微項目教學在化學課程中的運用例談

摘要：項目式學習是國際流行的教育方式之一，能全面發展學生的素養能力。項目式學習基于對真實問題的探究，是有針對性地拆解項目任務并實施項目任務的過程。本節課題的設計是在普通高中化學學科核心素養理論和化學學科能力發展理論統領下的學科實踐微項目教學，通過“課前—課堂—課后”一體化設計，促使學生通過自主學習、合作學習、探究式學習等方式進行深度學習。

關鍵詞：微項目教學 化學 銅鋅原電池

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）指出：化學學科核心素養是學生必備的科學素養，是學生終身學習和發展的重要基礎。相較于以前，《課標》的變化主要體現在教學方式的變革上，強調在學習化學知識的過程中培養學生的核心素養。因此，在化學課程的實施中，我們一定要轉變教學方法，以“素養為本”優化課堂教學，形成和發展學生的化學學科核心素養。

“雙液原電池中氧化劑和還原劑是分離的，它們是怎么產生電流的呢？”從教這些年，學生經常會問我這個問題，這說明學生對原電池電流產生的原因存在認知上的問題；再者，魯科版高中化學新教材增加了“追根尋源——銅鋅原電池的電流是怎樣產生的？”這一板塊，基于此筆者設計了探究原電池產生電流的原因這一課題，讓學生在探究過程中盡可能地接近真實的科學研究過程，動手做實驗，探究原電池產生電流的原因和電勢差的影響因素，從而讓學生從本質上理解原電池的本質，并將電化學、化學平衡和氧化還原的理論知識相互支撐、相互滲透。

一、課題主題的確定

學生已經學習了原電池的工作原理，知道了電子由負極流向正極形成電流，卻不知道電子發生定向移動的本質原因。魯科版高中化學新教材增加“追根尋源——銅鋅原電池的電流是怎樣產生的？”這一內容，其實是想讓學生對知識有一個深層的認識。教材中關于電子轉移多少以及電勢差的描述，就是引導學生實現從定性描述到定量分析的跨越，而這正是高中學生分析問題能力的一次進階。在這里運用微項目教學，既能解決學生學習中遇到的問題，又可以激發學生的學習興趣，從而為后面學習電化學相關知識打下基礎。同時，在項目任務的完成過程中，學生的實驗設計能力和創新能力也可以進一步提高。

本節課設立于氧化還原反應、化學平衡理論之后，可以引導學生充分應用這些知識認識電流產生的本質原因，實現多角度、多層面理解電化學理論，體會各理論之間的相互滲透、相互支撐，為以后的學習提供方法指導。

二、課題學習目標的設定

（1）設計微型原電池，探究原電池產生電流的原因和影響因素。能夠從微觀角度理解電流的產生，用平衡思想對其原因進行分析。

（2）建立“影響因素電子密度差異電勢差電流”認知模型，并能對模型進行遷移應用。

（3）盡可能地接近真實的科學研究過程，提升科學思維，提高實驗探究能力和創新能力，并將這些能力外化于行，形成正確的社會責任意識。

三、課題學習任務鏈的設置

根據學生的學情分析和核心素養的發展將此項目進行任務拆解。“從銅鋅原電池產生電流的原因說起”項目式教學的具體設計如圖1所示。

四、課題學習實施的展開

任務一：探究原電池產生電流的本質原因

1．模型構建

【學生】以滴板為載體，用浸透飽和氯化鉀的脫脂棉代替鹽橋，將銅鋅原電池微型化，進行分組實驗并用數字化電流傳感器進行數據表征微型原電池（Cu‖CuSO4（0.1 mol/L）┊ZnSO4（0.1 mol/L）‖Zn）。

【設計意圖】為增加本節課的實效性，設計微型原電池，貫穿整節課。提出驅動性問題，引發學生深度思考，探究原電池電流產生的原因。

【教師】

（1）該裝置中發生了什么反應？

（2）電路中產生電流了嗎？

（3）為什么銅會析出在銅棒上？

（4）寫出電極方程式。

（5）電子為什么由負極經外電路流向正極？

（6）電子為什么能持續流向正極？

（7）通過以上分析，你發現了什么？

【學生】

（1）Zn+Cu2+Cu+Zn2+。

（2）電流傳感器顯示電路中有電流。

（3）溶液中的Cu2+在銅棒表面得到電子生成銅單質。

（4）負極：Zn－2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-=Cu

（5）電子由電極表面電子密度大的一極流向密度小的一極。

（6）Zn2+（aq）+2e-Zn（s）

Cu2+（aq）+2e-Cu（s）

（7）在兩極區存在著沉積溶解平衡。鋅具有更強的還原性，所以更多的電子留在了鋅電極的表面，當形成閉合回路時，電子就會從電子密度較大的電極流向電子密度較小的電極，電子的移動破壞了兩極的沉積溶解平衡，使電子能持續流動形成電流。

【設計意圖】讓學生從本質上探究電子為什么從負極流向正極，并能利用化學平衡理論對其原因進行定性分析。

【教師】引導學生回顧物理學科中學過的電勢差的概念，促進學科融合，并將對原電池產生電流的原因探究上升到定量分析，實現從定性到定量的轉變，引導學生建立“電子密度差異→電勢差→電流”認知模型。

2．模型驗證

【學生】利用反應式2Fe3++2I-2Fe2++I2設計原電池C（石墨）‖KI（0.1 mol/L）┊FeCl3（0.1 mol/L）‖C（石墨），進行分組實驗。將FeCl3和KI溶液滴入滴板，以石墨為電極構成閉合回路時，產生電流，當增大生成物濃度時，電流反轉。

【學生】能夠準確從定性和定量的角度分析產生電流以及電流反轉的原因。

【設計意圖】通過分組實驗，培養學生積極實驗、合作學習的意識；通過解釋實驗現象，驗證了模型的正確性。利用學生的表現來檢驗教學效果。

任務二：探究電勢差的影響因素

3.模型應用

【教師】提問：有哪些因素影響電勢差？

【學生】小組討論提出三種假設：

（1）物質得失電子能力

（2）溶液濃度

（3）酸堿性

課下開放實驗室，各小組根據他們提出的假設，設計實驗進行驗證，并進行成果展示。

【設計意圖】利用學生建立的認識模型進行有效遷移應用。

【學生】成果展示

（1）物質性質（指的是物質的得失電子能力）

學生認為，物質不同，或者氧化還原反應不同，各物質的氧化能力或者還原能力不同，會導致兩極形成不同的電勢差。于是只改變負極反應物，設計對比實驗，將2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+與2Fe3++Fe3Fe2+兩個氧化還原反應設計成原電池。

由對比實驗結果可知，鐵單質比銅單質具有更強的還原性，所以在其他條件相同時，鐵單質所在的原電池電流強度更大。結論：物質性質影響電勢差。

（2）濃度

在探究濃度對電勢差影響時，學生設計了兩種方案。

方案一：硫酸銅濃差電池Cu‖CuSO4（0.1mol/L）┊CuSO4（1mol/L）‖Cu，構成閉合回路時，產生電流，說明銅離子濃度的不同，影響了兩極的沉積溶解平衡，影響了兩極電子密度，產生電勢差，最終影響電流。結論：溶液濃度能影響電勢差。

方案二：學生利用已學配位化合物的相關理論，Cu2+與Cl-可形成配位化合物，能實現銅離子濃度的改變。于是向兩個Cu‖CuSO4（0.1 mol/L）┊CuSO4（1 mol/L）‖Cu電池中加入KCl和K2SO4，進行對比實驗。加入了KCl的電池電流發生了明顯變化，負極區加入KCl時，增大了兩極銅離子濃度差異，電勢差增大，電流增大；正極區加入KCl時，減小了兩極銅離子濃度差異，電勢差減小，電流減小。說明加入Cl-使c（Cu2+）減小，最終影響電勢差。結論：溶液濃度影響電勢差。

【學生】閱讀材料：

資料卡片

對于不銹鋼來說，正常情況下隨著反應的持續，會很快生成一層氧化保護膜，從而大大降低腐蝕速率，但在存在縫隙環境中，隨著氧化還原反應進行，縫隙內部的氧被消耗得差不多了。可是由于縫隙小，氧不能輕易進入縫隙內，但縫隙外部的氧能保證充足供應。這樣的“不均衡”，導致了縫隙內外形成了“氧濃差電池”：縫隙外氧濃度高，為陰極；縫隙內氧濃度低，為陽極。這樣就使得縫隙內的金屬加快腐蝕，不斷消耗。同時，氧化膜也不易形成。發生了縫隙腐蝕的零部件，雖然從整體來看腐蝕較少，但是局部已經被嚴重破壞，所以這種局部腐蝕的危害性更大。

學生通過小組討論分析得：

氧氣濃度相對高的地方發生反應O2+4e-+H2O4OH-，

氧氣濃度相對低的地方發生反應M-ne-Mn+。

所以，吸氧腐蝕中金屬腐蝕的快慢并不取決于氧氣濃度的絕對高低，而是取決于氧氣濃度相對大小，氣體濃度差也能產生電勢差。

【設計意圖】在探究過程中，學生只考慮到了溶液濃度，而忽略了氣體濃度。為此，教師特別補充探究，利用參與式教學方法探究之前學過的吸氧腐蝕，引發學生的認知沖突，激發學生學習興趣，消除學生思維定勢。

（3）酸堿性

學生已知MnO4-、NO3-、Cr2O72-、ClO-在酸性條件下氧化性更強，同時學生在書寫2Fe3++2I-2Fe2++I2的負極方程式時發現，在酸性和堿性環境下，其電極反應是不同的，所以學生認為酸堿性也可能影響電勢差。于是向C（石墨）‖KI（0.1 mol/L）┊FeCl3（0.1 mol/L）‖C（石墨）分別加入1 mL 0.1 mol/L鹽酸和1 mL 0.1 mol/L NaCl溶液進行對比實驗。

由對比結果可知，加入酸的原電池電流有了明顯增強，說明：提高酸性可以提高Fe3+的氧化性，影響電勢差。

【學生】通過上述對比實驗和數據分析可知：在一些有H+或OH-參與電極反應中，酸堿性影響電勢差。

【設計意圖】學生在整個探究過程中認識到，設計一個化學電源，要考慮到物質性質、濃度、酸堿性等因素。學生建立起了“影響因素→電子密度差異→電勢差→電流”的認知模型，從本質上理解了電流產生的原因。

【教師】演示實驗，將發電片與小風扇相連，發電片放在冰袋與手之間，小風扇轉動。

設置問題組：

（1）產生電流的因素是什么？

（2）這是一類什么電池？

（3）產生電流的原理是什么？

【設計意圖】引發學生深度思考，引導學生課下探究，讓學生意識到影響電勢差的因素還有很多，拓展學生思維，拓寬學生認知邊界。

【教師】最后帶領學生對我國化學電源的進行優勢、前景、瓶頸等分析，培養學生社會責任意識。

【學生】課下學生將收獲寫成了詩。

化學平衡隨處見，化學電源能生電；

兩者看似不相聯，其實其中規律現。

電子電勢電流見，濃度溫度可生電；

化學現象多美妙，立志創新使命現。

五、課題學習的反思

原電池知識屬于宏微結合的部分，掌握這一知識對于深刻理解電化學的本質有著重要作用。本課以項目式學習開展教學，充分調動學生的積極性，設計學生活動，激發學生學習興趣。在此過程中，學生搭建起了宏觀電流和微觀電子的聯系，幫助學生深刻理解原電池產生電流的本質，培養了學生宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養。學生從項目化學習的情境中獲取信息，根據驅動性問題對信息進行加工，繼而在完成任務的過程中深度加工信息，可見，通過項目化學習，學生的信息獲取與加工能力得以外顯。同時，學生經歷了從定性分析到定量探究的過程，并將電化學、化學平衡、氧化還原反應的理論有機結合，多角度認識和挖掘原電池的本質。整個學習過程由實驗串聯，學生的發現問題、提出問題、解決問題的能力以及實驗設計能力、實驗創新能力得到了培養。不過，根據學生需求設立此微項目實驗課題，在教學設計、教法、學法等方面還需要進一步優化和改進。

參考文獻：

中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：6，8.

責任編輯：黃大燦