基于“證據推理與模型認知”的項目式教學設計

張雪清

摘 要：在核心素養導向的教學過程中，項目式學習方式即教師提出驅動性問題，布置任務，學生開展實驗探究、查閱文獻等活動，經過實驗、分析、論證，教師引導，概括總結，提煉出結論，在研究過程中使核心素養得到落實。

關鍵詞：項目式學習;核心素養;化學電源

高中化學核心素養分為宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識，科學精神與社會責任五個維度。項目式學習設計是核心素養落實的有效途徑之一。在教學中我們把不同的教學內容設計成一個個項目，讓學生在完成項目的過程中學會知識、理解知識，并能應用知識解決實際問題。我以《新型化學電源》復習課為例，談談在項目式學習中落實“證據推理與模型認知”這一核心素養的教學設計。

一、項目設計背景

電化學是中學化學的學習難點之一，《普通高中化學課程標準（2017版）》針對電化學的內容指出：“認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。了解原電池及常見化學電源的工作原理。”在以往的教學中，原電池的構成要素為：活潑性不同的金屬與金屬（或非金屬）;電解質溶液;形成閉合回路這三要素。在這三要素模型中活潑性不同的電極未能反映原電池的氧化還原本質，且在實際電池中（如氫氧燃料電池）中是不需要的;電解質溶液也有局限性，例如，實用的氫氧燃料電池不需要電解質溶液，用質子交換膜作為離子的通道。因此，將三要素模型修正為電極反應、電極材料、離子導體、電子導體四要素模型，更加能反映原電池工作原理的本質。該模型也適用于電解工作原理，更具有通用性。因此，將原電池原理的復習課設計成一個項目，在完成項目過程中使學生形成“識別模型→優化模型→理解模型→構建模

型→運用模型”的思維進階，讓學生了解化學模型的提出和更新過程，從中更深刻地理解科學的本質，形成實事求是的科學態度，促進學生想象力和邏輯思維能力的發展。

二、項目設計流程

第一階段 激活舊知，識別模型：原電池構成要素分析

以人教版《必修二》第二章實驗2-4的銅—鋅—硫酸銅溶液原電池實驗為切入點，根據實驗結論，初步建立原電池形成條件的模型：①活潑金屬做負極，不活潑金屬（或石墨）做正極;②電解質溶液;③構成閉合回路。教師引導，提出思考：活潑金屬一定做負極嗎？用實驗驗證。修正形成條件①。接著提出思考：依據實驗過程中的異常現象，怎么優化實驗裝置？重新設計實驗裝置。

實驗一：初步識別模型

【確定項目】

觀看視頻（新能源汽車——特斯拉），視頻中電池的工作原理是什么？設計基本的原電池裝置。

【設計方案】

實驗用品：（微型實驗）

液體：CuSO4溶液1mol/L

其他：銅棒、鋅棒、碳棒、音樂芯片、點滴板、2p頭、電壓表

【完成項目】

步驟：向點滴板①孔中滴加10滴CuSO4溶液，并將銅棒與鋅棒插入點滴板的CuSO4溶液中且銅棒和鋅棒不能相互接觸，連接音樂芯片和電壓表。

現象：可聽到美妙的音樂聲。（注：如果音樂芯片的正負極接反，則無法發聲，由此可用于判斷正負極）

【交流展示】

1.化學能轉化為電能;2構成原電池的條件：活潑金屬做負極，不活潑金屬做正極;電解質溶液;形成閉合回路。

【評價改進】

思考1：該電池工作的原理是什么？

思考2：“活潑性不同的金屬做電極時，較活潑的金屬一定做負極嗎”？設計實驗加以證明。

實驗二：反思結論，修正模型

【確定項目】

解決思考2：活潑金屬一定做負極嗎？

【設計方案】

實驗用品：（微型實驗）

液體：NaOH溶液1mol/L、H2SO4溶液1mol/L

其他：鎂棒、鋁棒、音樂芯片、點滴板、電壓表

【完成項目】

步驟一：向點滴板①孔中滴加10滴H2SO4溶液，并將鎂棒與鋁棒插入點滴板的H2SO4溶液中且鎂棒與鋁棒不能相互接觸，連接音樂芯片和電壓表。

現象：鋁棒表面有氣泡，可聽到美妙的音樂聲。

步驟二：將H2SO4溶液換成NaOH溶液，重復上述實驗。

現象：鎂棒表面有氣泡，沒有音樂聲，調兩極接線，可聽到美妙的音樂聲。（注：如果音樂芯片的正負極接反，則無法發聲，由此可用于判斷正負極）

【交流展示】

化學能轉化為電能。由自發進行的氧化還原反應確定該裝置電極。

【評價改進】

思考3：銅—鋅—硫酸銅溶液構成的原電池，長時間會發現鋅的表面有紅色物質析出，怎么避免該現象的發生？

實驗三：依據模型，改進裝置

【確定項目】

解決思考3：銅—鋅—硫酸銅溶液構成的原電池，長時間會發現鋅的表面有紅色物質析出，怎么避免該現象的發生？

【設計方案】

實驗用品：

液體：CuSO4溶液1mol/L、ZnSO4溶液1mol/L

其他：銅棒、鋅棒、鹽橋、音樂芯片、電流表、導線、小燒杯2個

【完成項目】

步驟：向兩個小燒杯中分別加入CuSO4溶液、ZnSO4溶液，將銅棒放入CuSO4溶液中，鋅棒放入ZnSO4溶液，用導線將音樂芯片連接。將鹽橋插入兩個燒杯中，形成閉合回路。

實驗現象：可聽到美妙的音樂聲，鋅棒表面沒有明顯變化。

【交流展示】

化學能轉化為電能。總結雙液電池的優點。

【評價改進】

思考4：構成原電池的電極一定參加反應嗎？

第二階段 活動探究，優化模型：從電子導體的角度深度分析模型——燃料電池

從電子導體的角度深度分析原電池的形成條件②，思考4：原電池的電極一定參加反應嗎？查閱文獻資料（中英文）并總結匯報。在查閱文獻資料時，學生要把中文資料和英文資料整理好后講給大家。在查閱文獻中鍛煉學生的文件檢索能力和學術翻譯能力。

【確定項目】

解決思考4：構成原電池的電極一定參加反應嗎？查閱文獻資料（中英文）并總結匯報。

【設計方案】

實驗用品：

液體：Na2SO4溶液1mol/L

其他：小型水電解器、小風扇、變壓器、轉換接頭

【完成項目】

步驟：電解1mol/L硫酸鈉溶液，2分鐘可獲得約10mL氫氣和5mL氧氣。待氣體生成一定量后，連接小風扇。

現象：小風扇可轉動約20秒。

【交流展示】

氫氣氧氣構成氫氧燃料電池，將化學能轉化成電能。

【評價改進】

思考5：構成電池的電解質一定是溶液嗎？觀看視頻，查閱文獻，了解前沿科技。

整理文獻資料并填表：

第三階段 從離子導體的角度深度分析模型——濃差電池

在查閱資料時，對于電池的使用有這樣一段描述：電池在無使用情況下，電量自減少或消失現象稱自放電，鉛酸電池充足電1個月內每晝夜容量降低超3%，稱故障性自放電，產生自放電的原因：1.鉛酸電池長期存放，硫酸下沉，使極板上、下部產生電位差，引起自放電;2.鉛酸電池溢出電解液堆積在電池蓋表面，使正、負極形成通路。……如何理解“硫酸下沉，使極板上、下部產生電位差，引起自放電”？實驗驗證。

【確定項目】

解決思考6：查閱文獻（中英文），如何理解濃差電池？

【設計方案】

實驗用品：

液體：幾種不同濃度的氯化鈉溶液

其他：海水淡化—濃差電池聯合裝置、電壓表、電極板兩個

【完成項目】

步驟：1.取兩種不同濃度的氯化鈉溶液，將溶液交替放入聯合裝置的儲液室中;2.聯合裝置兩側放入相同電極片，連接電壓表，測量并記錄電壓;3.改變電極片在儲液室的位置，測量并記錄不同位置時的電壓;4.保持低濃度氯化鈉溶液，將另一濃度調高，重復2、3步驟記錄電壓。

實驗現象：記錄電壓表數據

【交流展示】

濃度差越大電壓越高，測量儲液室的間隔越多電壓越大，同一儲液室時沒有電壓。

【評價改進】

查閱文獻：濃差電池的工作原理及其應用，了解前沿科技。

第四階段 構建原電池的分析模型

根據上面的分析，由學生構建原電池的分析模型：原電池構成的四要素：①電極反應;②電極材料;③離子導體;④電子導體。

第五階段 模型的應用——新型化學電源的未來

思考7：查閱中英文資料，關注新型化學電源的未來發展，整理文獻資料，匯報。

在查閱資料過程中，學生會發現，原電池原理在其他學科也有廣泛的應用，有的學生寫出了在生物方面的應用研究;有的學生寫出電化學技術與環境保護方面應用的研究;還有的學生寫出了電化學在物理方面應用的研究。

在本項目實施階段，學生通過大量的實驗和查閱相關文獻資料，會發現原電池的模型構建同樣適合于電解池，在后面的電解池的學習中學生會從模型認知的角度去分析問題，發現新問題并解決新問題。

“以有目的的方式對待兒童，以便激發兒童身上最好的東西，然后盡可能放手讓他們自己管理自己”。1918年9月美國教育家威廉·赫德·克伯屈首次明確了項目式學習的思想是讓學生通過實際活動去學習，并認為知識只有通過行動才能獲得。學生在完成一個個“項目”中，通過不斷地提出問題、分析問題、解決問題、反思問題使各種能力得到鍛煉，最終形成自己的科學素養。

參考文獻：

房喻，徐端鈞.普通高中化學課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

編輯 杜元元