指向深度學習的“原電池“教學研究

張婉瑩 吳俊彥 張賢金 鄭瑛

摘要：基于“巴格達電池”的化學史創(chuàng)設問題情境，通過開展與問題情境緊密相連的探究實驗，激發(fā)學生學習興趣，并以遞進式的問題串調動學生的探索式思維。通過問題解決與探究實驗，旨在幫助學生掌握原電池的工作原理、構成要素等核心內容，構建原電池的認知模型。以海洋電池為案例聯(lián)系生活實際，促進知識的遷移應用，實現(xiàn)對原電池相關知識的深度學習，落實學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展目標。

關鍵詞：問題情境；探究實驗；原電池；深度學習；教學設計

文章編號：1008-0546（2022）12-0011-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.003

一、教學主題內容及教學現(xiàn)狀分析

“化學能轉化為電能”是高中化學蘇教版《化學（必修第二冊）》專題六“化學反應與能量變化”第三單元“化學能與電能的轉化”的第一課時的教學內容。[1]本課時以探究原電池的工作原理作為重點，涉及原電池的構成條件、原電池正負極的判斷、電極方程式的書寫、原電池內微觀粒子的移動方向等方面的內容，涵蓋豐富的知識點，要求學生具備較強的綜合思維和模型建構能力。

鑒于傳統(tǒng)知識型教學難以全面地體現(xiàn)知識背后的科學內涵，幫助學生實現(xiàn)對抽象知識的靈活遷移應用，因此原電池內容的教與學方法需要深入研究。為提高原電池的課堂教學質量，教學工作者們采取多種教學策略促進學生對原電池知識的深層認知。張瑞林等人通過鋅銅原電池實驗引導學生關聯(lián)宏微，初建原電池概念，隨后基于氫氧燃料電池，讓學生構建原電池的裝置一原理二維模型圖，并利用二維模型圖分析紐扣電池的裝置和原理，實現(xiàn)對原電池概念的深度理解。[2]黃清輝等人以伏打電池的發(fā)明和世界首架干電池動力飛機為情境導人新課，利用鋅粉與稀硫酸反應的實驗使學生意識到化學能與電能轉化的本質是氧化還原反應，再通過探究實驗促進學生對原電池工作原理的理解。[3]皇甫倩等人細化了化學高階思維的構成要素，創(chuàng)設石墨烯電池的情境導人新課，以批判質疑、實驗驗證的方式引導學生獲知雙液原電池中鹽橋的構成與作用，發(fā)展學生的化學高階思維。[4]牛彩霞等人利用“保護海洋平臺”探究式項目搭建生活實際與原電池知識的橋梁，激發(fā)學生的學習興趣，通過分析海洋平臺電化學腐蝕的原理，引導學生建立金屬腐蝕和原電池模型之間的關聯(lián)，進而從模型出發(fā)提出相應的防腐措施，在用化學原理解決實際問題的過程中實現(xiàn)深度學習。[5]此外，還有基于化學史情境、認知模型建構等方面進行原電池的教學設計。[6，7]上述教學設計在不同程度上提高了學生的學習積極性，突出了學生在課堂上的主體地位，推動學生理解表觀現(xiàn)象背后的化學本質，從而實現(xiàn)對原電池知識的深度學習。但許多教師在情境導人中采用的實例與教學中的實驗內容缺乏緊密銜接，未能良好地發(fā)揮情境的推動作用，跳躍性的課堂環(huán)節(jié)設計也不利于學生邏輯思維的建構。

化學是一門以實驗為基礎的學科，而情境是深度學習的起點，若能創(chuàng)設緊扣實驗內容的教學情境，則有利于讓學生以積極主動的心態(tài)參與科學探究，在問題解決的過程中構建新知，自主發(fā)現(xiàn)學習的樂趣。本文基于“巴格達電池”的化學史創(chuàng)設真實問題情境，簡化并重現(xiàn)巴格達電池的電池裝置；設計與情境緊密相連的探究實驗，圍繞“巴格達電池為什么能發(fā)電”的真實問題驅動學生自主探究，在解決問題的過程中引導學生理解并掌握原電池的構成要素與工作原理，實現(xiàn)對原電池相關知識的深度學習，充分發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

二、教學思想與創(chuàng)新點

化學學科深度學習是指在教師引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，開展以化學實驗為主的多種探究活動，在活動過程中獲得化學核心知識，構建化學學科的思想方法，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。[8]為實現(xiàn)原電池知識的深度學習，本教學設計有以下做法：

1．創(chuàng)設情境激發(fā)學習興趣

在深度學習中任務、情境和問題是三位一體的，基于真實情境產(chǎn)生需要解決的問題，問題解決則指向具體需要完成的任務。[9]本節(jié)課以“巴格達電池”為情境素材來創(chuàng)設真實的問題情境，[10]激發(fā)學生的學習興趣。基于“巴格達電池為什么能發(fā)電”真實的核心問題，抽提出“巴格達電池的結構”“巴格達電池產(chǎn)生電流的方式”“影響單個巴格達電池電壓的因素”三個基本問題驅動學習活動的展開。通過模型試驗在課堂上重現(xiàn)巴格達電池，并以其為載體開展一系列探究實驗任務，幫助學生在問題解決的過程中理解原電池的工作原理，充分落實原電池的深度學習。

2．認知沖突引發(fā)深度思考

在原電池構成要素的探究實驗中，利用銅片部位滴有酚酞溶液的濾紙變紅的實驗現(xiàn)象創(chuàng)設認知沖突，設置層層深入的問題串：①鐵片接觸的濾紙變藍說明什么？②實驗2中銅片接觸的濾紙為何會變紅？溶液中的H+發(fā)生了什么反應？③銅片上的電子是怎么來的？④如何證明電子發(fā)生了移動？又要怎么證明原電池產(chǎn)生了電流？用問題為學生搭建學習的支架，引導學生聯(lián)系舊知、建構新知，激發(fā)學生對實驗現(xiàn)象的深度思考。學生在對實驗現(xiàn)象的主動究因過程中，逐漸建立起對原電池的概念、構成要素以及工作原理的認識，從而發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念”和“證據(jù)推理”的化學學科核心素養(yǎng)。

3．實驗探究發(fā)展高階思維

皇甫倩等人將化學高階思維概括為：化學表征思維、模型建構思維、化學實驗思維、質疑批判思維及遷移創(chuàng)造思維。[4]在本節(jié)課的教學設計中，通過讓學生繪制巴格達電池的模型簡圖，考查學生抽象化概括及建構模型的能力，發(fā)展學生的模型建構思維。在原電池構成要素的探究實驗中，通過設計問題串引導的探究實驗，以實驗現(xiàn)象與已有認知的沖突發(fā)展學生的質疑批判思維。在影響原電池性能因素的探究實驗中，引導學生根據(jù)原電池的構成要素設計探究實驗方案，將問題精確為探究電極種類、溶液的種類和濃度對電池性能的影響，采用控制變量法進行實驗探究，發(fā)展學生的化學實驗思維。探究實驗的設計不僅幫助學生掌握原電池的構成條件，理解原電池的工作原理，還進一步培養(yǎng)學生的化學高階思維能力以及“科學探究”的化學學科核心素養(yǎng)。

4．聯(lián)系生活促進知識遷移

以我國首創(chuàng)的海洋電池為情境，搭建理論與生活實際之間的橋梁，可以讓學生認識到化學在提高人們生活質量、促進社會進步方面的特殊作用，提高學生“科學精神與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。同時，通過分析海洋電池的工作原理，在真實的情境中實現(xiàn)知識的遷移應用，達成發(fā)展學生的遷移創(chuàng)造思維的目的。

5．自制教具強化元認知能力

元認知是指學生對自我認知的認知。布置制作海洋電池紙質模型的家庭作業(yè)，學生在動手的過程中可以不斷反思自身的認知過程，查缺補漏，加深對原電池相關知識的理解并強化自己的元認知能力。

三、教學目標

通過實驗探究原電池的構成要素，初步建立原電池的認知模型；通過實驗探究原電池的構成條件及影響原電池性能的因素，發(fā)展科學探究能力；通過分析海洋電池的工作原理，了解化學知識在生產(chǎn)、生活中的應用實例，體會化學的學科價值。

四、教學流程

基于深度學習的教學理念，設置發(fā)現(xiàn)電、探究電、揭秘電、應用電四個教學環(huán)節(jié)。以巴格達電池為情境，結合鐵銅原電池的探究實驗，幫助學生學習抽象的原電池知識，提高學生知識遷移和應用的能力，實現(xiàn)原電池原理的深度學習。本節(jié)課的教學流程如圖1所示。

五、教學實錄

環(huán)節(jié)一：發(fā)現(xiàn)電

【導人】巴格達電池出土于伊拉克首都巴格達境內，距今已有兩千多年的歷史，外觀看起來只是一個簡陋的陶罐，但罐內裝有一根銅管，銅管內還包有一根鐵棒。研究發(fā)現(xiàn)這其實是一個古代化學電池，只需向陶罐內加入新鮮葡萄汁就能發(fā)電。巴格達電池的結構是怎么樣的？請同學們根據(jù)已有信息用簡圖描述。

【學生活動】繪制巴格達電池簡圖，如圖2（a）所示。

【總結】簡化學生繪制的巴格達電池模型，簡化后的巴格達電池如圖2（b）所示。

環(huán)節(jié)二：探究電

【設疑】巴格達電池是如何產(chǎn)生電流的？一根銅管、一根鐵棒和溶液是否就能構成一個電池？

【實驗探究1】將HCl和NaCl混合液調至pH=5，模擬葡萄汁的弱酸性環(huán)境。用該溶液浸透濾紙后，在濾紙的左半部分滴數(shù)滴赤血鹽溶液，右半部分滴數(shù)滴酚酞溶液。

資料卡片：Fe2+與赤血鹽溶液反應生成藍色沉淀。 【學生實驗】根據(jù)裝置圖完成實驗1、2，將觀察到的實驗現(xiàn)象填人表1。實驗裝置圖如圖3所示。

【提問】①鐵片接觸的濾紙變藍說明什么？②實驗2中銅片接觸的濾紙為何會變紅？溶液中的H+發(fā)生了什么反應？③銅片上的電子是怎么來的？④如何證明電子發(fā)生了移動？又要怎么證明原電池產(chǎn)生了電流？

【學生實驗】完成實驗3，將觀察到的實驗現(xiàn)象填人表1。

【結論】負極：Fe - 2e==Fe“

正極：2H++ 2e-一H2↑

總反應式：Fe+ 2H+ -Fe“+H2↑

【提問】我們知道化學反應伴隨著能量的變化，實驗3電流表偏轉說明有化學能轉化為電能。為什么實驗1和實驗2、3的總反應相同，能量轉換形式卻不一樣？所有的化學反應都能將化學能轉化為電能嗎？

【討論匯報】化學反應需要借助原電池裝置才能將化學能轉化為電能，只有氧化還原反應有電子的得失，能將化學能轉化為電能。

環(huán)節(jié)三：揭秘電

【提問】由于單個巴格達電池的電壓很低，因此科學家們推測這些電池可能是串聯(lián)使用的。假設現(xiàn)在只有一個巴格達電池，請同學們結合原電池的結構思考如何提高單個巴格達電池的電壓？

【回答】改變電極的種類、溶液的種類和濃度。

【實驗探究2】利用表2中的材料，設計方案進行分組實驗（見表3），實驗裝置同實驗探究1中的實驗2。

【提問】實驗結果說明并非所有電極和溶液都能構成原電池，請同學們根據(jù)實驗結果分析并總結原電池的構成條件以及影響原電池性能的因素。

【討論匯報】原電池的構成條件：兩個導電電極、電解質溶液、自發(fā)的氧化還原反應、閉合回路。

影響原電池性能的因素：電極種類、電解質溶液的種類和濃度。

環(huán)節(jié)四：應用電

【提問】請同學們結合課本拓展視野的內容思考在酸性和中性條件下，鐵銅原電池的兩電極是否發(fā)生同樣的反應？

【回答】負極都發(fā)生Fe被氧化的反應。正極反應不同，酸性條件下，H+在正極處被還原，而在中性條件下，正極發(fā)生的是氧氣被還原的反應。

【展示】海洋電池相關圖片。

【知識拓展】海洋電池利用了類似的原理。海洋電池解決了電線難以跨海供電的難題，以鋁、碳為電極，電極之間以導線相連，與海水接觸就可以構成原電池，為燈塔和救生衣燈等供電。

【提問】海洋電池自身具備電極和導線。海洋電池工作時，電解質溶液是什么？兩個電極分別發(fā)生何反應？

【回答】海洋電池以鋁作負極，碳作正極，海水為電解質溶液，在中性環(huán)境下負極處鋁被氧化成Al3+，氧氣在正極處被還原。

【作業(yè)】請同學們制作一個海洋電池的紙質模型，并用模型模擬電池內部微觀粒子的移動過程。

六、教學效果與反思

依據(jù)深度學習的教學理念，本節(jié)課以化學史創(chuàng)設情境，通過情境與實際實驗內容的緊密銜接，引導學生積極主動地參與課堂；通過設置真實的問題情境推動學生自主探索原電池的概念、構成條件以及工作原理，促進學生邏輯思維的發(fā)展；通過實驗探究，讓學生經(jīng)歷了解、理解、應用原電池知識的深度學習過程，在實驗探究的過程中提升學生的高階思維能力和問題解決能力，實現(xiàn)原電池概念的深度學習以及化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。為深入落實電化學知識的深度學習，教師還可開展單元學習主題教學。單元教學是深度學習的載體，深度學習是單元教學的目的，二者相輔相成，共同促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。在本節(jié)課的教學設計之上，可結合選擇性必修模塊的相關內容進行原電池的單元整體教學設計，由此幫助學生形成結構化的知識脈絡，加深對原電池的認知，從而促進學生實現(xiàn)知識到素養(yǎng)的轉化。

參考文獻

[1]王祖浩．普通高中教科書·化學（必修第二冊）[M]．南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020：19-21.

[2]張瑞林，劉曉華，姜言霞．整合多重表征促進概念深度理解——以“原電池”為例[J]．化學教育（中英文），2022，43（3）：23-31．

[3]黃清輝，張賢金，吳新建，基于實驗探究促進學生化學深度學習——以魯科版“原電池的工作原理”為例[J].化學教與學，2016（6）：17-19．

[4]皇甫倩，曾美琴，魏釗，王春陽，王后雄，基于化學高階思維培養(yǎng)的教學設計研究——以“雙液原電池”為例[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2021，22（3）：40-46.

[5] 牛彩霞，鄒映波．走向核心素養(yǎng)的化學深度學習——以“保護海洋平臺——金屬電化學腐蝕與防護”為例[J].化學教學，2020（8）：39-43.

[6]何森彪，吳文中，基于化學史實組織教學促進學生科學素養(yǎng)發(fā)展——以學生深度學習原電池原理為例[J].化學教與學，2017（4）：36-39.

[7]劉月萍，羅秀玲，肖信．基于模型建構的論證教學在化學概念學習中的應用——以“原電池”概念學習為例[J].化學教育（中英文），2022，43（3）：63-73．

[8]胡久華．以深度學習促核心素養(yǎng)發(fā)展的化學教學[J].基礎教育課程，2019（21）：70-78．

[9]楊玉琴，倪娟．促進“深度學習”的教學設計[J]．化學教育，2016，37（ 17）：1-8.

[10] Xu Lu， Franklin Anariba. Fostering Innovation through anActive Leaming Activity Inspired by the Baghdad Battery[J]. Joumal of Chemical Education， 2014， 91（ 11）： 1929-1933．