基于“三重表征方式”的“化學(xué)能與電能”教學(xué)設(shè)計(jì)

管建華（江蘇省如東高級(jí)中學(xué)　江蘇如東　226400）

基于“三重表征方式”的“化學(xué)能與電能”教學(xué)設(shè)計(jì)

管建華
（江蘇省如東高級(jí)中學(xué)江蘇如東226400）

摘要：采用“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征方式對(duì)“化學(xué)能與電能”教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。利用情境、問(wèn)題、表征方式的變化，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和首創(chuàng)精神，最終達(dá)到使學(xué)生有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。

關(guān)鍵詞：三重表征方式；化學(xué)能與電能；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1008-0546（2015）02-0064-03G633．8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969／j．issn．1008－0546．2015．02．021

多重表征是化學(xué)教學(xué)的重要方法，能幫助學(xué)生通過(guò)各種表征形式進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。下面以“化學(xué)能與電能”教學(xué)為例，說(shuō)明基于“三重表征方式”教學(xué)設(shè)計(jì)的具體過(guò)程。即先創(chuàng)設(shè)情境，從宏觀現(xiàn)象入手提出問(wèn)題，然后猜想假設(shè)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)實(shí)驗(yàn)探究得出的結(jié)論再?gòu)奈⒂^的角度分析其本質(zhì)，最后再用符號(hào)表征（化學(xué)式、反應(yīng)方程式等化學(xué)用語(yǔ)）結(jié)論，并引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用結(jié)論。

一、教材分析

“化學(xué)能與電能”屬于化學(xué)反應(yīng)原理范疇，是化學(xué)學(xué)科最重要的原理性知識(shí)之一，也是深入認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)和進(jìn)程的入門性知識(shí)。同時(shí)，“化學(xué)能與電能”又是在社會(huì)生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用，是對(duì)人類文明進(jìn)步有重大價(jià)值的知識(shí)，與我們每個(gè)人息息相關(guān)。因此，化學(xué)能對(duì)人類的重要性決定了該內(nèi)容學(xué)習(xí)的重要性。通過(guò)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的學(xué)習(xí)，學(xué)生將對(duì)化學(xué)在提高能源的利用率和開發(fā)新能源中的作用與貢獻(xiàn)有初步認(rèn)識(shí)；通過(guò)新型化學(xué)電源開發(fā)利用的介紹，學(xué)生將對(duì)化學(xué)的實(shí)用性和創(chuàng)造性有更多的體會(huì)。

二、教學(xué)目標(biāo)

1．通過(guò)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究形成原電池概念，初步了解原電池的組成，理解其工作原理。

2．認(rèn)識(shí)提高燃料的燃燒效率、開發(fā)高能清潔燃料和研制新型電池的重要性。

3．通過(guò)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究，對(duì)比、歸納，培養(yǎng)科學(xué)探究精神和分析、歸納的能力。

三、教學(xué)難點(diǎn)及其突破策略

教學(xué)難點(diǎn)是通過(guò)對(duì)原電池實(shí)驗(yàn)的研究，引導(dǎo)學(xué)生從電子轉(zhuǎn)移角度理解化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)，以及這種轉(zhuǎn)化的綜合利用價(jià)值。突破難點(diǎn)需要設(shè)置鋪墊和臺(tái)階，并充分發(fā)揮教者的引導(dǎo)，本節(jié)課采取基于“三重表征方式”的教學(xué)，利用情境、問(wèn)題、表征方式的變化，由淺入深，循序漸進(jìn)，層層遞進(jìn)，并具有合理的梯度，逐步將學(xué)生的思維引向新的高度。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)構(gòu)思

采用“宏觀（創(chuàng)設(shè)情境）—微觀（問(wèn)題探究）—符號(hào)（輔助圖像）”三重表征方式設(shè)計(jì)教學(xué)。具體如下圖所示。

五、教學(xué)過(guò)程

1．宏觀表征，創(chuàng)設(shè)情境

［情境創(chuàng)設(shè)］投影火力發(fā)電的相關(guān)圖片、影像和圖表。

［提問(wèn)］我國(guó)目前發(fā)電的方式、總量、原理及利弊？

［設(shè)計(jì)意圖］從火力發(fā)電廠的圖片入手，引導(dǎo)學(xué)生得出此方法的不足——能量利用率不高，那么能否將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?？從而快速切入課題。

2．微觀表征，實(shí)驗(yàn)探究

［分組實(shí)驗(yàn)］介紹實(shí)驗(yàn)桌上的物品，指導(dǎo)學(xué)生做以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)：

（1）將鋅片插入稀硫酸中；

（2）將銅片插入稀硫酸中；

（3）將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中。

說(shuō)明實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，要求學(xué)生認(rèn)真觀察現(xiàn)象，并思考原因。

［交流討論］

（1）銅片上的氣體是什么？哪里來(lái)的？

（2）氫離子轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃馑璧碾娮訌暮味鴣?lái)？（學(xué)生提出許多假設(shè)）

［引導(dǎo)］電子究竟是鋅片還是銅片失去的，我們可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。那么，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明鋅片上的電子是否通過(guò)導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到了銅片上？

［學(xué)生回答］在銅片和鋅片中間連接一個(gè)靈敏電流計(jì)，檢測(cè)有無(wú)電流。

［分組實(shí)驗(yàn)］

現(xiàn)象：電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)。

結(jié)論：有電流流過(guò)，說(shuō)明導(dǎo)線中有電子流過(guò)，說(shuō)明氫離子得到的電子確實(shí)是鋅片失去，通過(guò)導(dǎo)線傳遞到銅片上的。

［微觀分析］由于鋅片失去電子后產(chǎn)生鋅離子，鋅片的周圍有許多來(lái)不及擴(kuò)散到溶液中去的鋅離子，對(duì)氫離子有排斥作用，使氫離子很難在鋅片上直接得到電子。

［投影展示］

［設(shè)計(jì)意圖］通過(guò)實(shí)驗(yàn)、投影等直觀教學(xué)手段，能讓學(xué)生形成深刻的第一印象，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建有意義、穩(wěn)定的化學(xué)知識(shí)，通過(guò)微觀分析正負(fù)極反應(yīng)及電子轉(zhuǎn)移的方向，揭示了原電池反應(yīng)的本質(zhì)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的觀察、分析與推理能力。

［過(guò)渡］原電池的實(shí)質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池，那么構(gòu)成原電池要有哪些條件呢？

［科學(xué)探究］

有下列材料：鎂條、銅片、鐵片、石墨、導(dǎo)線、金屬夾、手電筒用小燈泡（或發(fā)光二極管）、蘋果、稀硫酸、橙汁、煤油、500mL燒杯，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)能使電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原電池。方式：最好先獨(dú)立設(shè)計(jì)，并動(dòng)手試驗(yàn)，邊做邊改進(jìn)，也可與鄰座同學(xué)相互討論和觀摩，或請(qǐng)老師指導(dǎo)。（補(bǔ)充了石墨、煤油等實(shí)驗(yàn)用品）

［分組實(shí)驗(yàn)］學(xué)生設(shè)計(jì)了以下多種實(shí)驗(yàn)方案：

A．Mg—Mg與稀硫酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

B．Mg—石墨與稀硫酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

C．Fe—Cu與稀硫酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

D．Fe—Cu與煤油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

E．Fe—Cu與一個(gè)蘋果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

F．Fe—Cu與橙汁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

G．……．

［活動(dòng)匯報(bào)］畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖（圖像表征），并對(duì)比分析、討論和補(bǔ)充、得出組成原電池的條件。

［設(shè)計(jì)意圖］通過(guò)探究化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的奧秘，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和熱情，體驗(yàn)科學(xué)探究的艱辛與喜悅，感受化學(xué)世界的奇妙與和諧。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。從判斷到設(shè)計(jì)等多方面鍛煉學(xué)生對(duì)原電池構(gòu)成條件的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟迪學(xué)生思維。

3．符號(hào)表征，揭示本質(zhì)

［學(xué)生總結(jié)］

（1）原電池的電極規(guī)定

負(fù)極：發(fā)生氧化反應(yīng)，電子流出（流向正極）的一極。

正極：發(fā)生還原反應(yīng)，電子流入（來(lái)自負(fù)極）的一極。

（2）兩極反應(yīng)和總反應(yīng)（符號(hào)表征）

負(fù)極（鋅片）：Zn－2e－=Zn2＋（氧化反應(yīng)），正極（銅片）：2H＋＋2e－=H2↑（還原反應(yīng)）

總反應(yīng)：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑

（3）電子流向：電子由Zn片經(jīng)導(dǎo)線流向銅片。電流方向：溶液中的陽(yáng)離子移向銅片。

（4）組成原電池的條件：

①有兩種活動(dòng)性不同的金屬（或一種是非金屬導(dǎo)

體）作電極；

②電極材料均插入電解質(zhì)溶液中；

③兩極相連形成閉合回路；

④能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

［設(shè)計(jì)意圖］通過(guò)書寫電極反應(yīng)方程式，畫出構(gòu)成原電池的實(shí)驗(yàn)裝置圖進(jìn)行符號(hào)表征，在化學(xué)符號(hào)（圖像）的中介作用下，對(duì)宏觀、微觀表征信息給予梳理、整合，使學(xué)生形成對(duì)原電池反應(yīng)完整的表征認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)知飛躍。

4．聯(lián)系實(shí)際，遷移應(yīng)用

［討論交流］日常生活中電瓶車所用的蓄電池是否也是根據(jù)原電池原理設(shè)計(jì)的？

［投影展示］電池放電總反應(yīng)：

Pb＋PbO2＋2SO42－＋4H＋=2PbSO4＋2H2O

［講解］由電池總反應(yīng)式，不難判斷鉛蓄電池的負(fù)極是Pb，正極是PbO2，電解質(zhì)溶液是H2SO4。鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，可充電，反復(fù)使用；缺點(diǎn)是比較笨重，廢液易造成污染。

［投影展示］除了鉛蓄電池外，同學(xué)們比較熟悉的還有鋅錳干電池。

［講解］鋅錳干電池的負(fù)極是Zn，正極是石墨，鋅錳干電池在使用過(guò)程中，電解質(zhì)容易泄漏而腐蝕電器。為延長(zhǎng)電池壽命和提高其性能，將電解質(zhì)NH4Cl換成濕的KOH，并在結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)，制成了堿性鋅錳電池。

［投影展示］氫氧燃料電池

［講解］氫氧燃料電池的負(fù)極反應(yīng)物是H2，正極反應(yīng)物是O2。燃料電池的特點(diǎn)是不把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內(nèi)，而是在工作時(shí)，不斷從外界輸入，同時(shí)將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出。燃料電池優(yōu)點(diǎn)在于效率高、污染小，裝置可持續(xù)使用。

［設(shè)計(jì)意圖］在討論交流這塊主要體現(xiàn)化學(xué)學(xué)習(xí)最終也是學(xué)以致用，解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活生產(chǎn)中的一些事例、事實(shí)的討論，加強(qiáng)了所學(xué)知識(shí)與自然界和社會(huì)密切聯(lián)系，使學(xué)生“從生活走進(jìn)化學(xué)，從化學(xué)走向社會(huì)”，直接體會(huì)到所學(xué)化學(xué)知識(shí)的社會(huì)價(jià)值，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、熱情。

［活動(dòng)布置］

1．查閱資料，了解化學(xué)電源的發(fā)展史。

2．查閱資料，了解我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫诫姵氐姆N類。

3．思考交流，充電電池是如何工作的。

六、教學(xué)反思

本課時(shí)的設(shè)計(jì)，突出化學(xué)表征，精心創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，利用情境、問(wèn)題、表征方式的變化，誘發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和首創(chuàng)精神，在類比推理中掌握新的知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)探究過(guò)程與認(rèn)知轉(zhuǎn)變過(guò)程的有機(jī)融合。

教學(xué)過(guò)程中我們也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的三重表征方式尚未形成，缺乏將宏觀、微觀、符號(hào)三者進(jìn)行有機(jī)融合的意識(shí)，任何一種表征的薄弱都會(huì)引起不同表征轉(zhuǎn)換的困難，所以物質(zhì)三重表征的形成在很大程度上需要教師在教學(xué)過(guò)程中積極引導(dǎo)，進(jìn)行有意的建構(gòu)。如何創(chuàng)設(shè)情境，依托實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，加強(qiáng)三重表征化學(xué)學(xué)習(xí)機(jī)制的研究，依然任重道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

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