學(xué)對(duì)人類生活的改變，學(xué)生能更加深刻地認(rèn)識(shí)到化學(xué)對(duì)科技創(chuàng)新、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步做出的重大貢獻(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)的提升。

2.教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：通過實(shí)驗(yàn)探究知道原電池的構(gòu)成要素，建構(gòu)原電池的基本模型。

難點(diǎn)：從微粒移動(dòng)的角度分析原電池的工作原理。

三、教學(xué)用品

教師：鋅片、銅片、石墨棒、稀硫酸、液體石蠟、燒杯、導(dǎo)線、電流表。

學(xué)生：鋅片、鐵片（或鐵釘）、銅片（或銅釘）、鉛筆芯、導(dǎo)線、電流表、發(fā)光二極管、電子音樂卡、某些蔬菜或水果（土豆、西紅柿、蘋果等）、碳酸飲料、鹽水等。

四、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，引入課題

【教師活動(dòng)】教師向多塊切開的蘋果上插入鋅片和銅片并用導(dǎo)線串聯(lián)起來，連接二極管后發(fā)現(xiàn)二極管的燈發(fā)光的趣味實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入，提供化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的情境素材，讓學(xué)生對(duì)蘋果為什么能使二極管發(fā)光產(chǎn)生濃厚的興趣。然后分析蘋果中含有豐富的化學(xué)能，該裝置實(shí)際上是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，引?dǎo)學(xué)生得出原電池的含義，即將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置叫原電池。

【學(xué)生活動(dòng)】觀看實(shí)驗(yàn)過程，思考產(chǎn)生電流的原因，總結(jié)原電池的概念。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)中采用教師自制的蘋果電池創(chuàng)設(shè)生活化的情境進(jìn)行導(dǎo)入，學(xué)生就會(huì)思考我們吃的蘋果為什么能發(fā)電呢？由此可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)生對(duì)化學(xué)能如何轉(zhuǎn)化成電能的探究欲望，而且通過蘋果電池讓學(xué)生初步在腦海中建構(gòu)原電池的裝置模型。

環(huán)節(jié)二：實(shí)驗(yàn)探究，建構(gòu)模型

【師生活動(dòng)】教師和學(xué)生共同完成如下表1的實(shí)驗(yàn)探究，各步實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，通過實(shí)驗(yàn)探究總結(jié)原電池的構(gòu)成要素。

表1 實(shí)驗(yàn)探究步驟

圖2 實(shí)驗(yàn)探究各步驟裝置

［小結(jié)］

設(shè)計(jì)意圖：利用原電池構(gòu)成要素的逐步探究作為進(jìn)階學(xué)習(xí)原電池模型的起點(diǎn)，形成證據(jù)意識(shí)，同時(shí)通過教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)結(jié)合授課，使學(xué)生充分理解原電池的構(gòu)成要素，在此基礎(chǔ)上對(duì)原電池的基本模型進(jìn)行建構(gòu)，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)三：微觀探析，突破原理

【教師活動(dòng)】宏觀辨識(shí)與微觀探析是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，課堂演示實(shí)驗(yàn)很難直觀地展示出反應(yīng)微觀層面的變化，因此微觀辨析能力一直是高中生比較薄弱的部分，利用信息化教學(xué)手段能夠生動(dòng)形象地展示出化學(xué)反應(yīng)微觀層面的變化，有利于學(xué)生微觀探析意識(shí)和能力的培養(yǎng)［1］。本環(huán)節(jié)中教師通過對(duì)鋅銅原電池中發(fā)生的自發(fā)的氧化還原反應(yīng)的分析，讓學(xué)生思考銅與稀硫酸不反應(yīng)，為什么在銅片上會(huì)產(chǎn)生氣泡？指導(dǎo)學(xué)生從氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的角度分析原電池的工作原理，并通過播放如圖3所示的原電池工作原理的虛擬仿真動(dòng)畫，分析出原電池中電子和離子的移動(dòng)方向，同時(shí)師生共同總結(jié)歸納出如圖4所示的原電池工作原理分析模型。

圖3 原電池工作原理

圖4 原電池原理分析模型

【總結(jié)】原電池的原理：

負(fù)極（鋅片）：Zn-2e-====Zn2+（氧化反應(yīng)）

正極（銅片）：2H++2e-====H2↑（還原反應(yīng)）

原電池中微粒的移動(dòng)：

外電路：電子由負(fù)極流向正極，電流由正極流向負(fù)極

內(nèi)電路：陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極

【學(xué)生活動(dòng)】首先寫出鋅和稀硫酸反應(yīng)的離子方程式，并利用所學(xué)的氧化還原反應(yīng)知識(shí)分析該方程式中的電子轉(zhuǎn)移情況，再利用教師播放的虛擬仿真動(dòng)畫外電路中電子的移動(dòng)方向和溶液中離子的移動(dòng)方向分析原電池的具體工作原理，并書寫相應(yīng)的電極反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：原電池的工作原理由于涉及微觀粒子的移動(dòng)問題，所以學(xué)生學(xué)起來比較吃力，可以借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)播放銅鋅原電池微觀原理的動(dòng)畫，學(xué)生通過觀看動(dòng)畫中電子以及離子的移動(dòng)，可以直觀地總結(jié)出離子移動(dòng)的方向，通過增強(qiáng)教學(xué)的直觀性降低了學(xué)習(xí)難度，有利于幫助學(xué)生理解原電池的工作原理，認(rèn)識(shí)其本質(zhì)，從而突破本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)，進(jìn)一步提升了宏觀辨識(shí)與微觀探析的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四：制作電池，鞏固模型

【教師活動(dòng)】請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)所學(xué)的原電池的構(gòu)成要素及工作原理，利用鐵片（或鐵釘）、銅片（或銅釘）、鉛筆芯、土豆、西紅柿、蘋果、碳酸飲料、鹽水等制作一個(gè)屬于自己的簡(jiǎn)單原電池，并利用電流表、發(fā)光二極管、電子音樂卡等檢驗(yàn)是否產(chǎn)生電流。

【學(xué)生活動(dòng)】根據(jù)所學(xué)內(nèi)容制作屬于自己的原電池（如水果電池、飲料電池、鹽水電池等），并展示、交流，對(duì)其他同學(xué)的作品優(yōu)缺點(diǎn)做出評(píng)價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖：基于對(duì)原電池模型的理解，發(fā)散思維，讓學(xué)生制作簡(jiǎn)易水果電池、碳酸飲料電池、鹽水電池等原電池模型，體會(huì)原電池設(shè)計(jì)的基本思路，強(qiáng)化對(duì)原電池的模型認(rèn)知，感受化學(xué)在生活中的應(yīng)用，加深化學(xué)與生活中的緊密聯(lián)系，提高學(xué)習(xí)興趣［2］。

環(huán)節(jié)五：改進(jìn)裝置，體驗(yàn)創(chuàng)新

【教師活動(dòng)】通過今天的學(xué)習(xí)我們知道了原電池的構(gòu)成要素，也制作出了屬于自己的原電池，但我們制作的原電池產(chǎn)生的電流比較弱，所以請(qǐng)同學(xué)們課后查閱資料，對(duì)自己設(shè)計(jì)的原電池裝置進(jìn)行更加合理的優(yōu)化改進(jìn)，從而使裝置更加美觀的同時(shí)產(chǎn)生更大的電流，并對(duì)改進(jìn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

【學(xué)生活動(dòng)】課后查找相關(guān)資料，思考如何對(duì)自己制作的原電池進(jìn)行改進(jìn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過查閱原電池裝置的改進(jìn)方法，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)的知識(shí)并不是一成不變的，也可以通過自己的理解對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行重構(gòu)改進(jìn)，并通過查閱資料使學(xué)生明白除了銅鋅原電池及水果電池之外，還有很多其他的原電池（如干電池、充電電池、燃料電池等），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原電池相關(guān)知識(shí)的深度學(xué)習(xí)。

環(huán)節(jié)六：課后探索，鞏固所學(xué)

【教師活動(dòng)】給學(xué)生布置以下科學(xué)探索任務(wù)：

1.通過網(wǎng)絡(luò)、書籍等方式查閱“電池的發(fā)展史”。感受電池的不斷發(fā)展中體現(xiàn)了科學(xué)家哪些科學(xué)精神？同時(shí)談?wù)勲姵氐陌l(fā)展前景。

2.通過網(wǎng)絡(luò)查找廢舊電池的處理方法，與同學(xué)分享回收廢舊電池的意義。

【學(xué)生活動(dòng)】利用課余時(shí)間查找資料，與同學(xué)交流以上探索任務(wù)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過查閱“電池的發(fā)展史”，感受伏打等科學(xué)家大膽質(zhì)疑、細(xì)心觀察、不懈實(shí)踐、勇于探索、理性思考的科學(xué)精神［3］，同時(shí)分析電池的發(fā)展前景，進(jìn)而提升自己的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任的核心素養(yǎng)。通過與同學(xué)分享回收廢舊電池的意義加強(qiáng)化學(xué)與生活的聯(lián)系，養(yǎng)成用所學(xué)的化學(xué)知識(shí)指導(dǎo)生活的習(xí)慣，感受化學(xué)對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)。

五、教學(xué)效果分析與反思

本節(jié)課通過“制作屬于自己的簡(jiǎn)單原電池”為目的展開了化學(xué)能如何轉(zhuǎn)化成電能的探究，剛開始用教師自制蘋果電池導(dǎo)入，提高了課堂的趣味性，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。與以往的設(shè)計(jì)比較，本設(shè)計(jì)更加注重對(duì)學(xué)生探究過程的設(shè)計(jì)，通過教師對(duì)教材的深入挖掘從學(xué)生實(shí)際情況出發(fā)設(shè)計(jì)了五組探究實(shí)驗(yàn)，通過探究得出了原電池的四點(diǎn)構(gòu)成要素，同時(shí)通過在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的在銅片上產(chǎn)生氣泡的異常現(xiàn)象分析了原電池的工作原理，并通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)鞏固了原電池中微粒的移動(dòng)，讓學(xué)生建構(gòu)了原電池的裝置模型和原理分析模型，提升了學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“宏觀辨析與微觀探析”等核心素養(yǎng)。

通過設(shè)置“制作屬于自己的原電池”這一活動(dòng)，提升了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，進(jìn)一步完善和鞏固了原電池的模型認(rèn)知，學(xué)生通過展示自己制作的原電池體驗(yàn)了成功的喜悅，同時(shí)通過思考對(duì)自己制作的原電池裝置的改進(jìn)方法促進(jìn)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)的發(fā)展。最后通過課后查閱“電池的發(fā)展史”“廢舊電池回收的意義”等資料，讓學(xué)生感受到化學(xué)對(duì)人類生活的改變，使學(xué)生更加深刻地認(rèn)識(shí)到化學(xué)對(duì)創(chuàng)造創(chuàng)新、推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展做出的重大貢獻(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)的提升。