基于探究實驗建構認知模型的化學教學研究

單世乾 倪娟

摘要： “核心素養”背景下的原電池探究實驗教學，旨在從學生認識角度建立原電池認知模型。學生在濾紙上完成實驗探究，經歷“鋅銅單液原電池鋅銅雙液原電池鐵碳食鹽水原電池”的電池原型，從建立“負極材料與電解質發生氧化還原反應”的經典鋅銅原電池認知模型，逐漸認識到“存在自發氧化還原反應、電解質的基本功能是離子導體、根據實際需要選擇電極、電解質、隔膜”的通用原電池認知模型。探究過程中，定性分析與定量研究相結合，基于證據培養創新意識、科學精神和問題解決能力，從而提升發展核心素養。

關鍵詞： 原電池教學; 實驗探究; 認知模型; 核心素養

文章編號： 10056629（2018）12005906中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1?問題的提出

關注學生“核心素養”的培養是目前基礎教育理論研究和實踐變革的重大趨勢，如何在學生發展核心素養與課程教學之間建立起內在聯系成為課程改革的重點[1]。陳進前對化學核心素養導向的教學，提出了“從課本實驗到科學探究和創新意識”，“從事實到證據推理和模型認識”的建議[2]。從這種意義上來說，實驗探究的過程，是培養學生理性判斷思維、創新精神和實踐能力的過程，也是作為一種研究手段獲得證據，構建不同發展階段理論模型的過程。

高中電化學內容具有較強的理論性，原電池中反應原理、電極判斷、電極方程式書寫等較為抽象，與學生的生活經驗有一定的距離，僅依賴課本經典裝置則證據不足，容易造成思維固化、易形成迷思概念。對于電化學這一理論教學的難點，傳統的分析推理教學方法難以達到提升素養的教學目標。若利用鋅銅稀硫酸雙液原電池等實驗素材，組織學生分析推理、推論預測、設計評價等探究活動，才能有效促使學生認識到電極反應、電極材料、離子導體、電子導體等基本要素，從而建立原電池認知模型，提高對原電池本質的認識。

2?原電池認知模型建構的必要性分析

2.1?依據“原電池”學情

基于學情設計教學，才能激發學生主動探究，突出學生的主體作用。教學實踐中發現，“原電池”學習中，學生易形成以下錯誤認識，應在教學設計中重點關注，研究產生的根源。

認識1： 認為原電池的形成條件之一必須要有電解質溶液;

認識2： 原電池反應中，電解質溶液一定和電極（負極）直接接觸并反應;

認識3： 同種金屬不能構成原電池的正負極;

認識4： 原電池中陰離子向正極移動，陽離子向負極移動。

不難看出，部分學生想當然地認為正極帶正電、吸引陰離子，從而形成“認識4”離子移動的迷思概念。其余錯誤認識，均源于從鋅銅稀硫酸經典原電池裝置中獲得的刻板印象。化學理論性知識是化學教學內容的精髓，具有高度的概括性，是從豐富具體的事實材料中抽象概括出來的。其概念形成過程需要大量的具體例證，并據此概括關鍵特征。作為理論性知識的代表內容，原電池學習僅僅利用一個原型無法激發學生的探究性思維，教學過程中需要更換電極、電解質，變通連接方式，提供符合科學發展的實際場景，利用多個原電池原型構建原電池認知模型并逐漸完善，以此促進學生歸納與演繹能力發展，將知識與學科觀念、學習與問題解決聯系起來。

2.2?依據核心素養背景下“原電池”教學要求

蘇教版化學2“化學能轉化為電能”由鋅銅原電池探究實驗入手，引導學生感性認識電能的轉化，分析反應原理和電極反應，得出原電池的構成條件，引出電極、電極反應、電流回路等原電池相關概念;選修4“原電池的工作原理”基于鋅銅硫酸銅雙液原電池的探究實驗，理性分析化學能與電能的轉化，認識氧化反應和還原反應分別在負極區和正極區發生，體現了氧化還原反應的“自發性”，也為后續原電池、電解池中的隔膜技術奠定基礎。

根據化學學科核心素養對高中學生發展的要求，普通高中化學課程標準[3]提出，“要基于證據進行分析推理，能依據物質及其變化的信息建構模型”的課程目標。通過高中必修模塊學習，學生對原電池的工作原理已有一定認識，選修內容的教學任務是喚醒高一原電池的已有認識，在完善學生認知模型的過程中，培養學科觀念。如對于原電池認知模型的發展，不僅要建立認識角度，還應當發展學生對于電池動力和溶液內部離子運動的認識，對電池發展的科學探究過程及對實用電池的分析評價等。因此教師在教學設計時尤其要關注化學學科的實踐性特征，將實踐性素材中化學與生活、生產實際，科學研究等聯系挖掘出來，通過營造真實情境，提供豐富的情境素材，激勵學生通過實驗探究活動建立認知模型、理解原電池的基本原理及相關概念，感悟電池的改進與發展的理論依據及方法。

由此確立本節教學目標為： 通過設計與組裝原電池，深化理解原電池的本質是氧化還原反應，理解原電池的工作原理，構建并逐漸完善原電池認知模型;通過定性分析與定量研究相結合獲取證據，明確生產生活中原電池的評價依據與發展方向，感悟科學精神和社會責任。使課堂教學目標從“教會知識”向“發展素養”轉變[4]，以提升學生“科學探究與創新意識”、“證據推理與模型認知”、“科學態度與社會責任”等化學學科核心素養。

3?原電池認知模型構建的教學設計

3.1?篩選學生問題，挖掘教學價值

不論演示實驗還是分組探究實驗，學生均能從實驗過程中觀察到超出預期的實驗現象，經過分析推理，提出一些自己不能解決的問題。梳理這些問題，正是探查學情、發現知識生長點的時機。利用學生提出的問題組織教學，更能激發學生思維、激勵學生主動地進行科學探究。

問題1?鋅片表面為什么有紅色斑點？

問題2?電壓表讀數為什么越來越小？

問題3?雙液原電池中，鋅片不與硫酸銅接觸，為什么有電流產生？

問題4?原電池效率的影響因素有什么？

問題5?鐵碳、鋅碳都不與氯化鈉反應，為什么能構成原電池？

這些問題都是學生在學習過程中自然生成的，經過小組交流討論基本都能得到解答。例如，問題1和問題2的答案是雙液原電池改進的依據： 銅鋅硫酸銅單液原電池實驗探究中，理論上作為負極的鋅片表面本應沒有斑點出現，事實上仍有較為明顯的現象，排除鋅片不純的影響因素，負極與電解質中的氧化劑直接接觸，部分電子未經導線轉移而直接在鋅電極表面被銅離子捕獲，導致電能轉化率降低;而在雙液原電池中鋅單質和硫酸鋅接觸、銅單質和硫酸銅接觸，兩份溶液通過鹽橋聯通，不會出現氧化劑和還原劑之間的直接反應，提高了電池的效率。從電流角度看，由于鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，銅在鋅片表面析出，鋅表面也構成了原電池，進一步加速銅在鋅表面析出，致使向外輸出的電流強度減弱;雙液原電池使用鹽橋，可使由它連接的兩溶液保持電中性，鹽橋保障了電子通過外電路從鋅到銅的不斷轉移，使鋅的溶解和銅的析出過程得以持續進行，在外電路形成持續穩定的電流。后面幾個問題均在引導學生結合實驗探究進行分析推理，順利建立并完善原電池認知模型中發揮作用。

3.2?精選教學素材，激發探究熱情

為了幫助學生深入認識原電池本質，教學中提供豐富的實驗素材，激勵學生積極主動探究，模擬解決實際問題。

電極材料： 鋅片、銅片、碳棒、鐵釘、鎂條、鋁片

介質： 食鹽水、蘋果、西紅柿、白蘿卜、土豆等生活素材，濾紙（玻璃片）、高錳酸鉀溶液

驗電器材： 電流計、連有蜂鳴器和發光二極管的電路板、鬧鐘、小馬達

設計濾紙玻璃片微量實驗，除了方便操作、試劑用量少等優點，該裝置與學生熟知的原電池裝置圖相似（見圖1、圖2），既體現化學實驗的創新精神，又有利于學生形象感知原電池裝置圖。在此基礎上，形成電極、電極反應、電流回路等原電池相關概念;認識氧化反應和還原反應分別在負極區和正極區發生，體現了氧化還原反應的“自發性”，總結歸納出原電池的構成條件和工作原理。

選擇蘋果、白蘿卜等生活素材，可以促使學生深入思考，即使不清楚電解質的成分，只要存在自發的氧化還原反應，就可以設計原電池;可通過變換電極、改變電極間隔等方式，發現電壓表讀數的變化;從定量探究的角度去分析推理，發現影響電池效率的因素，體會電池設計與發展的科學思想和敢于質疑、勇于創新的精神。尤其在鐵碳食鹽水原電池的探究中，得出負極材料不與電解質發生氧化還原反應的結論，為原電池認知模型的完善提供了有力的證據。

3.3?基于證據推理，建構三種認知模型

確定教學環節及設計意圖如圖3。

通過探究實驗逐步揭示“負極材料與電解質反應→電極與電解質中溶解的氣體反應→電極材料上吸附物質之間的反應”自發氧化還原反應的實質，從而深入理解原電池的構成條件和工作原理，為實際原電池選擇特殊電解質和隔膜技術奠定認識基礎。在這里，證據推理指向模型認知，有了多種證據的支撐，學生構建并完善原電池認知模型就變得順理成章了。

由理解到應用，從現狀到前景，既符合學生認知發展規律、滿足學習心理，又反映應用知識改善生活的必然性，進而提升了知識在生活生產中的應用屬性。

4?原電池認知模型構建的教學過程

研究學生的認知規律，梳理有價值的學生問題，提供豐富的實驗素材，學生在實驗探究中，解決問題，建立并逐步完善原電池認知模型。具體實驗教學過程如下：

實驗1?學生根據實驗素材，設計改進實驗，利用濾紙在塑料片上完成鋅、銅、硫酸銅溶液的原電池實驗（見圖1）。

設計意圖： 以鋅銅稀硫酸原電池為例，建立起分析電池的幾個核心認識角度——電子移動和離子移動、電極反應和電極反應表達、能量轉化與微粒變化等。突出負極材料與電解質發生氧化還原反應，氧化反應和還原反應分別、同時發生。

[學生問題]鋅片為什么有大量氣泡？電流為什么減弱？

[問題解決]分析推理： 鋅片不純，與硫酸接觸構成原電池;鋅片直接與硫酸發生反應，電能轉化率低。利用雙線橋法和單線橋法分析反應原理。

[模型建構]以濾紙微型電池原型，構建鋅銅經典原電池認知模型如圖4。

實驗2?學生結合濾紙單液原電池實驗，設計并完成濾紙上鋅、銅、硫酸鋅溶液、硫酸銅溶液的雙液原電池實驗（如圖2）。

將滴有硫酸鋅、硫酸銅溶液的濾紙條分別放在鋅片與銅片上，氯化鈉濾紙橫在兩電極之間。

設計意圖： 通過觀察到實驗異常現象，分析單液原電池的弊端，提出質疑和新的實驗設想。在探究過程中學生理解閉合回路的建立，理解通過導線上電子的轉移和電解質中離子的定向移動，實現化學能向電能的轉化。從本質上理解原電池中氧化反應和還原反應分別在兩極發生，理解總反應與電極反應的關系。

[學生問題]鋅與硫酸銅不直接接觸，化學能怎么轉化為電能？

[問題解決]分析推理： 導線上有電子轉移、電解質與鹽橋中離子定向移動建立閉合回路，通過導線上電子的轉移和電解質中離子的定向移動，實現化學能向電能的轉化。氧化反應和還原反應分別在兩極發生。

[模型建構]理解雙液原電池工作原理，構建認知模型如圖5。

實驗3?學生在教師提示下，組裝鎂、碳、氯化鈉溶液原電池，并在中間滴加少量KMnO4溶液。

設計意圖： 通過分析，學生理解在鎂、碳、氯化鈉溶液原電池中，正極上溶液中溶解的O2得到電子，電解質的基本功能是提供自由離子，電極材料不一定直接與電解質反應，擴大原電池的認識范圍，為認識燃料電池奠定基礎，建立原電池的認知模型。利用濾紙上有色離子的遷移“看到”離子的移動，不僅有效突破教學重難點，還能引導學生從宏觀和微觀相結合的視角分析問題，基于證據，分析推理加以證實或證偽。

實驗4?學生自主選擇提供實驗素材，設計原電池。

設計意圖： 學生根據需要選擇電極材料、電解質、離子隔膜。基于實驗證據和生產生活中對原電池的要求，在經典單液原電池與雙液原電池模型基礎之上，構建通用原電池認知模型。

[學生發現]水果電池中，鋅、鐵可能與溶解的氧氣反應，也可能與蘿卜中的有機酸等電解質反應。不同的電極材料組合、不同類別不同濃度的電解質，都可能影響到電池效率，生活中使用的電池可能會考慮很多實際因素。

[模型建構]學生結合生產生活中的常用電池，進一步提煉原電池構成條件和工作原理，建構認知模型如圖6。

設計意圖： 在原電池探究實驗教學中，學生從問題和假設出發，設計實驗，通過親自操作獲取感知。如利用電流表指針偏轉感知正負極，通過電極及附近實驗現象理解氧化和還原反應、判斷電子和離子移動的方向等。結合分析推理，認識原電池的本質特征、構成要素和工作原理，建立并逐步完善原電池認知模型，并能運用模型解釋生活和生產中的電化學現象，在實際應用中深化理解。從探究實驗、構建認知模型的過程，反映了理論知識學習的科學路徑。

5?教學反思

對于學生逐步發展證據推理和模型認知的素養要求，普通高中化學課程標準[5]提出： 從定性與定量結合上收集證據，對模型和原型的關系進行評價以改進模型，對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析以建構相應的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題。與此對應，本節課教學主線為： 利用探究實驗獲得原型，建構相應原電池認知模型，并在解釋現象和解決問題的過程中逐步完善模型。

科學的本質不是科學知識，而是產生知識的方法與過程。真實科學探究的核心是科學知識的生成和論證[6]。三個原電池認知模型的建構，反映了在“原電池”實驗探究中的認識發展過程： 鋅銅稀硫酸經典原電池實驗，提供了負極材料與電解質反應的原電池原型，結合鋅銅硫酸銅濾紙微型實驗，學生可以順利建構圖4所示的鋅銅稀硫酸經典原電池認知模型;鋅片上的紅色斑點，激發了學生實驗改進的動機并研究出雙液原電池微型實驗;如何實現化學能向電能的轉化是理解的難點，這需要實驗中的證據支持，學生利用電壓表指針偏轉和高錳酸根離子的移動，物理電學和電化學結合，逐漸推理出離子移動和電子移動的回路，將原型轉化為模型（圖5）。從圖5到圖6的認知模型完善，學生沒有能力一次完成，大多數標注的是具體氧化劑和負極材料。在經歷多種素材的原電池組合實驗后，小組分析討論了氧氣、硫酸、硫酸銅在幾組反應中的作用，提煉出氧化劑的本質，為燃料電池的后續學習奠定基礎。

從經典鋅銅單液原電池原型中負極材料與電解質反應出發，逐漸擴大到認識存在自發的氧化還原反應、電子導體和離子導體，幫助學生從他們的認識角度建構認識模型，突破認識難點，在抽象概括中逐步發展認識，并在實際問題解決中檢驗學習成果，是不同階段知識學習的需要，更是核心素養背景下關鍵能力的發展需要。

參考文獻：

[1]鐘啟泉.基于核心素養的課程發展： 挑戰與課題[J].全球教育展望， 2016，（1）： 3～25.

[2]陳進前.化學必修課程與化學學科核心素養的匹配性研究[J].化學教學， 2018，（5）： 1～8.

[3][5]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準[S].北京： 人民教育出版社， 2018.

[4]張福濤.“原電池工作原理”教學設計及課堂實錄[J].化學教育， 2014，（14）： 14～17.

[6]National Research Council.（1996）.National science education standards. Washington. DC： National Academy Press.