基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知探究玩具車(chē)的工作原理

袁萍

【摘要】本文以“鹽水玩具車(chē)”為真實(shí)情境，采用實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)方式完成“四問(wèn)題——四任務(wù)”的教學(xué)流程，最后以“自主設(shè)計(jì)原電池”落實(shí)原電池認(rèn)知模型，旨在落實(shí)培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析”等化學(xué)核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】原電池;教學(xué)設(shè)計(jì);情境;核心素養(yǎng)

一、教材分析

《原電池》在新教材必修第二冊(cè)第六章化學(xué)反應(yīng)與能量第一節(jié)，對(duì)比舊人教版第二章第二節(jié)，不同點(diǎn)在內(nèi)容設(shè)計(jì)上增加了原電池原理示意圖、簡(jiǎn)易電池的設(shè)計(jì)與制作，其中含水果電池;模塊設(shè)計(jì)上增加了“化學(xué)反應(yīng)與能量”的實(shí)踐活動(dòng)，突出培養(yǎng)學(xué)生的宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析的核心素養(yǎng)。知識(shí)內(nèi)容上的相同點(diǎn)既是對(duì)氧化還原反應(yīng)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為選修學(xué)習(xí)雙液電池、燃料電池等知識(shí)作鋪墊，培養(yǎng)學(xué)生感受宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析、模型認(rèn)知與證據(jù)推理的核心素養(yǎng)，體會(huì)辯證與統(tǒng)一思想。本節(jié)課融合了氧化還原反應(yīng)、金屬的性質(zhì)、電解質(zhì)溶液等知識(shí)，還與物理學(xué)科的電學(xué)相聯(lián)系，綜合性較強(qiáng)。

二、學(xué)情分析

學(xué)生的基礎(chǔ)偏差，對(duì)于實(shí)驗(yàn)探究模型意識(shí)薄弱，較難跟上實(shí)驗(yàn)探究思維，但為了逐步加深學(xué)生的思維邏輯性，最終采用結(jié)合真實(shí)情境的實(shí)驗(yàn)探究及任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式。化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為主的科學(xué)，通過(guò)小組實(shí)驗(yàn)為主，感受原電池的形成與工作原理。學(xué)生已有的基礎(chǔ)：知道Zn、Cu單獨(dú)與酸反應(yīng)的現(xiàn)象，知道電子與電流的流動(dòng)方向，了解生活中電池的構(gòu)造等。

前概念：氧化劑與還原劑只能接觸才能反應(yīng)。

困惑點(diǎn)：為何在實(shí)驗(yàn)中正、負(fù)極均有氣泡產(chǎn)生;陰、陽(yáng)離子的移動(dòng)方向;原電池裝置如何應(yīng)用于化學(xué)電源。

三、教學(xué)目標(biāo)

（1）能從宏觀(guān)現(xiàn)象和微觀(guān)變化的角度解釋鋅銅原電池的工作原理，真實(shí)情境得出原電池概念。

（2）在對(duì)鋅銅原電池工作的原理探究的過(guò)程中，體驗(yàn)構(gòu)建原電池的模型，培養(yǎng)宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析素養(yǎng)。

（3）依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出原電池的反應(yīng)原理及本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)。

（4）通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)新的原電池，設(shè)計(jì)新的電池使玩具車(chē)啟動(dòng)，感受化學(xué)變化中能量轉(zhuǎn)化的獨(dú)特魅力和價(jià)值，培養(yǎng)科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。

四、教學(xué)思路

整節(jié)課熟練應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究與問(wèn)題鏈相結(jié)合的教學(xué)方式，融合真實(shí)情境，結(jié)合當(dāng)下能源發(fā)展的主題，深入貫穿培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)。

以“鹽水玩具車(chē)”為真實(shí)情境切入，并播放玩具車(chē)運(yùn)行視頻，分成8小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究以完成“四問(wèn)題——四任務(wù)”為主線(xiàn)，最后以“自主設(shè)計(jì)原電池”落實(shí)原電池模型，通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)培養(yǎng)“宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析”素養(yǎng)。具體教學(xué)思路如圖1。

五、教學(xué)過(guò)程

1.生活情境導(dǎo)入

任務(wù)一：猜一猜，玩具車(chē)跑動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化

【引入】關(guān)于玩具車(chē)大家都玩過(guò)，接下來(lái)看個(gè)視頻了解下這種玩具車(chē)是如何運(yùn)行的？

教師：視頻中往這個(gè)盒子里滴加了什么？

學(xué)生：鹽水。

教師：滴了之后觀(guān)察到什么現(xiàn)象呢？存在哪些能量轉(zhuǎn)化呢？

學(xué)生：有電流產(chǎn)生，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能再轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。滴加的是什么呢？

【演示實(shí)驗(yàn)】教師就有這樣一個(gè)玩具車(chē)噴一種液體，小小的玩具車(chē)（如右圖2）能夠跑動(dòng)。連接電流表，將電池取出來(lái)連接電流表，并觀(guān)察現(xiàn)象。

學(xué)生：看到指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)了，說(shuō)明產(chǎn)生電流

師：這個(gè)盒子里面是什么呢？我們拆開(kāi)看下

學(xué)生：是鋅片、銅片和一塊濾紙。

設(shè)計(jì)意圖：看見(jiàn)小小的玩具車(chē)，實(shí)驗(yàn)中不明的噴不知名的液體，并且這樣就有電流產(chǎn)生，可以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)該電池的進(jìn)一步探究。培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.分組實(shí)驗(yàn)初步建構(gòu)原電池模型

【提出問(wèn)題】任務(wù)二：找一找，玩具車(chē)中的電流從哪里來(lái)？

【設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)1】將鋅片與銅片先后放入同盛有稀硫酸溶液的燒杯中，觀(guān)察鋅片、銅片現(xiàn)象。學(xué)生獨(dú)立利用氧化還原反應(yīng)雙線(xiàn)橋解釋鋅片、銅片的現(xiàn)象。

提問(wèn)1：鋅片上產(chǎn)生氣泡，這種氣體是什么？反應(yīng)原理是什么呢？

學(xué)生1：氫氣

學(xué)生2

問(wèn)2：既然有電子的轉(zhuǎn)移，那么存在電流嗎？

學(xué)生：不存在。

教師：為什么？

學(xué)生：因?yàn)樾枰须娮拥亩ㄏ蛞苿?dòng)，可以連接導(dǎo)線(xiàn)

師：怎樣才能將電流體現(xiàn)出來(lái)？

學(xué)生：用電流表。

【實(shí)驗(yàn)2】用導(dǎo)線(xiàn)將鋅片、銅片連接起來(lái)，觀(guān)察并解釋鋅片、銅片上的現(xiàn)象，用電流表體現(xiàn)電流的產(chǎn)生，完成教學(xué)案上的第二部分，繼續(xù)建構(gòu)模型。

教師：觀(guān)察到什么現(xiàn)象？

學(xué)生1：觀(guān)察到兩邊電池都會(huì)產(chǎn)生氣泡，并且鋅片上的氣泡快且多，不能很清晰的看到銅片的現(xiàn)象。

學(xué)生2：可否換一種溶液讓鋅片不產(chǎn)生氣泡，只讓銅片上產(chǎn)生氣泡呢？

教師：好的，那我們先在原有的基礎(chǔ)上補(bǔ)充模型。

學(xué)生

教師：那為什么會(huì)出現(xiàn)你們所看到的情況呢？

學(xué)生：因?yàn)殇\本身就會(huì)與硫酸反應(yīng)，且速率快。

設(shè)計(jì)意圖：按照實(shí)驗(yàn)探究的模型：提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、評(píng)價(jià)方案、得出結(jié)論，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)收集科學(xué)證據(jù)和確立尋找證據(jù)的途徑;學(xué)會(huì)利用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋龌瘜W(xué)變化，解釋化學(xué)現(xiàn)象;培養(yǎng)學(xué)生從微觀(guān)的角度去理解宏觀(guān)變化的思維以及“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.完善原電池模型——鋅銅原電池

任務(wù)三：完善原電池模型

師：先完善外電路的電子流動(dòng)方向。

學(xué)生：電流由正極流向負(fù)極，電子由負(fù)極流向正極。

【問(wèn)題3】?jī)?nèi)電路（溶液中）的電子流動(dòng)方向？提示：原電池的條件需要形成閉合回路。

學(xué)生：陰離子流向負(fù)極，陽(yáng)離子流向正極。

【問(wèn)題4】為什么陰離子向負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子為什么向正極移動(dòng)？

學(xué)生：正極附近留下大量OH-離子，導(dǎo)致SO24-離子流向負(fù)極，同種電荷相互排斥;負(fù)極產(chǎn)生大量的陽(yáng)離子，與SO24- 離子正負(fù)電荷相吸。

【問(wèn)題5】負(fù)極發(fā)生什么反應(yīng)，正極發(fā)生什么反應(yīng)？

學(xué)生：負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。

教師：完善初始模型，最終形成鋅銅原電池模型（如圖3左學(xué)生繪制，圖形右）。

【問(wèn)題6】原電池的模型出來(lái)呢，那如何找原電池的正負(fù)極呢？

學(xué)生1：活潑性強(qiáng)的金屬做負(fù)極，較不活潑的做正極。

學(xué)生2：一般現(xiàn)象表現(xiàn)為逐漸溶解的作負(fù)極，一般現(xiàn)象為冒氣泡或析出固體的作正極。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中逐漸形成批判精神和創(chuàng)新思維，突出了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行，構(gòu)建了鋅銅原電池的結(jié)構(gòu)模型，以此推到原電池的認(rèn)知模型。

4.發(fā)展原電池模型——能使玩具車(chē)跑動(dòng)的原電池

【設(shè)計(jì)新原電池】實(shí)驗(yàn)藥品：電流計(jì)（導(dǎo)線(xiàn)）、鎂片、石墨片、銅片、NaCl溶液、稀硫酸，由學(xué)生自主討論，設(shè)計(jì)，并畫(huà)出內(nèi)外電路模型的離子和電子的流動(dòng)方向，展示，點(diǎn)評(píng)。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行創(chuàng)新性?xún)?yōu)化，學(xué)會(huì)用已有知識(shí)和方法解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”學(xué)科核心素養(yǎng)。

5.改進(jìn)原電池實(shí)驗(yàn)

針對(duì)學(xué)生在以上提出的問(wèn)題，如果課堂時(shí)間有剩余的話(huà)，可以選擇儀器或操作的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，僅展示不需講解。

學(xué)生1：可不可以在銅片那邊加入不跟銅反應(yīng)的溶液，這樣銅電極附近就不會(huì)產(chǎn)生氣泡了。

學(xué)生2：兩邊的溶液分開(kāi)可以，在各自的容器中。

學(xué)生3：然后加一根能夠?qū)щ姷你~絲連接兩個(gè)容器，這樣可以嗎？

師：由于時(shí)間關(guān)系，同學(xué)們可以查閱相關(guān)的資料來(lái)解決大家的疑問(wèn)，以上大家的思考非常不錯(cuò)。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生從性質(zhì)及所觀(guān)察的現(xiàn)象等維度結(jié)合起來(lái)，得出最適合的實(shí)驗(yàn)裝置，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神，學(xué)會(huì)將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際生活。

六、教學(xué)反思

《原電池》的教學(xué)設(shè)計(jì)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)，設(shè)置問(wèn)題情境，在學(xué)生自主探究、主動(dòng)構(gòu)建模型的過(guò)程中落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。鋅銅原電池是化學(xué)電源的具體模型，它模擬了對(duì)象物的正負(fù)極、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體以及閉合回路等。從鋅和硫酸銅溶液的接觸反應(yīng)到單液原電池裝置模型，組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并觀(guān)察、分析、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、推論預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)裝置、自我評(píng)價(jià)等，提升學(xué)生對(duì)單液原電池工作原理的認(rèn)識(shí)水平，構(gòu)建科學(xué)的原電池模型。

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