高中化學“原電池—化學能直接轉化為電能”教學設計

王周萍

【摘 要】本文以“原電池—化學能直接轉化為電能”教學設計為例，論述培養學生化學學科核心素養的途徑，提出不僅要讓學生掌握化學學科的系統知識，還要在教學活動中發展學生自身的高級思維品質、系統思維能力和創新能力，讓學生體悟到知識不僅僅是“學會”，而是“會學”，培養學生的化學學科核心素養、學習能力和適應社會的終身學習能力。

【關鍵詞】化學學科核心素養 教學設計 原電池

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）30-0084-03

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）強調：“教師在化學教學與評價中應緊緊圍繞‘發展學生化學學科核心素養’這一主旨，優化教學過程，有效提高教學質量，發展素質教育，落實立德樹人根本任務。”在新課標的指導思想下，如何基于化學學科核心素養來優化“原電池—化學能直接轉化為電能”的教學設計，達到提高課堂教學質量、提升學生核心素養和真育人的目的？筆者認為，要想在課堂教學中真正滲透化學學科核心素養，在教學設計中體現化學學科核心素養是前提。本文嘗試在“原電池—化學能直接轉化為電能”教學設計中融入化學學科核心素養，以培養學生的化學學科核心素養。

一、學習目標的確定

（一）化學學科核心素養的內涵

新課標中明確化學學科核心素養包括“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”“科學態度與社會責任”5個維度。不同維度之間存在本質性的內在聯系，每一維度中再細分4級水平。這5個維度是學科核心素養于三維目標中得到全面發展的綜合表現，分別承載著化學學科思維的描述、化學學科實踐的表征和化學學科價值取向的刻畫，是整體育人的具體體現。

（二）學生基本情況分析

“原電池—化學能直接轉化為電能”處于普通高中課程標準實驗教科書《化學2（必修）》（第3版）第二章“化學反應與能量”第一節“化學能與熱能”。對學生來說，這是從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作原理。學生的知識結構中雖然儲存有氧化還原反應的相關知識，但對電化學基礎知識還處于初步認識階段，即未涉及原電池的相關知識，因此，學生對新學的知識（原電池）在認知上存在一定的難度。學生需要從具體生動的情境或實驗中獲得體驗性認知，感受原電池的存在，為更好地學習原電池知識注入鮮活的感性認知。

根據新課標和化學學科核心素養，可確定學習目標（如表1所示）。

由確定的學習目標可得出，本課時的重點為原電池的構成條件及工作原理，難點為對原電池工作原理的理解。

二、教學過程及其分析

（一）原電池概念的引入

師（導入）：將鋅片與銅片在6個檸檬上交替插入，用導線串聯起來，接入彩色二極管形成閉合回路后，彩色二極管就會發亮。請你想一想，彩色二極管為什么會變亮？

生：化學能轉化為電能。

師（追問）：根據該裝置，應是哪里的化學能轉化為電能，供彩色二極管利用？

生：檸檬中的化學能轉化為電能供彩色二極管利用。

師（總結）：我們把像物質中的化學能直接轉化為電能的這一類裝置稱為原電池。

設計意圖：利用貼近生活的檸檬電池發電的真實情境，引出原電池概念，同時讓學生充分感受到電能可以這樣產生，激發學生的好奇心和進一步探究的欲望。

（二）探究原電池的構成條件

師：你認為原電池的反應原理是什么？

生：氧化還原反應。

師：為何是氧化還原反應？

生：電子定向移動形成電流，說明這是有電子轉移的反應，即氧化還原反應。

師：什么條件下可以實現原電池中的“化學能轉化為電能”？下面，我們將通過實驗探究來認識和感受實現該轉化所需要的條件以及轉化的發生過程。

師：各小組完成下列實驗，將觀察到的實驗現象記錄下來，與小組成員合作、討論后將所得到的結論填寫在表2中，隨后展示學習成果，與同學分享、交流。

表2 化學能轉化為電能的實驗

【實驗1】把一塊鋅片和銅片分別插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察實驗現象（注意稀硫酸的量不要太多）。

【實驗2】把一塊鋅片和銅片同時插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察實驗現象（注意兩塊金屬片不要相接觸）。

【實驗3】用導線把實驗1中的鋅片和銅片連接起來，觀察實驗現象（注意兩塊金屬片不要相接觸）。

【實驗4】用導線把實驗2中的鋅片和銅片連接起來，觀察實驗現象（注意兩塊金屬片不要相接觸）。

【實驗5】在實驗3和實驗4的導線中間分別連接一個靈敏電流計（如圖1所示），觀察實驗現象。

師：哪個小組自愿分享你們的學習成果，并告訴同學們你們組為何這樣填寫？

生：展示組展示學習成果，與同學分享交流，其他組同學踴躍展示自己小組不同的現象，展示組對同學有疑問的地方進行積極回答。

師：對同學們的表現給予表揚。

師：根據實驗現象和結論，你是否能得出構成原電池的條件？

設計意圖：學生在實驗探究中可以感受、體驗和探索構成原電池的條件。不同小組根據實驗要求所組裝的線路裝置不一樣，當電路組裝正確時會產生電能。此時，學生會產生視覺沖突：為何有的小組靈敏電流計會產生偏轉，而有的小組靈敏電流計無法產生偏轉？接著，教師引導學生分析出現這種現象可能的原因。學生會從感性認知上升至理性認知，對現象和條件進行對比、歸納，從而得出構成原電池的條件。通過合作、分享與交流、質疑讓學生來確定一致認為合理的方案，使組裝的線路裝置由不一樣到組裝的線路裝置變成一樣。這樣的探究活動使學生的思維由異到同，即由發散到統一;學生對事物的認識由演繹至歸納，層層深入，使學生的思維變得開闊。這些都有利于提升學生的高級思維能力和創造能力，充分體現出實驗探究對學生思維能力和創新能力培養的優越性。

（三）探究原電池的工作原理

師：小組內合作與交流以下問題，分享與交流自己的學習成果。

1.請你根據圖2嘗試解釋實驗4連接靈敏電流計后，除銅片上有氣泡產生、鋅片上無氣泡且不斷溶解外，還有靈敏電流計指針偏轉的現象。

2.你認為這個過程能量是如何轉化的？

3.工作原理

（1）圖像模擬（如圖2所示）

①c（H+）? ?、c（Zn2+）? ?、c（SO[2-4]）? ?（填“增大”“減小”“不變”）。

②物質變化：電解質溶液? ?→? ?，質量? ?、pH值? ?。

③能量變化：? ?→? ?。外電路? ?定向移動導電;內電路? ?定向移動導電（陽離子→? ?;陰離子→  ? ）。

（2）設計意圖

實驗4出現的現象是銅片上冒氣泡，而學生大多會認為應該是鋅片上冒氣泡而不是銅片上冒氣泡。實驗結果與學生的認知有一定的沖突，可看作異常現象。學生對自己進行實驗時觀察到的現象印象是比較深刻的。如果此時讓學生利用原電池工作原理示意圖（如圖3所示）來嘗試解釋所出現的異常現象，可鍛煉學生的思維表達能力，促進學生對原電池工作原理產生深刻的理解。具體的原電池工作原理是從三個方面進行分析的，分別是圖像模擬、物質變化和能量變化。在分析過程中，重點運用了“宏觀—微觀—符號”三重表征：“產生電流、氣體”宏觀現象，聯系微觀解釋（負極上的鋅失去電子，進入溶液發生氧化反應后，失去的電子沿導線到達正極，此時溶液中的氫離子在正極的銅上獲得電子被還原，產生氫氣而逸出），闡釋宏觀現象產生的實質，接著利用化學符號[負極（鋅片）：Zn-2e-=Zn2+。正極（銅片）：2H++2e-=H2↑。總反應：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑，Zn+2H+=Zn2++H2↑]將反應原理表達出來。“宏觀—微觀—符號”三重表征是體現化學學科特征的思維方式，能增進學生對化學知識的理解與掌握。

（四）畫出原電池工作原理示意圖

師：現在，我們已經學習了原電池的工作原理。你如何判斷自己是否理解了原電池的工作原理？

生：可以將自己的理解畫出來。

師：是的，請你回憶梳理探究原電池工作原理的整個過程，并用圖示（線條之類等）嘗試畫出原電池工作原理示意圖（以銅鋅原電池為例，如圖3所示），將學習成果進行展示、分享與交流。

設計意圖：通過讓學生嘗試畫出原電池工作原理示意圖進行學習成果展示、分享與交流，可以總結回顧本課時的知識，外顯學生的思維和認識方式。由此，可作為診斷學生學習效果的手段，改進教學方式，增強課堂教學實施過程對促進學生認識發展、提升學科能力素養的實效。

筆者通過真實情境（檸檬電池）設計、實驗探究、學習成果展示等活動，給學生接觸真實的環境，體悟知識既可以從生活中來又可回歸到生活中去服務于生活，培養學生善于觀察、獨立思考和學以致用的能力。針對實驗探究中出現的宏觀現象，聯系微粒觀解釋原電池工作原理，利用符號表征原電池工作原理，以促進學生對知識的掌握;展示學習成果活動，增加學生之間的相互交流，可以加強學生對知識的理解;通過對原電池知識系統的學習，培養學生掌握知識的系統思維能力。因此，將化學學科核心素養融入課堂活動中，嘗試在課堂教學中滲透化學學科核心素養，有利于培養學生學科核心素養，發展學生的學習能力，從而真正成為素質教育的助推劑。

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注：本文系博白縣教育科學“十三五”規劃2020年度立項課題“基于‘化學學科核心素養’的高中化學課堂實踐與研究”（編號：2020C029）的研究成果之一;2020年度廣西普通高中學科課程基地教學改革項目課題“以生為本，構建化學高效課堂，提升學科核心素養的研究”子課題（編號：2020XKJG045）的研究成果。

（責編 唐玉萍）