以微促教、物化融合賦能項目式教學的深廣化發展

劉玉平　顏樂　謝立暉

福建省福安市第一中學（355000）

［摘 要］本教學設計以微課作為打破學科融合時空壁壘的載體，引入物理電學的內容，并以“問題解構、模型建構”的方式，引導學生將基礎電化學裝置的設計解離為電極、電子導體、離子導體等組成部分的優化，步步解構，步步建構，最終獲得性能優良的電化學裝置，并以思維導圖的形式呈現項目式教學成果，構建電化學裝置改進的一般思維路徑。以微課的形式植入融合學科知識的賦能項目式教學，有助于學生深層次、多角度地再理解電化學相關概念、原理內涵，發展學生的高階思維能力及對科學本質的認識，從而突破有關新型電化學裝置的知識難點。

［關鍵詞］微課程；學科融合；項目式教學；電化學

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2024）05-0073-04

一、問題的提出

目前，高中化學學科的項目式教學主要在本學科內開展，通過綜合應用化學知識解決問題。但是，在科學技術迅速發展的社會背景下，跨學科的復合型人才越來越受到重視。《基礎教育課程改革綱要（試行）》提出，課程要注重學科知識、社會生活、學生知識經驗的結合，改變課程過于強調學科本位的現狀［1］。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》也指出，化學是一門交叉學科，與材料、能源、生命、環境、醫藥、軍事國防以及信息技術都有很強的交叉融合［2］。多學科融合教學是解決真實問題及發展高階思維的必然路徑，并且多學科融合教學還有利于打破學科壁壘，整合教學資源，避免對同一內容進行重復教學。

目前，有部分學校已經開始嘗試項目式教學，圍繞一個主題，多個學科共同授課。但是，由于學校教學課程安排的限制，這樣的項目式教學的開展大大受限。引入微課可有效打破跨學科教學的時空壁壘，讓專業的教師進行專業的授課，學生可不限時間、不限地點、不限內容、不限次數地進行觀看。下面，筆者以電化學模塊高考二輪復習教學為例，談談以微促教、物化融合賦能項目式教學的具體實施。

二、項目式教學的實施

（一）項目式教學內容

授課班級學情分析：授課班級為走班教學，共有學生42人，其中物化組合31人，歷化組合11人。在針對電化學模塊的測試中，學生的平均分情況見表1。（測試題均為成題，共10題，每題10分，其中電化學基本模型題5題、新型電化學裝置題5題，二者難度相近。）

表1和平時的教學成果均反映出，學生對電化學基本模型題的處理結果較佳，在新型電化學裝置題中失分嚴重，其中歷化組合的學生在更是存在明顯薄弱。針對新型電化學裝置題的定點突破，是在高考二輪復習的有限時間內對電化學模塊進行有效復習的關鍵。

（二）項目式教學目標

根據課標中相關主題的內容要求和學業要求，結合學生實際的認知基礎，制訂如下教學目標：

1. 能夠通過對銅鋅原電池模型的分析解釋、推理預測、設計評價等學習活動，進一步明確并發展對原電池工作原理的認識，糾正偏差認識。

2. 能夠從微觀角度分析電極電勢的內涵，并能夠利用平衡原理來進行電極電勢的調控。

3. 能夠充分運用電學知識，對電極材料、離子導體（包括但不限于鹽橋）、電子導體進行優化，構建對電化學的系統分析思路。

4. 能夠通過數據分析發現問題，并且提出假設，發展收集證據、依據證據提出假設、辯證分析問題的能力。

5. 能夠在設計電化學裝置的過程中，體會科學家分析問題的思路，并通過文獻閱讀了解我國電化學的最新研究成果，感受化學對促進人類文明進步的作用，發展科學態度及社會責任。

（三）項目式教學過程

1. 課前——項目指引

【引入項目】請同學們以小組為單位，利用一周的課余時間對教材實驗中的單液銅鋅原電池裝置（見圖1）進行改進，以期獲得更理想的工作電流。

由于相關內容涉及較多物理方面的電學知識，智慧課堂平臺為同學們提供了物理、化學相關知識的微課（見表2）。同學們可以根據自己原有的知識儲備情況進行選擇性觀看，也可以利用互聯網資源進行更多信息的檢索。

設計意圖：以微課的形式，打破學科壁壘，給予學生充足的學習資源、自由的學習時間。引導學生從物理、化學的視角重新分析銅鋅單液原電池的工作原理，在整合學習資源的過程中發現新的問題，并且能夠自主運用智慧課堂平臺，選擇性觀看所需學習資源，滿足學生自主學習能力的發展需求。

2. 課中——項目成果整合、評價、遷移

（1）任務一：銅鋅原電池的再設計

【驅動性任務】銅鋅原電池是最初的電化學模型。為了獲得較為理想的工作電流，結合原電池工作原理，可以對教材中銅鋅原電池裝置的哪些部分進行再設計？

學生1：可以將圖1裝置的工作電流看作四個部分：①鋅棒上發生失電子反應，電極反應式為：Zn - 2e- = Zn2+；②電子在電子導體（導線）中發生定向移動；③Cu2+吸附在Cu電極棒上發生得電子反應，電極反應式為：Cu2+ + 2e- = Cu；④離子在離子導體（CuSO4溶液）中移動。

【追問】針對電極棒的改進，同學們都有哪些措施呢？

學生2：增大鋅棒、銅棒與溶液的接觸面積，如將兩電極棒分別替換成鋅網和銅網，這有利于Zn失電子以及Cu2+附著得電子。

學生3：根據物理電學知識可知，電子從金屬表面逸出需要克服表面勢壘做功，而這一過程需要外界提供能量，這個能量可以是熱能、電能及光能等。因此，我們可以對鋅棒進行加熱、外加電源以及光照等。

【教師評價】這個設想非常大膽，很棒。但對于加熱鋅棒提供熱能，目前在安全性能方面還有待解決；對電極棒進行充電，同學們很容易想到電解池；用光照的方式來使原電池負極更易失電子的想法已經實現了，比如光敏燃料電池［3］，該電池負極吸附光敏燃料，使其更易失去電子，形成電子空穴。

學生4：由于鋅棒直接與CuSO4溶液接觸，在鋅棒表面發生氧化還原反應，導致這部分的化學能轉化成熱能，造成能量損耗，因此應將鋅棒與CuSO4溶液隔離，設計成雙液原電池（見圖2）。

學生5：銅鋅原電池之所以存在電勢差，是因為金屬置于溶液中存在沉淀溶解平衡，當金屬表面的離子進入溶液時，溶液中的離子同時沉積到金屬表面（見圖3），即存在平衡Zn-2e- ? Zn2+。要增強Zn的失電子能力，即要使平衡正向移動，可以向電解質溶液中滴加堿性溶液，使Zn2+形成Zn（OH）2沉淀或［Zn（OH）4］2-配離子，從而降低溶液中的Zn2+濃度，使沉淀溶解平衡向著溶解方向移動，使鋅棒更易失電子。

學生6（追問）：OH-的引入雖然可以降低Zn2+濃度，有利于Zn失電子，但同時也會降低Cu2+濃度，導致Cu2+ + 2e- ?Cu的平衡逆向移動，不利于Cu2+得電子。

學生5（補充）：雙液原電池可以解決學生6的疑問。

【教師評價】學生4、5、6三位同學分別從能量轉化及平衡原理角度進行討論，得出的結論均是將單液原電池轉化為雙液原電池。圖4是單液原電池及雙液原電池的電流曲線和溫度曲線［4］（PPT展示）。由曲線可知，雙液原電池具有更加穩定的電流，但電流量相對較低。請同學們運用物理學相關知識進行解釋。

學生7：雙液原電池與單液原電池相比多了一個連接雙池的U形管鹽橋，因此問題很可能出在鹽橋上。在電勢差增大的前提下，電流反而減小，應該是電阻增大了。根據電學知識可知，U形管鹽橋長度長，橫截面積小，導致內阻增大，電路中通過的電流減小。

【追問】針對以上情況，如何對鹽橋進行改進可達到增大電流的目的？

學生8：將鹽橋縮短并增大橫截面積。

【追問】假設將鹽橋無限縮短，并且無限增大橫截面積，其實就相當于在單液原電池中加入了什么裝置？

學生9：離子交換膜。

【追問】除了對鹽橋的外觀進行再設計之外，還可以從哪些方面對鹽橋進行改進？

學生10：根據《鹽橋的制作》微視頻可知，鹽橋中發揮離子導體功能的是電解質溶液。根據物理電學知識I=nqSv可知，鹽橋中離子的遷移速率越快，離子濃度越大，則電流越大。

【追問】25 ℃時，水溶液中一些離子的極限電遷移率見表3［5］。鹽橋中用哪種電解質效果最佳？

學生11：一方面，根據物理電學知識可知，兩離子的遷移速率相近時，液接電勢約為0；電路中電勢差最大，電阻一定時，電流最大。因此，鹽橋中可選擇的電解質有CH3COONa和KCl。另一方面，要考慮離子遷移速率要大，因此鹽橋中電解質的最佳選擇為KCl。

【追問】以上是針對銅鋅原電池的電極得失電子能力及雙液原電池的鹽橋進行的改進。除此之外，還能對單液銅鋅原電池進行哪些改進，以增大其電流強度呢？

學生12：還能夠選擇電阻較小的材料制作成較短較粗的導線（電子導體）。

【教師評價】在以上對單液銅鋅原電池進行改進的過程中，首先基于原理將銅鋅原電池的工作電流分為四個部分，再從四個部分產生電流的原理出發進行再設計。請同學們對本節課所探討的影響原電池工作效率的若干要素進行歸納，整理成思維導圖，并在此基礎上對氫氧燃料電池以及電解水實驗進行再設計。下一節課交流分享同學們的設計成果。

設計意圖：給予學生充分的機會討論單液銅鋅原電池的改進方案，引導學生在初步改進的基礎上，分別對電子導體、離子導體等原電池的組成部分進行改進。從微觀角度分析電極電勢的概念，并充分調動物理電學及化學平衡的相關知識，幫助學生理解原電池工作原理的本質內涵，并基于對內涵的深入了解，進一步提出改進設想，從而建構完整的原電池改進思路模型，進而發展學生的變化觀念及平衡思想，并讓學生通過親歷完整的原電池改進過程，感受學科融合對科學發展的助力，發展學生的科學探究及創新意識。

（2）任務二：氫氧燃料電池的再設計

本節內容是對上一節項目式教學成果的評價，主要作用是引導學生運用上節課所梳理的內容進行類比遷移，并在此基礎上進行延伸拓展。因此，以下僅通過“教師總結”展示學生在氫氧燃料電池再設計中的創新方向及思路。

【教師總結】氫氧燃料電池的改進，主要是針對其氣體反應物的特點進行的再設計，可將設計思路拓展到其他有氣體參與的原電池設計中。形成多孔結構，增大氣體與電極棒之間的接觸面積，通過加入催化劑的方法來降低氣體放電的活化能等，都是常見的改進路徑。電化學裝置改進一般思路的思維導圖如圖5所示。

設計意圖：引導學生利用在銅鋅原電池改進過程中建構起的原電池裝置改進的初級思維模型，綜合氫氧燃料電池設計過程中的實驗及文獻證據，進一步發展原電池裝置改進思維模型，并以思維導圖的形式進行呈現，進而發展學生的證據推理及模型認知核心素養。

【評價】在這兩節課中，教師利用課前微課引導學生打破學科壁壘，運用物理電學知識深層次分析電化學模型，并體驗由基礎電化學模型出發設計新型電化學裝置的過程，理解每個設計的原理，幫助學生克服對新型電化學裝置的學習障礙。高三的復習不僅要充分關聯、建構化學體系中的各部分知識，還要整合各個學科的相關知識，從而使學生能夠多角度、更廣泛、更系統、更深入地了解所習得知識的內涵。

3. 課后——項目成果鞏固、升華

【課后任務】

①結合課堂學習，對微課中所闡述的內容仍有疑問的可再次觀看微課視頻。

②選擇性閱讀教師提供的有關銅鋅原電池、氫氧燃料電池改進及新型電化學裝置的文獻（包括但不限于教師課堂引用的文獻）。

③結合本節課所建構的電化學裝置改進思路模型，對教材中的“鐵上鍍銅”實驗進行條件優化。

設計意圖：引導學生在課程結束后，關注有關銅鋅原電池及氫氧燃料電池的最新研究成果，拓展學生的學習視野，使學生的理論學習具有發展性、延續性；完成“鐵上鍍銅”實驗的改進，對建構的原電池裝置改進思路模型的成果進行評價，并進一步發展為電化學裝置改進的思路模型。在此過程中，學生能夠充分體會科學家思考問題的思路，并通過文獻閱讀了解我國電化學的最新研究成果，感受化學對促進人類文明進步的作用，發展科學態度及社會責任核心素養。

三、項目式教學效果及評價

通過智慧平臺數據端所反饋的微課瀏覽數據可以看出，物理學科相關內容的瀏覽量明顯高于化學學科的，由此也反映出引入微課解決學生跨學科知識疑惑的必要性。在課堂教學中，無論是物化組合還是歷化組合的學生，無論平時化學成績表現如何的學生，都能夠暢所欲言，熱烈討論，對于同一問題能夠多角度進行論證，提出多種解決方案。這也反映出課前的微課教學給予了學生學習的信心，并有利于高效課堂的實現。課后學生所進行的“鐵上鍍銅”裝置的改進，可以反映出課堂的教學目標得到了落實。課后，教師提供文獻讓學生進行閱讀，并引導學生提出新的問題，形成新的設計思路，滿足了部分學生進行更深層次學習的需求。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.教育部關于印發《基礎教育課程改革綱要（試行）》的通知［EB/OL］.（2001-06-08）［2023-07-04］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/jcj_kcjcgh/200106/t20010608_167343.html.

［2］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］? 孫哲，黃滿江，陳亮，等.光催化型微生物燃料電池研究進展［J］.工業水處理，2014（3）：11-14.

［4］? 馬翠翠，盧玲，董軍.手持技術數字化實驗探究夾心式膜電池的創新改進［J］.化學教育（中英文），2020（7）：64-71.

［5］? 杜愛萍，蘆琴燕.雙液原電池鹽橋的實驗改進［J］.化學教與學，2019（11）：80-82.

（責任編輯 羅 艷）