基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的項目式教學(xué)設(shè)計

張雪清

摘 要：在核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)過程中，項目式學(xué)習(xí)方式即教師提出驅(qū)動性問題，布置任務(wù)，學(xué)生開展實驗探究、查閱文獻(xiàn)等活動，經(jīng)過實驗、分析、論證，教師引導(dǎo)，概括總結(jié)，提煉出結(jié)論，在研究過程中使核心素養(yǎng)得到落實。

關(guān)鍵詞：項目式學(xué)習(xí);核心素養(yǎng);化學(xué)電源

高中化學(xué)核心素養(yǎng)分為宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識，科學(xué)精神與社會責(zé)任五個維度。項目式學(xué)習(xí)設(shè)計是核心素養(yǎng)落實的有效途徑之一。在教學(xué)中我們把不同的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成一個個項目，讓學(xué)生在完成項目的過程中學(xué)會知識、理解知識，并能應(yīng)用知識解決實際問題。我以《新型化學(xué)電源》復(fù)習(xí)課為例，談?wù)勗陧椖渴綄W(xué)習(xí)中落實“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計。

一、項目設(shè)計背景

電化學(xué)是中學(xué)化學(xué)的學(xué)習(xí)難點之一，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》針對電化學(xué)的內(nèi)容指出：“認(rèn)識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應(yīng)用。了解原電池及常見化學(xué)電源的工作原理。”在以往的教學(xué)中，原電池的構(gòu)成要素為：活潑性不同的金屬與金屬（或非金屬）;電解質(zhì)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(zhì)，且在實際電池中（如氫氧燃料電池）中是不需要的;電解質(zhì)溶液也有局限性，例如，實用的氫氧燃料電池不需要電解質(zhì)溶液，用質(zhì)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(yīng)、電極材料、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體四要素模型，更加能反映原電池工作原理的本質(zhì)。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(fù)習(xí)課設(shè)計成一個項目，在完成項目過程中使學(xué)生形成“識別模型→優(yōu)化模型→理解模型→構(gòu)建模

型→運用模型”的思維進(jìn)階，讓學(xué)生了解化學(xué)模型的提出和更新過程，從中更深刻地理解科學(xué)的本質(zhì)，形成實事求是的科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)生想象力和邏輯思維能力的發(fā)展。

二、項目設(shè)計流程

第一階段 激活舊知，識別模型：原電池構(gòu)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(jù)實驗結(jié)論，初步建立原電池形成條件的模型：①活潑金屬做負(fù)極，不活潑金屬（或石墨）做正極;②電解質(zhì)溶液;③構(gòu)成閉合回路。教師引導(dǎo)，提出思考：活潑金屬一定做負(fù)極嗎？用實驗驗證。修正形成條件①。接著提出思考：依據(jù)實驗過程中的異常現(xiàn)象，怎么優(yōu)化實驗裝置？重新設(shè)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(shè)計基本的原電池裝置。

【設(shè)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(xiàn)象：可聽到美妙的音樂聲。（注：如果音樂芯片的正負(fù)極接反，則無法發(fā)聲，由此可用于判斷正負(fù)極）

【交流展示】

1.化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能;2構(gòu)成原電池的條件：活潑金屬做負(fù)極，不活潑金屬做正極;電解質(zhì)溶液;形成閉合回路。

【評價改進(jìn)】

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(fù)極嗎”？設(shè)計實驗加以證明。

實驗二：反思結(jié)論，修正模型

【確定項目】

解決思考2：活潑金屬一定做負(fù)極嗎？

【設(shè)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(xiàn)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(fù)上述實驗。

現(xiàn)象：鎂棒表面有氣泡，沒有音樂聲，調(diào)兩極接線，可聽到美妙的音樂聲。（注：如果音樂芯片的正負(fù)極接反，則無法發(fā)聲，由此可用于判斷正負(fù)極）

【交流展示】

化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。由自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)確定該裝置電極。

【評價改進(jìn)】

思考3：銅—鋅—硫酸銅溶液構(gòu)成的原電池，長時間會發(fā)現(xiàn)鋅的表面有紅色物質(zhì)析出，怎么避免該現(xiàn)象的發(fā)生？

實驗三：依據(jù)模型，改進(jìn)裝置

【確定項目】

解決思考3：銅—鋅—硫酸銅溶液構(gòu)成的原電池，長時間會發(fā)現(xiàn)鋅的表面有紅色物質(zhì)析出，怎么避免該現(xiàn)象的發(fā)生？

【設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。總結(jié)雙液電池的優(yōu)點。

【評價改進(jìn)】

思考4：構(gòu)成原電池的電極一定參加反應(yīng)嗎？

第二階段 活動探究，優(yōu)化模型：從電子導(dǎo)體的角度深度分析模型——燃料電池

從電子導(dǎo)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(yīng)嗎？查閱文獻(xiàn)資料（中英文）并總結(jié)匯報。在查閱文獻(xiàn)資料時，學(xué)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(xiàn)中鍛煉學(xué)生的文件檢索能力和學(xué)術(shù)翻譯能力。

【確定項目】

解決思考4：構(gòu)成原電池的電極一定參加反應(yīng)嗎？查閱文獻(xiàn)資料（中英文）并總結(jié)匯報。

【設(shè)計方案】

實驗用品：

液體：Na2SO4溶液1mol/L

其他：小型水電解器、小風(fēng)扇、變壓器、轉(zhuǎn)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(fēng)扇。

現(xiàn)象：小風(fēng)扇可轉(zhuǎn)動約20秒。

【交流展示】

氫氣氧氣構(gòu)成氫氧燃料電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。

【評價改進(jìn)】

思考5：構(gòu)成電池的電解質(zhì)一定是溶液嗎？觀看視頻，查閱文獻(xiàn)，了解前沿科技。

整理文獻(xiàn)資料并填表：

第三階段 從離子導(dǎo)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(xiàn)象稱自放電，鉛酸電池充足電1個月內(nèi)每晝夜容量降低超3%，稱故障性自放電，產(chǎn)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(chǎn)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(fù)極形成通路。……如何理解“硫酸下沉，使極板上、下部產(chǎn)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(xiàn)（中英文），如何理解濃差電池？

【設(shè)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(lián)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(lián)合裝置的儲液室中;2.聯(lián)合裝置兩側(cè)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(diào)高，重復(fù)2、3步驟記錄電壓。

實驗現(xiàn)象：記錄電壓表數(shù)據(jù)

【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(jìn)】

查閱文獻(xiàn)：濃差電池的工作原理及其應(yīng)用，了解前沿科技。

第四階段 構(gòu)建原電池的分析模型

根據(jù)上面的分析，由學(xué)生構(gòu)建原電池的分析模型：原電池構(gòu)成的四要素：①電極反應(yīng);②電極材料;③離子導(dǎo)體;④電子導(dǎo)體。

第五階段 模型的應(yīng)用——新型化學(xué)電源的未來

思考7：查閱中英文資料，關(guān)注新型化學(xué)電源的未來發(fā)展，整理文獻(xiàn)資料，匯報。

在查閱資料過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，原電池原理在其他學(xué)科也有廣泛的應(yīng)用，有的學(xué)生寫出了在生物方面的應(yīng)用研究;有的學(xué)生寫出電化學(xué)技術(shù)與環(huán)境保護(hù)方面應(yīng)用的研究;還有的學(xué)生寫出了電化學(xué)在物理方面應(yīng)用的研究。

在本項目實施階段，學(xué)生通過大量的實驗和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，會發(fā)現(xiàn)原電池的模型構(gòu)建同樣適合于電解池，在后面的電解池的學(xué)習(xí)中學(xué)生會從模型認(rèn)知的角度去分析問題，發(fā)現(xiàn)新問題并解決新問題。

“以有目的的方式對待兒童，以便激發(fā)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(xué)習(xí)的思想是讓學(xué)生通過實際活動去學(xué)習(xí)，并認(rèn)為知識只有通過行動才能獲得。學(xué)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(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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

編輯 杜元元