基于數(shù)字化實驗發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計
———以2019年湖北省好課堂展示課“原電池”為例

◇ 湖北 余 騰 李 欣

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中界定了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),其中“證據(jù)推理與模型認知”旨在培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識,并基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè),同時建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系,最終能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律.該素養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的一種重要的方法,也是學(xué)生掌握化學(xué)基本理論和原理以分析解決實際問題能力的重要手段.

數(shù)字化實驗系統(tǒng)是現(xiàn)代信息化發(fā)展的產(chǎn)物,利用數(shù)字化實驗定量化、可視化的特點,從定量及微觀的角度收集不同層次的證據(jù),有助于學(xué)生對復(fù)雜現(xiàn)象形成直觀理解,便于證據(jù)的收集,進行推理研究,利用計算機軟件進行數(shù)據(jù)的分析和呈現(xiàn),能有效地幫助學(xué)生構(gòu)建模型認知.

人教版《選修4》第四章第一節(jié)“原電池”承接了《必修2》相關(guān)知識內(nèi)容,該內(nèi)容是發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的重要載體.原電池內(nèi)容的學(xué)習(xí)是難點,而雙液原電池內(nèi)容更抽象,在該內(nèi)容的學(xué)習(xí)中學(xué)生產(chǎn)生了諸多疑問.例如,負極鋅片為何產(chǎn)生氣泡?與單液原電池相比,雙液原電池的優(yōu)點在哪里?雙液原電池的工作原理又是怎樣的?筆者將數(shù)字化實驗與素養(yǎng)教學(xué)進行深度融合,通過真實數(shù)據(jù)的變化,將“微觀過程宏觀化”,以此形成證據(jù)加以推理,讓學(xué)生能自主比較兩種模型的優(yōu)缺點,進一步揭示原電池工作原理的本質(zhì),發(fā)展學(xué)生抽象思維和邏輯思維能力,形成解決原電池問題的一般思路和方法,從而促進學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”這一核心素養(yǎng)的提升.

2 教學(xué)設(shè)計思路和“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的滲透

人教版《必修2》教材中以鋅銅單液電池為例讓學(xué)生建立最簡單的原電池模型認知,并通過證據(jù)推理讓學(xué)生初步認識原電池的工作原理.《選修4》中采用數(shù)字化實驗以帶鹽橋的鋅銅雙液電池為例發(fā)展學(xué)生的原電池模型認知,提升學(xué)生對原電池的工作原理的認識.整個教學(xué)過程分7個部分(如圖1所示).

圖1

整個教學(xué)設(shè)計基于數(shù)字化實驗開展,使用到溫度傳感器、電流傳感器、鉀離子濃度傳感器.將“證據(jù)推理與模型認知”的核心素養(yǎng)以潛移默化的方式滲透在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中.具體過程如下:先通過發(fā)現(xiàn)單液原電池“負極Zn片”上有氣泡這個小問題,引發(fā)認知沖突,激發(fā)學(xué)生的興趣,接著利用溫度傳感器和電流傳感器找到單液原電池存在的不足,引導(dǎo)學(xué)生改進實驗裝置,自然而然引出鹽橋;再利用鉀離子濃度傳感器探究鹽橋的作用,構(gòu)建雙液原電池工作原理的模型,最后讓學(xué)生自制課本上的濾紙鹽橋,親自體驗雙液原電池,強化模型的認知,同時布置開放性的課堂作業(yè),增強學(xué)生的社會責(zé)任感.

3 教學(xué)設(shè)計

3.1 教材分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中要求:認識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實驗意義及其重要應(yīng)用,了解原電池的工作原理.人教版《選修4》中的學(xué)習(xí)內(nèi)容,旨在讓學(xué)生認識“模型”是化學(xué)學(xué)科重要的思維方法,電池的發(fā)展是逐步深入的,每前進一步,都建立在實驗研究的基礎(chǔ)之上,“單液原電池”發(fā)展到“雙液原電池”,再到現(xiàn)在的“膜電池”,科學(xué)實驗一直是推動知識革新的重要手段.

3.2 學(xué)情分析

學(xué)生在《必修2》學(xué)習(xí)到了原電池的基本知識,初步認識了原電池的形成條件和工作原理,但對單液原電池存在的不足、雙液原電池的優(yōu)點以及雙液原電池工作原理的認識不夠深入.本節(jié)課的教學(xué)可以基于學(xué)生的已有認知,通過數(shù)字化實驗教學(xué)手段認識到模型方法對理論建構(gòu)的作用、模型的發(fā)展特征以及證據(jù)推理在其中的重要作用.

3.3 教學(xué)目標(biāo)

1)通過進一步強化原電池模型的認知,掌握單液原電池的工作原理.

2)通過實驗探究,發(fā)現(xiàn)單液原電池存在的問題,思考改進的方法.

3)了解鹽橋在構(gòu)成雙液原電池中的重要作用以及雙液原電池的工作原理,深刻體會氧化還原反應(yīng)與原電池的關(guān)系.

4)通過對已有原電池工作原理建立的認知,能自行推斷鹽橋原電池內(nèi)、外電路產(chǎn)生電流的原因,并用平衡的觀念加以解釋,發(fā)展“證據(jù)推理和模型認知”的核心素養(yǎng).

3.4 教學(xué)過程

1)鞏固原有知識

【問題1】什么是原電池?形成原電池的條件有哪些?

給出Zn(s)＋2 H＋(aq)＝Zn2＋(aq)＋H2(g)ΔH＜0這樣一個自發(fā)的氧化還原反應(yīng),根據(jù)投影上原電池裝置(如圖2),將該電池工作原理呈現(xiàn)在學(xué)案上(見表1).

圖2

表1

【學(xué)生實驗】重溫原電池實驗,注意觀察鋅片、銅片及電流表的變化,看看是否有新的發(fā)現(xiàn).結(jié)束后分享實驗現(xiàn)象.

【設(shè)計意圖】通過提出問題以及填寫工作原理表格的方式,來回顧單液原電池的基本知識.再通過學(xué)生親自動手實驗,觀察到3種現(xiàn)象:鋅片上有大量氣泡產(chǎn)生、銅片上有少量氣泡產(chǎn)生和電流表指針偏轉(zhuǎn).發(fā)現(xiàn)“鋅片上有氣泡”這一反常現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生的認知沖突,為后面進一步探究做鋪墊.

2)探索新發(fā)現(xiàn)

【問題2】(1)鋅片上為什么有氣泡?請給出理由.(學(xué)生討論)

(2)鋅片上直接生成H2,必然導(dǎo)致化學(xué)能的損失,那這里又存在何種形式能量的轉(zhuǎn)換?

【設(shè)計意圖】根據(jù)真實現(xiàn)象,提出問題(1),讓學(xué)生充分討論,發(fā)散思維.很容易得出導(dǎo)致鋅片上產(chǎn)生氣泡的兩點原因:①Zn不純,鋅和雜質(zhì)直接構(gòu)成原電池,氫氣在Zn表面析出;②Zn和H＋直接接觸導(dǎo)致H2的產(chǎn)生.再通過問題(2)過渡到捕捉能量變化的角度來思考,既培養(yǎng)了學(xué)生深度思考、解決問題的高階能力,又為引出數(shù)字化實驗埋下伏筆.

3)數(shù)字化實驗

【教師實驗1】步驟1:打開軟件Logger Pro 3.14,連接數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器.

步驟2:連接原電池裝置,加入0.8 mol·L－1H2SO4溶液,將溫度傳感器插入溶液中.

步驟3:點擊數(shù)據(jù)采集,將溫度傳感器靠近鋅片,調(diào)節(jié)自動比例,采集一段時間數(shù)據(jù),停止.

【問題3】看到什么現(xiàn)象?通過現(xiàn)象說明什么問題?

【教師實驗2】再用電流傳感器測定上述單液原電池電流變化(為節(jié)省課堂時間,采取視頻播放),如圖3.

【問題4】通過視頻看到什么現(xiàn)象?說明什么問題?

圖3

【設(shè)計意圖】學(xué)會借助新技術(shù)觀察微觀過程、分析問題形成證據(jù),得到真實的數(shù)據(jù)和結(jié)果:a)發(fā)現(xiàn)單液原電池中化學(xué)能會以熱能的形式進行損失(溫度傳感器監(jiān)測到Zn片表面溫度升高);b)電流的傳輸會降低(隨著反應(yīng)進行,電流逐漸減小).這些都為得出單液原電池能量轉(zhuǎn)換效率不高提供證據(jù).

4)實驗裝置改進

【問題5】為了使化學(xué)能更多地轉(zhuǎn)化為我們需要的電能,可以對實驗加以怎樣的改進?

(小組討論)

學(xué)生嘗試畫出改進后的實驗裝置圖(如圖4).

【教師實驗3】將鹽橋連入圖4-丙電路中,觀察電流計指針變化.

圖4

【設(shè)計意圖】通過問題5和小組討論,總結(jié)出可能原因:a)Zn片不純;b)Zn和H＋直接接觸,對比發(fā)現(xiàn)想找到絕對純凈的Zn是很難的,應(yīng)該從改進實驗裝置,讓Zn和H＋不直接接觸的角度來解決問題.再通過學(xué)生畫改進裝置時所有可能出現(xiàn)的情況,依次分析是否能構(gòu)成原電池,最終通過教師實驗3來進行驗證,糾正“化學(xué)反應(yīng)只有反應(yīng)物相互接觸時才能發(fā)生”的錯誤認識,讓學(xué)生深刻體會氧化還原反應(yīng)和原電池的關(guān)系.

5)探究鹽橋作用

【問題6】帶鹽橋的原電池工作原理是怎樣的?

【問題7】內(nèi)電路離子如何移動來產(chǎn)生電流?(學(xué)生討論得出自己猜想)

【設(shè)計意圖】讓學(xué)生參照單液原電池模型,從微觀角度推理出:負極Zn失電子變成Zn2＋,導(dǎo)致負極Zn所在的燒杯中正電荷相對增加,所以猜想Cl－向負極Zn片所在的燒杯移動;正極Cu片上積累大量電子,同時H＋得電子變成H2,導(dǎo)致正極Cu片所在的燒杯負電荷相對增加,所以猜想K＋向正極Cu所在的燒杯移動.這樣根據(jù)已有的模型認知,能進行大膽推測,學(xué)會在變化的新知識中,利用平衡的思想來解決問題.

【教師實驗4】利用數(shù)字化實驗系統(tǒng),選用K＋濃度傳感器來進行驗證(考慮到K＋濃度傳感器的標(biāo)定時間長,采取提前錄制視頻,現(xiàn)場播放的形式).

【設(shè)計意圖】利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)具有的直觀性特點,準(zhǔn)確得出K＋的移動方向,幫助學(xué)生對復(fù)雜現(xiàn)象形成直觀理解,總結(jié)出鹽橋中離子移動的規(guī)律,最后驗證實驗結(jié)論的正確性.通過K＋濃度傳感器檢測K＋濃度,觀察K＋濃度的實時變化趨勢,有利于學(xué)生形成證據(jù),再依據(jù)真實證據(jù)理解難以肉眼觀察的微觀物質(zhì)移動.進一步發(fā)展證據(jù)推理,強化模型認知的核心素養(yǎng).

【問題8】和傳統(tǒng)原電池相比,帶鹽橋的原電池的電能轉(zhuǎn)化效率如何?電流有何不同?

我們通過溫度傳感器和電流傳感器再一次進行實驗.

【教師實驗5】用溫度傳感器和電流傳感器測定鹽橋原電池中溫度和電流的變化.

【設(shè)計意圖】利用溫度傳感器和電流傳感器對雙液原電池同時進行負極測溫、測定電流變化通過得出的數(shù)據(jù)和單液原電池進行對比,基于證據(jù)分析得出:雙液原電池比單液原電池的優(yōu)勢是能量轉(zhuǎn)化效率更高,電流更穩(wěn)定!

6)自制濾紙鹽橋

【問題9】鹽橋神奇嗎?我們也能利用身邊的一些器材,設(shè)計成鹽橋原電池.給出Zn片、Cu片、濾紙、食鹽水、導(dǎo)線、靈敏電流表、100 mL燒杯2個、砂紙(用于打磨).

【設(shè)計意圖】將鹽橋原電池的模型用于實際;親身體驗雙液原電池模型,感受創(chuàng)新應(yīng)用知識產(chǎn)生的巨大價值,發(fā)展科學(xué)探究和創(chuàng)新意識.

7)調(diào)查電池現(xiàn)狀

【小組合作】查閱有關(guān)2019年諾貝爾化學(xué)獎的資料,將鋰電池的電極選擇、安全性能、工作原理、電池容量四個方面整理成小論文.

【設(shè)計意圖】全面了解電池的價值以及舊電池的危害;培養(yǎng)合作、交流的能力;養(yǎng)成“關(guān)注社會熱點問題、參與社會熱點問題”的習(xí)慣和意識,發(fā)展學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的科學(xué)素養(yǎng).

4 教學(xué)反思

《關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》中明確指出:積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式等課堂教學(xué),要認真開展驗證性實驗和探究性實驗教學(xué),推動信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合,加強教學(xué)研究和指導(dǎo).數(shù)字化實驗是教育信息化的產(chǎn)物,有效地推動了教育教學(xué)的發(fā)展,彌補了傳統(tǒng)實驗的不足,使微觀過程“可視化”,模型構(gòu)建“證據(jù)化”.比如在文中,利用溫度傳感器探測Zn片附近溫度變化,用電流傳感器監(jiān)測單液原電池電流變化,均以直觀的圖形曲線進行呈現(xiàn),讓學(xué)生更加直接地觀測到實驗進程.在引入鹽橋后構(gòu)成雙液原電池時,再利用“K＋濃度傳感器”探測K＋的遷移方向,將難以理解的微觀過程真實地展現(xiàn)出來,以此為證據(jù)構(gòu)建和強化雙液原電池模型,從而深刻地理解原電池的基本原理.給學(xué)生提供了更多有意義的思考和培養(yǎng)了更高階的思維.