以情境串引領課堂 用問題鏈啟發探究*
——以“化學反應與電能”教學為例

雷鈺娜

（紹興市高級中學 浙江 紹興 312000）

“化學反應與電能”是新人教版《普通高中教科書（化學必修第二冊）》中第六章第一節“化學反應與能量變化”第二課時的內容，是高中化學學科體系的核心知識之一。該部分內容既是對氧化還原反應、離子反應和物理電學相關知識的應用、拓展和提升，也是對化學反應與熱能的繼續介紹和補充，又是后續選擇性必修課程中深入學習電化學相關知識的必備基礎，具有承前啟后的重要作用。原電池的教學體現學科交叉，科學理論聯系實際，是發展學生化學學科核心素養的好素材。［1］通過學習，可以建立基于氧化還原反應規律及生活經驗，分析原電池的構造及工作原理的認知模型，從基本觀念的角度發展學生的變化觀念、能量觀念和化學價值觀念等，有利于提高學生綜合運用學科知識解決實際問題的水平。［2］

一、教學與評價目標

1.教學目標

（1）通過實驗探究銅鋅原電池的工作原理，從氧化還原反應的視角認識化學能轉化為電能的本質。

（2）通過原電池構成要素的探究學習、設計改裝玩具電池等活動，建立原電池的認知模型。

（3）通過對我國大力發展新能源汽車的討論活動，感受原電池的價值，體會化學學科的重要性，增強社會責任感。

2.評價目標

（1）通過對玩具小車跑動原因探究、銅鋅原電池宏觀現象分析等活動，診斷并發展學生對原電池本質的認識進階和認識思路的結構化水平。

（2）通過對原電池構成要素探究實驗方案的設計和點評，診斷并發展學生基于控制變量法的實驗探究設計的水平。

（3）通過對玩具小車電池的設計改裝活動，診斷并發展學生應用原電池原理解決實際問題的能力。

（4）通過對我國大力發展新能源汽車及新能源汽車常用電池的討論與點評，診斷并發展學生對化學價值的認識水平。

二、教學與評價思路

“化學反應與電能”的教學與評價思路見圖1。

圖1 “化學反應與電能”的教學與評價思路

三、教學設計

“化學反應與電能”的教學設計見圖2。

圖2 “化學反應與電能”的教學設計

四、教學流程

1.真實情境，引發問題

【情境引入】展示一輛玩具小車，往小車中滴幾滴稀硫酸，請同學們觀察。

思考：小車為什么能跑起來？驅使小車跑動的能量來自哪里？

【學生】產生了電能。

【追問】是小車哪個部位產生了電能？

【展示】將小車蓋打開，展示玩具小車內部結構，把滴加稀硫酸的部位拆下來，請同學們觀察。玩具小車拆解過程見圖3。

圖3 玩具小車拆解過程

設計意圖：利用玩具小車，創設真實的情境。讓學生真切感受到電能的產生，引出問題的同時增加課堂趣味性，激發學生對玩具小車上產生電的盒子產生強烈的探究欲望。

2.原電池的“初拆”

環節一：產生電的盒子里有什么？

【教師】把小盒子拆開，將里面的部件放在培養皿中，請一位學生觀察。根據你的觀察與判斷，說出你的想法或疑問？

【學生】我看到了兩塊金屬片，中間夾著一片潮濕的濾紙。我覺得濾紙是被滴加的稀硫酸潤濕的，兩片金屬片中紅色的應該是銅片，另一片銀灰色的應該能與硫酸反應，可能是鋅片。

【教師】兩片金屬片分別是銅片和鋅片。同學們有沒有什么想法或疑問？

【學生1】物理中學過，電流是電子的定向移動產生的，硫酸滴入盒子里與鋅發生反應，發生了電子的轉移，是否與產生電流有關呢？

【學生2】銅片不與硫酸反應，銅片起到什么作用？沒有它可以嗎？或是換成其他金屬可以嗎？

設計意圖：將產生電的小盒子拆開后觀察到兩片金屬片，根據金屬片的顏色學生推測紅色的是銅片，再根據小車在滴加稀硫酸后跑起來這一現象，推測另一塊金屬片應該是能與稀硫酸反應的金屬，培養學生基于證據進行推理分析的能力。

3.原電池的“深剖”

環節二：電流是如何產生的？

【教師】為便于觀察，我們把這個盒子放大，將鋅片和銅片同時插入稀硫酸中，同學們判斷一下，會有什么現象？如果把鋅片和銅片用導線連起來呢？

【學生活動】根據學案中的要求進行實驗，并記錄實驗現象。

【驅動性問題鏈】（1）銅片上產成了什么氣體？（2）該氣體從何而來？（3）所需的電子從何而來？（4）電池分正負極，找出這個裝置的正負極？（5）從微觀角度分析稀硫酸是如何參與構成閉合回路的？

【師生互動】得出銅鋅原電池的工作原理。

【展示】銅鋅原電池的微觀動畫，學生通過觀察對比，了解了產生電流的實質是將氧化還原反應分開在兩極進行，電子通過導線產生電流。解釋了玩具小車為什么會跑起來。

設計意圖：從宏觀實驗現象入手，分析現象背后的微觀本質，用電極反應式進行符號表征，促進學生運用現象與本質、宏觀與微觀相結合的方法思考解決化學問題，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”素養。在對原電池正負極判斷、離子移動等問題的討論中，引導學生根據實驗現象，收集證據，結合已學氧化還原反應知識及生活經驗進行探究推理，發展學生“證據推理與模型認知”素養。

4.原電池的“深剖”

環節三：產生電流的條件有哪些？

【教師】接下來探討同學們的第二個疑問，銅片起的作用是什么？能不能換成其他可導電的材料呢？

【學生活動】選擇合適的用品設計出探究原電池構成條件的最簡單實驗方案，進行小組討論。

【教師】請組員代表分享設計思路。

【學生】根據控制變量法，電解質選用稀硫酸，提供的電極材料：鋅、銅和石墨，兩兩組合設計出表1中的方案，其中方案⑤的電極材料用鋅和銅，稀硫酸換成酒精。

表1 原電池構成要素實驗方案

【教師】請同學生根據實驗方案進行小組實驗，并推測原電池的構成要素。

【學生實驗一】在玻璃片上放置一張濾紙，滴加少量稀硫酸潤濕濾紙后，在潤濕部位放置鋅片（兩個）、銅片、石墨粒，按實驗方案用鱷魚夾分別觸碰兩電極材料，觀察電流計指針是否偏轉（見圖4）。

圖4 微型原電池實驗裝置

【學生實驗二】在另一塊玻璃片上放置濾紙，滴少量無水乙醇，放置鋅片和銅片，用同樣的方法進行實驗。

【教師】請同學匯報實驗結果，并分析原電池的構成要素。

【歸納】五組實驗中，只有①②組實驗的電流計指針偏轉。根據①②④組實驗得出，需要兩個活潑性不同的電極；根據①③組實驗得出需要有自發的氧化還原反應；根據①⑤組實驗得出需要電解質溶液。另外還需要形成閉合回路。

設計意圖：通過探究原電池構成要素的實驗方案的設計、交流和點評，診斷并發展學生基于控制變量法的實驗探究設計的水平。濾紙+玻璃片的微量實驗，具有方便操作、試劑用量少等優點，可樹立綠色化學的理念。通過對比實驗的探究過程，構建原電池的認知模型，診斷學生的信息處理能力，發展學生的思維。

5.原電池的“改裝”

環節四：設計新型原電池，讓大玩具車跑起來。

【教師】在研究開發原電池時我們需要綜合考慮原電池的構成條件，接下來請同學們結合以上條件設計一個新型的原電池，使得大一點的玩具車能跑動起來？把你的電池設計圖紙畫在學案上，標出正負極、電子方向。（提供的試劑：鎂片、銅片、石墨片、食鹽水）

【學生實驗三】畫出原電池設計圖，進行實驗。

【學生匯報】我們組最初選擇鎂片和銅片，用食鹽水作電解質，小車不動，我們把銅片換成碳片，小車跑起來了。在我們設計的電池中，鎂作負極，碳片作正極，電子從鎂片通過導線轉移到了碳片。

【教師】分析點評，并提示學生這里的碳片具有吸附空氣的作用，引導學生找出電池中自發的氧化還原反應，進而分析電池的工作原理。

【思維建模】這就是用取之不盡的海水作電解質的鎂空氣電池。生活中有形形色色的電池，分析電池工作原理時，我們可以先找出電池中自發進行的氧化還原反應，其中失電子的一極作負極，發生氧化反應；得電子的一極作正極，發生還原反應，電子從負極流向正極，電解質中的陰離子移向負極，陽離子移向正極，從而形成閉合回路。整個裝置中需要正負兩個電極、電子導體、電解質溶液，認知模型見圖5。

圖5 原電池工作原理認知模型

設計意圖：通過對玩具車電池的設計活動，診斷并發展學生應用模型分析和解決實際問題的能力，培養學生勇于探索的科學態度和創新精神，結合鎂空氣電池的分析，構建分析不同電池的思維認知模型。

6.原電池的“未來”

環節五：我國為什么大力發展新能源汽車？

【教師】今天整堂課都圍繞著電池和玩具小車，這樣一輛由電池驅動的小車與馬路上越來越常見的新能源汽車原理相似。我國新能源汽車產銷量連續6年位居全球第一，累計推廣超過550萬輛。請組員代表結合課前查閱的資料，談談我國為什么要大力發展新能源汽車？

【學生1】新能源汽車以電為動力，可取代汽油燃料。雖然我國石油產量全球第六（2020年），但消耗量更大，進口量早已居全球首位，對外依賴度提升至73%。據統計中國的石油資源大概有70%用在了汽車行業，發展新能源汽車可以降低中國對進口石油的依賴程度。

【學生2】燃油汽車尾氣的排放與酸雨、霧霾、溫室效應等一系列環境問題有關，中國目前的環境形勢非常嚴峻，碳達峰、碳中和已經成為我國堅定的發展方向，迫切需要發展新能源汽車。

【學生3】展示燃油汽車與新能源汽車能量利用率對比圖（見圖6），可見新能源汽車能量轉化率高。另外，中國有發展新能源汽車的天然優勢，新能源汽車的儲能電池主要是鋰電池，中國是世界第三大鋰資源儲備國。

圖6 燃油汽車與新能源汽車能量利用率的對比

【學生總結】新能源汽車的競爭歸根結底是“電池的競爭”。特斯拉主要采用的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，比亞迪的唐EV，采用了刀片電池，它是改變電池結構的新型磷酸鐵鋰電池，在安全性、長壽命和長續航方面有明顯優勢。

【教師】寧德時代創始人曾毓群曾說過：日本人發明了鋰離子電池、韓國人把它做大，中國人把它做到世界第一。這是對世界鋰離子電池發展史最高度的概括。但當下鋰離子電池技術還不夠完善，仍存在使用成本高，續航短，安全性不夠等問題，所以電池的研究并未停止，仍需一路向前不斷創新，經過我們不懈的努力與創新，在不久的將來“電動中國”這個中國夢終將成為現實。

設計意圖：從電池驅動的玩具小車到馬路上越來越常見的新能源汽車，通過對我國大力發展新能源汽車的討論與點評，感受原電池的價值，體會化學學科的重要性，關注新能源問題，形成環保意識。通過對我國鋰離子電池產業成就的討論與動力電池未來的展望，體會化學對生活和社會發展的貢獻，增強社會責任感，診斷并發展學生對化學價值的認識水平。

五、教學反思

本節課以“玩具小車”的跑動這一真實情境引出化學問題，通過“原電池的初拆”“原電池的深剖”“原電池的改裝”幾個環節中驅動性的問題與活動，引導學生構建原電池的認知模型，設計的濾紙+玻璃片微量實驗，具有方便操作、試劑用量少等優點，樹立綠色化學的理念。通過“原電池的未來”環節中對新能源汽車與動力電池的討論與展望，感受原電池的價值，關注新能源問題，形成環保意識，實現化學學科的育人價值。