摘要：項目式學(xué)習(xí)是國際流行的教育方式之一，能全面發(fā)展學(xué)生的素養(yǎng)能力。項目式學(xué)習(xí)基于對真實問題的探究，是有針對性地拆解項目任務(wù)并實施項目任務(wù)的過程。本節(jié)課題的設(shè)計是在普通高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)理論和化學(xué)學(xué)科能力發(fā)展理論統(tǒng)領(lǐng)下的學(xué)科實踐微項目教學(xué)，通過“課前—課堂—課后”一體化設(shè)計，促使學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等方式進行深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：微項目教學(xué) 化學(xué) 銅鋅原電池

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）指出：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)，是學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。相較于以前，《課標》的變化主要體現(xiàn)在教學(xué)方式的變革上，強調(diào)在學(xué)習(xí)化學(xué)知識的過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。因此，在化學(xué)課程的實施中，我們一定要轉(zhuǎn)變教學(xué)方法，以“素養(yǎng)為本”優(yōu)化課堂教學(xué)，形成和發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

“雙液原電池中氧化劑和還原劑是分離的，它們是怎么產(chǎn)生電流的呢？”從教這些年，學(xué)生經(jīng)常會問我這個問題，這說明學(xué)生對原電池電流產(chǎn)生的原因存在認知上的問題；再者，魯科版高中化學(xué)新教材增加了“追根尋源——銅鋅原電池的電流是怎樣產(chǎn)生的？”這一板塊，基于此筆者設(shè)計了探究原電池產(chǎn)生電流的原因這一課題，讓學(xué)生在探究過程中盡可能地接近真實的科學(xué)研究過程，動手做實驗，探究原電池產(chǎn)生電流的原因和電勢差的影響因素，從而讓學(xué)生從本質(zhì)上理解原電池的本質(zhì)，并將電化學(xué)、化學(xué)平衡和氧化還原的理論知識相互支撐、相互滲透。

一、課題主題的確定

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了原電池的工作原理，知道了電子由負極流向正極形成電流，卻不知道電子發(fā)生定向移動的本質(zhì)原因。魯科版高中化學(xué)新教材增加“追根尋源——銅鋅原電池的電流是怎樣產(chǎn)生的？”這一內(nèi)容，其實是想讓學(xué)生對知識有一個深層的認識。教材中關(guān)于電子轉(zhuǎn)移多少以及電勢差的描述，就是引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)從定性描述到定量分析的跨越，而這正是高中學(xué)生分析問題能力的一次進階。在這里運用微項目教學(xué)，既能解決學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問題，又可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而為后面學(xué)習(xí)電化學(xué)相關(guān)知識打下基礎(chǔ)。同時，在項目任務(wù)的完成過程中，學(xué)生的實驗設(shè)計能力和創(chuàng)新能力也可以進一步提高。

本節(jié)課設(shè)立于氧化還原反應(yīng)、化學(xué)平衡理論之后，可以引導(dǎo)學(xué)生充分應(yīng)用這些知識認識電流產(chǎn)生的本質(zhì)原因，實現(xiàn)多角度、多層面理解電化學(xué)理論，體會各理論之間的相互滲透、相互支撐，為以后的學(xué)習(xí)提供方法指導(dǎo)。

二、課題學(xué)習(xí)目標的設(shè)定

（1）設(shè)計微型原電池，探究原電池產(chǎn)生電流的原因和影響因素。能夠從微觀角度理解電流的產(chǎn)生，用平衡思想對其原因進行分析。

（2）建立“影響因素電子密度差異電勢差電流”認知模型，并能對模型進行遷移應(yīng)用。

（3）盡可能地接近真實的科學(xué)研究過程，提升科學(xué)思維，提高實驗探究能力和創(chuàng)新能力，并將這些能力外化于行，形成正確的社會責(zé)任意識。

三、課題學(xué)習(xí)任務(wù)鏈的設(shè)置

根據(jù)學(xué)生的學(xué)情分析和核心素養(yǎng)的發(fā)展將此項目進行任務(wù)拆解?！皬你~鋅原電池產(chǎn)生電流的原因說起”項目式教學(xué)的具體設(shè)計如圖1所示。

四、課題學(xué)習(xí)實施的展開

任務(wù)一：探究原電池產(chǎn)生電流的本質(zhì)原因

1．模型構(gòu)建

【學(xué)生】以滴板為載體，用浸透飽和氯化鉀的脫脂棉代替鹽橋，將銅鋅原電池微型化，進行分組實驗并用數(shù)字化電流傳感器進行數(shù)據(jù)表征微型原電池（Cu‖CuSO4（0.1 mol/L）┊ZnSO4（0.1 mol/L）‖Zn）。

【設(shè)計意圖】為增加本節(jié)課的實效性，設(shè)計微型原電池，貫穿整節(jié)課。提出驅(qū)動性問題，引發(fā)學(xué)生深度思考，探究原電池電流產(chǎn)生的原因。

【教師】

（1）該裝置中發(fā)生了什么反應(yīng)？

（2）電路中產(chǎn)生電流了嗎？

（3）為什么銅會析出在銅棒上？

（4）寫出電極方程式。

（5）電子為什么由負極經(jīng)外電路流向正極？

（6）電子為什么能持續(xù)流向正極？

（7）通過以上分析，你發(fā)現(xiàn)了什么？

【學(xué)生】

（1）Zn+Cu2+Cu+Zn2+。

（2）電流傳感器顯示電路中有電流。

（3）溶液中的Cu2+在銅棒表面得到電子生成銅單質(zhì)。

（4）負極：Zn－2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-=Cu

（5）電子由電極表面電子密度大的一極流向密度小的一極。

（6）Zn2+（aq）+2e-Zn（s）

Cu2+（aq）+2e-Cu（s）

（7）在兩極區(qū)存在著沉積溶解平衡。鋅具有更強的還原性，所以更多的電子留在了鋅電極的表面，當(dāng)形成閉合回路時，電子就會從電子密度較大的電極流向電子密度較小的電極，電子的移動破壞了兩極的沉積溶解平衡，使電子能持續(xù)流動形成電流。

【設(shè)計意圖】讓學(xué)生從本質(zhì)上探究電子為什么從負極流向正極，并能利用化學(xué)平衡理論對其原因進行定性分析。

【教師】引導(dǎo)學(xué)生回顧物理學(xué)科中學(xué)過的電勢差的概念，促進學(xué)科融合，并將對原電池產(chǎn)生電流的原因探究上升到定量分析，實現(xiàn)從定性到定量的轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)學(xué)生建立“電子密度差異→電勢差→電流”認知模型。

2．模型驗證

【學(xué)生】利用反應(yīng)式2Fe3++2I-2Fe2++I2設(shè)計原電池C（石墨）‖KI（0.1 mol/L）┊FeCl3（0.1 mol/L）‖C（石墨），進行分組實驗。將FeCl3和KI溶液滴入滴板，以石墨為電極構(gòu)成閉合回路時，產(chǎn)生電流，當(dāng)增大生成物濃度時，電流反轉(zhuǎn)。

【學(xué)生】能夠準確從定性和定量的角度分析產(chǎn)生電流以及電流反轉(zhuǎn)的原因。

【設(shè)計意圖】通過分組實驗，培養(yǎng)學(xué)生積極實驗、合作學(xué)習(xí)的意識；通過解釋實驗現(xiàn)象，驗證了模型的正確性。利用學(xué)生的表現(xiàn)來檢驗教學(xué)效果。

任務(wù)二：探究電勢差的影響因素

3.模型應(yīng)用

【教師】提問：有哪些因素影響電勢差？

【學(xué)生】小組討論提出三種假設(shè)：

（1）物質(zhì)得失電子能力

（2）溶液濃度

（3）酸堿性

課下開放實驗室，各小組根據(jù)他們提出的假設(shè)，設(shè)計實驗進行驗證，并進行成果展示。

【設(shè)計意圖】利用學(xué)生建立的認識模型進行有效遷移應(yīng)用。

【學(xué)生】成果展示

（1）物質(zhì)性質(zhì)（指的是物質(zhì)的得失電子能力）

學(xué)生認為，物質(zhì)不同，或者氧化還原反應(yīng)不同，各物質(zhì)的氧化能力或者還原能力不同，會導(dǎo)致兩極形成不同的電勢差。于是只改變負極反應(yīng)物，設(shè)計對比實驗，將2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+與2Fe3++Fe3Fe2+兩個氧化還原反應(yīng)設(shè)計成原電池。

由對比實驗結(jié)果可知，鐵單質(zhì)比銅單質(zhì)具有更強的還原性，所以在其他條件相同時，鐵單質(zhì)所在的原電池電流強度更大。結(jié)論：物質(zhì)性質(zhì)影響電勢差。

（2）濃度

在探究濃度對電勢差影響時，學(xué)生設(shè)計了兩種方案。

方案一：硫酸銅濃差電池Cu‖CuSO4（0.1mol/L）┊CuSO4（1mol/L）‖Cu，構(gòu)成閉合回路時，產(chǎn)生電流，說明銅離子濃度的不同，影響了兩極的沉積溶解平衡，影響了兩極電子密度，產(chǎn)生電勢差，最終影響電流。結(jié)論：溶液濃度能影響電勢差。

方案二：學(xué)生利用已學(xué)配位化合物的相關(guān)理論，Cu2+與Cl-可形成配位化合物，能實現(xiàn)銅離子濃度的改變。于是向兩個Cu‖CuSO4（0.1 mol/L）┊CuSO4（1 mol/L）‖Cu電池中加入KCl和K2SO4，進行對比實驗。加入了KCl的電池電流發(fā)生了明顯變化，負極區(qū)加入KCl時，增大了兩極銅離子濃度差異，電勢差增大，電流增大；正極區(qū)加入KCl時，減小了兩極銅離子濃度差異，電勢差減小，電流減小。說明加入Cl-使c（Cu2+）減小，最終影響電勢差。結(jié)論：溶液濃度影響電勢差。

【學(xué)生】閱讀材料：

資料卡片

對于不銹鋼來說，正常情況下隨著反應(yīng)的持續(xù)，會很快生成一層氧化保護膜，從而大大降低腐蝕速率，但在存在縫隙環(huán)境中，隨著氧化還原反應(yīng)進行，縫隙內(nèi)部的氧被消耗得差不多了?？墒怯捎诳p隙小，氧不能輕易進入縫隙內(nèi)，但縫隙外部的氧能保證充足供應(yīng)。這樣的“不均衡”，導(dǎo)致了縫隙內(nèi)外形成了“氧濃差電池”：縫隙外氧濃度高，為陰極；縫隙內(nèi)氧濃度低，為陽極。這樣就使得縫隙內(nèi)的金屬加快腐蝕，不斷消耗。同時，氧化膜也不易形成。發(fā)生了縫隙腐蝕的零部件，雖然從整體來看腐蝕較少，但是局部已經(jīng)被嚴重破壞，所以這種局部腐蝕的危害性更大。

學(xué)生通過小組討論分析得：

氧氣濃度相對高的地方發(fā)生反應(yīng)O2+4e-+H2O4OH-，

氧氣濃度相對低的地方發(fā)生反應(yīng)M-ne-Mn+。

所以，吸氧腐蝕中金屬腐蝕的快慢并不取決于氧氣濃度的絕對高低，而是取決于氧氣濃度相對大小，氣體濃度差也能產(chǎn)生電勢差。

【設(shè)計意圖】在探究過程中，學(xué)生只考慮到了溶液濃度，而忽略了氣體濃度。為此，教師特別補充探究，利用參與式教學(xué)方法探究之前學(xué)過的吸氧腐蝕，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，消除學(xué)生思維定勢。

（3）酸堿性

學(xué)生已知MnO4-、NO3-、Cr2O72-、ClO-在酸性條件下氧化性更強，同時學(xué)生在書寫2Fe3++2I-2Fe2++I2的負極方程式時發(fā)現(xiàn)，在酸性和堿性環(huán)境下，其電極反應(yīng)是不同的，所以學(xué)生認為酸堿性也可能影響電勢差。于是向C（石墨）‖KI（0.1 mol/L）┊FeCl3（0.1 mol/L）‖C（石墨）分別加入1 mL 0.1 mol/L鹽酸和1 mL 0.1 mol/L NaCl溶液進行對比實驗。

由對比結(jié)果可知，加入酸的原電池電流有了明顯增強，說明：提高酸性可以提高Fe3+的氧化性，影響電勢差。

【學(xué)生】通過上述對比實驗和數(shù)據(jù)分析可知：在一些有H+或OH-參與電極反應(yīng)中，酸堿性影響電勢差。

【設(shè)計意圖】學(xué)生在整個探究過程中認識到，設(shè)計一個化學(xué)電源，要考慮到物質(zhì)性質(zhì)、濃度、酸堿性等因素。學(xué)生建立起了“影響因素→電子密度差異→電勢差→電流”的認知模型，從本質(zhì)上理解了電流產(chǎn)生的原因。

【教師】演示實驗，將發(fā)電片與小風(fēng)扇相連，發(fā)電片放在冰袋與手之間，小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。

設(shè)置問題組：

（1）產(chǎn)生電流的因素是什么？

（2）這是一類什么電池？

（3）產(chǎn)生電流的原理是什么？

【設(shè)計意圖】引發(fā)學(xué)生深度思考，引導(dǎo)學(xué)生課下探究，讓學(xué)生意識到影響電勢差的因素還有很多，拓展學(xué)生思維，拓寬學(xué)生認知邊界。

【教師】最后帶領(lǐng)學(xué)生對我國化學(xué)電源的進行優(yōu)勢、前景、瓶頸等分析，培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任意識。

【學(xué)生】課下學(xué)生將收獲寫成了詩。

化學(xué)平衡隨處見，化學(xué)電源能生電；

兩者看似不相聯(lián)，其實其中規(guī)律現(xiàn)。

電子電勢電流見，濃度溫度可生電；

化學(xué)現(xiàn)象多美妙，立志創(chuàng)新使命現(xiàn)。

五、課題學(xué)習(xí)的反思

原電池知識屬于宏微結(jié)合的部分，掌握這一知識對于深刻理解電化學(xué)的本質(zhì)有著重要作用。本課以項目式學(xué)習(xí)開展教學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，設(shè)計學(xué)生活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在此過程中，學(xué)生搭建起了宏觀電流和微觀電子的聯(lián)系，幫助學(xué)生深刻理解原電池產(chǎn)生電流的本質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生從項目化學(xué)習(xí)的情境中獲取信息，根據(jù)驅(qū)動性問題對信息進行加工，繼而在完成任務(wù)的過程中深度加工信息，可見，通過項目化學(xué)習(xí)，學(xué)生的信息獲取與加工能力得以外顯。同時，學(xué)生經(jīng)歷了從定性分析到定量探究的過程，并將電化學(xué)、化學(xué)平衡、氧化還原反應(yīng)的理論有機結(jié)合，多角度認識和挖掘原電池的本質(zhì)。整個學(xué)習(xí)過程由實驗串聯(lián)，學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力以及實驗設(shè)計能力、實驗創(chuàng)新能力得到了培養(yǎng)。不過，根據(jù)學(xué)生需求設(shè)立此微項目實驗課題，在教學(xué)設(shè)計、教法、學(xué)法等方面還需要進一步優(yōu)化和改進。

參考文獻：

中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：6，8.

責(zé)任編輯：黃大燦