培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的教學實踐研究
——以“原電池工作原理”教學為例

朱將娥 南俊民

(1.華南師范大學化學與環(huán)境學院 510006;2.廣東省惠州市第八中學 516001)

一、教學思路

1.設(shè)計理念

原電池工作原理是高中階段學習化學反應(yīng)原理的典型代表.在本節(jié)的教學中，原電池構(gòu)成條件判斷、正負極判斷、電極式書寫、設(shè)計原電池和雙液電池是學習的要點.

2.教材分析

“原電池工作原理”是魯科版化學選修4《化學反應(yīng)原理》第1章第3節(jié)內(nèi)容，前兩節(jié)依次為“化學反應(yīng)的熱效應(yīng)”和“電能轉(zhuǎn)化為化學能——電解”.教材以“能量轉(zhuǎn)化”為主線，先定量描述化學反應(yīng)的熱效應(yīng)，再通過電解和電池介紹電能與化學能相互轉(zhuǎn)化的具體形式.第3節(jié) “化學能轉(zhuǎn)化為電能——電池”包含3個部分：原電池工作原理、化學電源和金屬的腐蝕與防護.其中，“原電池工作原理”是本節(jié)教學的重點.

二、教學設(shè)計和實踐

1. 回顧化學反應(yīng)與能量變化知識判斷原電池，培養(yǎng)變化觀念與平衡思想

學生在必修課階段學習能量變化，主要是了解化學能與其他能量(熱能、電能和光能)的轉(zhuǎn)化，并且遵循能量守恒定律.其中原電池是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.這些知識因只作過簡單介紹，往往使學生對這些內(nèi)容印象不深，再加上前一節(jié)剛學習了電能轉(zhuǎn)化為化學能的裝置——電解池，對本節(jié)知識學習容易造成混淆，為此設(shè)計了如下的學習任務(wù)1.

學習任務(wù)1 ：原電池中涉及的能量變化及其構(gòu)成條件

師：(演示實驗)①將鋅片插入硫酸銅溶液；②將鋅片與銅片一起插入硫酸銅溶液；③將鋅片與銅片用導線連接后插入硫酸銅溶液.問：請描述這三個實驗的現(xiàn)象，分別涉及哪些能量的轉(zhuǎn)化？生：①鋅片表面有紅色固體附著，化學能轉(zhuǎn)化為熱能；②鋅片表面有紅色固體附著，銅片表面無明顯變化，化學能轉(zhuǎn)化為熱能；③鋅片逐漸溶解，銅片變厚，化學能轉(zhuǎn)化為電能.師：實驗③中化學能轉(zhuǎn)化為電能，它通過定量的一個反應(yīng)源源不斷地提供電能嗎？為什么？生：不能.這不符合能量守恒原理.師：根據(jù)實驗回顧，構(gòu)成原電池的條件有哪些？ 生：(多個學生回答綜合)構(gòu)成條件包括閉合回路、活潑性不同的兩個電極、電解質(zhì)溶液和能自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng).師：呈現(xiàn)熱化學方程式：

ΔH=-216.81 KJ·mol-1

ΔH=216.81KJ·mol-1

提出問題：為什么在這個原電池中，Zn與CuSO4溶液能反應(yīng)放電，而逆向反應(yīng)不能放電呢？

生：通常情況下，Zn與CuSO4溶液反應(yīng)是化學能轉(zhuǎn)化為熱能，在原電池中是化學能轉(zhuǎn)化為電能，而逆向反應(yīng)在能量變化中不能自發(fā)進行.

設(shè)計意圖：演示實驗?zāi)芗ぐl(fā)學習欲望，學生感知實驗中同一個化學反應(yīng)既能由化學能轉(zhuǎn)化為熱能，又能由化學能轉(zhuǎn)化為電能，培養(yǎng)學生變化觀念.在原電池形成條件中通過補充熱化學方程式，從理論上提供了能量轉(zhuǎn)化的依據(jù)；實驗③說明一個定量的化學反應(yīng)不能源源不斷提供能量，熱化學方程式中焓變數(shù)據(jù)為定值都能讓快速回顧能量守恒定律相關(guān)知識，培養(yǎng)平衡思想.

2.巧設(shè)問題鏈判斷原電池正負極，培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析能力

學習任務(wù)2：從宏觀、微觀角度判斷原電池正負極

師：將剛才演示實驗③中的銅-鋅-硫酸銅原電池接上檢流計，問：電流流向？哪一極為正極、哪一極為負極？生：從銅電極流向鋅電極；銅電極為正極，鋅電極為負極.師：我們一起觀察分析該原電池，從宏觀上可以通過哪些直觀現(xiàn)象判斷原電池的正負極呢？生：(多個學生回答綜合)化學反應(yīng)類型方面，發(fā)生氧化反應(yīng)的一極為負極；電極材料方面，通常較活潑的一極為負極；電極質(zhì)量方面，質(zhì)量會減少的一極為負極.師：將該原電池的電解液硫酸銅溶液換成稀硫酸，引導學生找出與上述不同的現(xiàn)象并判斷正負極.生：該原電池中銅電極表面有氣泡產(chǎn)生，所以電極反應(yīng)中若有氣泡冒出的一極為正極.師：投影出鎂-鋁-氫氧化鈉溶液原電池，請同學們繼續(xù)分析該原電池的正負極.生1：鎂較活潑，鎂電極為負極.生2：鎂電極表面有氣泡產(chǎn)生，故鎂電極為正極.師：以上兩位同學的說法都有依據(jù)，究竟個答案是正確的呢？請同學們從微觀角度分析.生：在這個原電池中，事實上是鋁與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)，鋁元素失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，故鋁電極為負極，鎂電極為正極.師：原電池的正負極判斷中，哪種判斷依據(jù)是適用于各類型原電池的呢？生：從宏觀上發(fā)生氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)的電極判斷，或從微觀上得失電子角度判斷正負極是適用于各類型原電池的.

設(shè)計意圖：宏觀上辨識原電池正負極有多種方法，引導學生從多角度辨識原電池正負極，培養(yǎng)學生的宏觀辨識能力.通過鎂-鋁-氫氧化鈉溶液原電池正負極的分析，讓學生自相矛盾，自己區(qū)分正負極判斷依據(jù)并非全部適用于各類原電池，能培養(yǎng)學生辨證能力，再從微觀(得失電子)角度探析原電池正負極，并歸納出適用各類原電池正負極判斷依據(jù)，培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析能力.

3.書寫電極反應(yīng)式，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知能力

在 “電解池”一節(jié)中，學生已經(jīng)學習過電極反應(yīng)式的書寫，聯(lián)系兩者，均是形成閉合回路，通過電子、離子移向模型推斷電極反應(yīng)式的書寫.但是“電解池”中有電源，電源的正負極對應(yīng)陰陽極，電極反應(yīng)式相對較易推導出；原電池得先判斷正負極，并判斷得失電子的物質(zhì)，才有可能書寫電極反應(yīng)式.因此，設(shè)計了如下的學習任務(wù)3.

學習任務(wù)3：通過原電池模型，推斷電極反應(yīng)式的書寫

師：投影銅鋅硫酸銅原電池實驗裝置模型圖(圖1).

我們已經(jīng)知道：宏觀上，該原電池的現(xiàn)象是鋅片逐漸溶解，銅片變厚；微觀上，Zn失電子， Cu2+得電子.那么，該如何書寫該原電池兩極的電極反應(yīng)式呢？

生：書寫負、正極電極反應(yīng)式.

生：從氧化還原反應(yīng)的角度拆分，若書寫電極反應(yīng)式，可以將電池反應(yīng)式畫出雙線橋，然后將雙線橋分成兩部分，每一條橋?qū)懗梢粋€半反應(yīng)，就是電極反應(yīng)式了.

設(shè)計意圖：化學學習最重要的是需要將知識運用化學符號表達出來.在原電池電極反應(yīng)式書寫過程中，通過建立宏觀的原電池模型，引領(lǐng)學生對原電池電子流向的微觀探析，便于形成立體思路，能幫助學生提取有效信息，以電極反應(yīng)式的形式進行化學符號表達.引導學生依據(jù)氧化還原反應(yīng)雙線橋分析元素得、失電子，從已知的知識推理出正、負極電極反應(yīng)式，培養(yǎng)學生證據(jù)推理能力，同時解決本節(jié)難點.

4.設(shè)計原電池分組實驗，培養(yǎng)實驗探究與創(chuàng)新意識

在學習了原電池構(gòu)成條件、正負極判斷、電極反應(yīng)式書寫后，學生有能力進行相關(guān)原電池的設(shè)計和分組實驗.為此，把設(shè)計原電池并進行分組實驗作為本次教學的學習任務(wù)4.

學習任務(wù)4：設(shè)計原電池并進行分組實驗

師：提供實驗儀器和藥品：鐵片、銅片、石墨棒、檢流計(G)、導線、大燒杯、FeCl3溶液，請學生按小組選擇上述儀器和藥品設(shè)計成一個原電池并進行實驗.

生：設(shè)計原電池，書寫正負極電極反應(yīng)式.

設(shè)計意圖：設(shè)計兩組實驗，其中第一組是提供儀器和藥品，讓學生設(shè)計原電池，培養(yǎng)學生實驗探究能力.第二組是只給出原電池總反應(yīng)式，要求學生設(shè)計電極材料及電解質(zhì)溶液，不同的學生會選取不同的電極材料，給學生創(chuàng)新的空間，培養(yǎng)創(chuàng)新意識.

5.從能量轉(zhuǎn)換效率出發(fā)學習雙液電池，培養(yǎng)科學精神與社會責任

理論只有聯(lián)系了實際才能為我們所用.簡單的單液原電池不能提供穩(wěn)定電流，只有將實際應(yīng)用中遇到的問題解決，才能掌握原電池的原理，這將通過如下的學習任務(wù)5來實現(xiàn).

學習任務(wù)5：了解鹽橋，學習雙液電池

師：我們前面所進行的是簡單的單液原電池設(shè)計和實驗，事實上，這類原電池不能長時穩(wěn)定供電.細心的同學會發(fā)現(xiàn)，演示實驗③的原電池中負極鋅片上也有紅色物質(zhì)附著，這是為什么？請小組討論并代表發(fā)表觀點.生：我們小組認為，鋅直接置換出單質(zhì)銅并附著于表面.師：怎么證明你們的觀點？生：思考、討論、回答.首先鋅與硫酸銅溶液直接接觸，部分鋅失去電子可能不經(jīng)外電路而直接傳遞給溶液中的Cu2+，生成單質(zhì)銅.這里的能量變化主要是化學能轉(zhuǎn)化為熱能，可以使用溫度計測量溶液中的溫度變化確定.所以這部分本來可以轉(zhuǎn)化為電能的化學能卻轉(zhuǎn)化成了熱能，造成能源浪費.師：要避免這種情況發(fā)生，只能將鋅片與硫酸銅溶液分離，這樣原電池就會斷路，解決此問題的方式就是使用鹽橋.生：了解鹽橋的制備方法和使用說明，學習雙液電池.

設(shè)計意圖：學生自行觀察實驗發(fā)現(xiàn)單液電池的弊端，思考并尋找解決該弊端的方法，培養(yǎng)將化學成果應(yīng)用于生產(chǎn)生活的意識，依據(jù)實際條件運用化學知識解決生產(chǎn)生活中的化學問題.通過單液電池部分化學能轉(zhuǎn)化成熱能造成浪費的角度，讓學生明白化學服務(wù)于社會過程中要盡量避免浪費.這是培養(yǎng)學生科學精神和社會責任感的良好契機.

三、實踐教學反思與討論

本教學過程是“原電池工作原理”完整一課時的課堂實錄.教學設(shè)計主要有原電池構(gòu)成條件判斷、正負極判斷、電極式書寫、設(shè)計原電池以及雙液電池的學習五個部分.對比教學設(shè)計與教學實踐，以下幾個方面需要引起特別關(guān)注.

首先，在原電池構(gòu)成條件判斷中，可添加熱化學方程式說明電勢差是原電池構(gòu)成條件.學生判斷Zn與CuSO4溶液反應(yīng)是化學能轉(zhuǎn)化為熱能，同時，推理該反應(yīng)也能是化學能轉(zhuǎn)化為電能的過程，是培養(yǎng)學生“證據(jù)推理”能力的好方式.

其次，電極反應(yīng)式是原電池工作原理的重點，在書寫電極反應(yīng)式教學過程中，可采用“宏-微-符”表征的方式.電極反應(yīng)式作為一種化學符號，能夠通過原電池的宏觀現(xiàn)象揭示微粒的微妙變化，結(jié)合實驗裝置模型，聯(lián)系氧化還原反應(yīng)雙線橋法，達到培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知能力的目標.

再者，在雙液電池的學習中，關(guān)于培養(yǎng)科學精神與社會責任方面體現(xiàn)的不夠明顯，需要引起特別注意.教師可以設(shè)計拓展實驗，讓學生課余時間使用水果、銅絲、鐵絲、棉布等常見材料設(shè)計雙液電池.另外，課后可以收集一些廢舊電池帶到學校，分析廢舊電池工作原理，同時引導學生不亂丟廢電池，保護環(huán)境，這樣讓學生在課外也能培養(yǎng)社會責任.

發(fā)展學生核心素養(yǎng)的“核心”是促進人的全面發(fā)展，根本目的是“使教育轉(zhuǎn)向人、聚焦人、發(fā)展人”.我國還主要處于對核心素養(yǎng)的理論研究上，對學生發(fā)展核心素養(yǎng)研究的實踐很少，對化學學科核心素養(yǎng)的研究更少.一線教師多學習理論，將理論聯(lián)系教學實踐促進學生發(fā)展核心素養(yǎng)顯得尤為迫切.