基于三元整合策略的概念教學

摘要：化學概念不僅是重要的基礎知識，還是培育核心素養的重要素材。以高一必修《化學能與電能》為例，基于“實驗—性質—原理”三元整合策略（簡稱三元整合策略）制造認知沖突，圍繞實驗、媒體、社會等素材創設問題鏈，培育從宏觀辨識到微觀探析，從證據推理到建立模型，從科學探究到社會責任，促進各種學科能力的協同發展，獲得很好的教學效果。

關鍵詞：三元整合策略；實驗—性質—原理；化學核心素養；化學概念；原電池

文章編號：1008-0546（2021）10-0026-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.007

*本文系廣州教育學會2019年教育科研課題“核心素養導向下的元素化合物教學設計與實施”（編號：KTLX1201930406）成果。

一、教學主題內容及教學現狀分析

人教版高一必修2第二章第一節《化學能與電能》包括原電池基本概念、反應本質、裝置連接、表征方式、在生產生活中的應用等。其主題內容承前啟后，既是必修1中氧化還原反應知識的實際應用，又是選修4中雙池原電池和電解池的學習基礎，更為新型電池的認識與設計提供一般模型。另外，本課還涉及控制條件、有序思維等化學思想和宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等核心素養。原電池既是人類生活的必需化學物質，又是化學學科的核心概念之一。化學概念不僅是重要的基礎知識，概念建構過程還承載著發展學生學科能力的功能。本課能讓學生體驗到學科概念的建立是依據大量實驗事實歸納提煉生成，進而建立認知模型，并在新的情境中運用概念模型進行變式訓練，鞏固、內化新概念，形成概念系統，為后續章節打下知識、方法和觀念的基礎。

概念教學，目前存在照本宣科、死記硬背等簡單處理現象，課堂往往“一步到位”給出概念，缺乏“演繹”和“同化”，不注重概念的生成和內化。教學設計只關注概念本身，只關注知識與技能的教學，忽略概念的階段性、延續性、整合性，造成知識碎片化，缺乏系統性。概念學習，深度不夠，無法遷移。

二、教學思想與創新點

知識本位的認識大大壓縮概念形成過程的教學，存在嚴重“重結果、輕過程”的傾向。在引入概念時沒有讓學生獲得足夠的感性認識，致使部分學生只能死記概念的內涵和外延，通過做題套用、強化概念，缺少概念與相關知識的融合。為了追求“短、平、快”的眼前利益，部分課堂甚至用口頭描述代替課堂演示實驗和學生實驗。這樣，學生只能“看到”完美無缺的“感性材料”，完全沒有了與“意外”和“失敗”親密接觸的機會[1]。鑒于此，本課創新點主要有3點：

（1）利用三元整合策略建構化學概念。三元整合策略是指在課堂上圍繞核心知識（可能是元素化合物，也可能是基本理論或核心概念）進行整合型實驗，實驗完成后設置涉及化學實驗、反應原理和元素化合物性質的整合型問題，組織學生分析思考、相互討論，最后實現多種知識與能力的有效建構[2]。“三元”與“概念”“素養”的關聯見圖1。這是通過學生親歷實驗過程，強化感知過程，重視表象觀察，揭示本質內涵。

（2）整合豐富多樣的素材發展學生化學核心素養。本課圍繞原電池的相關內容，整合了實驗、媒體、社會等素材，具體見表1，從宏觀辨識到微觀探析再到符號表征；從證據獲取到推理分析再到建立模型；從科學探究到科學精神再到社會責任各方面促進學生學科核心素養的培育。

（3）符合概念課課型特征，提出有層次的由知識轉化為能力素養的學科能力活動，見圖2。

三、學情分析

1.學情分析

學生在初三課本和高中必修2第二章第一節已感受到化學能可以轉化為熱能，對能轉化為其他能量有預設，只是不知道如何轉化，例如電能。另外，學生在必修1“氧化還原反應”中已掌握氧化還原反應的本質就是電子轉移，根據物理學知道電子的定向移動能產生電流。但是學生已有知識儲備中氧化劑和還原劑是直接接觸反應，要實現分開兩個半區的反應從而引起電子流動是很大的知識沖突，這將會對原電池的本質、模型的理解有莫大影響；另外，往屆學生深受“鋅銅稀硫酸原電池”的影響，總會形成“負極一定要能與電解液反應，否則不能構成原電池”的模糊概念，對選修4“吸氧腐蝕”在生活中的應用有顯著的抑制作用。同時，學生控制條件意識、有序思維、證據推理、模型建立等也處于低級水平，對本課設計原電池的發散性探究活動也會帶來一定影響，因此要提前做好引導。

2.教學目標

（1）基于開篇演示實驗的現象進行證據推理，證明化學能轉化為電能，建立原電池的基本概念和工作原理，實現“宏觀現象-微觀本質-符號表征”的三重表征教學。

（2）通過讓學生自行設計多種不同的原電池裝置，初步培養學生控制實驗條件的意識和實驗設計思路的有序思維，提升科學探究與創新意識素養。

（3）通過氫氧燃料電池裝置的設計，抽出原電池的本質，幫助學生初步建立電池模型，培養模型認知的核心素養。

（4）通過“形成原電池”“設計原電池”“原電池模型”三個逐步提升的認知活動，幫助學生透過現象層層深入理解、掌握“原電池”新概念的本質，從“氧化還原反應”→“分開兩個區域形成電子流動”→“電極材料不一定參與得失電子”，避免形成模糊概念，培養宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想的化學核心素養。

（5）從火力發電轉變為電池發電再到當今的燃料電池，感受到化學學科對人類生活和社會發展帶來的巨大幫助，營造化學學科使命感，培育科學態度與社會責任。

四、教學流程

基于以上分析，結合三元素材，制造認知沖突，設置問題引導，實現素養目標，設計本節課的教學流程，如圖3。

五、教學實錄

1.對照實驗，制造沖突

【展示】播放實驗視頻：鋅、銅不連接和用導線連接分別放到稀硫酸中，見圖4實驗裝置。

【教師】注意觀察兩個對照實驗中實驗裝置的異同？根據已有知識解釋裝置1溶液溫度升高的原因。

【學生】觀察并記錄現象，回答問題。

【學生甲】裝置相同的是：等體積等濃度的稀硫酸；相同的鋅片與銅片；鋅片插入稀硫酸的時間相同。不同的是：裝置1鋅、銅是直接放進稀硫酸中但不相互接觸，裝置2鋅、銅用導線連接放進稀硫酸中。

【學生乙】鋅和稀硫酸反應放熱，所以裝置1溶液溫度升高。

【教師】請猜測裝置2中溶液溫度升高幅度小于裝置1的原因。

【學生甲】有部分能量散失到空氣中。

【學生乙】根據能量守恒，有一部分能量以其他形式表現。

【教師】請預測裝置2中部分化學能轉化成何種形式？如何證明。

【學生甲】可能轉化成電能。可以接一個燈泡。

【學生乙】我也認為是轉化成電能。還可以接一個電流表。

2.合理預測，證據推理

【展示】裝置2中的鋅、銅用二極管連接放到稀硫酸中。

【教師】請解釋裝置2二極管變亮的原因。

【學生甲】裝置2中的化學能轉變成電能。

【學生乙】裝置2形成電路，有電子的流動。

【教師】這種可以使化學能轉化為電能的裝置就叫原電池。請預測電路中電子的流動方向并提出依據。

【學生甲】電子由鋅片流出，經過銅片進入溶液形成回路。

【學生乙】根據金屬活動性順序表可知鋅比銅活潑，所以鋅更容易失去電子，沿著導線聚集在銅片表面，但不能進入溶液。

【教師】按照物理學的知識可知電子應該在導線上傳遞，基于金屬活動性順序表的預測有一定的合理性，下面我們看看能否通過裝置2的實驗現象進一步說明電子的流動方向。

【學生】按照裝置2完成分組實驗，記錄現象。

3.宏微結合，建立概念

【學生】我們小組觀察到：鋅片和銅片表面均有氣泡。

【教師】鋅片表面產生氣泡不奇怪，我們目前先集中思考：銅片表面產生氣泡的成分及其可能成因。

【學生甲】從體系的元素角度看，很可能是H2，當然也可能是O2。

【學生乙】電子由鋅片經過導線流向銅片，溶液中H+獲得電子變成氫原子，進而結合成H2。

【學生丙】我覺得金屬銅也能提供電子，溶液中H+獲得電子變成H2。

【學生丁】根據金屬活動性順序，鋅比銅更容易失去電子，如果銅失電子就變成銅能置換出氫氣不合理，而且也無法做到電子轉移不合理。

【展示】播放鋅銅稀硫酸原電池微觀粒子移動Flash。

【教師】請用化學符號表示鋅片、銅片表面發生的反應。

【學生】基于宏觀現象結合微觀粒子移動行為進行符號表征。

【教師】在鋅片上發生反應：Zn-2e-=Zn2+，為氧化反應，作原電池的負極；在銅片上發生反應：2H++ 2e-=H2↑，為還原反應，作原電池的正極。

【教師】裝置1也發生反應：Zn+2H+=Zn2++H2↑，為何裝置1不能產生電流？

【學生】裝置1中是鋅和硫酸直接接觸的氧化還原反應，不存在電子通過導線的轉移，因此沒有電流產生。

【教師】要使化學能轉化為電能構成原電池裝置，關鍵就要使氧化反應和還原反應分別在不同的區域進行，并使其間的電子轉移。在裝置上有何要求？

【學生】要像裝置2一樣：有兩個電極材料，燒杯中要有溶液，還要有導線連接。

4.組裝電池，鞏固轉化

【教師】根據已具備的氧化還原反應知識和電學知識，利用以下提供的實驗用品，組裝盡可能多的原電池裝置，請預測不同組裝的原電池電流大小情況，連接電流表檢驗自己的預測。（實驗用品：鋅片、銅片各2片、石墨棒2根；橙汁、稀硫酸、酒精；燒杯、電流表、導線等。）組裝前先思考：如何才能組裝出盡可能多的電池但又不重復？

【學生】要有控制變量的意識，先改變電極材料的種類，再改變電解液的種類。

【學生】組裝電池、分組實驗、記錄現象。

【教師】根據不同組合的原電池裝置（部分見圖5），結合電流大小、裝置組成你有什么結論。

【學生甲】相同的電解液，電極材料不同，電流大小不同。

【學生乙】相同的電極材料，電解液不同，電流大小不同。

【學生丙】金屬片相同時或使用酒精時發現不產生電流。

【教師】為了實現使氧化反應和還原反應分別在不同的區域進行，并使其間的電子轉移。在原電池最簡易的模型中要求兩個不同的電極、電解質溶液并用導線連接形成閉合回路。

5.建立模型，設計電池

【教師】日常生活需要大量的電池，一次性電池回收處理難度不小，給十九大生態文明建設明確提出的“綠水青山就是金山銀山”帶來巨大挑戰。而燃料電池是一種高效、對環境友好的發電裝置，其中一種原理是2H2+O2=2H2O。請構思該電池的裝置圖并說出你的思路。其中你發現什么困難？

【學生】根據已有知識設計燃料電池，記錄困難。

【學生甲】該裝置的電極材料不知道是什么。

【學生乙】H2和O2不可能是電極材料，但是它們卻是反應物，不知如何處理。

【學生丙】根據方程式，可以判斷出H2在負極失電子，O2在正極得電子，但是后面就沒思路了。

【展示】播放實驗視頻：利用石墨電解水產生的H2和O2在電極石墨的條件下形成原電池使小燈泡變亮，見圖6。

【教師】原電池裝置的本質是使氧化反應和還原反應分別在不同的區域進行，能使電子轉移。根據方程式中化合價的分析可以找出氧化劑與還原劑，再結合物質狀態就可以構造出基本裝置。要糾正以下模糊概念：必須要不同電極材料、負極必須能和電解液反應等。原電池基本模型見圖7。

六、教學效果與反思

1.學習效果

課后布置調研題目：能否利用反應Cu+2FeCl3= CuCl2+2FeCl2實現由化學能轉化為電能？若能，請畫出其電化學裝置（作好試劑標注）；若不能，則說明理由。檢測情況統計如表2。

課后檢測情況見表2，教學效果良好。

2.教學反思

（1）部分學生通過課本、微課、機構已對原電池有一定認識，但是片面的、模糊的。因此，前測的學情分析是有效教學的前提。教師只有全面準確地了解學生的迷思概念，尊重學生的已有認知，思考學生的發展需求，才能使課堂教學精準到位。因此建議一定要在學情分析的基礎上組織教學[3]。

（2）要靈活運用教材創造性的整合素材。活用教材是新課程背景下提出來的全新理念，它賦予了教師駕馭新教材的靈活性。本課創造性地重新編排了若干實驗：①增加鋅銅稀硫酸是否用導線連接的溫度測定對照實驗，引出化學反應除熱能以外的其他能量變化形式；②增加將鋅銅稀硫酸原電池導線換成二極管的實驗，證明化學能可以轉變成電能；③深入分析鋅銅稀硫酸原電池觀察到的現象，建立原電池相關概念和進行符號表征；④利用課本科學探究實驗提出新要求：組裝盡可能多的原電池裝置并說明依據，從而培養學生控制實驗條件的意識和實驗設計思路的有序思維；⑤增加氫氧燃料電池裝置的實驗設計，幫助學生突破迷思概念，完善原電池的認知模型。因此建議要將新教材從“教本”向“學本”轉變，教師要將靜態的教材內容“活化”為生動的教學生成過程，要在教學過程中能動性、個性化、創造性地實踐[4]。

（3）三元整合策略主張基于學生在化學實驗、物質性質、基本原理三大版塊的已有知識創設認知沖突，以“認知沖突”作為課堂教學的研究線索貫穿始終，以考綱要求的知識、方法、能力和素養為教學暗線，圍繞驅動問題不斷提出解釋和修正解釋。本課在不同教學環節均設計了不同難度的認知沖突，學生一般不能迅速知道從何入手解決，這樣才能區分哪些學生是能夠自覺使用化學工具進行有序思考。因此建議要提高課堂教學的有效性，關鍵要制造有意義的涉及內容眾多或者出現認知沖突的“問題”。

（4）作為對概念教學增長點的定位，建立原電池概念并不是本節課的核心目標，學生要學會利用已有知識結合證據進行推理才是核心目標，能做到圍繞宏觀事實進行微觀分析并完成符號表征才是核心目標，能做到控制變量進行有序思考才是核心目標，能不斷地圍繞認知沖突建立模型、完善模型才是核心目標，能通過認識原電池、組裝原電池、設計原電池的活動使知識經驗結構化、程序化、系統化才是核心目標。因此建議概念教學也要注意這種思維方式的指導，學生在解決類似問題時才能有法可依、目標明確、思路清晰。

參考文獻

[1]李漢清.高中化學概念教學現狀及對策[J].化學教學，2013（2）：6-8

[2]鐘國華.2019年高考化學實驗試題（全國卷）的評析與啟示[J].化學教學，2020（1）：63-66

[3]仇永紅，王春.基于發展化學核心素養的概念教學——以“認識溶液”為例[J].化學教育，2020，41（19）：20-24

[4]胡久華，高沖.5E教學模式在我國的教學實踐及其國外研究進展評析[J].化學教育，2017，38（1）：5-9