基于證據推理與模型認知探究玩具車的工作原理

袁萍

【摘要】本文以“鹽水玩具車”為真實情境，采用實驗探究的教學方式完成“四問題——四任務”的教學流程，最后以“自主設計原電池”落實原電池認知模型，旨在落實培養“證據推理與模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”等化學核心素養。

【關鍵詞】原電池;教學設計;情境;核心素養

一、教材分析

《原電池》在新教材必修第二冊第六章化學反應與能量第一節，對比舊人教版第二章第二節，不同點在內容設計上增加了原電池原理示意圖、簡易電池的設計與制作，其中含水果電池;模塊設計上增加了“化學反應與能量”的實踐活動，突出培養學生的宏觀辨識與微觀探析的核心素養。知識內容上的相同點既是對氧化還原反應的進一步認識，同時也為選修學習雙液電池、燃料電池等知識作鋪墊，培養學生感受宏觀辨識與微觀探析、模型認知與證據推理的核心素養，體會辯證與統一思想。本節課融合了氧化還原反應、金屬的性質、電解質溶液等知識，還與物理學科的電學相聯系，綜合性較強。

二、學情分析

學生的基礎偏差，對于實驗探究模型意識薄弱，較難跟上實驗探究思維，但為了逐步加深學生的思維邏輯性，最終采用結合真實情境的實驗探究及任務驅動的教學方式?；瘜W是一門以實驗為主的科學，通過小組實驗為主，感受原電池的形成與工作原理。學生已有的基礎：知道Zn、Cu單獨與酸反應的現象，知道電子與電流的流動方向，了解生活中電池的構造等。

前概念：氧化劑與還原劑只能接觸才能反應。

困惑點：為何在實驗中正、負極均有氣泡產生;陰、陽離子的移動方向;原電池裝置如何應用于化學電源。

三、教學目標

（1）能從宏觀現象和微觀變化的角度解釋鋅銅原電池的工作原理，真實情境得出原電池概念。

（2）在對鋅銅原電池工作的原理探究的過程中，體驗構建原電池的模型，培養宏觀辨識與微觀探析素養。

（3）依據實驗現象總結出原電池的反應原理及本質，培養學生的證據推理與模型認知素養。

（4）通過獨立設計新的原電池，設計新的電池使玩具車啟動，感受化學變化中能量轉化的獨特魅力和價值，培養科學精神與社會責任素養。

四、教學思路

整節課熟練應用科學實驗探究與問題鏈相結合的教學方式，融合真實情境，結合當下能源發展的主題，深入貫穿培養學生“證據推理與模型認知、科學精神與社會責任”素養。

以“鹽水玩具車”為真實情境切入，并播放玩具車運行視頻，分成8小組進行實驗探究以完成“四問題——四任務”為主線，最后以“自主設計原電池”落實原電池模型，通過學生自主設計培養“宏觀辨識與微觀探析”素養。具體教學思路如圖1。

五、教學過程

1.生活情境導入

任務一：猜一猜，玩具車跑動的能量轉化

【引入】關于玩具車大家都玩過，接下來看個視頻了解下這種玩具車是如何運行的？

教師：視頻中往這個盒子里滴加了什么？

學生：鹽水。

教師：滴了之后觀察到什么現象呢？存在哪些能量轉化呢？

學生：有電流產生，電流表指針發生偏轉?；瘜W能轉化成電能再轉化成動能。滴加的是什么呢？

【演示實驗】教師就有這樣一個玩具車噴一種液體，小小的玩具車（如右圖2）能夠跑動。連接電流表，將電池取出來連接電流表，并觀察現象。

學生：看到指針發生偏轉了，說明產生電流

師：這個盒子里面是什么呢？我們拆開看下

學生：是鋅片、銅片和一塊濾紙。

設計意圖：看見小小的玩具車，實驗中不明的噴不知名的液體，并且這樣就有電流產生，可以引起學生的學習興趣，激發學生對該電池的進一步探究。培養學生的“科學精神與社會責任”學科核心素養。

2.分組實驗初步建構原電池模型

【提出問題】任務二：找一找，玩具車中的電流從哪里來？

【設計方案實驗1】將鋅片與銅片先后放入同盛有稀硫酸溶液的燒杯中，觀察鋅片、銅片現象。學生獨立利用氧化還原反應雙線橋解釋鋅片、銅片的現象。

提問1：鋅片上產生氣泡，這種氣體是什么？反應原理是什么呢？

學生1：氫氣

學生2

問2：既然有電子的轉移，那么存在電流嗎？

學生：不存在。

教師：為什么？

學生：因為需要有電子的定向移動，可以連接導線

師：怎樣才能將電流體現出來？

學生：用電流表。

【實驗2】用導線將鋅片、銅片連接起來，觀察并解釋鋅片、銅片上的現象，用電流表體現電流的產生，完成教學案上的第二部分，繼續建構模型。

教師：觀察到什么現象？

學生1：觀察到兩邊電池都會產生氣泡，并且鋅片上的氣泡快且多，不能很清晰的看到銅片的現象。

學生2：可否換一種溶液讓鋅片不產生氣泡，只讓銅片上產生氣泡呢？

教師：好的，那我們先在原有的基礎上補充模型。

學生

教師：那為什么會出現你們所看到的情況呢？

學生：因為鋅本身就會與硫酸反應，且速率快。

設計意圖：按照實驗探究的模型：提出問題、設計實驗方案、評價方案、得出結論，讓學生通過實驗學會收集科學證據和確立尋找證據的途徑;學會利用實驗模型描述化學變化，解釋化學現象;培養學生從微觀的角度去理解宏觀變化的思維以及“證據推理與模型認知”學科核心素養。

3.完善原電池模型——鋅銅原電池

任務三：完善原電池模型

師：先完善外電路的電子流動方向。

學生：電流由正極流向負極，電子由負極流向正極。

【問題3】內電路（溶液中）的電子流動方向？提示：原電池的條件需要形成閉合回路。

學生：陰離子流向負極，陽離子流向正極。

【問題4】為什么陰離子向負極移動，陽離子為什么向正極移動？

學生：正極附近留下大量OH-離子，導致SO24-離子流向負極，同種電荷相互排斥;負極產生大量的陽離子，與SO24- 離子正負電荷相吸。

【問題5】負極發生什么反應，正極發生什么反應？

學生：負極失去電子發生氧化反應，正極得到電子發生還原反應。

教師：完善初始模型，最終形成鋅銅原電池模型（如圖3左學生繪制，圖形右）。

【問題6】原電池的模型出來呢，那如何找原電池的正負極呢？

學生1：活潑性強的金屬做負極，較不活潑的做正極。

學生2：一般現象表現為逐漸溶解的作負極，一般現象為冒氣泡或析出固體的作正極。

設計意圖：讓學生在實驗探究過程中逐漸形成批判精神和創新思維，突出了“證據推理與模型認知”學科核心素養。通過實驗現象分析，引導學生進行，構建了鋅銅原電池的結構模型，以此推到原電池的認知模型。

4.發展原電池模型——能使玩具車跑動的原電池

【設計新原電池】實驗藥品：電流計（導線）、鎂片、石墨片、銅片、NaCl溶液、稀硫酸，由學生自主討論，設計，并畫出內外電路模型的離子和電子的流動方向，展示，點評。

設計意圖：讓學生對實驗方案進行創新性優化，學會用已有知識和方法解決問題，培養學生的“科學探究與創新意識”學科核心素養。

5.改進原電池實驗

針對學生在以上提出的問題，如果課堂時間有剩余的話，可以選擇儀器或操作的形式呈現給學生，僅展示不需講解。

學生1：可不可以在銅片那邊加入不跟銅反應的溶液，這樣銅電極附近就不會產生氣泡了。

學生2：兩邊的溶液分開可以，在各自的容器中。

學生3：然后加一根能夠導電的銅絲連接兩個容器，這樣可以嗎？

師：由于時間關系，同學們可以查閱相關的資料來解決大家的疑問，以上大家的思考非常不錯。

設計意圖：培養學生從性質及所觀察的現象等維度結合起來，得出最適合的實驗裝置，培養學生勇于探索的創新精神，學會將所學知識應用于實際生活。

六、教學反思

《原電池》的教學設計主要通過實驗探究，培養學生的證據推理與模型認知素養，設置問題情境，在學生自主探究、主動構建模型的過程中落實化學學科核心素養的培養。鋅銅原電池是化學電源的具體模型，它模擬了對象物的正負極、離子導體、電子導體以及閉合回路等。從鋅和硫酸銅溶液的接觸反應到單液原電池裝置模型，組織學生進行實驗，并觀察、分析、解釋實驗現象、推論預測、設計裝置、自我評價等，提升學生對單液原電池工作原理的認識水平，構建科學的原電池模型。

參考文獻：

[1]王晶，鄭長龍.化學（必修第二冊）[M].人民教育出版社，2019.

[2]宋心琦.化學（必修Ⅱ）[M].人民教育出版社，2007.

[3]教育部.普通高中化學課程標準[M].人民教育出版社，2017.

[4]陳博毅，王季常，陳鈺姝等.基于模型認知與手持技術的化學能與電能項目式教學———以“設計不同類型的化學電源”為例[J].化學教育，2020，41（15）： 14-23.