新高考背景下高中化學與物理交叉教學研究
——以“原電池”為例*

柳聰慧，徐 穎，王宏社，閆 雪

(寶雞文理學院化學化工學院，陜西 寶雞 721013)

隨著新高考“3+1+2”模式和新課程標準的推行和調整[1]，使得各學科之間的聯系越來越緊密，不再讓學生拘泥于單一的思維模式。對于這種新模式下的12種學科組合方式的選擇，也更能體現跨學科融合交叉的重要性。以物理類組合中的“物+化+X”模式為例，對于高中化學教師來說，若想促進學生綜合素質以及理科能力的提高，還是要建立在分科課程的基礎之上，立足于化學教學，同時注意與物理等學科進行適時適度的交叉融合教學[2]。

1 人教版高中化學與物理交叉內容教學設計

1.1 教學設計思路

在進行教學過程設計之前要做好充足的準備，明確高中化學與物理這兩個學科內容之間存在的交叉點，并將這些交叉點的內容梳理出來，分析交叉內容在兩學科教學中的教學進度，根據教學進度設計教學；明確高中化學與物理兩學科課程標準所對應的課程要求以及所要求掌握的內容深度區別，進而對教學內容進行適當的調整；對化學和物理教科書進行分類和整合，分析本節內容在本章節或者整個知識體系的重要程度以及判斷兩學科交叉內容如何應用；分析學生在學習本節內容之前對相關知識掌握情況。根據分析兩學科課程標準、教科書內容，以及學情等方面，確定本節內容的教學目標、教學重難點及教學方法，進行教學過程的設計并且實施；最后，進行教學評價和反思，分析本節內容教學設計存在的缺點和不足，進行改進和提升。

1.2 教學設計案例——以“原電池”教學設計為例

【設計思想】

學生在初中的物理學習中已經學習了電學的相關知識，對電流流向、電流表的使用、電荷守恒定律的相關知識等都有了一定的了解。在高中化學學習中，“原電池”這部分內容就會涉及到初中物理中電學這部分知識，這就意味著可以利用已經學過的電學知識來設計教學。這節課主要是通過教師的引導，學生自主去探究和學習新知識。這有利于發揮學生主體作用，有利于提高學生自主學習能力和實驗探究能力，有利于培養學生聯系不同學科之間交叉知識的意識。

【教材分析】

本節教學內容選自人教版普通高中課程標準實驗教科書必修二第二章“化學反應與能量”第二節“化學能與電能”中的“原電池”片段[3]。從《課程標準》中了解到[4]，關于學生對化學能與電能相互轉化的掌握程度，只要求能夠認識化學能和電能相互轉化的實際意義和應用；能夠了解原電池的工作原理和其他的化學電源。

從跨學科的知識體系來看，本節課的內容是在學習了初中物理的電學知識，以及化學中的氧化還原反應(必修1)的內容后學習的。因此，本節課是對氧化還原反應本質的再探索和延伸，是對化學能與其他能量轉換的補充，是建立電化學基本概念的基礎，還是對化學和物理這兩門學科之間存在的交叉內容的意識培養。在化學選修1(化學與生活)(金屬腐蝕與防護)，以及化學選修4(化學反應原理)中，還將進一步學習電化學的相關知識，所以本節課只是為后面知識的學習提供理論基礎。綜上所述，在知識結構上“化學能與電能”這一節起到了承上啟下的作用。

【學情分析】

1)通過高中化學必修一的學習，學生已經掌握了氧化還原反應，并且知道氧化還原反應可以分為氧化反應和還原反應去探討，知道了電子轉移是氧化還原的本質；

2)在初中物理學習中，已經知道電子定向移動會形成電流，并且已經初步認識氧化還原反應的過程中會有電子的定向移動。但是，對原電池還比較陌生，對借助原電池的氧化還原反應是否還會有電子的定向移動存在疑惑，對化學和物理這兩門學科的交叉滲透學習意識不強。

3)知道電解質溶液是可以導電的，知道在電場的作用下，溶液中的離子是可以定向移動的。但是對于學生來說，如何判斷原電池內電路中電流流向方面還存在問題。

4)知道能量之間是可以相互轉化的。由于“化學能與電能”這部分涉及到的原電池是新知識，所以學生對于原電池中涉及到的能量轉化還不能很快的去接受，可能會認為引入原電池這個新裝置會對能量之間的轉化有影響。

【教學目標】

教學目標如表1所示。

表1 化學學科核心素養

【教學過程】

環節一：創設情境，引入教學

同學們，你們知道伏打這位物理學家嗎?就是他發明了世界上第一塊電池(伏打電池)。正是由于電池的發明，我們的生活才那么便利。例如，我們生活中用到的筆記本電腦、手機等，都應用到了電池。那么，你們有沒有想過，電池是怎么把化學能轉化為電能的呢？工作原理又是什么呢？那就讓我們一起來學習本節課的內容，解開這個謎底吧！

設計意圖：利用物理史科學家的故事導入新課，激發學生學習的好奇心和興趣，培養學生聯系不同學科之間交叉知識的意識，激起他們更深層次探索的欲望。

環節二：實驗探究，新課學習

師：我們在這節課的實驗中會用到電流表，那電流表是如何使用的呢？指針偏轉能說明什么？

生：指針不同的偏轉方向,代表連接的方式不同。正極接正接線柱，負極接負接線柱，指針就會向正值的方向偏轉(這是正確的方法)。反之向負極偏轉。指針偏轉就代表有電流產生。

探究實驗：

①將鋅片和銅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現象。

②用導線連接鋅片和銅片，并將其插入到盛有稀硫酸的燒杯中，觀察、比較導線連接前后的現象。

③用導線在鋅片和銅片之間串聯一個電流表，并將金屬片也插入到盛有稀硫酸的燒杯中，觀察電流表的指針是否偏轉。

現象：當鋅片與銅片插入稀硫酸時，鋅片上有氣泡產生，而銅片上無明顯現象；用導線將鋅片和銅片相連后，銅片上有氣泡產生；串聯電流表后，發現電流表指針發生偏轉。

師：我們接下來先一起分析實驗，為什么鋅片有氣泡產生，而銅片無明顯現象？

生：通過金屬活動性順序表可知，鋅的活動性位于氫前面，因此鋅可以置換出稀硫酸中的H+，生成氫氣；而銅的活動性位于氫之后，和稀硫酸不發生置換反應。

師：找同學到黑板上書寫鋅和稀硫酸反應的離子方程式，并用單線橋標注電子轉移方向和數目。通過這個方程式，可以發現，每生成 1 mol 氫氣，就會轉移 2 mol 電子。下面來分析實驗，為什么連接導線之后，銅片上有氣泡生成，鋅片的質量會減少，難道違背了金屬活動性順序嗎？

師：其實并沒有違背金屬活動性順序，我們在剛剛的演示實驗中，把鋅片電極和銅片電極一同浸入到稀鹽酸中，通過導線連接，形成了一個通路。通過金屬活動性順序表可知，鋅比銅的活動性要強，容易失去2個電子，被氧化為Zn2+進入到溶液中，電子則通過導線從鋅片電極流向銅片電極，溶液中有大量的H+，H+從銅片電極獲得電子被還原成了氫原子，氫原子之間再相互結合成氫分子，以氣體的形式從銅片電極逸出去。這一變化的過程如下：

設計意圖：連接導線后，實驗的“連接導線之后，銅片上有氣泡生成，鋅片的質量會減少”現象會引發學生的認知沖突，學生會感到疑惑并且產生想要繼續解決問題的興趣，教師順勢引導學生進行討論，學生能夠得到這個過程中有電子轉移的過程。在這個分析中已經開始建立原電池的模型，而解答學生疑惑的過程中也是學生對原電池的探秘。

師：請同學們回憶一下初中物理中我們所學習過的電學知識，思考以下問問題：

①你是如何判斷電子的流動方向的呢？

②你是怎么判斷出哪個電極是這個裝置(Zn-Cu原電池)的正極？哪個電極是負極的呢？

生：根據電子流動方向：負極→正極；電流方向：正極→負極。物理上根據電流表偏轉方向可以判斷正負極。此裝置中，Zn片是電子流出的一極，為負極；Cu片是電子流入的一極，為正極。

教師再次進行引導，讓學生進行思考并回答：由電流表的指針發生了偏轉，可知有電流產生了，那也意味著有電能產生了，這個裝置中化學能轉化為了電能。教師帶領學生一起引出來原電池概念。

過渡：大家再思考一下，是不是我們把這兩塊金屬電極用導線連接插入到任何液體中，都可以產生電流呢？下面讓我們做實驗來探究一下吧。

探究實驗：用導線在鋅片和銅片之間串聯一個電流表，并將金屬片也插入到盛有酒精的燒杯中，觀察電流表的指針是否偏轉。

現象：兩電極均沒有氣泡產生，電流表指針不偏轉。

師：為什么當電極插入酒精中，電流表不偏轉，沒有電流產生？

生：電解質溶液能導電，非電解質溶液不導電。酒精不是電解質溶液。

師：這就相當于物理電學中的故障電路，酒精作為非電解質溶液，不導電，形成了斷路。所以要想形成原電池，一定得是一個閉合的通路。

設計意圖：在已有的物理電學知識的基礎之上讓學生進行觀察回答，既調動學生充分利用初中知識的熱情，又能培養學生科學探究的能力，培養學生聯系不同學科交叉知識的意識。并且，通過實驗，引出原電池的相關概念原理以及構成原電池的條件之一是要形成一個閉合的回路。

環節三：習題鞏固，課堂總結。

師：本節課結合初中物理所學到的電學知識以及化學中的氧化還原反應等知識，知道原電池是一個將化學能轉化為電能的裝置；并且通過對實驗的分析，初步了解到原電池的不同區域分別進行著氧化反應和還原反應，并且可以通過導線傳遞其中的電子形成電流。經過分組討論制定方案并進行探究實驗，一起歸納原電池的工作原理，并且知道了原電池的形成條件之一，是要形成一個閉合的回路。接下來一起做道練習題來鞏固一下吧！

設計意圖：通過進行課堂小結，幫助學生理清本節內容的思路，有利于學生新的知識體系的構建以及對本節內容的掌握。

練習題：

如圖裝置中，M棒變細，N棒變粗。由此判斷下表所列M、N、R物質，其中合理的是( )。

裝置編號MNRA鋅銅稀硫酸B銅鐵稀鹽酸C鐵銅硝酸銀D銅鐵蔗糖溶液

評析：本道題主要是考查了原電池的工作原理的相關知識，屬于基礎性練習，更側重于學生知識點掌握、分析能力的考查。根據題目中M棒變細，N棒變粗，可知M為負極，是失去電子的一極，發生氧化反應；N為正極，是得到電子的一極，發生還原反應。A、D選項，酒精、蔗糖為非電解質，酒精、蔗糖溶液不能導電，結合物理上電路知識，會發生斷路，不再是通路，電流不能通過，所以A、D選項不符合題意。B選項，鐵電極為負極，發生氧化反應，變細，銅電極為正極，氫離子在銅電極放電產生氫氣，電極不會變粗，所以B不符合題意；C選項，形成原電池，此時鐵為負極，銅為正極，正極上銀離子得到電子在銅電極析出銀單質，N棒變粗，所以C符合題意。

設計意圖：這是一道要應用學科交叉的方法來解答的練習題，在學生學習完原電池的工作原理等知識之后進行聯系鞏固，幫助學生掌握此節內容。在解題的過程中會用到物理學科中電學的知識。這些已經掌握的物理知識為學生解答化學問題以及重難點突破方面提供了很大的幫助，促進了學生知識遷移能力以及發散思維水平的提高，幫助學生認識到學科交叉的重要性。

2 人教版高中化學與物理交叉教學的意義

學科交叉教學將多個學科之間的關聯內容進行高度整合和聯系,并且按照合理的邏輯順序進行編排，加強了新舊知識之間的關聯性,能夠更加有效的促進學科知識間的遷移，若在化學教學中實現知識的交叉教學，不但可以促進化學的學習,而且對物理等關聯學科的學習也會起到很好的正向促進作用。這樣不僅豐富了課堂的教學形式，可以讓學生多角度去思考和解決問題，培養學生的發散思維，而且對培養學生綜合分析和解決問題的能力有很重要的意義。對于老師來說，在高中化學和物理進行交叉滲透教學中，教師的知識得到了豐富，自身的綜合素質和能力也得到了廣泛的提升，提高了高中化學學科課堂教學的質量。從總體來看，進行交叉教學無論對于學生還是對于老師能力提升都有一定意義。