培養(yǎng)有序思維，發(fā)展模型認(rèn)知

盧曉平 張賢金

摘要：基于有序思維的培養(yǎng)，在選修課程原電池工作原理的教學(xué)中，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“原電池裝置的改進(jìn)及原理”的探究教學(xué)，通過(guò)建立原電池原理的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)視角和分析思路，實(shí)現(xiàn)由單液原電池到雙液原電池裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)、原理分析和應(yīng)用舉例，培養(yǎng)有序思維，構(gòu)建有序思維模型，發(fā)展模型認(rèn)知水平。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知；有序思維；原電池

文章編號(hào)：1008-0546（2022）02-0048-05中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.010

*本文系全國(guó)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度立項(xiàng)課題教育部青年專(zhuān)項(xiàng)課題“新時(shí)代鄉(xiāng)村教師精準(zhǔn)培訓(xùn)體系構(gòu)建研究”（課題編號(hào)：EKA190518）研究成果。

在利用系統(tǒng)分析思維解決化學(xué)實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，有序思維被認(rèn)為是一種有效思維方式。所謂有序思維是在解決問(wèn)題過(guò)程中，按照一定的順序、步驟，有效完成任務(wù)的思維方式[1]。有序思維化“繁”為“簡(jiǎn)”，不僅是解決問(wèn)題的有效思維方式，也是重要的學(xué)科思維方法。本文在選修課程“原電池的工作原理”教學(xué)中，打破常規(guī)教學(xué)限制，設(shè)計(jì)了“原電池裝置的改進(jìn)及原理”的探究教學(xué)，通過(guò)建立原電池工作原理的認(rèn)識(shí)視角——這一思維的“序”，而后利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)依“序”解決雙液原電池的提出緣由、裝置構(gòu)成和工作原理。在具體問(wèn)題解決的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的有序思維，構(gòu)建有序思維模型，發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知水平。

一、教學(xué)思路和流程

在必修課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，以銅-鋅原電池為例，在復(fù)習(xí)原電池原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了建立認(rèn)識(shí)視角、電池缺陷分析、改進(jìn)設(shè)計(jì)與論證、應(yīng)用舉例與總結(jié)等4個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。教學(xué)流程如表1所示。

二、教學(xué)過(guò)程

1.建立認(rèn)識(shí)視角

【講述】基于上節(jié)課復(fù)習(xí)建構(gòu)的原電池工作原理，我們可以建立原電池原理分析的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)視角——電極反應(yīng)、電路構(gòu)成（包括外電路電子導(dǎo)體導(dǎo)電和內(nèi)電路離子導(dǎo)體導(dǎo)電）、能量轉(zhuǎn)化。

設(shè)計(jì)意圖：開(kāi)門(mén)見(jiàn)山地總結(jié)原電池原理分析的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)視角，建立后續(xù)具體問(wèn)題分析、有序思維的出發(fā)點(diǎn)。

2.電池缺陷分析

【學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)】銅鋅單液原電池工作電流的測(cè)定：將打磨好的鋅片和銅片連接電流傳感器和溫度傳感器并浸入0.5 mol/L CuSO4溶液。實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)如圖1。

【問(wèn)題】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和你預(yù)期的現(xiàn)象有何不同？

【學(xué)生回答】除了銅片表面有銅析出，鋅片表面也有銅析出；反應(yīng)過(guò)程中電流逐漸減小，溫度逐漸升高。

【問(wèn)題】結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原電池原理分析的三個(gè)視角思考為什么反應(yīng)過(guò)程電流減??？

【學(xué)生討論、回答】原電池電流減小的原因是由于Zn與Cu2+直接接觸反應(yīng)，導(dǎo)致外電路部分Cu2+沒(méi)有在正極得電子，致使反應(yīng)過(guò)程電子移動(dòng)的數(shù)目減?。粶囟壬弑硎静糠只瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能；生成的銅覆蓋在鋅片表面，使鋅失電子變困難。

【問(wèn)題】剛才我們從反應(yīng)、外電路電子移動(dòng)情況和能量轉(zhuǎn)化的視角分析電流減小的原因。那么內(nèi)電路離子移動(dòng)的情況如何呢？是否會(huì)對(duì)電流大小產(chǎn)生影響呢？

【講述】下面我們來(lái)通過(guò)微觀圖示分析原電池內(nèi)電路離子的移動(dòng)情況和離子分布變化。首先，我們應(yīng)該明確在原電池中離子移動(dòng)的動(dòng)力主要是電場(chǎng)作用和因離子濃度差引起擴(kuò)散作用[2]：即在電場(chǎng)作用下，陰離子移動(dòng)到負(fù)極，陽(yáng)離子移動(dòng)到正極；在離子濃度不均勻的溶液中，離子總是從濃度大的區(qū)域擴(kuò)散到濃度小的區(qū)域，以使溶液中的各離子濃度分布均勻。在構(gòu)成原電池裝置前，硫酸銅溶液中Cu2+、SO2-4離子分布均勻（如圖2A所示）。構(gòu)成原電池后，負(fù)極Zn溶解形成Zn2+，正極Cu2+轉(zhuǎn)化為Cu析出，使負(fù)極區(qū)的Zn2+、Cu2+濃度大于正極區(qū)對(duì)應(yīng)離子濃度，此時(shí)電場(chǎng)作用和擴(kuò)散作用一致，均使Zn2+、Cu2+向正極移動(dòng)（圖2B）。而SO2-4在反應(yīng)過(guò)程中濃度不變，但在電場(chǎng)作用下，SO2-4移動(dòng)到負(fù)極區(qū)，而移動(dòng)過(guò)程中又會(huì)受到擴(kuò)散作用的阻礙，移動(dòng)較慢。由于各離子的移動(dòng)速率不同（Zn2+、Cu2+移動(dòng)速率也可能不同），一段時(shí)間后，溶液中就會(huì)出現(xiàn)電荷不平衡的情況，如負(fù)極區(qū)負(fù)電荷過(guò)剩，正極區(qū)正電荷過(guò)剩（圖2C），這種情況也可能導(dǎo)致電流減小。

【小結(jié)】通過(guò)我們剛才的討論，我們一起來(lái)總結(jié)一下單液原電池的缺陷——電流衰減是由哪些原因引起的？我們是如何找到原因分析的出發(fā)點(diǎn)的？我們從原理模型建立原電池分析的三個(gè)視角——電極反應(yīng)、電路構(gòu)成、能量轉(zhuǎn)化出發(fā)，分析三者的變化情況。反應(yīng)的變化——鋅和硫酸銅直接接觸反應(yīng)；電路的變化——外電路電子轉(zhuǎn)移數(shù)目減少，內(nèi)電路離子分布不均；能量變化——部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量效率降低。這三個(gè)方面變化的關(guān)鍵問(wèn)題都在于鋅銅直接接觸反應(yīng)引起的。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銅鋅單液原電池的缺陷，討論缺陷成因，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)原電池原理分析的認(rèn)識(shí)視角和思路，從裝置的反應(yīng)變化、能量轉(zhuǎn)化變化、內(nèi)外電路的電子移動(dòng)變化和離子分布變化三個(gè)視角進(jìn)行有序思維，建立解決問(wèn)題的程序性思維方法。為下一環(huán)節(jié)原電池裝置的改進(jìn)分析提供有序思維范例。

3.改進(jìn)設(shè)計(jì)與論證

【問(wèn)題】通過(guò)剛才的單液原電池的缺陷分析過(guò)程，同學(xué)們能否設(shè)計(jì)一個(gè)原電池的改進(jìn)裝置，提高電流效率呢？

【學(xué)生回答】將鋅和硫酸銅分開(kāi)。

【問(wèn)題】非常好，如何將鋅和硫酸銅分開(kāi)呢？我們同樣從三個(gè)視角——電極反應(yīng)、電路構(gòu)成、能量轉(zhuǎn)化出發(fā)，設(shè)計(jì)方案對(duì)單液原電池裝置進(jìn)行改進(jìn)。從電極反應(yīng)視角分析，如何將銅-鋅單液原電池拆分為雙液原電池，使鋅與硫酸銅溶液不直接接觸？

【學(xué)生回答】鋅和硫酸鋅一個(gè)裝置，銅和硫酸銅一個(gè)裝置。

【講述】根據(jù)兩個(gè)電極半反應(yīng)單液原電池拆分為兩個(gè)裝置，我們稱(chēng)之為雙液原電池——負(fù)極鋅片和負(fù)極生成物鋅離子（硫酸鋅）組成負(fù)極池，正極銅片和正極反應(yīng)物硫酸銅組成正極池。正負(fù)極池可以是兩個(gè)容器，也可以使用隔板隔開(kāi)，形成雙液原電池。

【問(wèn)題】從電路構(gòu)成視角分析，如何使兩個(gè)半電池裝置，構(gòu)成閉合回路。根據(jù)原電池模型可以使用離子導(dǎo)體聯(lián)通，也可以使用電子導(dǎo)體聯(lián)通。請(qǐng)同學(xué)們嘗試?yán)秒娮訉?dǎo)體（鋅片、銅片、導(dǎo)線(xiàn)）和離子導(dǎo)體分別畫(huà)出一種改進(jìn)裝置圖。

【學(xué)生討論、設(shè)計(jì)】圖3為學(xué)生設(shè)計(jì)裝置。

【設(shè)問(wèn)】這里的“鹽橋”是什么？“鹽橋”的成分是什么？起到什么作用？鹽橋是在兩個(gè)分隔開(kāi)的半反應(yīng)裝置間架起一座“電解質(zhì)橋”，為正、負(fù)極池間提供一個(gè)離子通道。這個(gè)通道需要使用一定的載體，比如濾紙、棉花以及課本中提及的瓊脂等吸收電解質(zhì)溶液做成“鹽橋”。

【問(wèn)題】如何證明你的設(shè)計(jì)方案是否實(shí)現(xiàn)了單液原電池的缺陷改進(jìn)？

【學(xué)生回答】測(cè)定反應(yīng)過(guò)程溫度是否不變，電流是否穩(wěn)定。

【學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)】下面請(qǐng)同學(xué)們分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，分別組裝圖3中的實(shí)驗(yàn)裝置，其中裝置C的鹽橋分別使用吸收0.5 mol/L CuSO4溶液、0.5 mol/L ZnSO4溶液、飽和KCl溶液的濾紙，以及裝有吸收KCl飽和溶液的瓊脂的U型管，同時(shí)使用數(shù)字傳感器記錄反應(yīng)過(guò)程的電流變化和溫度變化（圖4）。請(qǐng)小組同學(xué)分配任務(wù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后再匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行討論分析。

【學(xué)生匯報(bào)】使用電子導(dǎo)體連接兩個(gè)半電池，效果不理想：裝置A電流接近0，原因可能是電極相同，不產(chǎn)生電流；裝置B能產(chǎn)生電流，但電流仍不穩(wěn)定，隨反應(yīng)進(jìn)行而逐漸減小，反應(yīng)過(guò)程中溫度也在持續(xù)上升，推測(cè)裝置B可能因?yàn)槿匀皇窍駟我涸姵匾粯愉\與硫酸銅直接接觸，電流效率較低。裝置C中使用各種載體，反應(yīng)過(guò)程的溫度都沒(méi)有明顯變化，但電流都很小，其中使用硫酸鋅溶液和硫酸銅溶液制作的鹽橋電流接近0，而使用飽和氯化鉀溶液制作的鹽橋，無(wú)論是用濾紙做載體還是用瓊脂做載體，形成的電流相對(duì)較大，但其電流較單液原電池還是減小很多。瓊脂和濾紙兩種載體相比，瓊脂吸收氯化鉀做鹽橋的效果最好，產(chǎn)生電流最穩(wěn)定且最大。

【講述】同學(xué)們的討論非常好。使用電子導(dǎo)體連接兩個(gè)半電池，效果不理想。而使用不同溶液作為鹽橋的效果也不盡相同，為什么KCl飽和溶液的效果最佳呢？為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們首先應(yīng)該弄清鹽橋的作用是什么。由于雙液原電池反應(yīng)過(guò)程中負(fù)極區(qū)生成Zn2+，使正離子過(guò)剩，因此Cl-移動(dòng)到負(fù)極區(qū)，平衡電荷；而正極區(qū)消耗Cu2+，使負(fù)離子過(guò)剩，因此K+移動(dòng)到正極區(qū)，平衡電荷。由于在外加電場(chǎng)作用下，飽和KCl溶液中K+和Cl-移動(dòng)速率相近，從而實(shí)現(xiàn)兩極區(qū)的電荷平衡，提供穩(wěn)定電流，而CuSO4溶液、ZnSO4溶液中陰、陽(yáng)離子的遷移速率不同，一段時(shí)間后，仍然會(huì)使兩極的電荷不平衡，因此效果不如KCl飽和溶液。而同樣使用KCl飽和溶液，載體使用瓊脂和濾紙的效果不同，可能原因是濾紙固定溶液的效果不夠理想。

【小結(jié)】1.鹽橋材料應(yīng)選擇能通過(guò)離子的微孔材料，如濾紙、牛皮紙等，實(shí)驗(yàn)室往往使用瓊脂方便吸收和固定溶液，形成較穩(wěn)定的電流；2.選擇陰陽(yáng)離子遷移速率接近的溶液，如KCl，可使兩個(gè)半電池的電荷平衡；鹽橋的作用是構(gòu)成回路（離子導(dǎo)體），平衡電荷；3.與單液原電池相比，雙液原電池電流穩(wěn)定，能量沒(méi)有明顯損失，但電流變小，可能是由于鹽橋的截面積較小，單位時(shí)間通過(guò)的電子數(shù)目少引起的【3】。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)應(yīng)用原電池三個(gè)認(rèn)識(shí)視角系統(tǒng)分析單液原電池的裝置改進(jìn)，從控制電極反應(yīng)不變的視角引導(dǎo)學(xué)生拆分單液原電池，從電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體兩方面設(shè)計(jì)方案構(gòu)成雙液原電池的閉合回路，從電流穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)化效率視角論證裝置的可行性。體會(huì)有序思維方法在解決問(wèn)題中的重要作用。

4.應(yīng)用舉例與總結(jié)

【問(wèn)題】那么我們?cè)賮?lái)思考，如果兩個(gè)半電池使用隔板隔開(kāi)，中間隔板（或隔膜）有什么要求呢？這種裝置相較使用鹽橋的雙液原電池的優(yōu)點(diǎn)有什么？

【學(xué)生回答】隔板要有孔。這種裝置更輕便。

【講述】是的，隔板（或隔膜）上要有微孔，甚至有些隔膜只允許某種特定的離子通過(guò)，這就是我們后面會(huì)介紹的離子交換膜。這種裝置除了輕便以外，研究表明[3]其電流接近單液原電池大小，因此運(yùn)用廣泛。比如課本介紹的堿性鋅錳干電池（圖5A[4]），使用牛皮紙為隔膜；紐扣式銀鋅電池使用浸了KOH溶液的隔板（圖5B[5]）；鋰離子電池使用隔膜（圖5C[6]）等。

【小結(jié)】本節(jié)課通過(guò)原電池的工作原理模型，建立分析原電池問(wèn)題的三個(gè)認(rèn)識(shí)視角——電極反應(yīng)、電路構(gòu)成、能量轉(zhuǎn)化，討論了單液原電池的缺陷、改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)了雙液原電池并通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)得出通過(guò)鹽橋和隔膜，可以將單液原電池拆分為雙液原電池，這種電池克服了單液原電池電流衰減的問(wèn)題，產(chǎn)生的電流穩(wěn)定，電流效率高，尤其是使用隔膜的電池電流大且穩(wěn)定，效果更佳。通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，同學(xué)們今后在解決具體化學(xué)問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)尋找問(wèn)題中蘊(yùn)含的化學(xué)原理，善于利用化學(xué)原理模型，建立認(rèn)識(shí)視角，通過(guò)有序思維分析和解決問(wèn)題，形成解決問(wèn)題的一般思路（圖6）。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)通過(guò)利用隔膜拆分單液原電池的設(shè)想分析和應(yīng)用舉例，引起學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)價(jià)值的認(rèn)同。最后梳理整節(jié)課有序思維的過(guò)程，構(gòu)建應(yīng)用有序思維解決問(wèn)題的程序模型，形成程序性學(xué)科思維方法。

三、教學(xué)反思

選修課程雙液原電池工作原理的教學(xué)中常見(jiàn)的設(shè)計(jì)是直接給出電池裝置，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，解釋鹽橋的作用。這種設(shè)計(jì)只是將知識(shí)直接給予學(xué)生，卻未關(guān)注知識(shí)的來(lái)龍去脈，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)后對(duì)雙液原電池裝置的認(rèn)識(shí)不深，不理解兩個(gè)半反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)思路，經(jīng)常在遇到陌生雙液原電池時(shí)，不能有效分析其裝置原理。因此，教學(xué)中有必要就雙液原電池裝置的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行探究，讓學(xué)生知其然且知其所以然，同時(shí)在探究過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)地建立認(rèn)識(shí)視角，進(jìn)行有序思維，并最終構(gòu)建有序思維模型，提升模型認(rèn)識(shí)水平，實(shí)現(xiàn)從顯性的學(xué)科知識(shí)到隱性的學(xué)科思維的升華[7]。

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