“具身認(rèn)知”視域下的高中化學(xué)課堂教學(xué)課例

楊茵

摘要：具身認(rèn)知是一種全新的認(rèn)知范式。以“原電池的原理及應(yīng)用”為例，闡述具身認(rèn)知視域下的高中化學(xué)教學(xué)是學(xué)生身體體驗(yàn)的過程，更加注重認(rèn)知的情境性，更加注重參與體驗(yàn)，更加注重合作交流。讓學(xué)生以體認(rèn)的方式認(rèn)識(shí)化學(xué)世界，發(fā)展學(xué)生的思維能力，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：具身認(rèn)知;體驗(yàn);化學(xué)課堂;原電池;應(yīng)用

文章編號(hào)：1008-0546（2022）04-0066-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.014

20世紀(jì)70年代以來，認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷了一場(chǎng)重大變革，從關(guān)注學(xué)習(xí)者“心理”發(fā)展為重點(diǎn)的“離身認(rèn)知”，走向意識(shí)到身體的參與對(duì)學(xué)習(xí)者意義建構(gòu)重要性的“具身認(rèn)知”。葉浩生教授是國內(nèi)第一個(gè)為具身認(rèn)知作出較完整定義的學(xué)者，他認(rèn)為具身認(rèn)知可以從三個(gè)視角解讀：第一，身體的狀態(tài)直接影響著認(rèn)知過程的進(jìn)行，知覺和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在概念形成和理性推理中扮演了要素角色;第二，大腦與身體的特殊感覺—運(yùn)動(dòng)通道在認(rèn)知的形成中扮演著非常重要的角色，概念的使用涉及到真實(shí)體驗(yàn)的感覺一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的再激活;第三，認(rèn)知是基于身體的，而身體處在環(huán)境的大背景下，認(rèn)知、身體和環(huán)境組成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的統(tǒng)一體[1]。

隨著具身認(rèn)知理論的發(fā)展，把具身認(rèn)知理論應(yīng)用于教學(xué)的研究也逐漸興起。具身學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的具身性，讓學(xué)習(xí)者的心智、身體與環(huán)境不斷交互包容，在此過程中學(xué)習(xí)概念，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，掌握原理。這與化學(xué)教學(xué)中常用的實(shí)驗(yàn)探究、觀察思考、證據(jù)推理、模型認(rèn)知等的研究方法非常契合。具身認(rèn)知視域下的高中化學(xué)課堂，教師在教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)化情境性、具身性以及交互性的設(shè)計(jì)。具體可通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)、探究的教學(xué)情境調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手的積極性;通過問題討論增加師生、生生交互性;借助實(shí)驗(yàn)以體認(rèn)的方式認(rèn)識(shí)化學(xué)世界，形成化學(xué)經(jīng)驗(yàn)。從而使學(xué)生在親歷中感受到豐富的、直接的體驗(yàn)，使課堂更開放和有意義，有效提高教學(xué)的實(shí)效性，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

筆者以原電池的原理及應(yīng)用高二復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)為例，談?wù)劸呱碚J(rèn)知視域下的化學(xué)課堂體驗(yàn)教學(xué)。

一、課前思考

復(fù)習(xí)課是我們教學(xué)中一種重要的課型，它可以診斷和彌補(bǔ)新授課中的不足，幫助學(xué)生建構(gòu)系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。但若還是像新授課一樣僅僅關(guān)注知識(shí)點(diǎn)的講解，學(xué)生會(huì)覺得“炒冷飯”，沒意思。因此，本節(jié)課從具身認(rèn)知角度對(duì)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行重構(gòu)，以研究主題為中心，以問題為導(dǎo)向，以探究為載體，以實(shí)驗(yàn)為抓手，充分發(fā)揮了學(xué)生的主動(dòng)性，讓學(xué)生在一個(gè)動(dòng)態(tài)、開放的環(huán)境中接收知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，注重滲透核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，讓學(xué)生感受化學(xué)科學(xué)的生活價(jià)值、社會(huì)價(jià)值。

整節(jié)課明暗兩條線索貫穿課堂研究的始末，明線以“設(shè)計(jì)裝置使LED燈發(fā)光”為研究主題，三個(gè)探究性問題：“為什么會(huì)亮”“如何使它亮”“如何更亮，亮的時(shí)間更長”培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際問題解決過程中不斷遷移應(yīng)用化學(xué)知識(shí)的能力，鍛煉學(xué)生開闊的思路，提升學(xué)生思維水平。同時(shí)以電池發(fā)展史教學(xué)素材為暗線，沿著原電池科學(xué)發(fā)展軌跡，從電池材料和電池結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面的發(fā)展幫助學(xué)生厘清原電池工作原理在具體的應(yīng)用實(shí)踐中研究的視角和路徑。

本節(jié)課設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)為：

1.通過對(duì)真實(shí)問題情境“如何使LED燈亮”的探索，經(jīng)歷思考、討論、實(shí)驗(yàn)等交互活動(dòng)過程，讓學(xué)生的心智、身體與環(huán)境不斷交互“碰撞”，獲取對(duì)學(xué)科知識(shí)的“活”的生活體驗(yàn)。

2.從電勢(shì)差角度深度理解原電池的工作原理，發(fā)展學(xué)生宏微探析的能力。

3.能運(yùn)用原電池工作原理設(shè)計(jì)簡單原電池裝置，培養(yǎng)學(xué)生探究與實(shí)踐實(shí)際運(yùn)用知識(shí)的能力。

4.通過對(duì)電池發(fā)展史的了解，理解社會(huì)生活中的科學(xué)，感受到化學(xué)對(duì)人類生活的改變。

二、教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣

[引入]小侄兒的自然課老師要求用家里的物品

設(shè)計(jì)裝置使LED燈亮起來。現(xiàn)在家里有這些物品。

[情境]有鉛筆、水、水杯、泡沫塑料盒、銅鑰匙、鐵釘、帶鱷魚夾的導(dǎo)線、檸檬、9V南孚電池、LED燈、魚缸增氧泵、硫酸銅、袋裝食鹽等物品。如何設(shè)計(jì)裝置讓LED燈亮起來？

[討論一]LED燈為什么會(huì)亮？

[學(xué)生]有電流。

[過渡]該裝置實(shí)現(xiàn)了能量怎樣的轉(zhuǎn)化？這樣的裝置稱為什么裝置？

[學(xué)生]原電池：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

設(shè)計(jì)意圖：具身認(rèn)知認(rèn)為大腦嵌入身體，身體嵌入環(huán)境，三者構(gòu)成了一體的認(rèn)知系統(tǒng)[2]。身體一旦離開了情境，大腦的工作往往是機(jī)械性的，所以，通過創(chuàng)設(shè)“如何設(shè)計(jì)裝置使LED燈亮起來”的實(shí)驗(yàn)問題情境，給學(xué)生創(chuàng)造充足的與環(huán)境互動(dòng)的機(jī)會(huì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的多種感知覺經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生身臨其境地去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，這樣不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，還能促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展。

2.動(dòng)腦動(dòng)手，探索路徑

[討論二]你能想到幾種方法讓LED燈亮起來？

[學(xué)生1]鐵釘、銅鎖插入檸檬中，連接導(dǎo)線與LED燈連起來。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)1]鐵銅“水果電池”使電流表指針偏轉(zhuǎn)，但不能使LED燈亮。

[提問]鐵銅“水果電池”是否構(gòu)成電源？為什么LED燈不亮？

[學(xué)生回答]構(gòu)成電源，但電壓小，所以LED燈不亮。

[講述]水果電池也是電源，依據(jù)“鐵銅水果電池”畫出等效電路圖。電池中存在電勢(shì)高低。

[提問]鐵銅兩極那端電勢(shì)高？

[展示]鐵銅原電池等效電路圖（圖1）

[講述]電子從電勢(shì)低的負(fù)極流出，定向移動(dòng)形成電流。

[學(xué)生2]用導(dǎo)線把9V電池和LED燈連起來。

[解釋]想法很好，但LED燈功率比較小，只有3V，9V電池接上去電壓大會(huì)爆掉。

[學(xué)生3]削鉛筆取鉛筆芯，和鐵釘、食鹽水、導(dǎo)線構(gòu)成原電池產(chǎn)生電流。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)2]鐵棒-石墨棒-食鹽水電池使LED燈亮。

[提問]正負(fù)極上什么物質(zhì)在反應(yīng)？

[學(xué)生]書寫電極反應(yīng)式

[講述]這與我們熟悉的鋼鐵吸氧腐蝕發(fā)生的反

應(yīng)是不是一樣的？其實(shí)這里就是發(fā)生了鐵的吸氧腐蝕，氧化劑來自于空氣中的氧氣。我們知道很多金屬都能和氧氣反應(yīng)，科技工作者由此制成了金屬空氣電池。

[展示]金屬空氣電池結(jié)構(gòu)圖（圖2）

[提問]多孔正極的作用？

[介紹]其中鋅-空氣電池是研究最多且已廣泛應(yīng)用的一種電池，用途之一可用作助聽器專用電池。

設(shè)計(jì)意圖：身體經(jīng)驗(yàn)是建構(gòu)知識(shí)的源泉之一，能讓學(xué)生感受到課本知識(shí)“活”起來了，與生活環(huán)境“接軌”。通過問題討論增加師生、生生交互性，獲得多種實(shí)驗(yàn)方案;借助實(shí)驗(yàn)以體認(rèn)的方式獲得直觀感受，引發(fā)認(rèn)知沖突，簡單原電池裝置可以生電，但不一定有穩(wěn)定電壓，這樣建構(gòu)知識(shí)的認(rèn)知方式能讓學(xué)生印象深刻。同時(shí)由簡單的原電池工作原理類推出復(fù)雜的具有廣泛應(yīng)用的金屬空氣電池，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)感知的情境進(jìn)行類比應(yīng)用的能力。從而使學(xué)生在親歷中感受到豐富的、直接的體驗(yàn)，使課堂更開放和有意義，有效提高教學(xué)的實(shí)效性，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

3.小組探究，提升功能

[討論三]如何讓LED燈更亮，維持時(shí)間更長？

[講述]要使LED燈更亮，維持時(shí)間更長，也就是要增大電勢(shì)差，增大電容量。有哪些方法？

[學(xué)生]可以把幾個(gè)水果電池串聯(lián)起來

[PPT]方法1.串聯(lián)

[講述]這個(gè)方法1800年伏打就使用了，他把鋅

板、銅板之間夾含食鹽水的濕布，一層一層疊起來制成伏打電堆成功產(chǎn)生了電火花，提供人們研究直流電的可能性。伏打電堆就是課本上介紹銅鋅硫酸原電池的雛形。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)3]多個(gè)鐵銅“水果電池”串聯(lián)使LED燈亮

[提問]我們知道單液原電池有很多缺陷，例如能量轉(zhuǎn)化率很低。轉(zhuǎn)化效率低的原因？如何進(jìn)行改造？

[學(xué)生]氧化劑和還原劑直接接觸，部分能量以熱能形式散發(fā)出去?？梢园褑我弘姵刈?yōu)殡p液電池，將氧化與還原分開，讓電子的運(yùn)動(dòng)有序。

[PPT]方法2.改變電池結(jié)構(gòu)

[介紹]1836年丹尼爾發(fā)明雙液電池，用鹽橋構(gòu)成閉合回路，能形成穩(wěn)定電流，

[提問]雙液電池中哪端電勢(shì)高？鋅、銅電勢(shì)差產(chǎn)生原因？

[講述]金屬在鹽溶液中的“溶解沉積”平衡（圖3）。

所以，鋅棒上帶負(fù)電荷，同時(shí)吸引溶液中異種電荷;銅棒上帶正電荷，同時(shí)吸引溶液中的異種電荷。

[PPT]播放動(dòng)畫，鋅棒和銅棒上產(chǎn)生電勢(shì)差的原因（圖4）

[講述]鋅棒和銅棒上產(chǎn)生電勢(shì)差，鋅電勢(shì)低，銅電勢(shì)高。[提問]當(dāng)用導(dǎo)線把鋅棒和銅棒連接，導(dǎo)線中發(fā)生

什么變化？[過渡]丹尼爾電池并不能廣泛使用，因?yàn)轶w積太

大。真實(shí)的第一個(gè)實(shí)用電池1887年赫勒森發(fā)明的干電池，和我們現(xiàn)在用的干電池差不多。

[展示]赫勒森干電池結(jié)構(gòu)

[介紹]電解質(zhì)不是溶液，而是糊狀的氯化銨，便于攜帶。

[過渡]如果我們?cè)賮砜葱滦偷碾姵?，?nèi)部結(jié)構(gòu)又發(fā)生改變，是螺旋狀的，正極、負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜都?jí)撼善瑺?，螺旋狀卷起來?/p>

[展示]新型干電池解剖圖

[提問]隔膜（離子半透膜）起了什么作用？

[學(xué)生]隔離正極和負(fù)極，防止接觸產(chǎn)生短路;讓離子能順利通過，溝通離子通路。

[提問]大家想要的電池是什么樣的？

[學(xué)生]質(zhì)量輕，方便攜帶，提供電能大，便宜。

[過渡]電化學(xué)里把電能除以質(zhì)量，得到一個(gè)參數(shù)叫比能量。就是參與反應(yīng)的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的多少。比能量越高，電池是不是越好，滿足大家希望的質(zhì)量輕、電能大的要求。所以科學(xué)家們需要尋找比能量高的物質(zhì)。

[PPT]方法3.改變電極反應(yīng)物

[提問]比能量怎么求？請(qǐng)以鋅為例進(jìn)行計(jì)算。

[講述]老師把常見金屬算了一下，排了個(gè)隊(duì)。

[PPT]負(fù)極反應(yīng)物角度尋找比能量高的物質(zhì)（1）金屬中的比能量大小順序：

[講述]雖然鈹?shù)谋饶芰扛?，但是有劇毒，不能使用，所以我們現(xiàn)在常用電池的負(fù)極材料是鋰鋁鎂。尤其是鋰系電池，鋰系電池中現(xiàn)在普遍使用的是鋰離子電池。今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位在鋰離子電池領(lǐng)域作出巨大貢獻(xiàn)的化學(xué)家，研制出世界上最強(qiáng)的電池。

[展示]鋰離子電池工作示意圖（圖5）。[提問]鋰離子電池是如何工作的？[介紹]脫嵌技術(shù)。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電

極之間往返嵌入和脫出，被形象地稱之為“搖椅式電池”。充電時(shí)，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡;放電時(shí)，Li+從負(fù)極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)。

[提問]除了金屬以外，還有沒有比能量高的物質(zhì)？

[學(xué)生]H2

[PPT]（2）非金屬H2的比能量：2/2

[過渡]H2的比能量特別的高。1839年格羅夫通過電解硫酸溶液制造了第一個(gè)“氣體電極電池”，該裝置的原理是現(xiàn)代燃料電池技術(shù)的基礎(chǔ)。下面我們也一起來實(shí)驗(yàn)一下。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)4]往泡沫塑料盒中倒入適量水（已加入少量硫酸鈉溶液），在鉛筆芯兩端接上9V電池電解水，30秒后拿開9V電池，接上LED燈，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[講述]不同于一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此限制了電池容量，燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，因此燃料電池是名副其實(shí)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。

[PPT]燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

[提問]燃料電池負(fù)極和正極反應(yīng)物可以是哪些物質(zhì)？電解質(zhì)可以有哪些類別的物質(zhì)？

[學(xué)生]書寫電解質(zhì)為氧化物時(shí)燃料電池電極反應(yīng)式。

[介紹]從最早的磷酸做介質(zhì)的一代產(chǎn)品，到熔融碳酸鹽的二代，以氧化鋯、氫氧化鉀作電解質(zhì)的未來三代產(chǎn)品，發(fā)電效率不斷得到提高。

[提問]還有沒有其他方法使LED燈亮？

[演示實(shí)驗(yàn)]把兩塊相同的銅片，分別插入盛有不同濃度硫酸銅溶液的兩只燒杯中（以鹽橋連接兩燒杯），接入靈敏電流計(jì)，觀察現(xiàn)象。

[解釋]高濃度的為正極，低濃度的為負(fù)極。由于濃度差異造成電勢(shì)差異。硫酸銅濃差電池在兩個(gè)電極上分別發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。

[介紹]海水濃差發(fā)電是利用陸地水和海水之間有3%左右的鹽分濃度差，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換。

[講述]利用原電池工作原理開發(fā)了很多電源（圖6）。

[板書]如圖6

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)深度知識(shí)的理解和掌握光靠想象很難實(shí)現(xiàn)，需要教師通過多角度的問題鏈和多層次的具身實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在問題解決中和實(shí)驗(yàn)探究中將心智根植于身體，將身體根植于環(huán)境，從身體和環(huán)境的互動(dòng)反饋中深刻理解、把握和遷移運(yùn)用知識(shí)。通過串聯(lián)的方法增大電勢(shì)差，增大電容量，這是學(xué)生容易想到的，但改變電池結(jié)構(gòu)和改變電極反應(yīng)物這兩個(gè)辦法需要老師引導(dǎo)和啟發(fā)。通過對(duì)電池發(fā)展史的介紹，能很好地營造標(biāo)識(shí)化科學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生在沉浸式感染中挖掘電池發(fā)展的內(nèi)涵和意義。

4.展望未來，深化認(rèn)知

[過渡]展望未來，要獲得高電壓，高電容量的電池，可以從哪些方面入手？

[學(xué)生]歸納未來電池的研究方向：（1）尋找和改進(jìn)合適的電池材料。（2）改良電池結(jié)構(gòu)。

[PPT]鈉電池和石墨烯電池（圖7）

[介紹]（1）鋰是稀有元素，比較昂貴，可以用更容易獲得的比容量也不低的鈉離子制造鈉電池，大大降低電池的價(jià)格。

（2）石墨烯電池：石墨烯一層層疊起來就是石墨。

[提問]石墨烯中每個(gè)碳原子雜化方式？

[學(xué)生]sp2雜化。

[講述]對(duì)，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯超乎想像的導(dǎo)電能力。另外，石墨烯電池中孔洞的數(shù)目比石墨要多，對(duì)于目前的利用脫嵌技術(shù)的電池來說，如果電極材料中的孔洞越多，則這個(gè)過程進(jìn)行得越迅速。在宏觀的角度看則表現(xiàn)為蓄電池充放電的速度越快。所以，石墨烯電池有非常遠(yuǎn)大的前景。

[總結(jié)]今天我們一起討論了電池的前世今生和未來，從最初的伏打電池到現(xiàn)在的鋰電池，僅僅經(jīng)歷了200多年的時(shí)間，但真切地改變了我們的生活，這些電池的發(fā)明都基于我們化學(xué)的原電池原理，可見科技力量的偉大。

設(shè)計(jì)意圖：課堂的有效性來源于學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性，身體的情境性、自主性和動(dòng)態(tài)性能讓學(xué)生積極投入到學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)興趣得到極大提高。抽象知識(shí)的學(xué)習(xí)來源于自身的經(jīng)驗(yàn)和體驗(yàn)獲得，具身性學(xué)習(xí)活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生對(duì)原電池工作原理深度的理解，從而能遷移利用知識(shí)解決未來電池這類復(fù)雜的問題。

三、教后感悟

具身認(rèn)知理論認(rèn)為教學(xué)不應(yīng)是簡單地機(jī)械地記憶知識(shí)，而應(yīng)是教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間合作認(rèn)知發(fā)展的過程。這與新課程改革改變學(xué)生簡單接受知識(shí)的現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的理念是一致的。

所以，通過創(chuàng)設(shè)“如何讓LED燈亮起來”的實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生成為課堂實(shí)踐中的“合法”參與者，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性，在“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案-進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作-感知實(shí)驗(yàn)結(jié)果-優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案”的實(shí)踐中增加對(duì)學(xué)科知識(shí)和學(xué)科技能的感受性和理解性，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的積極建構(gòu)和遷移應(yīng)用。在與他人和社會(huì)的融合，自然與自我的統(tǒng)一中，探求知識(shí)情境化意義的生成，完成復(fù)雜問題的解決。

參考文獻(xiàn)

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