基于證據推理與模型認知的整合教學設計

張新勇

摘 要：化學課程分模塊教學，模塊間的脫節(jié)之處比較多，整合教學資源，創(chuàng)造性使用教材是化學教學的要求。將必修2的“化學能轉化為電能”與選修《化學反應原理》的“原電池的工作原理”進行整合教學，形成解決原電池問題的一般思路與方法，有利于促進學生“證據推理與模型認知”素養(yǎng)的發(fā)展。

關鍵詞：原電池;整合教學設計;證據推理與模型認知

一、整合思路分析

原電池的工作原理是發(fā)展學生“證據推理與模型認知”的重要載體。蘇教版必修2的“化學能轉化為電能”以鋅銅單液電池為例讓學生建立最簡單的原電池模型認知，并通過證據推理讓學生初步認識原電池的工作原理。蘇教版選修《化學反應原理》的“原電池的工作原理”以帶鹽橋的鋅銅雙液電池為例發(fā)展學生的原電池模型認知，提升學生對原電池的工作原理的認識。但是，學生在必修2的學習過程中，由于單液電池的特點，產生諸多疑問，如：Zn片表面為什么有氣泡產生？原電池兩極材料的活潑性一定要不相同嗎？在學習選修《化學反應原理》時，由于時間跨度較長，已學內容遺忘率高，教師往往先將必修2的單液電池復習一遍，再引入雙液電池，一方面占用了課時，另一方面將單液電池模型和雙液電池模型分開教學，造成知識凌亂，不利于建立統(tǒng)一的原電池模型認知。

為此，我們將蘇教版必修2的“化學能轉化為電能”與蘇教版選修《化學反應原理》的“原電池的工作原理”整合成一個教學課時，以雙液電池模型為例讓學生認識原電池的工作原理和構成條件，再指導學生應用原電池的構成條件認識單液電池模型并比較兩種模型的優(yōu)缺點。通過知識應用幫助學生建立原電池的工作原理、形成條件及其相互關系的本質認識，形成解決原電池問題的一般思路和方法，從而促進學生“證據推理與模型認知”這一核心素養(yǎng)的提升。

二、整合教學設計

環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設情境，引入新課

【情境素材】各種化學電源，電子產品圖片。

【問題1】通過練習認識化學電源是如何產生電的。

（1）氧化還原反應：Zn+Cu2+=Zn2++Cu，請寫出還原劑發(fā)生的半反應、氧化劑發(fā)生的半反應。（2）回顧電流的定義，如何讓電子形成電流？

【總結】Zn-2e-=Zn2+;Cu2++2e-=Cu。如果還原劑失去的電子通過導線傳遞給氧化劑，電子在導線上定向移動形成電流，就產生了電。

環(huán)節(jié)2：分析概括，初建模型

【實驗1】Zn棒插入到CuSO4溶液中。

分析：Zn與Cu2+直接發(fā)生化學反應，Zn失去的電子直接傳遞給Cu2+，放出熱量，化學能轉化為熱能。

【實驗2】帶鹽橋的鋅銅雙液電池。

【提供資料】鹽橋中通常裝有含KCl飽和溶液的瓊脂，離子在鹽橋中能移動。

【實驗現象】靈敏電流計指針偏轉。

【問題2】（1）靈敏電流計指針偏轉，可以推出哪些結論？（2）體系中的四種物質（Zn、ZnSO4溶液、CuSO4溶液、Cu），哪些物質之間可能發(fā)生氧化還原反應？指出還原劑發(fā)生的半反應、氧化劑發(fā)生的半反應。

引導學生從氧化還原反應角度分析原電池的反應，幫助學生構建書寫兩極反應式的一般思路。進一步分析：Zn失去電子生成Zn2+，雖然Zn與ZnSO4溶液直接接觸，但是二者之間不能發(fā)生反應，即Zn失去的電子不能直接傳遞給Zn2+，失去的電子通過導線到達Cu棒的表面，在Cu棒的表面電子與CuSO4溶液中的Cu2+接觸，Cu2+得電子生成Cu。

【實驗3】在實驗2的裝置中取出鹽橋。

【實驗現象】靈敏電流計指針不偏轉。

指出鹽橋的作用：保持兩溶液呈電中性;形成閉合回路。

【總結】原電池的工作原理：（1）定義;（2）能量轉化;（3）兩極名稱;（4）兩極反應式;（5）導線上電子流向;（6）鹽橋中離子移向。

【問題3】請思考以下問題：（1）導線的作用是什么;（2）Zn棒的作用是什么;（3）Cu棒的作用是什么;（4）CuSO4溶液的作用是什么;（5）ZnSO4溶液的作用是什么;（6）鹽橋的作用是什么。

通過以上問題幫助學生總結帶鹽橋的雙液電池中各個部分的作用，為引導學生總結原電池的一般構成條件作鋪墊。

【問題4】請總結原電池的構成條件？

【總結】原電池的構成條件：1、自發(fā)進行的氧化還原反應;2、形成閉合回路;3、兩個電極;4、自由移動的離子。

環(huán)節(jié)3：整合應用，完善模型

【實驗4】鋅銅單液電池。

【問題5】請根據原電池的構成條件和工作原理分析此裝置能產生電流的原理？

【問題6】Zn棒表面有少量氣泡產生的原因可能是什么？

分析：（1）一方面Zn與稀硫酸直接接觸，部分Zn失去的電子在Zn棒表面被溶液中的H+直接獲得，在Zn棒表面產生氣泡，化學能轉化為熱能。（2）另一方面由于Zn比Cu活潑，部分Zn失去的電子通過導線傳遞到Cu棒的表面，溶液中的H+在Cu棒表面得電子產生氫氣，化學能轉化為電能。（3）在相同時間內，Cu棒表面產生的氣泡比Zn棒表面產生的氣泡多，說明原電池反應的速率比普通反應速率快。

【問題7】跟單液電池比較，帶鹽橋的雙液電池有哪些優(yōu)點？

雙液電池的能量轉化率更高、能產生持續(xù)穩(wěn)定的電流。

【實驗5】將實驗4的Cu棒改為Zn棒。

靈敏電流計指針不偏轉。兩極的Zn棒都參加反應失去電子，兩極的Zn棒失電子能力相同，電子無法通過導線從一極流向另一極，不能產生電流，不能構成原電池。

【強調】（1）當電極本身參加反應時，如果兩極材料相同，不能構成原電池。（2）當電極本身不參加反應時，兩極材料相同或不相同，都可能構成原電池。