基于實驗探究促進學生化學深度學習

黃清輝　張賢金　吳新建

摘要：基于化學深度學習的已有研究和觀點的分析，以高中化學魯科版《化學2（必修）》“原電池的工作原理”為例，進行基于實驗探究促進學生化學深度學習的教學設計及實施，最后對該教學設計及實施進行反思。

關鍵詞：實驗探究；原電池；概念原理；問題串；深度學習

文章編號：1008-0546（2016）06-0017-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.005

化學是一門以實驗為基礎的科學。傳統的實驗教學非常注重知識的傳授，而忽視學生親身體驗及感受實驗所獲得的經驗，這一方面導致學生缺乏實踐和探究的機會，另一方面導致學生的分析解決問題和合作交流的能力得不到提升。新課程非常注重對學生科學素養的培養，而新課程理念的有效落實離不開實驗探究[1]。為此，教師應該充分利用探究實驗讓學生完成“猜想——實驗——發現——發展”的過程，有利于培養創造型人才并形成終身學習的意識和能力。本文擬以高中化學魯科版《化學2（必修）》“原電池的工作原理”為例，探討如何在實驗探究中幫助學生去發現、體驗、感知化學反應可以產生電能，最終對原電池的工作原理有深刻的理解，從而幫助學生實現化學深度學習。

一、化學深度學習的已有研究

深度學習是學習科學提出的一個重要的概念和理論。1976年，美國學者Ference MArton和Roger Salio首先提出了深度學習 （Deep Learning） 和淺層學習（Surface Learning）這兩個相對應的有關學習的概念[2]。之后，國外的學者們對深度學習進行了大量的理論和實證研究。近年來，國內學者將深度學習理論引入國內，并進行了研究。然而，具體到化學學科目前有關化學深度學習的研究成果并不多見。張發新基于國內外學者對深度學習概念的界定的分析，認為深度學習的內涵包括幾個方面：一是深入理解學科基本思想、學科基本思維及其結構的學習；二是深刻領會并掌握學科知識的符號意義、邏輯意義的學習；三是促進學生深化認識知識價值意義的學習[3]。劉巖和張發新認為化學教學中的深度學習具有五個主要特征：注重批判理解、強調知識整合、關注知識的建構、著意遷移運用、強調面向實踐應用。他們認為，要實現化學教學中的深度學習要著重落實三個操作性核心要素，即真實、反思和遷移[4]。按照化學深度學習的已有研究和觀點，我們以高中化學魯科版《化學2（必修）》“原電池的工作原理”為例，進行教學設計并實施。

二、教學設計思路

簡要的教學設計思路如下：創設情境（伏打電池的發明）——視頻投影（世界首架干電池動力飛機）——分組實驗（鋅粉與稀硫酸反應）——利用氧化還原反應的知識分析該反應——引發“化學能轉化成電能”的猜想——實驗探究原電池的工作原理——引導學生分析原電池的工作原理——水果電池的設計——解決問題（為格林太太開藥方）。該教學設計在學生已有經驗和認知基礎上，通過創設真實的情境，并通過分組實驗探究的方式，在一系列的實驗問題串的啟發下促進學生思考和探究，讓學生進行自我反思體悟建構原電池的工作原理，最后將原電池的工作原理應用于水果電池的設計和為格林太太開藥方，從而實現知識和方法的遷移應用。整個教學設計過程符合已有的對化學深度學習的認識。

三、教學目標

1. 理解原電池的工作原理，能判斷正負極，了解電極反應式。

2. 通過學生經歷假設與猜想、設計方案、進行實驗、觀察分析實驗現象、得出結論、應用結論解決問題的過程，逐步探究出原電池的工作原理，并學習科學探究的方法，提高學生的科學探究能力。

3. 通過實驗探究，培養學生學習化學的興趣，感受化學世界的奇妙，培養學生勤于思考、探索求實的科學態度和科學品質。

四、教學難點及其突破策略

教學難點是通過實驗探究，逐步引導學生從氧化還原反應本質理解原電池的工作原理及其應用。采用情境創設、問題探究、圖像輔助等教學方式，由淺入深，循序漸進，逐步突破的辦法引領學生理解和突破本節課的難點。

五、教學主要過程

[創設情境]1786年，意大利著名生物學家伽伐尼通過蛙腿收縮實驗發現“生物電”。1799年，意大利著名的物理學家伏打通過對伽伐尼的發現做了研究，發明了第一個化學電池“伏打電池”。科學家對原電池進行大量的實驗研究和改進，現在同學們比較熟悉的電池有干電池、鉛蓄電池、鋰電池、燃料電池等。

[師]同學們，干電池的作用大家肯定比較了解，但160個干電池作為動力可以讓一架飛機起飛，你們信嗎？

[投影] 播放視頻——世界首架有人駕駛的干電池動力飛機試飛成功。

設計意圖：通過蛙腿實驗、伏打電池的介紹、干電池動力飛機的投影及常見電池的介紹，讓學生了解原電池發展史的同時，也讓學生們感受到化學實驗的巨大魅力及作用，極大地調動學生學習積極性，提升學生的求知欲望。

[過渡]電池是我們非常熟悉的東西，那么你們知道干電池內部的工作原理嗎？

[學生分組實驗]取適量0.5mol·L-1稀硫酸滴入盛有鋅粉的試管中，然后將溫度計插入溶液中，過一段時間再測溶液的pH，并記錄實驗現象。

[現象] 溫度計示數上升，溶液中產生大量的氣泡，溶液的pH變大。

[設計問題串，引發學生創造思維]

問題1：從化學反應的熱效應分析：鋅粉與稀硫酸反應屬于哪類反應；從化合價變化的角度分析：該反應又屬于什么反應，此類反應的實質是什么？

問題2：鋅粉失去電子，硫酸電離出的氫離子在鋅的表面得到電子生成氫氣，并放出熱量。那么，能否利用該反應產生其他形式的能，如電能？

問題3：如果可以產生電能，那么怎樣才能檢測到反應產生電能？請設計實驗方案。

實驗用品：鋅片、銅片、電流計、導線、稀硫酸、燒杯等。

設計意圖：問題1與問題2讓學生意識到鋅粉與稀硫酸的反應既是放熱反應又是氧化還原反應；回顧氧化還原反應的特征（元素化合價的變化）及實質（電子的轉移），并結合物理電學的相關知識（電子的定向移動形成電流），引導學生大膽假設利用該反應可以產生電能，培養學生的想象力與創造力。問題3主要引導學生從閉合回路的角度設計實驗，并用電流計檢測電流。

[學生活動] 探究利用化學反應將化學能轉化成電能

[實驗1]將鋅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現象并做好記錄。

[實驗2]將鋅片與銅片平行的插入盛有稀硫酸的燒杯中。一段時間后，將鋅片與銅片接觸，觀察現象并做好記錄。

[實驗3]將鋅片與銅片用導線連接，平行插入盛有稀硫酸的燒杯中，并將電流計接在導線的中間，觀察現象并做好記錄。

[學生]實驗1鋅片表面上產生氣泡，銅片上無明顯現象；實驗2接觸前鋅片有氣泡，銅片無氣泡，而接觸后銅片表面也產生氣泡且更劇烈（此時鋅片也能觀察到少量氣泡）；實驗3銅片產生氣泡，電流計指針發生偏轉。

設計意圖：通過實驗教學使學生意識到只有釋放能量的氧化還原反應才能實現化學能與電能轉化，而非所有釋放能量的化學反應都能轉化為電能。引導學生體驗類似科學家進行科學實驗探究的一般過程，在探究過程中完成知識的自主建構，同時培養學生的動手、觀察、合作交流、解決問題的能力，提高學生的主體地位，激發學習熱情。

[設計3個問題，引導學生分析原電池的工作原理]

問題1：實驗3產生電流的原因？

問題2：銅片上產生什么氣體？怎樣證明？

問題3：銅片上的氫氣是如何產生？H+獲得的電子是鋅片還是由銅片提供？

設計意圖：問題1讓學生回顧初中物理有關電學知識；問題2主要讓學生學會從微粒觀角度去分析產生氫氣的原因（硫酸在水中電離產生H+，同時也讓學生意識到不是銅電極發生反應）；問題3引導學生從溶液的顏色（銅若失電子，溶液會變藍）分析提供電子的物質。三個問題環環相扣，一步步引導學生去思考問題，最終揭示原電池的工作原理。

[結論一]化學反應能產生電能，原電池就是利用氧化還原反應將化學能轉化成電能的裝置。

[多媒體動畫展示]鋅-銅原電池中的電子得失及電子、燒杯中離子移動的方向。

設計意圖：Flash動畫展示既能吸引學生的注意力，又能更加直觀、清晰地展現離子、電子、電流流動方向及實驗現象，這避免學生錯誤地認為在化學電池中電流是電子的連續運動形成的，同時便于學生從微粒觀的角度去理解原電池工作原理。

[結論二]原電池的工作原理：是利用鋅、銅兩個電極的電極電勢的不同（鋅比銅的低），產生電勢差，鋅失去電子沿著導線向銅電極發生定向移動，產生電流。

[提出問題]鋅片與銅片分別發生哪種類型反應，并用式子表示出來。

[教師引導共同得出結論三]電極及電極反應式：

鋅片（負極：電子流出的一極）：Zn - 2e-Zn2+（氧化反應）；

銅片（正極：電子流入的一極）：2H+ + 2e- H2↑（還原反應）。

設計意圖：部分學生在寫正極反應式時，往往寫成銅得電子，其根本原因是沒能弄清金屬只能失電子及沒能弄清銅片有大量電子。通過書寫電極反應方程式，結合原電池工作原理圖，再次引導學生從微粒觀角度分析理解原電池工作原理，實現從感性到理性、現象到本質的突破，解決本節課的難點。

[學生活動] 請根據剛才所學知識，制作蘋果電池。

設計意圖：即學即用，既能鞏固所學知識，又能激發學生的學習熱情，培養學生的實踐能力，讓學生體會化學來源于生活，又應用于生活。

[交流討論]《格林太太的假牙》的故事。

六、基于實驗探究促進學生化學深度學習的教學反思

本節課的特點是利用學生已有的認知水平，通過實驗探究來解決化學重要知識，同時設計一系列為教學服務的問題串，培養學生自主探究的能力，從而幫助學生深刻理解原電池的工作原理，最終幫助學生實現化學深度學習。

1. 利用化學實驗及學生的已有認知，創設一系列的問題情境

教師在教學活動中，要善于借助化學實驗，并通過實驗挖掘新舊知識間的內在聯系，并利用學生已有的知識體系去設計問題情境，并進行有針對性的分組討論，提出解決問題思路，逐步提升學生的認知水平。學生在實驗及問題探究中，化學的學科素養也得到了提升。

2. 發揮教師在實驗探究中的組織和引導作用，培養學生自主探究的能力

在實驗探究過程中，教師的組織和引導是非常重要的。在原電池的工作原理教學中，涉及金屬與溶液的導電性、電解質的電離及氧化還原反應等相關知識，學生已有的認知有限，教師如果不對實驗加以引導、啟發的話，學生可能無法著手進行實驗探究，達不到良好的教學效果。反之，教師有目的性地設置一系列遞進式的問題串后，組織學生依據問題進行分組討論后設計實驗方案，然后組織學生再對各種方案加以對比、分析、評價后，最后形成較為科學嚴密的實驗裝置和實驗方案，學生也就很快依據實驗探究得到正確的結論。

3. 利用化學實驗，培養學生用微粒觀分析問題的能力

教師在教學中，引導學生從微粒觀的角度對化學實驗中的宏觀現象（沉淀、氣泡、顏色變化、溫度變化等） 進行分析，組織學生大膽假設并進行實驗驗證，最終讓學生明白問題的本質。本節教學中，電子是鋅片還是由銅片提供，通過引導學生觀察溶液顏色及離子的特征去分析實驗的本質，這樣處理有利于引導學生在今后遇到類似問題，知道問題解決的切入點，促進學生分析、探究問題的習慣養成，提升解決問題能力。

總之，通過探究性實驗使學生從被動地接受知識轉化為主動去探索新知，有利于學生動手實驗、動眼觀察、動腦思維、動口表達，讓學生的學習過程成為發現認知的過程，學生在認知的同時，邏輯思維、探究思維、創造思維得到全面發展，最終實現了化學深度學習的目標。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003

[2] 閻乃勝.深度學習視野下的課堂情境[J].教育發展研究，2013，（12）：76-79

[3] 張發新.談化學教學中“深度學習”的內涵及實施策略[J].現代基礎教育研究，2015，（9）：196-201

[4] 劉巖，張發新.化學教學中促進學生深度學習的實踐與探索[J].化學教學，2015，（9）：19-23