信息技術(shù)2.0背景下的探究性實驗教學(xué)實踐

范婷婷

［摘 要］高中化學(xué)教學(xué)活動中，教師經(jīng)常通過分組實驗為學(xué)生展示實驗原理、實驗過程、實驗現(xiàn)象，演繹化學(xué)學(xué)科的魅力。文章以“原電池的優(yōu)化”一課為例，介紹在信息技術(shù)2.0背景下使用傳感器開展探究性實驗的教學(xué)實踐，讓學(xué)生從實驗中體驗學(xué)習(xí)化學(xué)的樂趣，形成化學(xué)學(xué)科思維，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，并為同行提供相應(yīng)的借鑒和啟示。

［關(guān)鍵詞］信息技術(shù)；探究性實驗；原電池

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）29-0070-04

黨的二十大報告指出，在新一輪科技革命和人才競爭的時代背景下，我國教育應(yīng)重視創(chuàng)新型人才培養(yǎng)?，F(xiàn)行高中化學(xué)教學(xué)，應(yīng)重視培育學(xué)生的核心素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。因此，一線化學(xué)教師要注重剖析教材中的核心概念，改進課堂教學(xué)，將實驗探究與化學(xué)理論相結(jié)合，有意識地引導(dǎo)學(xué)生認真思考、主動探究，從而發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”學(xué)科核心素養(yǎng)。

筆者在“原電池的優(yōu)化”教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的學(xué)情重組教材，精心設(shè)計探究性實驗，引導(dǎo)學(xué)生深入思考與探究，并通過信息技術(shù)2.0實現(xiàn)對學(xué)生化學(xué)邏輯建構(gòu)能力的培養(yǎng)。

一、問題的提出

首先，通過對高中化學(xué)必修二的學(xué)習(xí)，學(xué)生已初步掌握將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的途徑，以及原電池、正極、負極、電解質(zhì)溶液等概念。通過對選擇性必修一的學(xué)習(xí)，學(xué)生更為深入地學(xué)習(xí)原電池知識，借助對單液和雙液原電池的對比，深化對原電池原理的理解，并學(xué)習(xí)了半電池、鹽橋等新概念。但是生活中的實用電池多是高效、微型的膜電池，而高考題材有很多來源于生產(chǎn)生活實際，因此也會涉及膜電池?？梢姡钊雽W(xué)習(xí)離子交換膜電池是很有必要的。

其次，《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》提出，要適當增加數(shù)字化實驗、定量實驗和創(chuàng)新實踐活動等，讓學(xué)生體會認識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)學(xué)科的重要價值?；谛畔⒓夹g(shù)2.0的微能力B4：技術(shù)支持的發(fā)現(xiàn)與解決問題，利用電流傳感器、溫度傳感器，創(chuàng)設(shè)發(fā)現(xiàn)和解決問題的技術(shù)環(huán)境，促進學(xué)生主動探究與運用知識，將問題解決過程可視化，幫助學(xué)生發(fā)展邏輯推理能力、批判思考能力和自主建構(gòu)能力。

再次，課本介紹的將瓊脂固定在U型管中制作的鹽橋，需要提前一天制作，不便于使用，且由于鹽橋中的離子運動通道狹窄，導(dǎo)致學(xué)生制作的雙液鹽橋原電池電流非常小，用電流表難以直觀地測出電流及其變化趨勢。因此，在課堂上的學(xué)生探究性實驗中，需對鹽橋進行改進。

基于以上三點，筆者重組教材知識，適度拓展教學(xué)內(nèi)容，并將信息技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)，優(yōu)化課堂教學(xué)手段；同時，結(jié)合原電池的歷史與發(fā)展，創(chuàng)設(shè)驅(qū)動性問題，促進學(xué)生深度思考，讓學(xué)生經(jīng)歷知識的探索過程，感受化學(xué)學(xué)科是有價值、有趣味、有魅力的。

二、教學(xué)設(shè)計

（一）內(nèi)容分析

首先，讓學(xué)生從微觀層面來理解原電池的工作原理，體會必修二中單液原電池存在的缺陷，并針對其不足之處對原電池模型進行改進，體會增加鹽橋的作用。接著，由鹽橋的應(yīng)用過渡到膜的應(yīng)用，這不僅僅是一個普通的實驗技術(shù)的改進，更是對舊的思維模式的突破。通過探究性實驗教學(xué)，使學(xué)生進一步了解化學(xué)反應(yīng)原理在生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中的應(yīng)用，并在實驗探究和理論分析過程中培養(yǎng)實驗探究能力，提升思維品質(zhì)。

（二）教學(xué)流程

三、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

【學(xué)生】上臺參與希沃課件的“分組競爭”課堂活動，復(fù)習(xí)單液原電池的工作原理。

設(shè)計意圖：以游戲的方式引入本節(jié)課，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性、積極性。

環(huán)節(jié)2：設(shè)計電池

【資料展示】伏打電堆是由幾組圓板對堆積而成的，每一組圓板包括兩種不同的金屬板；所有的圓板之間夾放著幾張鹽水泡過的布，潮濕的布具有導(dǎo)電功能。 在不同金屬與電解質(zhì)溶液間兩兩接觸之后，溶液中的離子形成定向移動從而產(chǎn)生電流。這是世界上第一種能連續(xù)產(chǎn)生電能的裝置。它成為早期電學(xué)實驗、電報機的電力來源。

【實驗設(shè)計】基于Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu這一化學(xué)反應(yīng)設(shè)計原電池。藥品及實驗器材：Zn片、Cu片、CuSO4溶液、導(dǎo)線、電流表。要求：畫出裝置圖，預(yù)測實驗現(xiàn)象，分析工作原理，評價實驗方案。

【學(xué)生】同組交流，設(shè)計實驗方案。

【教師】將學(xué)生的設(shè)計圖用手機投屏到電腦上，先讓學(xué)生互評，再進行總結(jié)評價。

【演示實驗】連接裝置，并用電流傳感器和溫度傳感器分別測出電流和溫度的變化。

【教師】引導(dǎo)學(xué)生觀察電流和溫度的變化圖像以及實驗后兩電極材料的變化。

【學(xué)生】觀看實驗并討論，得出單液原電池的電流易衰減（如圖1）的結(jié)論，有部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。因為鋅片和Cu2+直接接觸會發(fā)生反應(yīng)，當鋅片表面析出一定量的銅之后形成微電池，不利于離子的遷移。

設(shè)計意圖：回顧原電池的發(fā)展史，吸引學(xué)生的注意力；通過在單液原電池的設(shè)計中使用手機投屏技術(shù)和手持儀器，使微觀的電流和溫度可以直觀地展示出來，讓學(xué)生從多角度觀察實驗現(xiàn)象。

環(huán)節(jié)3：實驗探究

【資料展示】鹽橋：通常裝有含瓊膠的KCl（或NH4Cl）飽和溶液；瓊膠可防止U型管中的溶液流出；K+和Cl-能在其內(nèi)部自由移動。通過鹽橋，可以將兩種相互隔離的電解質(zhì)溶液連接起來，傳導(dǎo)電流。

【學(xué)生】交流討論防止單液原電池電流衰減的方案。

【教師】介紹第一個實用電池——丹尼爾雙液原電池，并引導(dǎo)學(xué)生歸納出鹽橋的作用（①形成閉合回路；②使兩個半電池保持電中性；③將氧化劑和還原劑分開，防止自放電，提高電能轉(zhuǎn)化效率；④使電流持續(xù)、穩(wěn)定）。再向?qū)W生介紹：把一次性洗臉巾用飽和氯化鉀溶液浸濕，可將其設(shè)計為面巾鹽橋（如圖2）。該鹽橋傳導(dǎo)離子的速度更快，電流更大。

【學(xué)生】動手組裝面巾鹽橋雙液原電池，并用電流傳感器測試電流。

【教師】捕捉學(xué)生測試的數(shù)據(jù)，并用手機投屏到電腦上。

【學(xué)生】通過電流變化圖（如圖3），很直觀地發(fā)現(xiàn)，改進后的雙液原電池雖然電流很穩(wěn)定，但是電流變小了。

設(shè)計意圖：通過數(shù)字化實驗驗證雙液原電池電流很穩(wěn)定但電流量很小，讓學(xué)生及時分析實驗圖像，增強讀圖能力的同時，感受數(shù)據(jù)研究的魅力，體會定量實驗在科學(xué)研究中的重要作用。

環(huán)節(jié)4：拓展探究1

【教師】組織學(xué)生交流研討：雙液原電池為什么不能高效率地工作？如何解決？

【學(xué)生】猜測可能是使用了鹽橋之后，導(dǎo)致電池的內(nèi)阻變大。

【學(xué)生】經(jīng)過討論猜想具體原因：鹽橋距離長，離子運動距離變長；鹽橋與電解質(zhì)溶液接觸面積小，離子運動通道狹窄。

【方案設(shè)計】經(jīng)過組內(nèi)討論之后決定增加面巾鹽橋的數(shù)量，即增加橫截面，如圖4所示。

接著，再以容器距離為單一變量進行對比實驗，具體如圖5所示。

也有學(xué)生想到可以將面巾鹽橋?qū)φ郏栽黾訖M截面，同時縮短距離。

設(shè)計意圖：引入電阻公式，將物理學(xué)科和化學(xué)學(xué)科相融合，使問題的解決更有依據(jù)。通過控制單一變量，即加寬鹽橋或縮短鹽橋進行實驗探究，讓學(xué)生建立科學(xué)探究的思維模型，培養(yǎng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)5：拓展探究2

【教師】提出問題：設(shè)想鹽橋的長度短到極限，接觸面盡可能地擴大，最后會無限接近于什么？

【學(xué)生】交流討論并回答：一層薄膜。

【教師】引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)濾紙和一次性洗臉巾的吸濕性進行電池的微型化創(chuàng)新實驗改進：1.用ZnSO4溶液潤濕的濾紙包裹住Zn片充當Zn半電池，用CuSO4溶液潤濕的濾紙包裹住Cu片充當Cu半電池，完成雙液原電池的微型實驗。2.用飽和KCl溶液潤濕的面巾代替鹽橋，增大電流。（如圖6）

【學(xué)生】小組合作，制作一個夾心式濾紙電池，并用電流傳感器測試電流，交流實驗結(jié)果。

學(xué)生經(jīng)過實驗測試之后，發(fā)現(xiàn)夾心式濾紙膜電池在30 s到60 s電流會出現(xiàn)衰減（如圖7）。

【教師】隨著反應(yīng)的進行，銅單質(zhì)不斷在電極表面，堵塞濾紙的孔徑，使電池的內(nèi)阻變大，電流衰減較快，所以用濾紙做電池的隔膜并不是最優(yōu)的方案。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生進行拓展創(chuàng)新，設(shè)計出更加接近生活中所使用的電池的模型，讓原電池模型得以應(yīng)用。

環(huán)節(jié)6：拓展提升

【資料展示】離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液中的離子具有選擇透過能力的高分子膜，一般在應(yīng)用時主要利用它的離子選擇透過性，所以也稱為離子選擇透過性膜。離子交換膜主要有三種，即陽離子交換膜（只允許陽離子通過）、陰離子交換膜（只允許陰離子通過）、質(zhì)子交換膜（只允許H+通過）。離子交換膜能最大限度地減少電流的衰減，而陽離子交換膜電池因為體積小、藥品用量少、電流持久穩(wěn)定，在生活中有著廣泛的應(yīng)用。

【總結(jié)歸納】從創(chuàng)造伏打電堆 → 增加鹽橋使電流穩(wěn)定（丹尼爾雙液原電池）→ 鹽橋變短加寬，減小內(nèi)阻，增大電流 → 夾膜微型電池 → 既微型又高效的離子交換膜電池，電池的每一次改進都是朝著體積小、藥品用量小、電流持久穩(wěn)定、高效、可多次重復(fù)使用的方向進行的。

設(shè)計意圖：通過資料展示，在化學(xué)學(xué)科觀念的引領(lǐng)下，讓學(xué)生了解離子交換膜在電池中的重要應(yīng)用，凸顯化學(xué)知識在生產(chǎn)生活中的重要作用。

環(huán)節(jié)7：學(xué)以致用

【資料展示】隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在的隔膜電池能隔離正負極的直接接觸，使電池在過度充電或者溫度升高的情況下能限制電流的升高，防止電池短路引起爆炸，對電池使用者和設(shè)備起到安全保護的作用。電池類型也在層出不窮，有鋰離子電池、各種類型的燃料電池、海水電池等。

設(shè)計意圖：鞏固學(xué)生所學(xué)的知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生體會到化學(xué)源于生活，又應(yīng)用于生活。

環(huán)節(jié)8：暢想未來

【學(xué)生】說出自己理想中的電池應(yīng)該具備哪些特點。

【教師】對于學(xué)生的回答給予肯定，告訴學(xué)生只有想不到的，沒有做不到的，要敢于設(shè)想，要保持積極探索科學(xué)問題的熱情，同時還要具備解決生產(chǎn)生活中化學(xué)問題的能力和擔當。

設(shè)計意圖：鼓勵學(xué)生積極大膽地設(shè)想，勇于創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和解決實際問題的能力。

四、教學(xué)反思

整節(jié)課以真實情境中的驅(qū)動性問題為依托，讓問題貫穿教學(xué)的全過程，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，使學(xué)生經(jīng)歷像科學(xué)家一樣的探究過程，對電池進行一步步改進，從實驗室中的原電池過渡到生活中的實用電池，引導(dǎo)學(xué)生在設(shè)問、釋問、追問的過程中深度思考，充分體驗知識的探索過程，更好地理解知識內(nèi)在的原理和規(guī)律，體會膜電池的出現(xiàn)是為了使電池更加穩(wěn)定、高效和微型化，為即將到來的高三電化學(xué)知識的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

綜上所述，在信息技術(shù)2.0背景下，以數(shù)字化實驗為基礎(chǔ)的實驗探究，能讓學(xué)生多角度觀察實驗現(xiàn)象，豐富和完善知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。對學(xué)生而言，微觀表征的建立和轉(zhuǎn)化是認知的難點，手持技術(shù)的使用實現(xiàn)了微觀表征的可視化，增強了學(xué)生的證據(jù)推理能力，使學(xué)生能更好地建立認知模型。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 何文，康寧，田曉梅.基于化學(xué)核心素養(yǎng)的問題解決能力的評價與思考：2017年高考化學(xué)試題的分析與啟示［J］.考試研究，2018（1）：3-11.

［2］? 單旭峰.基于高考評價體系的化學(xué)科考試內(nèi)容改革實施路徑［J］.中國考試，2019（12）：45-52.

［3］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標準：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［4］? 王磊.基于學(xué)生核心素養(yǎng)的化學(xué)學(xué)科能力研究［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2018.