姚美霞

【摘要】基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)幫助學(xué)生從原電池的結(jié)構(gòu)、優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)成條件、工作原理構(gòu)建原電池工作原理模型，教學(xué)中運(yùn)用反應(yīng)觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實(shí)驗(yàn)觀等進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生形成良好的科學(xué)與技術(shù)工程思維能力，從更高層面認(rèn)識(shí)原電池蘊(yùn)含的深刻概念和原理。

【關(guān)鍵詞】模型探究;化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);原電池

一、教學(xué)設(shè)計(jì)思想

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨析與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”各個(gè)方面。筆者基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，通過(guò)模型探究，落實(shí)反應(yīng)觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實(shí)驗(yàn)觀等化學(xué)基本觀念，從根本上改善優(yōu)化學(xué)生對(duì)原電池知識(shí)能力系統(tǒng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，為電化學(xué)教學(xué)增添創(chuàng)新的科學(xué)思維和工程方法，拓寬化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)途徑。

二、教學(xué)內(nèi)容與方法

“原電池”是選修4第四章電化學(xué)基礎(chǔ)的第一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也是必修2第二章化學(xué)能與電能的拓展和深化，在電化學(xué)中起著承上啟下的重要作用。原電池涉及的概念、原理抽象又集中，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中總會(huì)存在一些困難，而這些困難會(huì)從學(xué)生接觸電化學(xué)開(kāi)始一直延續(xù)到電解池、金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)等方面的學(xué)習(xí)。

運(yùn)用反應(yīng)觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實(shí)驗(yàn)觀等進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生從原電池的結(jié)構(gòu)、優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)成條件、工作原理構(gòu)建原電池工作原理模型，從而形成良好的科學(xué)與技術(shù)工程思維能力，從更高層面認(rèn)識(shí)原電池蘊(yùn)含的深刻概念和原理。

三、學(xué)情分析

學(xué)生通過(guò)必修2第二章化學(xué)能與電能的學(xué)習(xí)，知道了原電池的構(gòu)成條件和工作原理，但只是停留在表面上的認(rèn)識(shí)，對(duì)其中的概念理解比較模糊，學(xué)生的抽象思維不夠強(qiáng)。

四、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從宏觀到微觀分析，從裝置要素和原理要素角度初步建構(gòu)“原電池思維模型”;

（2）通過(guò)“Zn︱H2SO4︱Cu”模型的實(shí)驗(yàn)探究，基于數(shù)據(jù)推理分析原電池的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)，繼而得出“負(fù)極區(qū)”“正極區(qū)”“鹽橋”等抽象概念和選擇負(fù)極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路和方法;

（3）學(xué)生能依據(jù)前面探究形成的認(rèn)知基礎(chǔ)，分析、討論與交流，在新情境下對(duì)原電池相關(guān)概念進(jìn)行普遍性推廣與廣義化理解，進(jìn)一步鞏固“原電池思維模型”的運(yùn)用。

五、教學(xué)實(shí)錄

1.宏微分析，構(gòu)建單液原電池思維模型

【學(xué)生活動(dòng)1】觀看銅鋅原電池視頻，根據(jù)宏觀現(xiàn)象，完成以下任務(wù)：

（1）請(qǐng)?jiān)趫D1中標(biāo)出正極和負(fù)極，標(biāo)出外電路的電子移動(dòng)情況;

（2）寫(xiě)出原電池負(fù)極和正極的電極反應(yīng);

（3）標(biāo)出原電池中內(nèi)電路的離子移動(dòng)情況;

（4）將銅鋅原電池的圖形轉(zhuǎn)化為電池符號(hào);

“負(fù)極︱電解質(zhì)溶液︱正極”的簡(jiǎn)單形式。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)銅鋅原電池實(shí)驗(yàn)視頻回顧原電池的構(gòu)成條件和原電池的工作原理，既能更好地切入思考，構(gòu)建單液原電池思維模型，又能提升課堂教學(xué)有效性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.基于“Zn|H2SO4|Cu”模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)探究，理解原理

【實(shí)驗(yàn)探究】如下圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果：15分鐘后裝置A、B、C測(cè)得的溫度如圖示，裝置B中鋅片表面產(chǎn)生大量氣泡。裝置C中鋅片表面產(chǎn)生少量氣泡，銅片表面產(chǎn)生大量氣泡，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。分析數(shù)據(jù)，完成學(xué)生活動(dòng)2.

【學(xué)生活動(dòng)2】分析以上實(shí)驗(yàn)裝置和對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成以下任務(wù)：

（1）裝置A的作用是什么？

（2）結(jié)合裝置B和裝置C的數(shù)據(jù)，分析裝置②和裝置③溫度升高以及升高幅度不同的原因。

（3）判斷一個(gè)電池的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)有哪些？

（4）如何能提高原電池中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)換效率？

【設(shè)計(jì)意圖】從學(xué)生最原始的想法入手，層層遞進(jìn)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出單液原電池設(shè)計(jì)的缺陷，引出改進(jìn)原電池裝置的必要性。這樣的處理利于學(xué)生培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析能力、證據(jù)推理和模型認(rèn)知。

3.雙液原電池工作原理的探究

【教師】通過(guò)前面的科學(xué)探究，我們不難發(fā)現(xiàn)原電池“Zn|H2SO4|Cu”有內(nèi)部反應(yīng)（短路）問(wèn)題，從而降低電池效率，發(fā)生內(nèi)部短路致部分電子直接轉(zhuǎn)移給溶液中的H+，導(dǎo)致反應(yīng)熱一部分直接轉(zhuǎn)化為熱能。那么，如何設(shè)計(jì)才能把原電池中的電解質(zhì)溶液中的得電子離子與負(fù)極物質(zhì)分開(kāi)？

【學(xué)生活動(dòng)3】觀察右圖，完成以下任務(wù)：

（1）若該選用了KCl-瓊脂鹽橋，指出鹽橋中的K+和Cl-的移動(dòng)方向;

（2）寫(xiě)出該原電池負(fù)極和正極的電極反應(yīng);

（3）寫(xiě)出選擇負(fù)極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路和方法;

（4）將原電池的圖形轉(zhuǎn)化為電池符號(hào)。

【設(shè)計(jì)意圖】首先，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工程思維，采用“隔離”技術(shù)，將電解質(zhì)溶液中的得電子離子與負(fù)極物質(zhì)分開(kāi)，以避免它們相互直接接觸，得出“負(fù)極區(qū)”“正極區(qū)”等概念。然后，借助“鹽橋”構(gòu)成閉合回路，初步建立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的有序性。最后，通過(guò)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)一步鞏固原電池工作原理和選擇負(fù)極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路和方法。構(gòu)建雙液原電池思維模型。

4.課堂總結(jié)，能力提升

【學(xué)生活動(dòng)4】將反應(yīng)Fe+2Fe3+= 3Fe2+的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，完成以下任務(wù)：

（1）判斷該原電池的負(fù)極材料、正極材料和溶液中的電解質(zhì);

（2）畫(huà)出相應(yīng)雙液原電池裝置的示意圖，并標(biāo)記外電路的e-移動(dòng)情況;

（3）寫(xiě)出該原電池負(fù)極和正極的電極反應(yīng);

（4）若選用了KCl-瓊脂鹽橋，指出鹽橋中的K+和Cl-的移動(dòng)方向;

（5）說(shuō)說(shuō)選擇負(fù)極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路和方法;

（6）將該原電池的圖形轉(zhuǎn)化為電池符號(hào)。

【設(shè)計(jì)意圖】進(jìn)一步理解原電池反應(yīng)的本質(zhì)及構(gòu)成要素，根據(jù)“原電池工作原理”模型能對(duì)陌生反應(yīng)設(shè)計(jì)原電池，解決實(shí)際問(wèn)題，在新情境下對(duì)原電池相關(guān)概念進(jìn)行普遍性推廣與廣義化理解。

六、教學(xué)反思

1.模型認(rèn)知探究原電池的教學(xué)效果

課堂上，筆者首先是以人教版必修2單液原電池思維模型為“生長(zhǎng)點(diǎn)”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，運(yùn)用STEM理念將數(shù)學(xué)與科學(xué)、技術(shù)與工程整合在一起進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)，引出雙液原電池中“負(fù)極區(qū)”“正極區(qū)”“鹽橋”等抽象概念、選擇負(fù)極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路，繼而得出雙液原電池的設(shè)計(jì)思路與方法，構(gòu)建雙液原電池思維模型。在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，大部分的學(xué)生表現(xiàn)比較積極，普遍能夠順利完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.模型認(rèn)知探究教學(xué)的創(chuàng)新性

筆者在實(shí)踐中不斷地進(jìn)行教學(xué)的實(shí)踐與思考，意識(shí)到只要將對(duì)原電池模型的探究系統(tǒng)方法加以推廣，就可以擴(kuò)展至整個(gè)電化學(xué)知識(shí)系統(tǒng)的教學(xué)和綜合能力的培養(yǎng)上面。以鐵碳原電池為例，鐵碳雙液電池，符號(hào)表示為：（負(fù)極）Fe|FeCl2‖F(xiàn)eCl3|C（正極），鹽橋用含有KCl溶液的凝膠制作。繼續(xù)擴(kuò)充發(fā)展到充電電池（電解池），則符號(hào)表示為：（陰極）Fe|FeCl2‖F(xiàn)eCl3|C（陽(yáng)極），鹽橋仍然用含有KCl的凝膠制作?？梢?jiàn)模型探究與STEM理念融合的方法論系統(tǒng)符合整個(gè)電化學(xué)幾乎所有問(wèn)題的解決，是開(kāi)展原電池教學(xué)與綜合能力培養(yǎng)的創(chuàng)新途徑。

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