基于真實問題情境和模型認知建構的“原電池的工作原理”教學

靳培培

（無錫市輔仁高級中學 江蘇 無錫 214123）

中學教育已經從“傳授式教學”進入“素養為本”的教育時代。將知識之于情境，以建構化學模型認知為橋梁，如同鹽之于湯而入味［1］。

在人教版《普通高中教科書 化學 選擇性必修1 化學反應原理》中“原電池的工作原理”教學過程中，筆者通過創設若干個富有層次性且彼此關聯的問題情境、利用生活中常見的橘子開展實驗，從而幫助學生建構認知模型，激發他們自主探究的欲望，收到了很好的教學效果。

一、真實問題情境和模型認識建構概述

新課改的核心要求是發展學生的核心素養，通過基于核心素養的教學，幫助學生形成必備品格和關鍵能力，讓學生能適應社會發展，會生活。生活中處處是化學，化學即生活。因此，在化學教學中引入一些與化學有密切關聯的真實問題情境是可能的，也是十分必要的［2］。創設真實問題情境，將課堂教學內容和學生生活聯系起來，使學生有共情，從而激發學生的學習興趣，并指導學生運用所學化學理論知識分析與處理現實的生活問題，使學生在對現實問題的分析和處理中，最終學會以化學的角度來看生活，并以化學的思想指導日常生活，有效落實學科核心素養。

模型認知是化學學科核心素養的重要部分，是五個維度之一，要求學生通過“分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”［3］。在化學課堂中，我們提取真實問題情境中的關鍵要素，通過觀察實驗現象，然后進行歸納總結，應用抽象和簡化的方法進行認知模型建構，再將模型應用于新的情境中并不斷完善新的模型。

二、基于真實問題情境和模型認知建構的教學實踐

1.學情分析及目標確定

在知識層面上，通過必修部分以及化學能與熱能的學習，學生已經掌握了氧化還原、能量相互轉化以及單池單液原電池的相關知識。但是，他們的認知是局限的，學生不知道如何將氧化還原反應中電子的轉移應用到實際生活中，也不知道化學能直接轉化為電能需要借助什么樣的裝置和條件。在能力層面上，高二學生已經具備了一定的實驗動手、觀察、分析問題的能力，思維過程都有了很大的提高。在情感層面上，學生課業壓力大，自主實驗探究活動能極大的激發學生的好奇心和求知欲。綜上，本節課以學生為主體，通過設計有趣的探究實驗，引導學生對原電池工作原理進行自主探究學習，深入理解原電池原理，掌握構成原電池的條件，并進一步探究如何使原電池提供穩定持續的電流；通過小組實驗，讓學生體驗合作學習和思維碰撞的樂趣，讓學生在“玩”中學，學中“玩”。

2.教學流程

3.教學過程

環節一：創設情境、引出問題

【化學史話】伏特電池的發現。

【演示實驗】模擬伏特電池——鋅-銅-稀硫酸原電池。

【教師】在必修2中，我們已經簡單學習了原電池的工作原理，請大家結合實驗現象回顧鋅-銅-稀硫酸原電池的工作原理。

【學生】討論并講解原電池的工作原理。（略）

【教師】提煉鋅-銅-稀硫酸原電池模型。（略）

【教師】鋅-銅-稀硫酸原電池可以產生電流，但是老師發現除了銅片，鋅片上也產生大量氣泡，而且電池工作一段時間后，電流衰減明顯，這是為什么呢？

【學生】鋅片直接與稀硫酸接觸，直接反應生成氫氣，有一部分電子沒有通過導線到達銅片，有一部分發生了非原電池反應。

【教師】非常好！上述電池我們稱為單池單液電池，單池單液電池因氧化劑與還原劑直接接觸，所以放電時間短，轉化為電能的效率不高，如何提高效率呢？下面我們做專門探究。

設計意圖：以化學史引入課題，不僅能讓學生領悟化學理論的形成和發展，使化學知識變得生動具體，還能讓學生認識到每個理論的發展都不是一蹴而就的，而是前人大量實踐的結果，激發學生的探究欲。利用學生熟悉的鋅-銅-稀硫酸原電池為例引出單池單液電池存在化學能轉化為電能效率不高的弊端，從而提出如何提高轉化率這一問題，激發學生的探究欲。

環節二：橘子實驗、探究問題

【教師】實驗桌上有兩瓣橘子、銅片、鋅片、導線、培養皿、靈敏電流計，請大家利用以上材料設計實驗，觀察能否產生電流并提煉出模型。

【學生】分組實驗。

【教師】利用希沃軟件上傳各小組提煉的模型并請小組代表進行匯報。

組1：利用一瓣橘子、銅片、鋅片、導線、培養皿、靈敏電流計進行實驗，結果產生電流。模型見圖2。

圖2 原電池模型（一瓣橘子）

組2：利用兩瓣未分開的橘子、銅片、鋅片、導線、培養皿、靈敏電流計進行實驗，結果產生電流。模型見圖3。

圖3 原電池模型（兩瓣相連橘子）

組3：利用兩瓣分開的橘子、銅片、鋅片、導線、培養皿、靈敏電流計進行實驗，結果未產生電流。模型見圖4。

圖4 原電池模型（兩瓣分開橘子）

【教師】第2 組同學利用兩瓣未分開的橘子做實驗，結果產生了電流。老師有個疑問，兩瓣橘子雖然未分開，但是中間有一層膜隔開，像是分在兩個電解池一樣，但是為什么能產生電流呢？

【學生】說明膜雖然分了區但是允許離子通過。

【教師】非常好！化學上也有一層類似功能的膜——離子交換膜。

PPT：離子交換膜圖片及功能介紹。

【教師】通過實驗我們發現原電池可以設計成兩個電解池。

【教師】第3組同學將兩瓣橘子分開，結果沒有產生電流，相信同學們都已經知道了原因。怎樣改進能讓這個裝置產生電流呢？實驗桌上有KCl 溶液、濾紙，請大家小組討論并進行實驗探究。

【學生】分組實驗。

【教師】請小組代表匯報并提煉模型。

組1：將兩瓣橘子靠在一起，結果產生電流。模型同圖3。

組2：在培養皿里倒入KCl溶液浸泡兩瓣橘子，結果產生電流。模型同圖3。

組3：在濾紙上滴KCl溶液，再將濾紙搭在兩瓣橘子上，結果產生電流。模型見圖5。

圖5 原電池模型（“搭橋”）

【教師】同學們都很聰明！老師對第3種搭橋的方法很感興趣，請問這個裝置為什么能產生電流呢？

【學生】浸有KCl 溶液的濾紙起到了傳遞離子的作用。

【教師】非常好！化學上有一種類似作用的橋，稱之為鹽橋。

【教師】展示鹽橋并投影鹽橋的介紹。

【教師】通過實驗我們發現可以利用離子交換膜或者鹽橋將兩個電解池聯通，從而設計成原電池，像圖5這樣的裝置我們稱之為雙池單液電池。

設計意圖：通過設計原電池讓學生進一步理解原電池的工作原理和構成條件。通過對不能產生電流的原電池的改進這一探究實驗引出鹽橋，同時充分調動了學生的積極性和探究欲。通過提煉模型提高學生從證據推理到模型認知的建構，從而發展學生今后利用建構的模型解決實際問題的能力。另外，利用生活中常見的橘子為實驗材料，讓學生發現原來利用生活用品就可以進行化學實驗，拉近了化學與生活的距離，充分調動學生的學習興趣。

環節三：拓展思維、解決問題

【教師】通過剛才的學習相信同學們已經對原電池的原理有了進一步的理解，下面請大家按圖中裝置及所給材料，根據Zn+CuSO4====ZnSO4+Cu設計原電池并進行分組實驗。

【學生】分組實驗。

【教師】請小組代表進行匯報。

組1：負極材料為鋅片、正極材料為銅片，正極和負極電解液都選擇CuSO4溶液。結果發現電流計指針偏轉，鋅片和銅片上都有紅色物質析出。

組2：負極材料為鋅片、正極材料為銅片，正極液選擇CuSO4溶液，負極液選擇ZnSO4溶液，結果發現電流計指針偏轉，銅片上有紅色物質析出，鋅片上無明顯現象。

組3：負極材料為鋅片、正極材料為銅片，正極液選擇CuSO4溶液，負極液選擇NaCl 溶液，結果發現電流計指針偏轉，銅片上有紅色物質析出，鋅片上無明顯現象。

【教師】第1組為什么鋅片上也析出紅色物質？第2組和第3組為什么能產生電流并在銅片上析出紅色物質？

【學生】分析原理。（略）

【教師】同學們說得非常好！雙池單液電池因為還原劑和氧化劑還是接觸的，所以能量的轉化率仍然不高。像第2組和第3組這樣的電池我們稱之為雙池雙液電池，雙池雙液電池能夠避免氧化劑與還原劑直接接觸發生非原電池反應，使電子盡可能通過外電路轉移，所以它的電能效率高，放電時間長。

【教師】總結單池單液電池、雙池單液電池、雙池雙液電池的發展。

設計意圖：利用所學知識根據反應設計原電池，再通過實驗驗證讓學生發現不同電解液對能量轉化率的影響，從而引出雙池雙液原電池并總結出雙池雙液原電池的優點。問題之間環環相扣、層層遞進，學生在解決問題的過程中自然而然地接受了新知識。同時通過設計方案、實驗驗證，讓學生了解科學探究的步驟，學習實驗探究的基本方法，提高思維的發散性，培養學生的科學探究和創新意識。

三、基于真實問題情境和模型認知建構的教學實踐的教學反思

本節課筆者根據教學目標確定教學問題，將教學目標隱藏于相互關聯的若干問題中，且利用學生熟悉的化學實驗創設問題情境，即蘊含問題的情境。然后由問題情境引導學生發現問題，設置真實、有吸引力的學習任務，即提出問題。最后，學生積極參與到課堂中來，體驗對知識的認識和探索過程。在整個過程中既培養了學生提出、分析、解決問題的能力也讓學生實現了知識的內化，情感態度和價值觀的升華，實現知識的意義建構。

在教學中創設真實的問題情境有利于學生系統地理解知識和牢固地掌握知識。學生不是直接接受教師呈現的知識點和結論，而是通過解決具體形象的問題得出結論。這樣的呈現方式可以讓學生知道為什么要學習這個知識，這個知識是怎樣來的以及這個知識有什么用處，從而學生可以進一步靈活遷移、運用所學知識。在教學中創設真實的問題情境還可以激發學生的探索和求知欲。學生之所以覺得課堂枯燥、所學的知識沒有用處，最主要的原因就是學生無法把所學知識與生活建立聯系。真實的情境可以拉近課堂和生活的距離，將抽象的知識置于具體的問題載體中，讓學生感受到知識源于生活，知識用于生活，從而激發學生的求知欲。