基于學科核心素養(yǎng)的“原電池”課堂實錄與評析

姚美霞

摘要：基于化學學科核心素養(yǎng)幫助學生從原電池的結(jié)構(gòu)、優(yōu)劣標準、構(gòu)成條件、工作原理構(gòu)建原電池工作原理模型，教學中運用反應觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實驗觀等進行任務設(shè)計，幫助學生形成良好的科學與技術(shù)工程思維能力，從更高層面認識原電池蘊含的深刻概念和原理。

關(guān)鍵詞：模型探究;化學學科核心素養(yǎng);原電池

一、教學設(shè)計思想

化學學科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨析與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”個各方面^[1]。筆者基于化學學科核心素養(yǎng)，通過模型探究，落實反應觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實驗觀等化學基本觀念，從根本上改善優(yōu)化學生對原電池知識能力系統(tǒng)的認知結(jié)構(gòu)，為電化學教學增添創(chuàng)新的科學思維和工程方法，拓寬化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)途徑。

二、教學內(nèi)容與方法

“原電池”是選修4第四章電化學基礎(chǔ)的第一節(jié)的教學內(nèi)容，同時也是必修2第二章化學能與電能的拓展和深化，在電化學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，學生在學習過程中總會存在一些困難，而這些困難會從學生接觸電化學開始一直延續(xù)到電解池、金屬的電化學腐蝕與防護等方面的學習。

運用反應觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀、能量觀、守恒觀、實驗觀等進行任務設(shè)計，幫助學生從原電池的結(jié)構(gòu)、優(yōu)劣標準、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與技術(shù)工程思維能力，從更高層面認識原電池蘊含的深刻概念和原理。

三、學情分析

學生通過必修2第二章化學能與電能的學習，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識，對其中的概念理解比較模糊，學生的抽象思維不夠強。

四、教學目標

（1）通過實驗現(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“Zn︱H₂SO₄︱Cu”模型的實驗探究，基于數(shù)據(jù)推理分析原電池的優(yōu)劣標準，繼而得出“負極區(qū)”、“正極區(qū)”、“鹽橋”等抽象概念和選擇負極區(qū)和正極區(qū)電解質(zhì)溶液的思路和方法;

（3）學生能依據(jù)前面探究形成的認知基礎(chǔ)，分析、討論與交流，在新情境下對原電池相關(guān)概念進行普遍性推廣與廣義化理解，進一步鞏固“原電池思維模型”的運用。

五、教學實錄

5.1 宏微分析，構(gòu)建單液原電池思維模型^[1]

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

（1）請在圖1中標出正極和負極，標出外電路的電子移動情況

（2）寫出原電池負極和正極的電極反應;

（3）標出原電池中內(nèi)電路的離子移動情況;

（4）將銅鋅原電池的圖形轉(zhuǎn)化為電池符號

“負極︱電解質(zhì)溶液︱正極”的簡單形式^[3]。

【設(shè)計意圖】通過銅鋅原電池實驗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，又能提升課堂教學有效性，激發(fā)學生學習的積極性。

5.2 基于“Zn︱H₂SO₄︱Cu”模型進行的實驗探究，理解原理^[2]

【實驗探究】如下圖裝置進行實驗，實驗結(jié)果：15分鐘后裝置A、B、C測得的溫度如圖示，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，電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。分析數(shù)據(jù)，完成學生活動2.

【學生活動2】分析以上實驗裝置和對應的實驗數(shù)據(jù)，完成以下任務：

（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）判斷一個電池的優(yōu)劣標準有哪些？

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

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

5.3 雙液原電池工作原理的探究^[4]

【教師】通過前面的科學探究，我們不難發(fā)現(xiàn)原電池“Zn︱H₂SO₄︱Cu”有內(nèi)部反應（短路）問題，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⁺，導致反應熱一部分直接轉(zhuǎn)化為熱能。那么，如何設(shè)計才能把原電池中的電解質(zhì)溶液中的得電子離子與負極物質(zhì)分開？

【學生活動3】觀察右圖，完成以下任務：

（1）若該選用了KCl-瓊脂鹽橋，指出鹽橋中的K⁺和Cl^-的移動方向。

（2）寫出該原電池負極和正極的電極反應。

（3）寫出選擇負極區(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。

【設(shè)計意圖】首先，引導學生運用工程思維，采用“隔離”技術(shù)，將電解質(zhì)溶液中的得電子離子與負極物質(zhì)分開，以避免它們相互直接接觸，得出“負極區(qū)”、“正極區(qū)”等概念。然后，借助“鹽橋”構(gòu)成閉合回路，初步建立實驗設(shè)計思路的有序性。最后，通過學習任務進一步鞏固原電池工作原理和選擇負極區(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。

5.4 課堂總結(jié)，能力提升

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