周 峰

(合肥一六八中學(xué) 安徽合肥 230601)

一、什么是“大單元教學(xué)”設(shè)計(jì)

核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的大單元教學(xué)設(shè)計(jì)，要求教師建立好學(xué)科內(nèi)容與核心素養(yǎng)之間的關(guān)系。目前課堂教學(xué)的最大問題是知識(shí)邏輯性太緊密，學(xué)生總是被動(dòng)接受大量的符號和概念，體會(huì)不到真實(shí)、有趣、有用的感覺，導(dǎo)致不愿意學(xué)。所以伴隨著大單元教學(xué)同步到來的新教材就做出了重大改變，在內(nèi)容的編排上不僅僅以知識(shí)為主軸組成一個(gè)個(gè)單元，更多的要基于大主題、大情境和大概念來組成大單元。

大單元是一個(gè)課程單元，能滿足不同學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展的要求。大單元教學(xué)是以一個(gè)主題為研究對象，可以根據(jù)不同知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，整合多種教學(xué)形式和教學(xué)策略，讓學(xué)生圍繞有趣且有挑戰(zhàn)性的真實(shí)情境，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的探究活動(dòng)。通過若干節(jié)課的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)相對完整的知識(shí)單元學(xué)習(xí)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)發(fā)生。

原電池的單元教學(xué)流程框架為，結(jié)合實(shí)際問題，設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系的教學(xué)情境，構(gòu)建電化學(xué)認(rèn)知模型，引出問題并在問題驅(qū)動(dòng)下推動(dòng)教學(xué)。下面以高中化學(xué)選擇性必修1第四章第一節(jié)“原電池”單元教學(xué)為例進(jìn)行分析。

二、基于深度學(xué)習(xí)的單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)案例

(一)教學(xué)背景分析

1.單元教學(xué)內(nèi)容分析

原電池是高中化學(xué)的主干知識(shí)之一，可以看作是氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用，同時(shí)又是化學(xué)反應(yīng)中的一種能量轉(zhuǎn)化形式，是一個(gè)實(shí)用性、綜合性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)。教材通過探究實(shí)驗(yàn)抽離出原電池模型，利用模型解決實(shí)際問題，并不斷增加學(xué)生思維的深度，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，最終實(shí)現(xiàn)對知識(shí)深層次的理解和運(yùn)用。

2.單元教學(xué)學(xué)生情況分析

原電池的學(xué)習(xí)在高中階段是一個(gè)循序漸進(jìn)、層層推進(jìn)的過程，在學(xué)習(xí)了單液原電池的構(gòu)成及工作原理基本知識(shí)的基礎(chǔ)上展開實(shí)驗(yàn)，圍繞車用電源的發(fā)展創(chuàng)設(shè)情境，探究幾種原電池的工作效率，幫助學(xué)生理解三種原電池裝置在工作原理上的異同。

(二)單元教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

第一課時(shí)教學(xué)目標(biāo)

(1)通過探究三種原電池裝置工作效率的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，在觀察現(xiàn)象和討論原因的過程中樹立宏微結(jié)合的思想和變量控制的思維。

(2)在對原電池不斷改進(jìn)的探究過程中，學(xué)會(huì)化學(xué)反應(yīng)條件控制和優(yōu)化的一般思路，發(fā)展創(chuàng)新意識(shí)，落實(shí)核心素養(yǎng)。

(3)利用傳感器將發(fā)生的過程可視化，實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀、從符號到曲線的四重表征。

第二課時(shí)教學(xué)目標(biāo)

(1)運(yùn)用建立的原電池模型，說明論證干電池、鉛蓄電池、鋰電池、燃料電池的工作原理。

(2)設(shè)計(jì)并制作簡單的氫氧燃料電池，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

(3)在探究化學(xué)電源發(fā)展歷史的過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的社會(huì)責(zé)任。

(三)單元教學(xué)設(shè)計(jì)流程

情境、活動(dòng)、問題三線貫穿單元教學(xué)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)發(fā)展。

(四)教學(xué)重難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

(1)構(gòu)建原電池理論模型。

(2)分析實(shí)際化學(xué)電源。

2.難點(diǎn)

(1)鹽橋的作用。

(2)不同環(huán)境下燃料電池的電極方程式的書寫。

(五)教學(xué)內(nèi)容

(第一課時(shí))【引入新課】請大家欣賞《絕命毒師》片段，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)電池使小車跑起來。

【學(xué)生活動(dòng)】觀看影片，思考情節(jié)中的化學(xué)知識(shí)，回憶化學(xué)必修第二冊第六章實(shí)驗(yàn)活動(dòng)6相關(guān)知識(shí)，復(fù)習(xí)原電池的定義、構(gòu)成條件等。

圖1 原電池驅(qū)動(dòng)小車

【提出問題】你知道主人公描述的是什么裝置嗎？你能否設(shè)計(jì)出影片中的裝置？這個(gè)裝置產(chǎn)生電流需要滿足哪些條件？

【點(diǎn)評，引導(dǎo)復(fù)習(xí)】(此部分重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生回顧重點(diǎn)知識(shí))

評價(jià)學(xué)生書面設(shè)計(jì)的簡單原電池，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)原電池的工作原理。

【結(jié)合口訣】升者負(fù)極降者液，只要惰者為正極

【設(shè)計(jì)意圖】結(jié)合學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”復(fù)習(xí)鞏固必修2中所學(xué)的原電池知識(shí)，進(jìn)一步明確原電池的裝置構(gòu)成、反應(yīng)本質(zhì)和工作原理，培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)歸納能力?；仡櫯f知，動(dòng)手嘗試，再現(xiàn)必修二簡單原電池的學(xué)習(xí)情境，在此基礎(chǔ)上展開深層次的實(shí)驗(yàn)探究。

【過渡】清楚了原理，學(xué)生自然產(chǎn)生了想為主人公設(shè)計(jì)原電池的愿望，遂讓學(xué)生試著用提供的材料設(shè)計(jì)電池，來探究這兩組原電池的放電情況。將學(xué)生分成兩大組進(jìn)行，一組利用萬用表記錄電流變化情況，另一組觀察原電池驅(qū)動(dòng)小車的運(yùn)行情況。要求學(xué)生認(rèn)真觀察、記錄現(xiàn)象，并解釋現(xiàn)象。

【提問】剛剛大家在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，有沒有觀察到電流大小有沒有變化？電流表的指針是不是一直指著最大值？

【現(xiàn)象】一段時(shí)間后：鋅片逐漸溶解，也有紅色物質(zhì)析出，銅片有紅色物質(zhì)析出，指針偏轉(zhuǎn)角度變小，最后指向零。同時(shí)小車也不能持續(xù)運(yùn)動(dòng)。

【現(xiàn)象再分析】為什么負(fù)極的鋅片也有紅色物質(zhì)析出？

【過渡】請大家思考上述電池是否具有實(shí)用性。

【引導(dǎo)學(xué)生提出設(shè)想】能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置來阻止溶液中的銅離子在負(fù)極表面析出？

【討論交流】負(fù)極不能與反應(yīng)的電解液直接接觸，只能用不與鋅反應(yīng)的溶液。

【引導(dǎo)學(xué)生提出方案】要是有一份充滿了離子的溶液，能和兩個(gè)燒杯連通，則就能同時(shí)向兩邊補(bǔ)充陰陽離子，維持兩邊的電中性。有沒有這樣一個(gè)“法寶”呢？

【實(shí)驗(yàn)材料】銅絲、電極電勢測試儀(虹吸管溝通、瓊脂鹽橋、濕紙巾)

【分組實(shí)驗(yàn)】

四組學(xué)生分別用不同介質(zhì)溝通內(nèi)電路，觀察記錄電流情況。

【現(xiàn)象分析】

銅絲——有電流，不穩(wěn)定。

虹吸管，鹽橋，紙巾——能產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，但電流較小。

電流大?。簼窦埥?鹽橋>虹吸管

【設(shè)計(jì)意圖】通過學(xué)生的自主選擇溝通介質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生理解外電路(電子通路)和內(nèi)電路(離子通路)的區(qū)別。并通過比較不同介質(zhì)下電流的大小，引導(dǎo)學(xué)生探究增大電流的方法。

【分析原因】鹽橋?qū)е码姵貎?nèi)阻變大，使得電流變小。

【解決方案】降低電池內(nèi)阻，用離子交換膜分隔正負(fù)極，隔膜型原電池——化學(xué)電源雛形。

【過渡】通過一步步的探索，設(shè)計(jì)出了能夠產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定大電流的原電池裝置，也就是“隔膜型原電池”，使得氧化劑和還原劑近乎完全隔離，在不同的區(qū)域之間通過特定的裝置實(shí)現(xiàn)了電子的定向轉(zhuǎn)移，并使電流內(nèi)阻減小，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定大電流供電的愿景。

圖2 原電池模型的四重表征

【設(shè)計(jì)意圖】利用宏觀上小車在隔膜型原電池的驅(qū)動(dòng)下持續(xù)運(yùn)動(dòng)，萬用表的穩(wěn)定數(shù)字和電流傳感器的平穩(wěn)曲線，實(shí)現(xiàn)對隔膜原電池微觀變化的“四重表征”。再通過“四重表征”融合，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)構(gòu)建思維模型，促進(jìn)學(xué)科思維的形成與發(fā)展，從中發(fā)展解決相關(guān)問題的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【課堂小結(jié)】

圖3 數(shù)字傳感器表征不同原電池的電流大小

單液原電池：電流不穩(wěn)定，衰減較快。

雙液原電池：電流穩(wěn)定，但電流較小。

隔膜原電池：電流大且穩(wěn)定

【作業(yè)拓展】化學(xué)興趣小組設(shè)計(jì)不同的原電池模型，探究模型小車的驅(qū)動(dòng)能力，比比看誰的小車跑得又快又遠(yuǎn)。

(第二課時(shí))【新課引入】以合肥國軒高科和蔚來汽車的磷酸鐵鋰電池拆解視頻引入新課。

介紹常見的車用電源，玩具車——干電池，電動(dòng)自行車——鉛蓄電池，電動(dòng)汽車——鋰電池、氫氧燃料電池。

【引出衡量電池的幾個(gè)指標(biāo)】

1.能量的大小。

2.輸出功率的大小,即功率的大小。

3.電池的存儲(chǔ)時(shí)間的長短。

4.電池的使用安全和環(huán)保情況。

【設(shè)計(jì)意圖】通過衡量電池性能的指標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)電池的發(fā)展過程，不斷探究電池性能的優(yōu)化和提升方向，體現(xiàn)化學(xué)的學(xué)科價(jià)值和社會(huì)責(zé)任。

【應(yīng)用模型】

任務(wù)一：分析堿性鋅錳電池的優(yōu)點(diǎn)

從電極材料、電解液角度分析區(qū)別，總結(jié)優(yōu)點(diǎn)。

普通鋅錳電池 堿性鋅錳電池

電解液：糊狀氯化銨 濕氫氧化鉀

(離子導(dǎo)電性增強(qiáng)) (固體接觸面增大)

負(fù)極：鋅筒 鋅粉

優(yōu)點(diǎn):能量儲(chǔ)存時(shí)間有所提高，不易泄露。

任務(wù)二：分析鉛蓄電池和磷酸鐵鋰電池的正負(fù)極和充放電方程式

了解二次電池的工作原理，利用原電池模型，分析實(shí)際電源的四要素，判斷正負(fù)極材料，書寫電極方程式。

學(xué)生對燃料電池比較陌生，可以利用氫燃料電池演示器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】組織實(shí)驗(yàn)裝置，觀察實(shí)驗(yàn)，記錄現(xiàn)象。

圖4 氫燃料電池演示器(質(zhì)子交換膜燃料電池)

【設(shè)計(jì)意圖】通過觀察電流表指針偏轉(zhuǎn)情況，實(shí)際感受化學(xué)能與電能、電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究燃料電池的工作原理。

任務(wù)三：分析燃料電池的原電池四要素

圖5 氫燃料電池模型

【分析總結(jié)】燃料電池的優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化率高，無污染。

【學(xué)生練習(xí)】分析燃料電池原理工作，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)不同電解質(zhì)環(huán)境下電極方程式的書寫

環(huán)境電極反應(yīng)式舉例中性或堿性溶液O2+H2O+4e- 4OH-堿性燃料電池、金屬的吸氧腐蝕酸性溶液O2+4H++4e- 2H2O酸性燃料電池熔融碳酸鹽(正極通O2與CO2的混合氣體)O2+4e-+2CO2 2CO2-3熔融碳酸鉀燃料電池固體氧化物(能傳遞O2-)O2+4e- 2O2-電解質(zhì)摻雜Y2O3的ZrO2晶體

【設(shè)計(jì)意圖】掌握不同環(huán)境下電極方程式的書寫，是本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容。利用燃料電池總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即可得到負(fù)極反應(yīng)式，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

【查閱資料】石墨烯材料在電池中的應(yīng)用。

強(qiáng)調(diào)新材料在新電池中的應(yīng)用，通過改變膜的結(jié)構(gòu)，增加離子通過性，改變充電方式，提高充電速度，增大電池比能量，提高電池儲(chǔ)量。

【拓展提升】展示形形色色的化學(xué)電源。

結(jié)合新冠肺炎病毒——病毒電池

利用仿生技術(shù)——生物電池

南開大學(xué)陳軍教授為應(yīng)對我國鋰資源儲(chǔ)量不足的問題，研發(fā)了鉀電池、鈉電池，確立我國在電池研發(fā)上的領(lǐng)先地位。

【社會(huì)責(zé)任】

合肥作為新能源汽車之都，隨著高性能電池的日益發(fā)展，一定可以制造出更多更好的新能源汽車，提升大家的駕乘體驗(yàn)。

【設(shè)計(jì)意圖】結(jié)合新能源汽車這一熱點(diǎn)情境，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過電池的發(fā)展促進(jìn)我國在新能源汽車領(lǐng)域的彎道超越，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和對家鄉(xiāng)的認(rèn)同感，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的社會(huì)責(zé)任。

【作業(yè)拓展】上網(wǎng)查閱資料，了解國內(nèi)外最新的電池研究進(jìn)展和新能源汽車的發(fā)展方向。

三、單元整體教學(xué)反思

本單元課程是提升展示課，在學(xué)生已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)，拓展相關(guān)內(nèi)容，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的。本單元的教學(xué)是以小汽車的驅(qū)動(dòng)電池的發(fā)展過程為情境，串聯(lián)起本單元的兩課時(shí)內(nèi)容：第一課時(shí)層層推進(jìn)，逐步構(gòu)建原電池模型，通過宏觀現(xiàn)象的描述、微觀變化的探析、數(shù)字符號的讀取、曲線圖像的變化，來實(shí)現(xiàn)原電池原理的四重表征；第二課時(shí)運(yùn)用原電池的模型，分析各類車用電源的原理，解決車用電源存在的各種問題。整個(gè)單元教學(xué)在探究幾種電池工作效率的科學(xué)活動(dòng)中，很好地發(fā)展了學(xué)生的模型認(rèn)知和證據(jù)推理核心素養(yǎng)；在探尋車用電源發(fā)展歷史的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任和科學(xué)態(tài)度。