核心素養下高中化學教學設計

鄧亞鵬

【摘要】《化學能與電能》是高中化學必修階段的重要學習內容，本節核心知識“原電池原理”對氧化還原反應、化學能與熱能、化學電源、電解原理等基本概念和基本理論的學習起著承上啟下的作用。本文以此為例，重點通過對銅鋅原電池原理的“宏觀辨識與微觀探析”及“證據推理”，建立一般的“單池”原電池的“模型認知”，實踐探索基于學科核心素養培養的高中化學課堂教學設計。

【關鍵詞】高中化學；教學設計；《化學能與電能》；原電池原理

【中圖分類號】G633.8【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2021）11—0120—02

教育部制定的《普通高中化學課程標準（2017版）》指出，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”等五個方面[1]。化學學科核心素養要做到真正的落實，離不開全體化學教師的具體教學實踐，特別是在進行課堂教學設計時要根據具體的知識內容、采取適宜的教學方法、設計高效的學習活動，確保學生在學習過程中實實在在地逐步形成必備品格、關鍵能力和正確的價值觀念。本文以人教版《化學2（必修）》第二章第二節“原電池原理”為例[2]，實踐探索基于學科核心素養培養的高中化學課堂教學設計。

一、“原電池原理”教學設計

【情景引入】教師利用真實的情景引入，展示新能源汽車與飛機起飛的競速視頻以及其動力電池的結構圖片，激發學生的學習興趣；引導學生回顧生活中的干電池、紐扣電池、手機電池等；展示實物——音樂賀卡、南孚5號干電池。提出疑問：化學電池是如何產生電流的？

核心活動一：通過宏觀辨識與微觀探析，初步建立原電池的概念。

教師打開音樂賀卡，音樂響起，取下紐扣電池，音樂停止；重新裝上紐扣電池，音樂再次響起，讓學生對化學電池能提供電能，產生電流形成了初步的感性認識。

【實驗1】用干電池、靈敏電流計、小燈泡（帶燈座）以及導線組裝成一個串聯電路，并畫出電路圖。觀察現象：電流表指針偏轉（提示學生注意電流表指針偏轉方向與電池正負極之間的關系）、小燈泡發光，說明有電流產生。

【實驗2】將實驗1裝置中的干電池取下，用導線連接鋅片和銅片，平行（不要接觸）插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現象。

【學生討論】學生討論觀察到的現象，并分析得出結論。銅片上有氣泡，鋅片上也有少量氣泡并不斷溶解，溶液為無色；燈泡發光，電流表指針偏轉，說明有電流產生。該裝置將化學能轉化為電能，形成原電池；從電流表指針的偏轉方向判斷，銅片是原電池的正極，則鋅片是負極。

【板書】定義——將化學能轉化為電能的裝置稱為原電池。

核心活動二：通過宏觀辨識與微觀探析，證據推理與模型認知，以鋅銅原電池為模型，學生自主探究原電池的工作原理。

【提出問題】原電池是如何產生電流的？

【提出假說】學生大膽推測，提出假設。鋅和稀硫酸發生氧化還原反應，有電子轉移；銅片上產生的氫氣不可能是銅和稀硫酸反應生成，唯一的可能是鋅失去的電子沿導線轉移到銅片上，整個裝置構成完整的閉合電路。

【實驗探究】學生提出問題，設計實驗，觀察現象，分析討論，得出結論。

問題：①Zn和Cu分別能與稀硫酸反應生成氫氣嗎？

②如何實現將化學能轉化為電能？

實驗及現象：

①分別將Zn片、Cu片插入稀硫酸中。現象：Zn片表面有氣泡產生；Cu片上沒有明顯現象，溶液不變藍色。

②Zn片、Cu片平行（不要接觸）插入稀硫酸中；現象與實驗①相同。

③將Zn片、Cu片用連有電流計和小燈泡的導線連接，并插入稀硫酸中；現象：銅片表面有氣泡，鋅片不斷溶解，溶液為無色，燈泡發光，電流表指針偏轉。

④將實驗③裝置的Cu片換成碳棒，重新實驗。現象：碳棒表面有氣泡，鋅片不斷溶解，溶液為無色；燈泡發光，電流表指針偏轉。

⑤將實驗③裝置的Zn片換成鎂條，重新實驗。現象：銅片表面有氣泡，鎂條不斷溶解；燈泡發光，電流表指針偏轉。

【學生討論】教師引導學生討論以下問題：實驗①Zn與稀硫酸反應的電子轉移情況？可否用雙線橋畫出電子轉移的方向和數目（為電極反應式的書寫做知識儲備）？實驗③為什么有電流產生，如何判斷電子的流向？實驗①和③發生的氧化反應和還原反應在區域上有什么不同？

【學生分析】實驗①證明，Cu不與稀硫酸反應；實驗②證明Zn能與稀硫酸發生氧化還原反應。實驗③的現象說明形成原電池，且Zn為負極，Cu為正極，溶液不變藍，說明Cu沒有反應，只起導電作用；銅片上有氫氣生成，說明H+在銅片上得到電子生成氫氣。那么，H+的電子從何而來呢？從微觀分析，電子的來源只有一個合理的可能性——Zn失電子生成Zn2+進入溶液，電子沿著導線定向移動到銅片上。電子沿導線定向移動必然產生電流，而且電流的方向和電子移動的方向相反，即外電路導線中，電流從Cu片流出，從鋅片流入，所以Cu片是正極，鋅片是負極。在原電池裝置內部，電解質溶液中的陰、陽離子定向移動形成電流，電流從負極流向正極，所以陽離子向正極定向移動，陰離子向負極定向移動，構成完整的閉合回路。實驗③④⑤形成閉合回路的原理相似，都需要有活潑性不同的電極、電解質溶液、自發的氧化還原反應、形成閉合回路。

【模型認知】以銅鋅原電池為模型，歸納原電池的工作原理，展示小組的學習成果。

負極（鋅）：失去電子，元素化合價升高，發生氧化反應，（外電路）電子流出、電流流入，（內電路）陰離子移向負極。

正極（銅）：得到電子，元素化合價降低，發生還原反應，（外電路）電子流入、電流流出，（內電路）陽離子移向正極。

【教師板書】規范符號標準——電極反應式的定義及書寫規則。用特定的化學用語表征原電池負極和正極兩個不同的區域發生氧化反應和還原反應的式子稱為電極反應式。

核心活動三：通過小組實驗，自主探究構成原電池的一般條件。

【實驗用品】鎂條、銅片、鋁片、鋅片、碳棒各兩個，稀硫酸、NaOH溶液、酒精、橙汁、西紅柿、蘋果，100ml燒杯幾只，靈敏電流計、小燈泡（帶燈座）以及導線若干。

以下是學生實驗探究活動過程中組裝的數十個實驗裝置的一部分，在較短的實驗時間內，沒有考慮氧氣作用的金屬緩慢腐蝕過程。

構成原電池：Zn-碳棒∣稀硫酸；Al-Cu∣NaOH溶液；MgFe∣橙汁；Fe-Cu∣蘋果；Mg-Zn∣一個西紅柿；現象均為電流表指針偏轉，燈泡發光。

不能構成原電池：Zn-Zn∣稀硫酸；Fe-Cu∣NaOH溶液；Cu-碳棒∣橙汁；Mg-Zn∣兩個西紅柿；Mg-Fe∣酒精。

【師生歸納】分析以上實驗結果，得出構成原電池的一般條件：兩個活潑性不同的電極；電解質溶液；形成閉合回路；自發進行氧化還原反應。

【思考交流】如何根據氧化還原反應原理來設計原電池呢？請將反應：Zn + Cu2+= Cu + Zn2+設計成電池，并畫出裝置示意圖。

二、教學反思

本文嘗試基于“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養培養的課堂教學設計。依托銅鋅原電池工作原理的自主實驗探究，通過宏觀辨識物質的形態及變化現象，從微觀層面理解產生電流與物質組成、結構和性質的聯系；通過設計有針對性的問題，組織學生自主學習，逐步樹立證據意識，能基于證據對原電池產生電流的原因提出可能的假設，并通過分析推理加以證實；培養學生的分析、歸納、推理能力、實驗能力；依據銅鋅原電池工作原理構建模型、通過模型認知并解決原電池的有關問題[3]。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018（01）：18-21.

[2]王秀紅，李志航，張冬華.發展學生化學學科核心素養的“化學能與電能”教學[J].化學教育（中英文），2020（03）：27-32.

[3]戴雨濛，吳新建，張賢金.基于“證據推理與模型認知”的對話教學評析[J].案例研究，2019（07）：51-54.

（本文系2018年度甘肅省“十三五”教育科學規劃一般自籌課題《基于學科核心素養的高中化學教學研究》的研究成果，課題立項號：GS[2018]GHB0294）

編輯：張昀