建構(gòu)“原電池認(rèn)知模型”的課堂教學(xué)

王振 黃耿陽

摘要：圍繞“讓小車跑起來”的真實(shí)問題，分析銅一鋅原電池的裝置構(gòu)成和工作原理，初步建構(gòu)原電池二維認(rèn)識(shí)模型并讓學(xué)生根據(jù)模型設(shè)計(jì)化學(xué)電源讓小車跑起來，建構(gòu)教學(xué)評(píng)一致性的教學(xué)設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞：認(rèn)識(shí)模型;化學(xué)電源;教學(xué)評(píng)一致性

文章編號(hào)：1008-0546（2021）08-0050-06

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.014

化學(xué)電源是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，也稱原電池，是高中化學(xué)電化學(xué)的重要組成。原電池對(duì)學(xué)生能量觀的形成，以及能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的理解至關(guān)重要。新課標(biāo)明確指出，要充分利用雙液銅鋅原電池、鉛蓄電池、氫氧燃料電池等案例素材，組織學(xué)生開展分析解釋、推論預(yù)測、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等學(xué)習(xí)活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生對(duì)原電池工作原理的認(rèn)識(shí)，建立對(duì)電化學(xué)過程的系統(tǒng)分析思路，提高學(xué)生對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)[1]。教材內(nèi)容由淺入深、由易到難、由孤立到系統(tǒng)，呈螺旋上升趨勢(shì)[2]。如蘇教版新教材，高一《化學(xué)必修（下冊(cè)）》專題6化學(xué)反應(yīng)與能量變化，第三單元化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化，第1課時(shí)介紹了經(jīng)典的Znl稀H2SO4|Cu單液原電池以及電池的工作原理，第2課時(shí)介紹了各種各樣的“化學(xué)電池”?！痘瘜W(xué)反應(yīng)原理》，進(jìn)一步引入能量轉(zhuǎn)化效率高且穩(wěn)定的雙液原電池，并要求學(xué)生能根據(jù)原電池原理分析解決陌生情境下的問題。

已有研究表明[3]：建立原電池認(rèn)知模型，有利于學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)化、問題解決思路化。筆者在化學(xué)電源新授課，嘗試在教學(xué)巾引導(dǎo)學(xué)生初步建構(gòu)“原電池認(rèn)知模型”，并基于模型分析各種電池，使原電池知識(shí)結(jié)構(gòu)化，問題解決思路化，也為雙液原電池的學(xué)習(xí)作鋪墊。

一、原電池認(rèn)知模型

電化學(xué)因概念原理抽象而集中，學(xué)生易形成迷思概念和認(rèn)知負(fù)荷，往往在以下2個(gè)方面遇到困難[4]：①存在關(guān)于電化學(xué)的偏差或錯(cuò)誤認(rèn)識(shí);②分析和解決電化學(xué)問題時(shí)缺少認(rèn)識(shí)角度與合理思路，系統(tǒng)性差。借鑒王磊等[5]提出的電化學(xué)認(rèn)識(shí)模型，建構(gòu)原電池認(rèn)知模型[6]，需要在教學(xué)中逐步建構(gòu)和完善，建立原電池三維認(rèn)識(shí)模型，見圖1。橫坐標(biāo)表示原電池的裝置維度（失電子場所、電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體、得電子場所），縱坐標(biāo)表示原電池的原理維度（電極反應(yīng)物、電極產(chǎn)物、微觀過程、宏觀現(xiàn)象），斜坐標(biāo)能量維度表示化學(xué)能與其他能量轉(zhuǎn)化的形式（電能、熱能、機(jī)械能）。能量維度也是促使化學(xué)電源由單液往雙液，膜電池等質(zhì)量小、電流大、穩(wěn)定高效升級(jí)的“驅(qū)動(dòng)力”，當(dāng)然電池電流受氧化還原反應(yīng)類型、電極材料、離子濃度、電池內(nèi)阻等內(nèi)外因素有關(guān)，新授課要注意難度的把控，引導(dǎo)學(xué)生初步建構(gòu)原電池認(rèn)識(shí)模型，并在以后的教學(xué)中逐步深入探究。

二、創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境

新課標(biāo)明確指出，教學(xué)中應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，組織學(xué)生開展基于能量利用需求選擇反應(yīng)、設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)化路徑和裝置等活動(dòng)，形成合理利用化學(xué)反應(yīng)中能量變化的意識(shí)和思路，提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者以鋅一銅稀硫酸原電池驅(qū)動(dòng)玩具小車創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，通過分析玩具小車的能量來源，建構(gòu)原電池裝置和原理的平面認(rèn)知模型。

新課標(biāo)重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，積極倡導(dǎo)“教、學(xué)、評(píng)”一體化。制定本課的教學(xué)評(píng)一致性目標(biāo)，見表1，以及貫串課堂的四條線（情景線、問題線、知識(shí)線、模型線），見表2。

創(chuàng)設(shè)驅(qū)動(dòng)型問題，讓學(xué)生小組設(shè)計(jì)新的化學(xué)電池讓玩具小車跑起來，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并派小組代表匯報(bào)，讓學(xué)生思維和解決問題過程外顯化。在分析玩具小車異?，F(xiàn)象的過程中，如鋅電極依然產(chǎn)生氣泡放熱，建構(gòu)原電池認(rèn)識(shí)模型的能量維度。學(xué)生設(shè)計(jì)的簡單電池能量轉(zhuǎn)化效率低，在為了讓小車跑的更快的問題驅(qū)動(dòng)下，電池創(chuàng)新指向能量轉(zhuǎn)化效率更高的方向優(yōu)化進(jìn)階。教師演示改用“伏打堆”電池，改進(jìn)的串聯(lián)電池讓小車更快的跑起來，有意向地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，以及視頻展示特斯拉電動(dòng)汽車和飛機(jī)賽跑的視頻，讓學(xué)生切實(shí)感受化學(xué)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。基于原電池認(rèn)知模型，分析教師的電動(dòng)車，以及氫氧燃料電車的化學(xué)電源，回顧生活，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。

三、教學(xué)過程

1.問題情境

【情境引入】每個(gè)小組一輛簡易玩具車（配有小馬達(dá)、導(dǎo)線以及老虎夾），見圖2。將鋅片和銅片連接在馬達(dá)的2根導(dǎo)線上，放入塑料杯，然后往燒杯中倒入稀硫酸，觀察現(xiàn)象。

【生】小車動(dòng)起來了，銅片和鋅片表面產(chǎn)生了氣泡。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，以學(xué)生已知的鋅銅稀硫酸形成的原電池引入，激發(fā)學(xué)生的探究學(xué)習(xí)興趣，為后面依此為基礎(chǔ)深入剖析原電池，并再此基礎(chǔ)上建構(gòu)原電池認(rèn)識(shí)模型做好鋪墊。

2.模型建構(gòu)

【問題l】這套裝置由哪幾部分構(gòu)成，各部分有什么作用？

【師】這個(gè)裝置相當(dāng)于小車的電池，我們把這樣的裝置稱為化學(xué)電源或原電池。這套原電池裝置由哪幾部分構(gòu)成，各部分有什么作用呢？

【生】由鋅片、銅片、稀硫酸和導(dǎo)線組成（各部分作用學(xué)生答不上來）。

【師】各部分作用呢？

【生】沉默。

【師】我們可以先從現(xiàn)象分析，我們看到什么現(xiàn)象？

【生】鋅片和銅片上產(chǎn)生了氣泡，應(yīng)該是氫氣。

【師】氫氣是怎樣產(chǎn)生的？

【生】2H++2e-一H2↑

【師】電子是從哪里來的？導(dǎo)線有什么作用？

【生】2n-2e-一Zn2+鋅片失去電子，經(jīng)過導(dǎo)線，到銅片。導(dǎo)線作用是讓電子通過。鋅片作用是失去電子，銅片的作用是得到電子。

【師】板書畫圖橫坐標(biāo)，鋅片作用是失電子場所，銅片作用是得電子場所，導(dǎo)線是讓電子接力傳遞，所有導(dǎo)線作用是電子導(dǎo)體。

【師】溶液不帶電，電解質(zhì)溶液怎樣保持電中性的？

【師】總結(jié)得很好。電極反應(yīng)式的書寫，根據(jù)化學(xué)價(jià)的變化找出電極反應(yīng)物和生成物，在結(jié)合電解質(zhì)對(duì)產(chǎn)物的影響，根據(jù)離子方程式書寫規(guī)則，寫出電極反應(yīng)式。相對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的鋅銅稀硫酸形成的原電池，鉛蓄電池用完電后還可以充電，所以鉛蓄電池也稱為二次電池，可以重復(fù)使用，缺點(diǎn)是笨重，鉛有毒，廢棄污染大。如果從對(duì)環(huán)境友好的角度，我們選擇什么能源更好？

【生】氫能。

【問題5】你能分析一下氫氧燃料電池工作原理嗎？

【師】氫氣和氧氣的燃燒，能設(shè)計(jì)成電池嗎？

【生l】2H2+02一2H20，這是個(gè)氧化還原反應(yīng)應(yīng)該可以吧。

【生2】都是氣體，應(yīng)該不可以吧。

【視頻】我國首條氫氧燃料電車成功運(yùn)行。

【回歸教材】化學(xué)研究者為了滿足生活的各種需要，研發(fā)了各種電池，氫氧燃料設(shè)計(jì)成的環(huán)保型電池已投入使用，你能結(jié)合圖分析寫出氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式。

【生】負(fù)極H2-2e-一2H+;正極02+4e-一202-。

【師】考慮酸性電解質(zhì)溶液，氧離子和氫離子結(jié)合生成水。正極電極式，應(yīng)該寫成02+4e-+4H+一2H20。電極并不一定要參與反應(yīng)，板書見圖7。

設(shè)計(jì)意圖：從情境由玩具小車引入到生活中的鉛蓄電動(dòng)車，知識(shí)線由一次電池引入到二次電池。電極并不一定要參與反應(yīng)。區(qū)別電極材料和反應(yīng)物等。

【師】總結(jié)提升

特斯拉電動(dòng)車電池，可以彎曲的電池，一些服裝廠家開始設(shè)計(jì)出帶有芯片和傳感器的運(yùn)動(dòng)裝備，能夠在運(yùn)動(dòng)巾檢測心率、血壓，還能在APP中生成健康報(bào)告[9]，讓我們的生活變得更加美好….

四、教學(xué)反思

原電池因知識(shí)抽象集中，知識(shí)分散在高中教材，使知識(shí)螺旋遞進(jìn)，這樣雖然分散了壓力，卻容易造成認(rèn)知錯(cuò)誤、理解困難等迷思概念。原電池單元教學(xué)，采用第1課時(shí)認(rèn)識(shí)原電池的構(gòu)成條件，第2課時(shí)建構(gòu)原電池認(rèn)識(shí)模型認(rèn)識(shí)各種電池。高二階段在高一的基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)雙液原電池。高三則是系統(tǒng)建構(gòu)陌生情境下對(duì)電池的認(rèn)識(shí)分析思路。

本節(jié)課選擇第二節(jié)嘗試建構(gòu)原電池認(rèn)識(shí)模型，并用模型解決問題，知識(shí)容量較大，課時(shí)短。導(dǎo)致上課講授不夠充分，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)應(yīng)該在投入一些時(shí)間引導(dǎo)學(xué)生從宏觀表征，發(fā)現(xiàn)問題，找到簡單原電池的能量轉(zhuǎn)化的弊端。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新只是定性地讓小車跑動(dòng)起來，但定量的測量小車啟動(dòng)最低電流等。原電池從能量的角度是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，但并不能百分之百地轉(zhuǎn)化為電能，不可避免地產(chǎn)生熱和機(jī)械能等，這也是促使電池研究者提高能量轉(zhuǎn)化率不斷探索努力的方向。這也是教材編寫的思路，由簡單的鋅一銅單液原電池，向鋅一銅雙液原電池，乃至膜電池等其他復(fù)雜電池的進(jìn)階思路。

電極反應(yīng)式的書寫，因課時(shí)有限，略顯匆忙?？梢栽诹矸殖梢还?jié)課來講，講解到位，并初步引入雙液原電池，以及陌生電池的分析。建構(gòu)完善系統(tǒng)化的分析思路，再講解電解池，避免知識(shí)的交叉混淆。初步建構(gòu)原電池的認(rèn)識(shí)模型，雖然避免了一些迷思概念，如總結(jié)“離子不入水”，電子在外電路定向移動(dòng)，在溶液巾則是離子定向移動(dòng)。原電池內(nèi)電路巾陰、陽離子定向移動(dòng)的原因，主要是離子受到了電場力和擴(kuò)散力的共同作用。

參考文獻(xiàn)

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[7]騰訊視頻.世界上最快的電動(dòng)汽車與波音737賽跑特斯拉這次究竟行不行[EB/OL].（ 2018-04- 14）[2020- 8-25].htt ps： //v .qq.com/x/page/a0629x6ek2m.html

[8]好看視頻.特斯拉電動(dòng)車電池拆解[EB/OL].（2020- 06-II）[ 2020-8-25] .https：//haokan.l）aidu.com/v？vid=170289135209641786lO&pd=hjh&fr=hjhauthor&type=video

[9]王俊祺，楊明生，徐浩年.化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的課堂實(shí)錄——探究原電池的發(fā)展[J].化學(xué)教育（中英文），2020，41（3）：33-37