基于模型認知的學習進階教學實踐研究

將玲玲

摘要：基于《普通高中化學課程標準（2017年版）》學科核心素養的水平要求，在原電池新授課中通過設計“建立原電池認知模型”“修正原電池認知模型”“應用原電池認知模型”三個學習任務，幫助學生從已有的“氧化還原反應認知模型”進階到“原電池認知模型”，在學習過程中培養學生的“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“模型認知”等核心素養。

關鍵詞：原電池;認知模型;學習進階

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0073-03

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.08.020

一、問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中提出，以原電池為例認識化學能可以轉化為電能，從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作原理[1]。通過前期學習，學生已經建立起“氧化還原反應認知模型”，掌握了氧化還原反應的本質和特征;還原劑等概念以及還原性強弱的比較方法。雖然學生在生活中已經接觸到例如堿性鋅錳干電池、手機鋰離子電池、燃料電池等原電池，但不了解原電池工作原理，在學習過程中有很多迷惑之處。解決這些問題，需要學生建構“原電池認知模型”，能夠透過紛繁復雜的表象去“辨識簡單原電池的工作要素，分析簡單原電池的工作原理[1]”。單世乾[2]、顧建辛[3]、丁櫻[4]以蘇教版化學2“化學能轉化為電能”為例，嘗試幫助學生建構“原電池認知模型”。本文以人教版（2019年版）必修2“化學能與電能”為例進行試探性研究。

二、設計思路

原電池是氧化還原反應知識的應用，由“氧化還原反應認知模型”建立“原電池認知模型”，在教學過程中需要解決兩個問題：電子為什么能定向運動？電子的定向運動對其它微粒有何影響？問題一可通過比較不同還原劑還原性強弱進行突破;問題二可通過分析各種原電池的閉合回路進行突破。教學設計主要由三個學習任務組成：“建立原電池認知模型”“修正原電池認知模型”“應用原電池認知模型”（見表1）。教學過程中，學生借助探究實驗的結果，分析電子及其它微粒的移動，從而使“宏觀辨識與微觀探析”素養得到發展;通過學習各種原電池的工作原理，學生的“變化觀念與平衡思想”核心素養得到進一步提高;由“氧化還原反應認知模型”到“原電池認知模型”的進階學習，使得學生的“模型認知”素養得到提升。

三、教學過程

1.溫故知新

【教師活動】將鋅片和銅片同時放人AgNO，溶液中，現象的異同？原因？

【學生活動】鋅片、銅片表面都出現銀白色固體。鋅、銅的還原性比銀強，能夠置換出銀。鋅反應速率快，因為鋅還原性強。

【教師活動】將鋅片和銅片同時放入稀硫酸中，現象？原因？

【學生活動】鋅片表面有氣泡產生。銅還原性弱，不能置換出氫。

【設計意圖】通過金屬的置換反應，回顧還原劑概念，比較不同還原劑的還原性強弱，喚醒學生已經建立的“氧化還原反應認知模型”，從而幫助學生更好地過渡到新知“原電池認知模型”。

2.學習任務一：建立原電池認知模型

【教師活動】所有物質中都儲存有化學能。火力發電（展示圖片），化學能通過多步轉化轉變為電能;將化學能直接轉變為電能的裝置稱為原電池。請大家判斷以下四個化學反應哪些能將化學能轉變為電能并給出理由。

（l）Zn+H2SO4==ZnSO4+H2↑

（2）2H2+O2=2H2O

（3）NaOH+HCl=NaCl+H2O

（4）2HCl+CaCO3==CaCl2+H2O+CO2↑

【學生活動】小組討論，問題集中在這幾個反應的異同。最終學生根據是否有電子轉移，將四個反應分為氧化還原反應和非氧化還原反應。

【學生回答】（1）（2）可以，這兩個反應屬于氧化還原反應，有電子的轉移，可以將化學能轉變為電能。

【教師總結】氧化還原反應在原電池中發生，將化學能轉變為電能（圖1）。

【設計意圖】根據反應過程中是否有電子的轉移，判斷哪些反應能將化學能轉變為電能，從而幫助學生建立了“氧化還原反應認知模型”與“原電池認知模型”的初步聯系。

【教師設問】有了氧化還原反應是不是就一定能提供電流呢？請大家先完成表2實驗記錄的第一列和第二列。

【學生討論】大部分同學覺得（1）（3）（4）應該有電流產生;極少數同學覺得只有（4）電流產生。

【教師活動】請大家通過實驗驗證你的想法，并完成表2的第三列和第四列。

【學生活動】動手做實驗并完成表格。

【設計意圖】學生已經初步建立“原電池認知模型”，知道原電池是將化學能轉變為電能的裝置。但是對原電池工作原理的微觀辨析還不清晰。設計這個教學環節，目的是幫助學生建立探究實驗的思維模型，為下一環節由宏觀變化到微觀辨析做一個鋪墊。

【教師活動】請同學展示實驗記錄。

【學生回答】根據實驗過程中電流表的指針偏轉情況判斷，只有（4）裝置中有電流產生。（1）裝置中鋅片表面冒氣泡。（2）裝置無明顯現象。（3）裝置中鋅片表面冒氣泡，銅片表面無明顯現象。（4）裝置中鋅片表面無氣泡，銅片表面有氣泡。

【教師追問】（1）（3）裝置中有氫氣產生，為什么沒電流？

【學生回答】氫離子在鋅片表面得電子，電子沒發生定向移動。所以沒有產生電流。

【教師追問】（4）裝置中銅片表面冒氣泡。大家能否解釋原因？

【學生回答】溶液顏色未變為藍色，說明銅沒有失電子。鋅失電子，電子通過導線移動到銅片表面，氫離子在銅片表面得電子。

【教師活動】鋅失電子能力比銅強，用導線將鋅片和銅片相連后，鋅失去的電子通過導線由鋅片流向銅片，氫離子在銅片表面得電子。氧化反應和還原反應分別在兩個不同區域進行。電子的定向移動產生了電流，電子流出的一極是負極，電子流入的一極是正極。

【教師活動】書寫電極反應式：負極（氧化反應）：Zn-2e-=2n2+正極（還原反應）：2H++2e-==H2↑

【教師總結】在原電池中，電子由負極流出，經過導線，流入正極，我們將其稱為外電路。

【教師活動】鋅銅硫酸原電池反應的實質是鋅與氫離子之間的電子轉移，硫酸根有何作用？請大家結合鋅失電子后，負極附近鋅離子濃度變大分析。

【學生回答】硫酸根移向負極

【教師總結】電解質在溶液中電離出自由移動的離子。陰陽離子的定向移動形成了內電路。因此原電池的構成要素可以總結如圖2所示。

【設計意圖】以簡單的鋅銅硫酸原電池為例，由探究實驗結果，通過證據推理，幫助學生由“氧化還原反應認知模型”建立“原電池認知模型”。宏觀角度，學生由實驗事實認識到原電池中氧化反應、還原反應分區進行;微觀角度，對閉合回路的形成有一個初步認識，即離子和電子的定向移動分別形成內、外電路。

3.學習任務二：修正原電池認知模型

【教師展示】堿性鋅錳干電池、鉛蓄電池.氫氧燃料電池、手機鋰離子電池、高溫熔融鹽電池的工作原理。

【教師活動】請大家閱讀圖片中信息，判斷下列幾種說法的正誤，并做出更正。（1）原電池正負極材料活潑性必須不同;（2）原電池的負極必失電子;（3）原電池構成中必須有電解質溶液。

【學生回答】（1）錯，原電池的正負極可以是同一種材料構成，如氫氧燃料電池的正負極。（2）錯，原電池的負極材料不一定做反應的還原劑。（3）錯，原電池的構成中要有電解質，不一定是電解質溶液。如高溫熔融鹽電池。

【教師總結】由以上化學電源可以總結出原電池的工作原理：自發的氧化還原反應提供電子，電子通過電子導體定向移動，離子的定向移動形成離子導體，電子、離子的定向移動形成閉合回路。我們可以用圖3來表示。

【設計意圖】由簡單的鋅銅硫酸原電池建立“原電池認知模型”，優點是裝置結構簡單，學生易于建立認知模型：缺點是學生會由該裝置演繹出一些錯誤認識：如原電池正負極材料活潑性必須不同;原電池的負極必失電子;原電池中必須有電解質溶液。因此在教學中向學生展示多種化學電源工作原理的圖片資料，學生通過閱讀，自主歸納總結，主動修正“原電池認知模型”，使該模型更加準確規范。

4.學習任務三：應用原電池認知模型

【教師設問】實驗室用鋅與稀硫酸制取氫氣，用粗鋅（含銅、鉛等雜質）不用純鋅。因為粗鋅反應速率比純鋅快。請用原電池工作原理解釋原因。

【學生回答】粗鋅中含的雜質和鋅、稀硫酸形成原電池，加快了反應速率。

【教師設問】夏天炒菜的生鐵鍋沒刷干凈，有水殘留，第二天發現鐵鍋生銹。請用原電池工作原理解釋原因。提示：生鐵是鐵和碳的合金。

【學生回答】水附著在鐵鍋表面，空氣中的氧氣溶于水。鐵失電子做負極，碳是正極，氧氣在碳表面得電子。

【設計意圖】學生已經建立了“原電池認知模型”，設計這個學習任務是幫助學生將“原電池認知模型”與實際生活中的鋼鐵腐蝕聯系起來，通過解決真實情境中的復雜問題，學生的學科核心素養才能得到發展。

四、教學反思

通過教學實踐，筆者在先行教學設計中提出的兩個問題得到了較好的解決，實現了教學目標，學生能夠建立起基本的“原電池認知模型”，對一些簡單的原電池裝置能夠用該模型解答。

對于電子為什么能定向移動？筆者在教學設計中提出的失電子能力強的還原劑在負極先失電子，這個定性解釋絕大多數同學能夠接受。少數同學希望給出一個定量解釋。在課后的討論過程中，筆者提出了電勢差的概念，但是他們難以理解。這說明學生的“宏觀辨識與微觀辨析”核心素養未得到很好的發展。通過閱讀化學電源的工作原理圖片資料，學生對于閉合回路的形成，電子導體、離子導體的認識進一步加深。化學電源的設計及效率的優化提升，是一個系統工程，較為復雜，對于高一學生來講，接受難度較大.這些問題將在選修階段的學習中得到進一步的解決。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：19，26

[2]單世乾，倪娟.基于探究實驗建構認知模型的化學教學研究——以“原電池的工作原理”教學為例[J].化學教學，2018（12）：59-64

[3]顧建辛，關于化學核心素養培育的微觀思考——原電池教學中的“證據推理與模型認知”[J].化學教學，2017（11）：34-38

[4] 丁櫻.核心素養背景下“化學能轉變為電能”教學的重構[J].福建基礎教育研究，2019（2）：116-117

本文系廣東省教育科學“十三五規劃2019年度教育科研一般項目：模型認知在高中化學教學中的應用研究”（課題編號：2019YQJK007）階段成果。