基于核心素養(yǎng)發(fā)展的深度學習教學設計*
——制作一個簡單的原電池

趙延軍

（青海師范大學附屬實驗中學 青海 西寧 810008）

本文基于維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論，以高中化學必修第二冊第六章第一節(jié)“化學反應與能量變化”中的第二課時“化學反應與電能”及化學新課程標準中規(guī)定的必做實驗之一“實驗活動6 化學能轉化成電能”為例對教材內容進行結構化設計，通過教師自制的蘋果電池引入課題創(chuàng)設真實的情境，再對教材進行深入挖掘設計了五組探究實驗，通過探究，分析原電池的構成要素，構建原電池的裝置模型和原理分析模型，學生通過學習最終制作出屬于自己的原電池（水果電池、可樂電池、鹽水電池、紙電池等）。在本教學設計中學生可以深度參與到實驗探究及電池的制作過程中，既能激發(fā)學生的學習興趣，又能提高學生的動手能力，還能提升“證據推理與模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創(chuàng)新意識”等多方面的學科核心素養(yǎng)，具體教學環(huán)節(jié)與化學核心素養(yǎng)的關系如圖1所示。

圖1 教學環(huán)節(jié)與化學核心素養(yǎng)的關系圖

一、教學分析

1.教材分析

“化學能轉化成電能”是電化學知識的核心內容，是對必修第一冊中學習的“氧化還原反應”的具體應用，也是必修第二冊第六章“化學反應與能量”中化學能轉化成熱能、電能等的具體體現(xiàn)，本節(jié)課的學習也為選擇性必修1第四章“化學反應與電能”中原電池和電解池的學習打下了堅實的基礎，同時本部分內容與物理學科中的電流等電學知識密切相關，通過學習可以促進學科間的交叉融合。在教材中雖然通過“實驗活動6”設計了幾組原電池構成要素的探究實驗，但其中沒有設計兩個電極與非電解質接觸能否構成原電池、兩個不連接的電解質沒有形成閉合回路時能否構成原電池等相關實驗。基于此，對本實驗活動進行了如下設計：通過蘋果電池的導入先在學生腦海中初步建立原電池的裝置模型，將教材實驗改進成五組探究實驗，用來探究不同條件下原電池裝置的構成要素，通過探究讓學生構建原電池裝置的基本模型，再利用虛擬仿真實驗將學生看不見的微觀原理宏觀化，從而降低教學難度，增強教學的直觀性，突破本實驗的教學難點，利用活動“制作一個簡單的原電池”讓學生親自動手制作原電池，使每一位學生充分參與到原電池的制作中，強化原電池裝置的模型認知，同時利用課后查閱資料改進實驗裝置再次鞏固原電池的構成要素及裝置模型，從而實現(xiàn)對原電池的深度學習。

2.學情分析

學生在學習“化學反應與電能”之前已經系統(tǒng)學習了氧化還原反應相關理論知識，而且對金屬、非金屬等元素化合物的相關反應和轉化也比較熟悉，能寫出常見的氧化還原反應的化學方程式，可以根據元素化合價的變化分析電子的得失情況，同時在初中物理中學過電流產生的原因是電子發(fā)生定向移動，而且在生活中也經常見到干電池、充電電池等，但學生對化學能是如何轉化成電能、原電池的基本構成要素、工作原理等不是很清楚，無法自行設計制作原電池。

從方法技能角度來看，學生初步掌握了探究式學習的一般方法和過程；能通過觀察到的具體實驗現(xiàn)象尋找相關證據，進而分析得出部分結論，但此時的學生對結論的分析并不全面，而且缺乏從微觀角度分析原電池工作原理的能力。

二、教學目標及教學重難點

1.教學目標

（1）通過五組實驗探究化學能能否轉化成電能，通過收集證據推理出原電池的構成要素，進一步構建原電池的基本模型，培養(yǎng)“證據推理與模型認知”的學科核心素養(yǎng)。

（2）通過宏觀實驗現(xiàn)象（如鋅片質量減少、銅片上產生氣泡、電流表指針發(fā)生偏轉等）分析其微觀離子、電子的移動，從宏觀現(xiàn)象分析微觀原理，建立原電池原理的分析模型，提升“宏觀辨識和微觀探析”的學科核心素養(yǎng)。

（3）通過實驗活動的探究、制作屬于自己的原電池（水果電池、可樂電池、鹽水電池、紙電池等）激發(fā)學生的探究興趣，促進學生個性化發(fā)展及“科學探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的發(fā)展。

（4）通過課后對“電池的發(fā)展史”“回收廢舊電池的意義”的了解，感受化學對人類生活的改變，學生能更加深刻地認識到化學對科技創(chuàng)新、推動社會進步做出的重大貢獻，進而促進“科學態(tài)度與社會責任”核心素養(yǎng)的提升。

2.教學重難點

重點：通過實驗探究知道原電池的構成要素，建構原電池的基本模型。

難點：從微粒移動的角度分析原電池的工作原理。

三、教學用品

教師：鋅片、銅片、石墨棒、稀硫酸、液體石蠟、燒杯、導線、電流表。

學生：鋅片、鐵片（或鐵釘）、銅片（或銅釘）、鉛筆芯、導線、電流表、發(fā)光二極管、電子音樂卡、某些蔬菜或水果（土豆、西紅柿、蘋果等）、碳酸飲料、鹽水等。

四、教學過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設情境，引入課題

【教師活動】教師向多塊切開的蘋果上插入鋅片和銅片并用導線串聯(lián)起來，連接二極管后發(fā)現(xiàn)二極管的燈發(fā)光的趣味實驗導入，提供化學能轉化成電能的情境素材，讓學生對蘋果為什么能使二極管發(fā)光產生濃厚的興趣。然后分析蘋果中含有豐富的化學能，該裝置實際上是將化學能轉變?yōu)殡娔埽龑W生得出原電池的含義，即將化學能轉化成電能的裝置叫原電池。

【學生活動】觀看實驗過程，思考產生電流的原因，總結原電池的概念。

設計意圖：本環(huán)節(jié)中采用教師自制的蘋果電池創(chuàng)設生活化的情境進行導入，學生就會思考我們吃的蘋果為什么能發(fā)電呢？由此可以激發(fā)學生的學習積極性，提升學生對化學能如何轉化成電能的探究欲望，而且通過蘋果電池讓學生初步在腦海中建構原電池的裝置模型。

環(huán)節(jié)二：實驗探究，建構模型

【師生活動】教師和學生共同完成如下表1的實驗探究，各步實驗裝置如圖2所示，通過實驗探究總結原電池的構成要素。

表1 實驗探究步驟

圖2 實驗探究各步驟裝置

［小結］

設計意圖：利用原電池構成要素的逐步探究作為進階學習原電池模型的起點，形成證據意識，同時通過教師演示實驗和學生探究實驗結合授課，使學生充分理解原電池的構成要素，在此基礎上對原電池的基本模型進行建構，培養(yǎng)證據推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)三：微觀探析，突破原理

【教師活動】宏觀辨識與微觀探析是化學學科核心素養(yǎng)的重要內容，課堂演示實驗很難直觀地展示出反應微觀層面的變化，因此微觀辨析能力一直是高中生比較薄弱的部分，利用信息化教學手段能夠生動形象地展示出化學反應微觀層面的變化，有利于學生微觀探析意識和能力的培養(yǎng)［1］。本環(huán)節(jié)中教師通過對鋅銅原電池中發(fā)生的自發(fā)的氧化還原反應的分析，讓學生思考銅與稀硫酸不反應，為什么在銅片上會產生氣泡？指導學生從氧化還原反應中電子轉移的角度分析原電池的工作原理，并通過播放如圖3所示的原電池工作原理的虛擬仿真動畫，分析出原電池中電子和離子的移動方向，同時師生共同總結歸納出如圖4所示的原電池工作原理分析模型。

圖3 原電池工作原理

圖4 原電池原理分析模型

【總結】原電池的原理：

負極（鋅片）：Zn-2e-====Zn2+（氧化反應）

正極（銅片）：2H++2e-====H2↑（還原反應）

原電池中微粒的移動：

外電路：電子由負極流向正極，電流由正極流向負極

內電路：陽離子移向正極，陰離子移向負極

【學生活動】首先寫出鋅和稀硫酸反應的離子方程式，并利用所學的氧化還原反應知識分析該方程式中的電子轉移情況，再利用教師播放的虛擬仿真動畫外電路中電子的移動方向和溶液中離子的移動方向分析原電池的具體工作原理，并書寫相應的電極反應。

設計意圖：原電池的工作原理由于涉及微觀粒子的移動問題，所以學生學起來比較吃力，可以借助虛擬仿真實驗播放銅鋅原電池微觀原理的動畫，學生通過觀看動畫中電子以及離子的移動，可以直觀地總結出離子移動的方向，通過增強教學的直觀性降低了學習難度，有利于幫助學生理解原電池的工作原理，認識其本質，從而突破本節(jié)課的教學難點，進一步提升了宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四：制作電池，鞏固模型

【教師活動】請同學們根據所學的原電池的構成要素及工作原理，利用鐵片（或鐵釘）、銅片（或銅釘）、鉛筆芯、土豆、西紅柿、蘋果、碳酸飲料、鹽水等制作一個屬于自己的簡單原電池，并利用電流表、發(fā)光二極管、電子音樂卡等檢驗是否產生電流。

【學生活動】根據所學內容制作屬于自己的原電池（如水果電池、飲料電池、鹽水電池等），并展示、交流，對其他同學的作品優(yōu)缺點做出評價。

設計意圖：基于對原電池模型的理解，發(fā)散思維，讓學生制作簡易水果電池、碳酸飲料電池、鹽水電池等原電池模型，體會原電池設計的基本思路，強化對原電池的模型認知，感受化學在生活中的應用，加深化學與生活中的緊密聯(lián)系，提高學習興趣［2］。

環(huán)節(jié)五：改進裝置，體驗創(chuàng)新

【教師活動】通過今天的學習我們知道了原電池的構成要素，也制作出了屬于自己的原電池，但我們制作的原電池產生的電流比較弱，所以請同學們課后查閱資料，對自己設計的原電池裝置進行更加合理的優(yōu)化改進，從而使裝置更加美觀的同時產生更大的電流，并對改進裝置的優(yōu)缺點進行評價。

【學生活動】課后查找相關資料，思考如何對自己制作的原電池進行改進。

設計意圖：通過查閱原電池裝置的改進方法，讓學生認識到學習的知識并不是一成不變的，也可以通過自己的理解對所學的知識進行重構改進，并通過查閱資料使學生明白除了銅鋅原電池及水果電池之外，還有很多其他的原電池（如干電池、充電電池、燃料電池等），從而實現(xiàn)對原電池相關知識的深度學習。

環(huán)節(jié)六：課后探索，鞏固所學

【教師活動】給學生布置以下科學探索任務：

1.通過網絡、書籍等方式查閱“電池的發(fā)展史”。感受電池的不斷發(fā)展中體現(xiàn)了科學家哪些科學精神？同時談談電池的發(fā)展前景。

2.通過網絡查找廢舊電池的處理方法，與同學分享回收廢舊電池的意義。

【學生活動】利用課余時間查找資料，與同學交流以上探索任務。

設計意圖：學生通過查閱“電池的發(fā)展史”，感受伏打等科學家大膽質疑、細心觀察、不懈實踐、勇于探索、理性思考的科學精神［3］，同時分析電池的發(fā)展前景，進而提升自己的科學態(tài)度和社會責任的核心素養(yǎng)。通過與同學分享回收廢舊電池的意義加強化學與生活的聯(lián)系，養(yǎng)成用所學的化學知識指導生活的習慣，感受化學對社會的貢獻。

五、教學效果分析與反思

本節(jié)課通過“制作屬于自己的簡單原電池”為目的展開了化學能如何轉化成電能的探究，剛開始用教師自制蘋果電池導入，提高了課堂的趣味性，可以充分調動學生的學習積極性。與以往的設計比較，本設計更加注重對學生探究過程的設計，通過教師對教材的深入挖掘從學生實際情況出發(fā)設計了五組探究實驗，通過探究得出了原電池的四點構成要素，同時通過在實驗過程中觀察到的在銅片上產生氣泡的異常現(xiàn)象分析了原電池的工作原理，并通過虛擬仿真實驗鞏固了原電池中微粒的移動，讓學生建構了原電池的裝置模型和原理分析模型，提升了學生“證據推理與模型認知”“宏觀辨析與微觀探析”等核心素養(yǎng)。

通過設置“制作屬于自己的原電池”這一活動，提升了學生的動手操作能力，進一步完善和鞏固了原電池的模型認知，學生通過展示自己制作的原電池體驗了成功的喜悅，同時通過思考對自己制作的原電池裝置的改進方法促進“科學探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的發(fā)展。最后通過課后查閱“電池的發(fā)展史”“廢舊電池回收的意義”等資料，讓學生感受到化學對人類生活的改變，使學生更加深刻地認識到化學對創(chuàng)造創(chuàng)新、推動社會的進步發(fā)展做出的重大貢獻，進而促進“科學態(tài)度與社會責任”核心素養(yǎng)的提升。