基于學科核心素養的“原電池”課堂實錄與評析

姚美霞

【摘要】基于化學學科核心素養幫助學生從原電池的結構、優劣標準、構成條件、工作原理構建原電池工作原理模型，教學中運用反應觀、微粒觀、轉化觀、能量觀、守恒觀、實驗觀等進行任務設計，幫助學生形成良好的科學與技術工程思維能力，從更高層面認識原電池蘊含的深刻概念和原理。

【關鍵詞】模型探究;化學學科核心素養;原電池

一、教學設計思想

化學學科核心素養包括“宏觀辨析與微觀探析”“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”各個方面。筆者基于化學學科核心素養，通過模型探究，落實反應觀、微粒觀、轉化觀、能量觀、守恒觀、實驗觀等化學基本觀念，從根本上改善優化學生對原電池知識能力系統的認知結構，為電化學教學增添創新的科學思維和工程方法，拓寬化學學科核心素養的培養途徑。

二、教學內容與方法

“原電池”是選修4第四章電化學基礎的第一節的教學內容，同時也是必修2第二章化學能與電能的拓展和深化，在電化學中起著承上啟下的重要作用。原電池涉及的概念、原理抽象又集中，學生在學習過程中總會存在一些困難，而這些困難會從學生接觸電化學開始一直延續到電解池、金屬的電化學腐蝕與防護等方面的學習。

運用反應觀、微粒觀、轉化觀、能量觀、守恒觀、實驗觀等進行任務設計，幫助學生從原電池的結構、優劣標準、構成條件、工作原理構建原電池工作原理模型，從而形成良好的科學與技術工程思維能力，從更高層面認識原電池蘊含的深刻概念和原理。

三、學情分析

學生通過必修2第二章化學能與電能的學習，知道了原電池的構成條件和工作原理，但只是停留在表面上的認識，對其中的概念理解比較模糊，學生的抽象思維不夠強。

四、教學目標

（1）通過實驗現象從宏觀到微觀分析，從裝置要素和原理要素角度初步建構“原電池思維模型”;

（2）通過“Zn︱H2SO4︱Cu”模型的實驗探究，基于數據推理分析原電池的優劣標準，繼而得出“負極區”“正極區”“鹽橋”等抽象概念和選擇負極區和正極區電解質溶液的思路和方法;

（3）學生能依據前面探究形成的認知基礎，分析、討論與交流，在新情境下對原電池相關概念進行普遍性推廣與廣義化理解，進一步鞏固“原電池思維模型”的運用。

五、教學實錄

1.宏微分析，構建單液原電池思維模型

【學生活動1】觀看銅鋅原電池視頻，根據宏觀現象，完成以下任務：

（1）請在圖1中標出正極和負極，標出外電路的電子移動情況;

（2）寫出原電池負極和正極的電極反應;

（3）標出原電池中內電路的離子移動情況;

（4）將銅鋅原電池的圖形轉化為電池符號;

“負極︱電解質溶液︱正極”的簡單形式。

【設計意圖】通過銅鋅原電池實驗視頻回顧原電池的構成條件和原電池的工作原理，既能更好地切入思考，構建單液原電池思維模型，又能提升課堂教學有效性，激發學生學習的積極性。

2.基于“Zn|H2SO4|Cu”模型進行的實驗探究，理解原理

【實驗探究】如下圖裝置進行實驗，實驗結果：15分鐘后裝置A、B、C測得的溫度如圖示，裝置B中鋅片表面產生大量氣泡。裝置C中鋅片表面產生少量氣泡，銅片表面產生大量氣泡，電流計指針發生偏轉。分析數據，完成學生活動2.

【學生活動2】分析以上實驗裝置和對應的實驗數據，完成以下任務：

（1）裝置A的作用是什么？

（2）結合裝置B和裝置C的數據，分析裝置②和裝置③溫度升高以及升高幅度不同的原因。

（3）判斷一個電池的優劣標準有哪些？

（4）如何能提高原電池中化學能轉化為電能的轉換效率？

【設計意圖】從學生最原始的想法入手，層層遞進，從實驗數據分析得出單液原電池設計的缺陷，引出改進原電池裝置的必要性。這樣的處理利于學生培養數據分析能力、證據推理和模型認知。

3.雙液原電池工作原理的探究

【教師】通過前面的科學探究，我們不難發現原電池“Zn|H2SO4|Cu”有內部反應（短路）問題，從而降低電池效率，發生內部短路致部分電子直接轉移給溶液中的H+，導致反應熱一部分直接轉化為熱能。那么，如何設計才能把原電池中的電解質溶液中的得電子離子與負極物質分開？

【學生活動3】觀察右圖，完成以下任務：

（1）若該選用了KCl-瓊脂鹽橋，指出鹽橋中的K+和Cl-的移動方向;

（2）寫出該原電池負極和正極的電極反應;

（3）寫出選擇負極區和正極區電解質溶液的思路和方法;

（4）將原電池的圖形轉化為電池符號。

【設計意圖】首先，引導學生運用工程思維，采用“隔離”技術，將電解質溶液中的得電子離子與負極物質分開，以避免它們相互直接接觸，得出“負極區”“正極區”等概念。然后，借助“鹽橋”構成閉合回路，初步建立實驗設計思路的有序性。最后，通過學習任務進一步鞏固原電池工作原理和選擇負極區和正極區電解質溶液的思路和方法。構建雙液原電池思維模型。

4.課堂總結，能力提升

【學生活動4】將反應Fe+2Fe3+= 3Fe2+的化學能轉化為電能，完成以下任務：

（1）判斷該原電池的負極材料、正極材料和溶液中的電解質;

（2）畫出相應雙液原電池裝置的示意圖，并標記外電路的e-移動情況;

（3）寫出該原電池負極和正極的電極反應;

（4）若選用了KCl-瓊脂鹽橋，指出鹽橋中的K+和Cl-的移動方向;

（5）說說選擇負極區和正極區電解質溶液的思路和方法;

（6）將該原電池的圖形轉化為電池符號。

【設計意圖】進一步理解原電池反應的本質及構成要素，根據“原電池工作原理”模型能對陌生反應設計原電池，解決實際問題，在新情境下對原電池相關概念進行普遍性推廣與廣義化理解。

六、教學反思

1.模型認知探究原電池的教學效果

課堂上，筆者首先是以人教版必修2單液原電池思維模型為“生長點”進行實驗探究，運用STEM理念將數學與科學、技術與工程整合在一起進行任務設計，引出雙液原電池中“負極區”“正極區”“鹽橋”等抽象概念、選擇負極區和正極區電解質溶液的思路，繼而得出雙液原電池的設計思路與方法，構建雙液原電池思維模型。在整個教學環節中，大部分的學生表現比較積極，普遍能夠順利完成相應的學習任務。

2.模型認知探究教學的創新性

筆者在實踐中不斷地進行教學的實踐與思考，意識到只要將對原電池模型的探究系統方法加以推廣，就可以擴展至整個電化學知識系統的教學和綜合能力的培養上面。以鐵碳原電池為例，鐵碳雙液電池，符號表示為：（負極）Fe|FeCl2‖FeCl3|C（正極），鹽橋用含有KCl溶液的凝膠制作。繼續擴充發展到充電電池（電解池），則符號表示為：（陰極）Fe|FeCl2‖FeCl3|C（陽極），鹽橋仍然用含有KCl的凝膠制作。可見模型探究與STEM理念融合的方法論系統符合整個電化學幾乎所有問題的解決，是開展原電池教學與綜合能力培養的創新途徑。

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