基于化學(xué)核心素養(yǎng)的模型建構(gòu)研究
——以原電池的工作原理為例

鄭曉爍， 林曉明，覃路珠

(1.汕頭市潮師高級(jí)中學(xué)，廣東 汕頭515154； 2.華南師范大學(xué)， 廣州510006)

1 設(shè)計(jì)思想

1.1 觀念取向

在原電池工作原理的學(xué)習(xí)中主要體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)觀和模型觀。

1.2 對(duì)核心素養(yǎng)的看法

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱新課標(biāo))指出證據(jù)推理與模型認(rèn)知是高中化學(xué)的五大核心素養(yǎng)之一。本節(jié)課是基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知的視角認(rèn)識(shí)原電池工作的本質(zhì)特征，探究銅鋅原電池電流的形成過程，認(rèn)識(shí)到原電池中微粒運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)變化的內(nèi)在聯(lián)系。在探究過程中建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?宏觀模型)、符號(hào)模型以及微觀模型，并運(yùn)用三大模型解釋原電池工作原理的本質(zhì)和規(guī)律，幫助學(xué)生建立認(rèn)知模型，鍛煉學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)、歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)以及對(duì)模型的認(rèn)知能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

2 教材分析

2.1 教材知識(shí)體系分析

原電池的工作原理是高中化學(xué)人教版必修2第二章第二節(jié)化學(xué)能與電能的內(nèi)容，其他兩節(jié)分別是化學(xué)能與熱能、化學(xué)反應(yīng)的速率和限度。教材先學(xué)習(xí)化學(xué)能與熱能，再學(xué)習(xí)化學(xué)能與電能，符合由易到難，由簡單到復(fù)雜的過程，也符合學(xué)生的認(rèn)知水平[1]。

第二節(jié)化學(xué)能與電能又包括化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化以及化學(xué)發(fā)展中的化學(xué)電源這兩部分內(nèi)容，先學(xué)習(xí)原理，再學(xué)習(xí)原理的應(yīng)用，將理論應(yīng)用于實(shí)踐，符合社會(huì)價(jià)值觀，體現(xiàn)出了具有科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)。人教版第二章教材知識(shí)體系以及人教版第二章第二節(jié)教材知識(shí)體系分別如圖1、圖2所示。

圖1 人教版第二章教材知識(shí)體系Fig.1 Knowledge system of the second chapter of PEP teaching materials

圖2 人教版第二章第二節(jié)教材知識(shí)體系Fig.2 Knowledge system of the second section in the second chapter of PEP teaching materials

2.2 課標(biāo)分析

課程目標(biāo)：能用符號(hào)表征物質(zhì)及其變化；能認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的關(guān)系[2]。課程內(nèi)容：意識(shí)到化學(xué)科學(xué)研究需要實(shí)證與推理，注重宏觀與微觀的聯(lián)系；以原電池為例知曉化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原反應(yīng)的角度初步認(rèn)識(shí)原電池的工作原理。

3 學(xué)生情況分析

通過初中化學(xué)、必修一、必修二第一章、必修二第二章第一節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)了解了氧化還原反應(yīng)、物質(zhì)的反應(yīng)、微粒的運(yùn)動(dòng)、能量的轉(zhuǎn)化等知識(shí)點(diǎn)，為原電池的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。圍繞學(xué)生已有的對(duì)氧化還原反應(yīng)知識(shí)的了解開展應(yīng)用性探究更符合學(xué)生認(rèn)知的螺旋式發(fā)展規(guī)律[3]。

4 教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

4.1 教學(xué)目標(biāo)

(1)了解原電池原理，能寫出簡單原電池的電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)式。(2)通過探究銅鋅原電池電流的形成過程，認(rèn)識(shí)到原電池中的微粒運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，逐漸滲透模型觀。(3)通過學(xué)習(xí)原電池的功能，讓學(xué)生體會(huì)原電池的工作原理對(duì)于解決問題的意義，提高學(xué)生聯(lián)系生活學(xué)習(xí)化學(xué)并將化學(xué)應(yīng)用于生活的意識(shí)。

4.2 評(píng)價(jià)目標(biāo)

(1)通過書寫原電池的電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)式診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)原電池工作原理的認(rèn)知水平。(2)通過分析原電池中微粒運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系診斷并發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知水平[4]。(3)通過運(yùn)用原電池的工作原理解決實(shí)際問題診斷并發(fā)展學(xué)生聯(lián)系生活學(xué)習(xí)化學(xué)并將化學(xué)應(yīng)用于生活的能力。

5 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：了解原電池的工作原理，學(xué)會(huì)書寫相應(yīng)的電極反應(yīng)式及電池反應(yīng)方程式[5]。

教學(xué)難點(diǎn)：解釋原電池工作的微觀原理。

6 教學(xué)流程

6.1 新課導(dǎo)入

教師：我們先來觀看一個(gè)奧斯卡最佳短片《更換電池》的小片段。在視頻中，陪伴老奶奶吃飯的機(jī)器人突然停止工作了，為什么老奶奶換上電池后機(jī)器人就滿血復(fù)活了呢？

學(xué)生：因?yàn)殡姵赜须姟?/p>

教師：嗯，對(duì)，其實(shí)是因?yàn)殡姵刂械幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為機(jī)器人提供了能量。那么原電池是如何工作的呢？本節(jié)課讓我們圍繞電池的化學(xué)能是如何轉(zhuǎn)化為電能這個(gè)核心問題來探究原電池的工作原理。

設(shè)計(jì)意圖；讓學(xué)生了解電源在生活中的應(yīng)用，引入新課，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

6.2 模型準(zhǔn)備

教師：先是進(jìn)行模型準(zhǔn)備，老師事先已經(jīng)準(zhǔn)備好了儀器和試劑。從老師的左邊往右數(shù)分別是鋅片、銅片、導(dǎo)線、賀卡、水槽、稀硫酸以及小支架。老師先連接實(shí)驗(yàn)裝置，往水槽中導(dǎo)入稀硫酸溶液，接著用導(dǎo)線連接銅、鋅電極以及賀卡?，F(xiàn)在，老師把兩個(gè)電極放入稀硫酸溶液中，請(qǐng)同學(xué)們認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D3。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experiment model

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究過程使學(xué)生增強(qiáng)探索化學(xué)反應(yīng)原理的興趣[6]，并逐漸滲透實(shí)驗(yàn)觀。

6.3 模型設(shè)疑

教師：現(xiàn)在有請(qǐng)一位同學(xué)回答看到什么現(xiàn)象。

學(xué)生：賀卡響了，銅片上和鋅片上有氣泡產(chǎn)生。

教師：嗯，很棒，請(qǐng)坐。賀卡響了，說明有什么產(chǎn)生呀？

學(xué)生：電流。

教師：看來同學(xué)們都非常認(rèn)真思考?，F(xiàn)在老師就有幾個(gè)疑問了，導(dǎo)線中為什么會(huì)產(chǎn)生電流呢？鋅片和銅片上產(chǎn)生的氣體又是什么呢？根據(jù)金屬活潑性順序，銅排在氫離子后面，并不能和氫離子反應(yīng)生成氫氣，那么銅片上產(chǎn)生的氣體是什么呢？

設(shè)計(jì)意圖：(1)通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力與分析思維能力。(2)引導(dǎo)學(xué)生以問題為中心，學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

6.4 模型求解

教師：有請(qǐng)一位同學(xué)回答第一個(gè)問題，導(dǎo)線中為什么會(huì)產(chǎn)生電流呢？

學(xué)生：由于原電池發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，有電子轉(zhuǎn)移，所以產(chǎn)生了電流。

教師：謝謝，請(qǐng)坐。更加準(zhǔn)確來說是因?yàn)樵姵匕l(fā)生了氧化還原反應(yīng)，有電子轉(zhuǎn)移，電子定向移動(dòng)，所以產(chǎn)生了電流。第一個(gè)問題我們已經(jīng)順利解決了，那第二個(gè)問題來了，鋅片上產(chǎn)生的氣體是什么呢？

學(xué)生：H2。

教師：我們知道，根據(jù)金屬活潑性順序，鋅排在氫離子前面，因此，鋅可以和氫離子反應(yīng)生成氫氣?？墒牵鶕?jù)金屬活潑性順序，銅排在氫離子后面，并不能和氫離子反應(yīng)生成氫氣，那么銅片上產(chǎn)生的氣體又是什么呢？

學(xué)生：H2、O2、SO2。

學(xué)生：書寫方程式。

鋅片(負(fù)極)：Zn-2e-=Zn2+(氧化反應(yīng))

銅片(正極)：2H++2e-=H2↑(還原反應(yīng))

總：Zn+2H+=Zn2++H2↑

教師：同學(xué)書寫正確，看來同學(xué)們都能從氧化還原反應(yīng)的角度分析兩極的反應(yīng)情況以及原電池的總反應(yīng)。通過觀察兩個(gè)電極的反應(yīng)方程式我們可以發(fā)現(xiàn)，銅片上產(chǎn)生的氣體是溶液中的H+被還原生成的H2。接下來，我們來觀看一個(gè)模擬動(dòng)畫，一起來分析原電池工作的微觀原理。觀看動(dòng)畫，我們可以發(fā)現(xiàn)，鋅極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成鋅離子，銅極的氫離子得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氣，電子由鋅極流向銅極，電流由銅極流向鋅極，形成外電路。由于鋅極失去電子后，電極表面帶正電荷，銅極得到電子后，電子表面帶負(fù)電荷。由于異性電荷相互吸引，所以陽離子向銅極移動(dòng)，陰離子向鋅極移動(dòng)，形成內(nèi)電路，從而形成閉合回路，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在這里需要注意的是，電子只能在導(dǎo)線中移動(dòng)，不能在溶液中移動(dòng)，而離子只能在溶液中移動(dòng)，不能在導(dǎo)線中移動(dòng)，即電子不下水，離子不上岸。

設(shè)計(jì)意圖：(1)知道化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與其他能量形式的轉(zhuǎn)化，以原電池為例認(rèn)識(shí)化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原反應(yīng)的角度初步認(rèn)識(shí)原電池的工作原理。(2)能用符號(hào)表征物質(zhì)及其變化。(3)通過書寫原電池的電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)式診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)原電池工作原理的認(rèn)知水平。(4)通過分析原電池工作的微觀原理，認(rèn)識(shí)到原電池中的微粒運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，逐漸滲透模型觀。

6.5 模型認(rèn)知

教師：在前面的學(xué)習(xí)中我們建立了三種模型，先在模型準(zhǔn)備環(huán)節(jié)建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)賀卡響了，鋅片上和銅片上都有氣體產(chǎn)生，分析了電流產(chǎn)生的原因以及銅片上產(chǎn)生的氣體是何種物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M模型見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)M模型Fig.4 Experiment simulation model

接著在模型求解環(huán)節(jié)從氧化還原反應(yīng)的角度分析銅鋅兩個(gè)電極的反應(yīng)以及原電池的總反應(yīng)，并書寫相應(yīng)的方程式，建立了符號(hào)模型：

鋅片(負(fù)極)：Zn-2e-=Zn2+(氧化反應(yīng))

銅片(正極)：2H++2e-=H2↑(還原反應(yīng))

總：Zn+2H+=Zn2++H2↑

建立符號(hào)模型后，通過觀看模擬動(dòng)畫分析體系中的微粒移動(dòng)情況，即外電路的電子移動(dòng)情況和內(nèi)電路的離子移動(dòng)情況，并建立微觀模型，見圖5。

圖5 微觀模型Fig.5 Micro model

設(shè)計(jì)意圖：(1)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知能力。(2)學(xué)會(huì)用三重表征策略學(xué)習(xí)電化學(xué)知識(shí)，樹立正確的電化學(xué)問題分析思維方法。

6.6 課堂小結(jié)

教師：現(xiàn)在，讓我們對(duì)本節(jié)課所學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。本節(jié)課我們圍繞化學(xué)能如何轉(zhuǎn)化為電能這一核心問題展開學(xué)習(xí)，并運(yùn)用模型構(gòu)建的思想在四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、符?hào)模型以及微觀模型這三種模型，然后進(jìn)行三重表征，解釋了原電池的工作原理，即原電池工作的本質(zhì)是發(fā)生氧化還原反應(yīng)。鋅極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成鋅離子，發(fā)生氧化反應(yīng)的一極是負(fù)極。銅片附近的氫離子得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氣，發(fā)生還原反應(yīng)的一極是正極。導(dǎo)線中的電子定向移動(dòng)，電子由鋅極流向銅極，電流由銅極流向鋅極，形成外電路。溶液中的陰、陽離子也發(fā)生定向移動(dòng)，陽離子由鋅極流向銅極，陰離子由銅極流向鋅極，形成內(nèi)電路，從而形成閉合回路，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。課堂小結(jié)思維導(dǎo)圖見圖6。

圖6 課堂小結(jié)的思維導(dǎo)圖Fig.6 Mind mapping of class summary

7 課后習(xí)題

牛刀小試：請(qǐng)寫出圖示原電池的電極反應(yīng)方程式以及總反應(yīng)方程式。

圖7 牛刀小試題目Fig.7 Quiz

知識(shí)提升：我們學(xué)習(xí)知識(shí)不僅要會(huì)解決課堂上的問題，還要會(huì)解決生活中的問題?，F(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)室有兩片未知的金屬片a和b，請(qǐng)問如何應(yīng)用原電池原理比較兩種未知金屬a和b的活動(dòng)性強(qiáng)弱？

設(shè)計(jì)意圖：應(yīng)用課堂所學(xué)的知識(shí)讓學(xué)生體會(huì)原電池的工作原理對(duì)于解決問題的意義，提高學(xué)生聯(lián)系生活學(xué)習(xí)化學(xué)并將化學(xué)應(yīng)用于生活的意識(shí)。

8 流程思路與亮點(diǎn)特色

本節(jié)課以新課標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，滲透證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。本節(jié)課設(shè)有新課導(dǎo)入、模型準(zhǔn)備、模型設(shè)疑、模型求解、模型認(rèn)知、課堂小結(jié)以及模型應(yīng)用七個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，在七個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中運(yùn)用了模型認(rèn)知教學(xué)策略以及三重表征教學(xué)策略；在學(xué)習(xí)過程中滲透實(shí)驗(yàn)觀及模型觀；在模型求解環(huán)節(jié)提升證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)；在多個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生分析問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生觀察、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。