基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)
———以2019年湖北省好課堂展示課“原電池”為例

◇ 湖北 余 騰 李 欣

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中界定了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),其中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”旨在培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí),并基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè),同時(shí)建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系,最終能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律.該素養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的一種重要的方法,也是學(xué)生掌握化學(xué)基本理論和原理以分析解決實(shí)際問題能力的重要手段.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是現(xiàn)代信息化發(fā)展的產(chǎn)物,利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)定量化、可視化的特點(diǎn),從定量及微觀的角度收集不同層次的證據(jù),有助于學(xué)生對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象形成直觀理解,便于證據(jù)的收集,進(jìn)行推理研究,利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和呈現(xiàn),能有效地幫助學(xué)生構(gòu)建模型認(rèn)知.

人教版《選修4》第四章第一節(jié)“原電池”承接了《必修2》相關(guān)知識(shí)內(nèi)容,該內(nèi)容是發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的重要載體.原電池內(nèi)容的學(xué)習(xí)是難點(diǎn),而雙液原電池內(nèi)容更抽象,在該內(nèi)容的學(xué)習(xí)中學(xué)生產(chǎn)生了諸多疑問.例如,負(fù)極鋅片為何產(chǎn)生氣泡?與單液原電池相比,雙液原電池的優(yōu)點(diǎn)在哪里?雙液原電池的工作原理又是怎樣的?筆者將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與素養(yǎng)教學(xué)進(jìn)行深度融合,通過(guò)真實(shí)數(shù)據(jù)的變化,將“微觀過(guò)程宏觀化”,以此形成證據(jù)加以推理,讓學(xué)生能自主比較兩種模型的優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)一步揭示原電池工作原理的本質(zhì),發(fā)展學(xué)生抽象思維和邏輯思維能力,形成解決原電池問題的一般思路和方法,從而促進(jìn)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一核心素養(yǎng)的提升.

2 教學(xué)設(shè)計(jì)思路和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的滲透

人教版《必修2》教材中以鋅銅單液電池為例讓學(xué)生建立最簡(jiǎn)單的原電池模型認(rèn)知,并通過(guò)證據(jù)推理讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)原電池的工作原理.《選修4》中采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)以帶鹽橋的鋅銅雙液電池為例發(fā)展學(xué)生的原電池模型認(rèn)知,提升學(xué)生對(duì)原電池的工作原理的認(rèn)識(shí).整個(gè)教學(xué)過(guò)程分7個(gè)部分(如圖1所示).

圖1

整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開展,使用到溫度傳感器、電流傳感器、鉀離子濃度傳感器.將“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)以潛移默化的方式滲透在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中.具體過(guò)程如下:先通過(guò)發(fā)現(xiàn)單液原電池“負(fù)極Zn片”上有氣泡這個(gè)小問題,引發(fā)認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生的興趣,接著利用溫度傳感器和電流傳感器找到單液原電池存在的不足,引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,自然而然引出鹽橋;再利用鉀離子濃度傳感器探究鹽橋的作用,構(gòu)建雙液原電池工作原理的模型,最后讓學(xué)生自制課本上的濾紙鹽橋,親自體驗(yàn)雙液原電池,強(qiáng)化模型的認(rèn)知,同時(shí)布置開放性的課堂作業(yè),增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感.

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教材分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中要求:認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)意義及其重要應(yīng)用,了解原電池的工作原理.人教版《選修4》中的學(xué)習(xí)內(nèi)容,旨在讓學(xué)生認(rèn)識(shí)“模型”是化學(xué)學(xué)科重要的思維方法,電池的發(fā)展是逐步深入的,每前進(jìn)一步,都建立在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上,“單液原電池”發(fā)展到“雙液原電池”,再到現(xiàn)在的“膜電池”,科學(xué)實(shí)驗(yàn)一直是推動(dòng)知識(shí)革新的重要手段.

3.2 學(xué)情分析

學(xué)生在《必修2》學(xué)習(xí)到了原電池的基本知識(shí),初步認(rèn)識(shí)了原電池的形成條件和工作原理,但對(duì)單液原電池存在的不足、雙液原電池的優(yōu)點(diǎn)以及雙液原電池工作原理的認(rèn)識(shí)不夠深入.本節(jié)課的教學(xué)可以基于學(xué)生的已有認(rèn)知,通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段認(rèn)識(shí)到模型方法對(duì)理論建構(gòu)的作用、模型的發(fā)展特征以及證據(jù)推理在其中的重要作用.

3.3 教學(xué)目標(biāo)

1)通過(guò)進(jìn)一步強(qiáng)化原電池模型的認(rèn)知,掌握單液原電池的工作原理.

2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究,發(fā)現(xiàn)單液原電池存在的問題,思考改進(jìn)的方法.

3)了解鹽橋在構(gòu)成雙液原電池中的重要作用以及雙液原電池的工作原理,深刻體會(huì)氧化還原反應(yīng)與原電池的關(guān)系.

4)通過(guò)對(duì)已有原電池工作原理建立的認(rèn)知,能自行推斷鹽橋原電池內(nèi)、外電路產(chǎn)生電流的原因,并用平衡的觀念加以解釋,發(fā)展“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng).

3.4 教學(xué)過(guò)程

1)鞏固原有知識(shí)

【問題1】什么是原電池?形成原電池的條件有哪些?

給出Zn(s)＋2 H＋(aq)＝Zn2＋(aq)＋H2(g)ΔH＜0這樣一個(gè)自發(fā)的氧化還原反應(yīng),根據(jù)投影上原電池裝置(如圖2),將該電池工作原理呈現(xiàn)在學(xué)案上(見表1).

圖2

表1

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】重溫原電池實(shí)驗(yàn),注意觀察鋅片、銅片及電流表的變化,看看是否有新的發(fā)現(xiàn).結(jié)束后分享實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)提出問題以及填寫工作原理表格的方式,來(lái)回顧單液原電池的基本知識(shí).再通過(guò)學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn),觀察到3種現(xiàn)象:鋅片上有大量氣泡產(chǎn)生、銅片上有少量氣泡產(chǎn)生和電流表指針偏轉(zhuǎn).發(fā)現(xiàn)“鋅片上有氣泡”這一反常現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,為后面進(jìn)一步探究做鋪墊.

2)探索新發(fā)現(xiàn)

【問題2】(1)鋅片上為什么有氣泡?請(qǐng)給出理由.(學(xué)生討論)

(2)鋅片上直接生成H2,必然導(dǎo)致化學(xué)能的損失,那這里又存在何種形式能量的轉(zhuǎn)換?

【設(shè)計(jì)意圖】根據(jù)真實(shí)現(xiàn)象,提出問題(1),讓學(xué)生充分討論,發(fā)散思維.很容易得出導(dǎo)致鋅片上產(chǎn)生氣泡的兩點(diǎn)原因:①Zn不純,鋅和雜質(zhì)直接構(gòu)成原電池,氫氣在Zn表面析出;②Zn和H＋直接接觸導(dǎo)致H2的產(chǎn)生.再通過(guò)問題(2)過(guò)渡到捕捉能量變化的角度來(lái)思考,既培養(yǎng)了學(xué)生深度思考、解決問題的高階能力,又為引出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)埋下伏筆.

3)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

【教師實(shí)驗(yàn)1】步驟1:打開軟件Logger Pro 3.14,連接數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器.

步驟2:連接原電池裝置,加入0.8 mol·L－1H2SO4溶液,將溫度傳感器插入溶液中.

步驟3:點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集,將溫度傳感器靠近鋅片,調(diào)節(jié)自動(dòng)比例,采集一段時(shí)間數(shù)據(jù),停止.

【問題3】看到什么現(xiàn)象?通過(guò)現(xiàn)象說(shuō)明什么問題?

【教師實(shí)驗(yàn)2】再用電流傳感器測(cè)定上述單液原電池電流變化(為節(jié)省課堂時(shí)間,采取視頻播放),如圖3.

【問題4】通過(guò)視頻看到什么現(xiàn)象?說(shuō)明什么問題?

圖3

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)會(huì)借助新技術(shù)觀察微觀過(guò)程、分析問題形成證據(jù),得到真實(shí)的數(shù)據(jù)和結(jié)果:a)發(fā)現(xiàn)單液原電池中化學(xué)能會(huì)以熱能的形式進(jìn)行損失(溫度傳感器監(jiān)測(cè)到Zn片表面溫度升高);b)電流的傳輸會(huì)降低(隨著反應(yīng)進(jìn)行,電流逐漸減小).這些都為得出單液原電池能量轉(zhuǎn)換效率不高提供證據(jù).

4)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

【問題5】為了使化學(xué)能更多地轉(zhuǎn)化為我們需要的電能,可以對(duì)實(shí)驗(yàn)加以怎樣的改進(jìn)?

(小組討論)

學(xué)生嘗試畫出改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置圖(如圖4).

【教師實(shí)驗(yàn)3】將鹽橋連入圖4-丙電路中,觀察電流計(jì)指針變化.

圖4

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)問題5和小組討論,總結(jié)出可能原因:a)Zn片不純;b)Zn和H＋直接接觸,對(duì)比發(fā)現(xiàn)想找到絕對(duì)純凈的Zn是很難的,應(yīng)該從改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,讓Zn和H＋不直接接觸的角度來(lái)解決問題.再通過(guò)學(xué)生畫改進(jìn)裝置時(shí)所有可能出現(xiàn)的情況,依次分析是否能構(gòu)成原電池,最終通過(guò)教師實(shí)驗(yàn)3來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證,糾正“化學(xué)反應(yīng)只有反應(yīng)物相互接觸時(shí)才能發(fā)生”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),讓學(xué)生深刻體會(huì)氧化還原反應(yīng)和原電池的關(guān)系.

5)探究鹽橋作用

【問題6】帶鹽橋的原電池工作原理是怎樣的?

【問題7】?jī)?nèi)電路離子如何移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電流?(學(xué)生討論得出自己猜想)

【設(shè)計(jì)意圖】讓學(xué)生參照單液原電池模型,從微觀角度推理出:負(fù)極Zn失電子變成Zn2＋,導(dǎo)致負(fù)極Zn所在的燒杯中正電荷相對(duì)增加,所以猜想Cl－向負(fù)極Zn片所在的燒杯移動(dòng);正極Cu片上積累大量電子,同時(shí)H＋得電子變成H2,導(dǎo)致正極Cu片所在的燒杯負(fù)電荷相對(duì)增加,所以猜想K＋向正極Cu所在的燒杯移動(dòng).這樣根據(jù)已有的模型認(rèn)知,能進(jìn)行大膽推測(cè),學(xué)會(huì)在變化的新知識(shí)中,利用平衡的思想來(lái)解決問題.

【教師實(shí)驗(yàn)4】利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),選用K＋濃度傳感器來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證(考慮到K＋濃度傳感器的標(biāo)定時(shí)間長(zhǎng),采取提前錄制視頻,現(xiàn)場(chǎng)播放的形式).

【設(shè)計(jì)意圖】利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有的直觀性特點(diǎn),準(zhǔn)確得出K＋的移動(dòng)方向,幫助學(xué)生對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象形成直觀理解,總結(jié)出鹽橋中離子移動(dòng)的規(guī)律,最后驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性.通過(guò)K＋濃度傳感器檢測(cè)K＋濃度,觀察K＋濃度的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì),有利于學(xué)生形成證據(jù),再依據(jù)真實(shí)證據(jù)理解難以肉眼觀察的微觀物質(zhì)移動(dòng).進(jìn)一步發(fā)展證據(jù)推理,強(qiáng)化模型認(rèn)知的核心素養(yǎng).

【問題8】和傳統(tǒng)原電池相比,帶鹽橋的原電池的電能轉(zhuǎn)化效率如何?電流有何不同?

我們通過(guò)溫度傳感器和電流傳感器再一次進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

【教師實(shí)驗(yàn)5】用溫度傳感器和電流傳感器測(cè)定鹽橋原電池中溫度和電流的變化.

【設(shè)計(jì)意圖】利用溫度傳感器和電流傳感器對(duì)雙液原電池同時(shí)進(jìn)行負(fù)極測(cè)溫、測(cè)定電流變化通過(guò)得出的數(shù)據(jù)和單液原電池進(jìn)行對(duì)比,基于證據(jù)分析得出:雙液原電池比單液原電池的優(yōu)勢(shì)是能量轉(zhuǎn)化效率更高,電流更穩(wěn)定!

6)自制濾紙鹽橋

【問題9】鹽橋神奇嗎?我們也能利用身邊的一些器材,設(shè)計(jì)成鹽橋原電池.給出Zn片、Cu片、濾紙、食鹽水、導(dǎo)線、靈敏電流表、100 mL燒杯2個(gè)、砂紙(用于打磨).

【設(shè)計(jì)意圖】將鹽橋原電池的模型用于實(shí)際;親身體驗(yàn)雙液原電池模型,感受創(chuàng)新應(yīng)用知識(shí)產(chǎn)生的巨大價(jià)值,發(fā)展科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí).

7)調(diào)查電池現(xiàn)狀

【小組合作】查閱有關(guān)2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的資料,將鋰電池的電極選擇、安全性能、工作原理、電池容量四個(gè)方面整理成小論文.

【設(shè)計(jì)意圖】全面了解電池的價(jià)值以及舊電池的危害;培養(yǎng)合作、交流的能力;養(yǎng)成“關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)問題、參與社會(huì)熱點(diǎn)問題”的習(xí)慣和意識(shí),發(fā)展學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的科學(xué)素養(yǎng).

4 教學(xué)反思

《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》中明確指出:積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式、體驗(yàn)式等課堂教學(xué),要認(rèn)真開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué),推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合,加強(qiáng)教學(xué)研究和指導(dǎo).數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是教育信息化的產(chǎn)物,有效地推動(dòng)了教育教學(xué)的發(fā)展,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足,使微觀過(guò)程“可視化”,模型構(gòu)建“證據(jù)化”.比如在文中,利用溫度傳感器探測(cè)Zn片附近溫度變化,用電流傳感器監(jiān)測(cè)單液原電池電流變化,均以直觀的圖形曲線進(jìn)行呈現(xiàn),讓學(xué)生更加直接地觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)進(jìn)程.在引入鹽橋后構(gòu)成雙液原電池時(shí),再利用“K＋濃度傳感器”探測(cè)K＋的遷移方向,將難以理解的微觀過(guò)程真實(shí)地展現(xiàn)出來(lái),以此為證據(jù)構(gòu)建和強(qiáng)化雙液原電池模型,從而深刻地理解原電池的基本原理.給學(xué)生提供了更多有意義的思考和培養(yǎng)了更高階的思維.