基于實(shí)驗(yàn)探究促進(jìn)學(xué)生化學(xué)深度學(xué)習(xí)

黃清輝　張賢金　吳新建

摘要：基于化學(xué)深度學(xué)習(xí)的已有研究和觀點(diǎn)的分析，以高中化學(xué)魯科版《化學(xué)2（必修）》“原電池的工作原理”為例，進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)探究促進(jìn)學(xué)生化學(xué)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施，最后對(duì)該教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施進(jìn)行反思。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)探究；原電池；概念原理；問(wèn)題串；深度學(xué)習(xí)

文章編號(hào)：1008-0546（2016）06-0017-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.005

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常注重知識(shí)的傳授，而忽視學(xué)生親身體驗(yàn)及感受實(shí)驗(yàn)所獲得的經(jīng)驗(yàn)，這一方面導(dǎo)致學(xué)生缺乏實(shí)踐和探究的機(jī)會(huì)，另一方面導(dǎo)致學(xué)生的分析解決問(wèn)題和合作交流的能力得不到提升。新課程非常注重對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，而新課程理念的有效落實(shí)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)探究[1]。為此，教師應(yīng)該充分利用探究實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生完成“猜想——實(shí)驗(yàn)——發(fā)現(xiàn)——發(fā)展”的過(guò)程，有利于培養(yǎng)創(chuàng)造型人才并形成終身學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力。本文擬以高中化學(xué)魯科版《化學(xué)2（必修）》“原電池的工作原理”為例，探討如何在實(shí)驗(yàn)探究中幫助學(xué)生去發(fā)現(xiàn)、體驗(yàn)、感知化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生電能，最終對(duì)原電池的工作原理有深刻的理解，從而幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)化學(xué)深度學(xué)習(xí)。

一、化學(xué)深度學(xué)習(xí)的已有研究

深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)科學(xué)提出的一個(gè)重要的概念和理論。1976年，美國(guó)學(xué)者Ference MArton和Roger Salio首先提出了深度學(xué)習(xí) （Deep Learning） 和淺層學(xué)習(xí)（Surface Learning）這兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的有關(guān)學(xué)習(xí)的概念[2]。之后，國(guó)外的學(xué)者們對(duì)深度學(xué)習(xí)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)證研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者將深度學(xué)習(xí)理論引入國(guó)內(nèi)，并進(jìn)行了研究。然而，具體到化學(xué)學(xué)科目前有關(guān)化學(xué)深度學(xué)習(xí)的研究成果并不多見(jiàn)。張發(fā)新基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深度學(xué)習(xí)概念的界定的分析，認(rèn)為深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵包括幾個(gè)方面：一是深入理解學(xué)科基本思想、學(xué)科基本思維及其結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)；二是深刻領(lǐng)會(huì)并掌握學(xué)科知識(shí)的符號(hào)意義、邏輯意義的學(xué)習(xí)；三是促進(jìn)學(xué)生深化認(rèn)識(shí)知識(shí)價(jià)值意義的學(xué)習(xí)[3]。劉巖和張發(fā)新認(rèn)為化學(xué)教學(xué)中的深度學(xué)習(xí)具有五個(gè)主要特征：注重批判理解、強(qiáng)調(diào)知識(shí)整合、關(guān)注知識(shí)的建構(gòu)、著意遷移運(yùn)用、強(qiáng)調(diào)面向?qū)嵺`應(yīng)用。他們認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)化學(xué)教學(xué)中的深度學(xué)習(xí)要著重落實(shí)三個(gè)操作性核心要素，即真實(shí)、反思和遷移[4]。按照化學(xué)深度學(xué)習(xí)的已有研究和觀點(diǎn)，我們以高中化學(xué)魯科版《化學(xué)2（必修）》“原電池的工作原理”為例，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)施。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)思路

簡(jiǎn)要的教學(xué)設(shè)計(jì)思路如下：創(chuàng)設(shè)情境（伏打電池的發(fā)明）——視頻投影（世界首架干電池動(dòng)力飛機(jī)）——分組實(shí)驗(yàn)（鋅粉與稀硫酸反應(yīng)）——利用氧化還原反應(yīng)的知識(shí)分析該反應(yīng)——引發(fā)“化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能”的猜想——實(shí)驗(yàn)探究原電池的工作原理——引導(dǎo)學(xué)生分析原電池的工作原理——水果電池的設(shè)計(jì)——解決問(wèn)題（為格林太太開(kāi)藥方）。該教學(xué)設(shè)計(jì)在學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知基礎(chǔ)上，通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，并通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)探究的方式，在一系列的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題串的啟發(fā)下促進(jìn)學(xué)生思考和探究，讓學(xué)生進(jìn)行自我反思體悟建構(gòu)原電池的工作原理，最后將原電池的工作原理應(yīng)用于水果電池的設(shè)計(jì)和為格林太太開(kāi)藥方，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)和方法的遷移應(yīng)用。整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程符合已有的對(duì)化學(xué)深度學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)。

三、教學(xué)目標(biāo)

1. 理解原電池的工作原理，能判斷正負(fù)極，了解電極反應(yīng)式。

2. 通過(guò)學(xué)生經(jīng)歷假設(shè)與猜想、設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出結(jié)論、應(yīng)用結(jié)論解決問(wèn)題的過(guò)程，逐步探究出原電池的工作原理，并學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

3. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，感受化學(xué)世界的奇妙，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、探索求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)品質(zhì)。

四、教學(xué)難點(diǎn)及其突破策略

教學(xué)難點(diǎn)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，逐步引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原反應(yīng)本質(zhì)理解原電池的工作原理及其應(yīng)用。采用情境創(chuàng)設(shè)、問(wèn)題探究、圖像輔助等教學(xué)方式，由淺入深，循序漸進(jìn)，逐步突破的辦法引領(lǐng)學(xué)生理解和突破本節(jié)課的難點(diǎn)。

五、教學(xué)主要過(guò)程

[創(chuàng)設(shè)情境]1786年，意大利著名生物學(xué)家伽伐尼通過(guò)蛙腿收縮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“生物電”。1799年，意大利著名的物理學(xué)家伏打通過(guò)對(duì)伽伐尼的發(fā)現(xiàn)做了研究，發(fā)明了第一個(gè)化學(xué)電池“伏打電池”?？茖W(xué)家對(duì)原電池進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究和改進(jìn)，現(xiàn)在同學(xué)們比較熟悉的電池有干電池、鉛蓄電池、鋰電池、燃料電池等。

[師]同學(xué)們，干電池的作用大家肯定比較了解，但160個(gè)干電池作為動(dòng)力可以讓一架飛機(jī)起飛，你們信嗎？

[投影] 播放視頻——世界首架有人駕駛的干電池動(dòng)力飛機(jī)試飛成功。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)蛙腿實(shí)驗(yàn)、伏打電池的介紹、干電池動(dòng)力飛機(jī)的投影及常見(jiàn)電池的介紹，讓學(xué)生了解原電池發(fā)展史的同時(shí)，也讓學(xué)生們感受到化學(xué)實(shí)驗(yàn)的巨大魅力及作用，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)生的求知欲望。

[過(guò)渡]電池是我們非常熟悉的東西，那么你們知道干電池內(nèi)部的工作原理嗎？

[學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)]取適量0.5mol·L-1稀硫酸滴入盛有鋅粉的試管中，然后將溫度計(jì)插入溶液中，過(guò)一段時(shí)間再測(cè)溶液的pH，并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[現(xiàn)象] 溫度計(jì)示數(shù)上升，溶液中產(chǎn)生大量的氣泡，溶液的pH變大。

[設(shè)計(jì)問(wèn)題串，引發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維]

問(wèn)題1：從化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)分析：鋅粉與稀硫酸反應(yīng)屬于哪類反應(yīng)；從化合價(jià)變化的角度分析：該反應(yīng)又屬于什么反應(yīng)，此類反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么？

問(wèn)題2：鋅粉失去電子，硫酸電離出的氫離子在鋅的表面得到電子生成氫氣，并放出熱量。那么，能否利用該反應(yīng)產(chǎn)生其他形式的能，如電能？

問(wèn)題3：如果可以產(chǎn)生電能，那么怎樣才能檢測(cè)到反應(yīng)產(chǎn)生電能？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

實(shí)驗(yàn)用品：鋅片、銅片、電流計(jì)、導(dǎo)線、稀硫酸、燒杯等。

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}1與問(wèn)題2讓學(xué)生意識(shí)到鋅粉與稀硫酸的反應(yīng)既是放熱反應(yīng)又是氧化還原反應(yīng)；回顧氧化還原反應(yīng)的特征（元素化合價(jià)的變化）及實(shí)質(zhì)（電子的轉(zhuǎn)移），并結(jié)合物理電學(xué)的相關(guān)知識(shí)（電子的定向移動(dòng)形成電流），引導(dǎo)學(xué)生大膽假設(shè)利用該反應(yīng)可以產(chǎn)生電能，培養(yǎng)學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力。問(wèn)題3主要引導(dǎo)學(xué)生從閉合回路的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并用電流計(jì)檢測(cè)電流。

[學(xué)生活動(dòng)] 探究利用化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能

[實(shí)驗(yàn)1]將鋅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象并做好記錄。

[實(shí)驗(yàn)2]將鋅片與銅片平行的插入盛有稀硫酸的燒杯中。一段時(shí)間后，將鋅片與銅片接觸，觀察現(xiàn)象并做好記錄。

[實(shí)驗(yàn)3]將鋅片與銅片用導(dǎo)線連接，平行插入盛有稀硫酸的燒杯中，并將電流計(jì)接在導(dǎo)線的中間，觀察現(xiàn)象并做好記錄。

[學(xué)生]實(shí)驗(yàn)1鋅片表面上產(chǎn)生氣泡，銅片上無(wú)明顯現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)2接觸前鋅片有氣泡，銅片無(wú)氣泡，而接觸后銅片表面也產(chǎn)生氣泡且更劇烈（此時(shí)鋅片也能觀察到少量氣泡）；實(shí)驗(yàn)3銅片產(chǎn)生氣泡，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生意識(shí)到只有釋放能量的氧化還原反應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化，而非所有釋放能量的化學(xué)反應(yīng)都能轉(zhuǎn)化為電能。引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)類似科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的一般過(guò)程，在探究過(guò)程中完成知識(shí)的自主建構(gòu)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、觀察、合作交流、解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

[設(shè)計(jì)3個(gè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析原電池的工作原理]

問(wèn)題1：實(shí)驗(yàn)3產(chǎn)生電流的原因？

問(wèn)題2：銅片上產(chǎn)生什么氣體？怎樣證明？

問(wèn)題3：銅片上的氫氣是如何產(chǎn)生？H+獲得的電子是鋅片還是由銅片提供？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}1讓學(xué)生回顧初中物理有關(guān)電學(xué)知識(shí)；問(wèn)題2主要讓學(xué)生學(xué)會(huì)從微粒觀角度去分析產(chǎn)生氫氣的原因（硫酸在水中電離產(chǎn)生H+，同時(shí)也讓學(xué)生意識(shí)到不是銅電極發(fā)生反應(yīng)）；問(wèn)題3引導(dǎo)學(xué)生從溶液的顏色（銅若失電子，溶液會(huì)變藍(lán)）分析提供電子的物質(zhì)。三個(gè)問(wèn)題環(huán)環(huán)相扣，一步步引導(dǎo)學(xué)生去思考問(wèn)題，最終揭示原電池的工作原理。

[結(jié)論一]化學(xué)反應(yīng)能產(chǎn)生電能，原電池就是利用氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。

[多媒體動(dòng)畫(huà)展示]鋅-銅原電池中的電子得失及電子、燒杯中離子移動(dòng)的方向。

設(shè)計(jì)意圖：Flash動(dòng)畫(huà)展示既能吸引學(xué)生的注意力，又能更加直觀、清晰地展現(xiàn)離子、電子、電流流動(dòng)方向及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這避免學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為在化學(xué)電池中電流是電子的連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成的，同時(shí)便于學(xué)生從微粒觀的角度去理解原電池工作原理。

[結(jié)論二]原電池的工作原理：是利用鋅、銅兩個(gè)電極的電極電勢(shì)的不同（鋅比銅的低），產(chǎn)生電勢(shì)差，鋅失去電子沿著導(dǎo)線向銅電極發(fā)生定向移動(dòng)，產(chǎn)生電流。

[提出問(wèn)題]鋅片與銅片分別發(fā)生哪種類型反應(yīng)，并用式子表示出來(lái)。

[教師引導(dǎo)共同得出結(jié)論三]電極及電極反應(yīng)式：

鋅片（負(fù)極：電子流出的一極）：Zn - 2e-Zn2+（氧化反應(yīng)）；

銅片（正極：電子流入的一極）：2H+ + 2e- H2↑（還原反應(yīng)）。

設(shè)計(jì)意圖：部分學(xué)生在寫(xiě)正極反應(yīng)式時(shí)，往往寫(xiě)成銅得電子，其根本原因是沒(méi)能弄清金屬只能失電子及沒(méi)能弄清銅片有大量電子。通過(guò)書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)方程式，結(jié)合原電池工作原理圖，再次引導(dǎo)學(xué)生從微粒觀角度分析理解原電池工作原理，實(shí)現(xiàn)從感性到理性、現(xiàn)象到本質(zhì)的突破，解決本節(jié)課的難點(diǎn)。

[學(xué)生活動(dòng)] 請(qǐng)根據(jù)剛才所學(xué)知識(shí)，制作蘋(píng)果電池。

設(shè)計(jì)意圖：即學(xué)即用，既能鞏固所學(xué)知識(shí)，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)來(lái)源于生活，又應(yīng)用于生活。

[交流討論]《格林太太的假牙》的故事。

六、基于實(shí)驗(yàn)探究促進(jìn)學(xué)生化學(xué)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)反思

本節(jié)課的特點(diǎn)是利用學(xué)生已有的認(rèn)知水平，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究來(lái)解決化學(xué)重要知識(shí)，同時(shí)設(shè)計(jì)一系列為教學(xué)服務(wù)的問(wèn)題串，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的能力，從而幫助學(xué)生深刻理解原電池的工作原理，最終幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)化學(xué)深度學(xué)習(xí)。

1. 利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)及學(xué)生的已有認(rèn)知，創(chuàng)設(shè)一系列的問(wèn)題情境

教師在教學(xué)活動(dòng)中，要善于借助化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)挖掘新舊知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，并利用學(xué)生已有的知識(shí)體系去設(shè)計(jì)問(wèn)題情境，并進(jìn)行有針對(duì)性的分組討論，提出解決問(wèn)題思路，逐步提升學(xué)生的認(rèn)知水平。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)及問(wèn)題探究中，化學(xué)的學(xué)科素養(yǎng)也得到了提升。

2. 發(fā)揮教師在實(shí)驗(yàn)探究中的組織和引導(dǎo)作用，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的能力

在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，教師的組織和引導(dǎo)是非常重要的。在原電池的工作原理教學(xué)中，涉及金屬與溶液的導(dǎo)電性、電解質(zhì)的電離及氧化還原反應(yīng)等相關(guān)知識(shí)，學(xué)生已有的認(rèn)知有限，教師如果不對(duì)實(shí)驗(yàn)加以引導(dǎo)、啟發(fā)的話，學(xué)生可能無(wú)法著手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，達(dá)不到良好的教學(xué)效果。反之，教師有目的性地設(shè)置一系列遞進(jìn)式的問(wèn)題串后，組織學(xué)生依據(jù)問(wèn)題進(jìn)行分組討論后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后組織學(xué)生再對(duì)各種方案加以對(duì)比、分析、評(píng)價(jià)后，最后形成較為科學(xué)嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生也就很快依據(jù)實(shí)驗(yàn)探究得到正確的結(jié)論。

3. 利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生用微粒觀分析問(wèn)題的能力

教師在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從微粒觀的角度對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的宏觀現(xiàn)象（沉淀、氣泡、顏色變化、溫度變化等） 進(jìn)行分析，組織學(xué)生大膽假設(shè)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終讓學(xué)生明白問(wèn)題的本質(zhì)。本節(jié)教學(xué)中，電子是鋅片還是由銅片提供，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察溶液顏色及離子的特征去分析實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，這樣處理有利于引導(dǎo)學(xué)生在今后遇到類似問(wèn)題，知道問(wèn)題解決的切入點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生分析、探究問(wèn)題的習(xí)慣養(yǎng)成，提升解決問(wèn)題能力。

總之，通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生從被動(dòng)地接受知識(shí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)去探索新知，有利于學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、動(dòng)眼觀察、動(dòng)腦思維、動(dòng)口表達(dá)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程成為發(fā)現(xiàn)認(rèn)知的過(guò)程，學(xué)生在認(rèn)知的同時(shí)，邏輯思維、探究思維、創(chuàng)造思維得到全面發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)了化學(xué)深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部制定.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：人民教育出版社，2003

[2] 閻乃勝.深度學(xué)習(xí)視野下的課堂情境[J].教育發(fā)展研究，2013，（12）：76-79

[3] 張發(fā)新.談化學(xué)教學(xué)中“深度學(xué)習(xí)”的內(nèi)涵及實(shí)施策略[J].現(xiàn)代基礎(chǔ)教育研究，2015，（9）：196-201

[4] 劉巖，張發(fā)新.化學(xué)教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐與探索[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（9）：19-23