基于模型認知的學習進階教學實踐研究

將玲玲

摘要：基于《普通高中化學課程標準（2017年版）》學科核心素養(yǎng)的水平要求，在原電池新授課中通過設(shè)計“建立原電池認知模型”“修正原電池認知模型”“應用原電池認知模型”三個學習任務(wù)，幫助學生從已有的“氧化還原反應認知模型”進階到“原電池認知模型”，在學習過程中培養(yǎng)學生的“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“模型認知”等核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：原電池;認知模型;學習進階

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0073-03

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.08.020

一、問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中提出，以原電池為例認識化學能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作原理[1]。通過前期學習，學生已經(jīng)建立起“氧化還原反應認知模型”，掌握了氧化還原反應的本質(zhì)和特征;還原劑等概念以及還原性強弱的比較方法。雖然學生在生活中已經(jīng)接觸到例如堿性鋅錳干電池、手機鋰離子電池、燃料電池等原電池，但不了解原電池工作原理，在學習過程中有很多迷惑之處。解決這些問題，需要學生建構(gòu)“原電池認知模型”，能夠透過紛繁復雜的表象去“辨識簡單原電池的工作要素，分析簡單原電池的工作原理[1]”。單世乾[2]、顧建辛[3]、丁櫻[4]以蘇教版化學2“化學能轉(zhuǎn)化為電能”為例，嘗試幫助學生建構(gòu)“原電池認知模型”。本文以人教版（2019年版）必修2“化學能與電能”為例進行試探性研究。

二、設(shè)計思路

原電池是氧化還原反應知識的應用，由“氧化還原反應認知模型”建立“原電池認知模型”，在教學過程中需要解決兩個問題：電子為什么能定向運動？電子的定向運動對其它微粒有何影響？問題一可通過比較不同還原劑還原性強弱進行突破;問題二可通過分析各種原電池的閉合回路進行突破。教學設(shè)計主要由三個學習任務(wù)組成：“建立原電池認知模型”“修正原電池認知模型”“應用原電池認知模型”（見表1）。教學過程中，學生借助探究實驗的結(jié)果，分析電子及其它微粒的移動，從而使“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)得到發(fā)展;通過學習各種原電池的工作原理，學生的“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)得到進一步提高;由“氧化還原反應認知模型”到“原電池認知模型”的進階學習，使得學生的“模型認知”素養(yǎng)得到提升。

三、教學過程

1.溫故知新

【教師活動】將鋅片和銅片同時放人AgNO，溶液中，現(xiàn)象的異同？原因？

【學生活動】鋅片、銅片表面都出現(xiàn)銀白色固體。鋅、銅的還原性比銀強，能夠置換出銀。鋅反應速率快，因為鋅還原性強。

【教師活動】將鋅片和銅片同時放入稀硫酸中，現(xiàn)象？原因？

【學生活動】鋅片表面有氣泡產(chǎn)生。銅還原性弱，不能置換出氫。

【設(shè)計意圖】通過金屬的置換反應，回顧還原劑概念，比較不同還原劑的還原性強弱，喚醒學生已經(jīng)建立的“氧化還原反應認知模型”，從而幫助學生更好地過渡到新知“原電池認知模型”。

2.學習任務(wù)一：建立原電池認知模型

【教師活動】所有物質(zhì)中都儲存有化學能?；鹆Πl(fā)電（展示圖片），化學能通過多步轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?將化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池。請大家判斷以下四個化學反應哪些能將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⒔o出理由。

（l）Zn+H2SO4==ZnSO4+H2↑

（2）2H2+O2=2H2O

（3）NaOH+HCl=NaCl+H2O

（4）2HCl+CaCO3==CaCl2+H2O+CO2↑

【學生活動】小組討論，問題集中在這幾個反應的異同。最終學生根據(jù)是否有電子轉(zhuǎn)移，將四個反應分為氧化還原反應和非氧化還原反應。

【學生回答】（1）（2）可以，這兩個反應屬于氧化還原反應，有電子的轉(zhuǎn)移，可以將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

【教師總結(jié)】氧化還原反應在原電池中發(fā)生，將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽▓D1）。

【設(shè)計意圖】根據(jù)反應過程中是否有電子的轉(zhuǎn)移，判斷哪些反應能將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而幫助學生建立了“氧化還原反應認知模型”與“原電池認知模型”的初步聯(lián)系。

【教師設(shè)問】有了氧化還原反應是不是就一定能提供電流呢？請大家先完成表2實驗記錄的第一列和第二列。

【學生討論】大部分同學覺得（1）（3）（4）應該有電流產(chǎn)生;極少數(shù)同學覺得只有（4）電流產(chǎn)生。

【教師活動】請大家通過實驗驗證你的想法，并完成表2的第三列和第四列。

【學生活動】動手做實驗并完成表格。

【設(shè)計意圖】學生已經(jīng)初步建立“原電池認知模型”，知道原電池是將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。但是對原電池工作原理的微觀辨析還不清晰。設(shè)計這個教學環(huán)節(jié)，目的是幫助學生建立探究實驗的思維模型，為下一環(huán)節(jié)由宏觀變化到微觀辨析做一個鋪墊。

【教師活動】請同學展示實驗記錄。

【學生回答】根據(jù)實驗過程中電流表的指針偏轉(zhuǎn)情況判斷，只有（4）裝置中有電流產(chǎn)生。（1）裝置中鋅片表面冒氣泡。（2）裝置無明顯現(xiàn)象。（3）裝置中鋅片表面冒氣泡，銅片表面無明顯現(xiàn)象。（4）裝置中鋅片表面無氣泡，銅片表面有氣泡。

【教師追問】（1）（3）裝置中有氫氣產(chǎn)生，為什么沒電流？

【學生回答】氫離子在鋅片表面得電子，電子沒發(fā)生定向移動。所以沒有產(chǎn)生電流。

【教師追問】（4）裝置中銅片表面冒氣泡。大家能否解釋原因？

【學生回答】溶液顏色未變?yōu)樗{色，說明銅沒有失電子。鋅失電子，電子通過導線移動到銅片表面，氫離子在銅片表面得電子。

【教師活動】鋅失電子能力比銅強，用導線將鋅片和銅片相連后，鋅失去的電子通過導線由鋅片流向銅片，氫離子在銅片表面得電子。氧化反應和還原反應分別在兩個不同區(qū)域進行。電子的定向移動產(chǎn)生了電流，電子流出的一極是負極，電子流入的一極是正極。

【教師活動】書寫電極反應式：負極（氧化反應）：Zn-2e-=2n2+正極（還原反應）：2H++2e-==H2↑

【教師總結(jié)】在原電池中，電子由負極流出，經(jīng)過導線，流入正極，我們將其稱為外電路。

【教師活動】鋅銅硫酸原電池反應的實質(zhì)是鋅與氫離子之間的電子轉(zhuǎn)移，硫酸根有何作用？請大家結(jié)合鋅失電子后，負極附近鋅離子濃度變大分析。

【學生回答】硫酸根移向負極

【教師總結(jié)】電解質(zhì)在溶液中電離出自由移動的離子。陰陽離子的定向移動形成了內(nèi)電路。因此原電池的構(gòu)成要素可以總結(jié)如圖2所示。

【設(shè)計意圖】以簡單的鋅銅硫酸原電池為例，由探究實驗結(jié)果，通過證據(jù)推理，幫助學生由“氧化還原反應認知模型”建立“原電池認知模型”。宏觀角度，學生由實驗事實認識到原電池中氧化反應、還原反應分區(qū)進行;微觀角度，對閉合回路的形成有一個初步認識，即離子和電子的定向移動分別形成內(nèi)、外電路。

3.學習任務(wù)二：修正原電池認知模型

【教師展示】堿性鋅錳干電池、鉛蓄電池.氫氧燃料電池、手機鋰離子電池、高溫熔融鹽電池的工作原理。

【教師活動】請大家閱讀圖片中信息，判斷下列幾種說法的正誤，并做出更正。（1）原電池正負極材料活潑性必須不同;（2）原電池的負極必失電子;（3）原電池構(gòu)成中必須有電解質(zhì)溶液。

【學生回答】（1）錯，原電池的正負極可以是同一種材料構(gòu)成，如氫氧燃料電池的正負極。（2）錯，原電池的負極材料不一定做反應的還原劑。（3）錯，原電池的構(gòu)成中要有電解質(zhì)，不一定是電解質(zhì)溶液。如高溫熔融鹽電池。

【教師總結(jié)】由以上化學電源可以總結(jié)出原電池的工作原理：自發(fā)的氧化還原反應提供電子，電子通過電子導體定向移動，離子的定向移動形成離子導體，電子、離子的定向移動形成閉合回路。我們可以用圖3來表示。

【設(shè)計意圖】由簡單的鋅銅硫酸原電池建立“原電池認知模型”，優(yōu)點是裝置結(jié)構(gòu)簡單，學生易于建立認知模型：缺點是學生會由該裝置演繹出一些錯誤認識：如原電池正負極材料活潑性必須不同;原電池的負極必失電子;原電池中必須有電解質(zhì)溶液。因此在教學中向?qū)W生展示多種化學電源工作原理的圖片資料，學生通過閱讀，自主歸納總結(jié)，主動修正“原電池認知模型”，使該模型更加準確規(guī)范。

4.學習任務(wù)三：應用原電池認知模型

【教師設(shè)問】實驗室用鋅與稀硫酸制取氫氣，用粗鋅（含銅、鉛等雜質(zhì)）不用純鋅。因為粗鋅反應速率比純鋅快。請用原電池工作原理解釋原因。

【學生回答】粗鋅中含的雜質(zhì)和鋅、稀硫酸形成原電池，加快了反應速率。

【教師設(shè)問】夏天炒菜的生鐵鍋沒刷干凈，有水殘留，第二天發(fā)現(xiàn)鐵鍋生銹。請用原電池工作原理解釋原因。提示：生鐵是鐵和碳的合金。

【學生回答】水附著在鐵鍋表面，空氣中的氧氣溶于水。鐵失電子做負極，碳是正極，氧氣在碳表面得電子。

【設(shè)計意圖】學生已經(jīng)建立了“原電池認知模型”，設(shè)計這個學習任務(wù)是幫助學生將“原電池認知模型”與實際生活中的鋼鐵腐蝕聯(lián)系起來，通過解決真實情境中的復雜問題，學生的學科核心素養(yǎng)才能得到發(fā)展。

四、教學反思

通過教學實踐，筆者在先行教學設(shè)計中提出的兩個問題得到了較好的解決，實現(xiàn)了教學目標，學生能夠建立起基本的“原電池認知模型”，對一些簡單的原電池裝置能夠用該模型解答。

對于電子為什么能定向移動？筆者在教學設(shè)計中提出的失電子能力強的還原劑在負極先失電子，這個定性解釋絕大多數(shù)同學能夠接受。少數(shù)同學希望給出一個定量解釋。在課后的討論過程中，筆者提出了電勢差的概念，但是他們難以理解。這說明學生的“宏觀辨識與微觀辨析”核心素養(yǎng)未得到很好的發(fā)展。通過閱讀化學電源的工作原理圖片資料，學生對于閉合回路的形成，電子導體、離子導體的認識進一步加深?；瘜W電源的設(shè)計及效率的優(yōu)化提升，是一個系統(tǒng)工程，較為復雜，對于高一學生來講，接受難度較大.這些問題將在選修階段的學習中得到進一步的解決。

參考文獻

[1] 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，2018：19，26

[2]單世乾，倪娟.基于探究實驗建構(gòu)認知模型的化學教學研究——以“原電池的工作原理”教學為例[J].化學教學，2018（12）：59-64

[3]顧建辛，關(guān)于化學核心素養(yǎng)培育的微觀思考——原電池教學中的“證據(jù)推理與模型認知”[J].化學教學，2017（11）：34-38

[4] 丁櫻.核心素養(yǎng)背景下“化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋苯虒W的重構(gòu)[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2019（2）：116-117

本文系廣東省教育科學“十三五規(guī)劃2019年度教育科研一般項目：模型認知在高中化學教學中的應用研究”（課題編號：2019YQJK007）階段成果。