注重滲透化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計及課堂實錄
——以“原電池”教學(xué)為例

王美季 劉紅梅

（新疆庫爾勒市實驗中學(xué) 新疆 庫爾勒 841000）

一、教學(xué)設(shè)計思路

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計以培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，希望學(xué)生在回顧舊知識的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題，教師引導(dǎo)學(xué)生利用化學(xué)實驗，驗證猜想。在不斷地設(shè)計、探究、評價、反思和實驗總結(jié)中，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理及模型認(rèn)知能力，從而完善對原電池構(gòu)成條件的再認(rèn)知。在書寫電極反應(yīng)式的練習(xí)中，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)表征思維。分析單、雙液原電池離子移動方向問題的教學(xué)環(huán)節(jié)，對學(xué)生樹立變化觀念與平衡思想起到積極的作用。另外，整個教學(xué)設(shè)計指向培養(yǎng)和拓展學(xué)生的化學(xué)高階思維及提高團隊合作意識。旨在通過實驗，讓學(xué)生體驗到科學(xué)探究和創(chuàng)新的樂趣，更好地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新意識。為此，本教學(xué)從教學(xué)線、活動線、認(rèn)知線、素養(yǎng)線四大線路，從初識原電池、再識原電池、原電池變形記三大環(huán)節(jié)出發(fā)進行設(shè)計，教學(xué)流程設(shè)計如圖1所示。

圖1 教學(xué)設(shè)計流程圖

二、教學(xué)分析

“原電池”是化學(xué)學(xué)科理論性知識內(nèi)容中的重要部分，是學(xué)生學(xué)習(xí)和理解化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)案例，對于學(xué)生學(xué)習(xí)電化學(xué)的相關(guān)知識以及樹立和強化學(xué)生的化學(xué)價值觀念有著重要的意義。［1］教學(xué)分析見表1。

表1 “原電池”教學(xué)分析和教學(xué)目標(biāo)分析

三、課堂實錄

1.任務(wù)一：初識原電池

【教師】PPT 展示2019年榮獲諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家及其獲獎成就。大家可以猜測一下三位科學(xué)家的年齡嗎？

【學(xué)生】50歲、60歲左右。

【教師】在2019年，其中一位科學(xué)家的年齡為97歲。

【過渡】聽到老師的答案，學(xué)生驚訝不已。

【教師】同學(xué)們當(dāng)你聽到他們的年齡，你有何感觸呢？

【學(xué)生】他們都已很大的年紀(jì)，但卻依然在做科研工作，這種鍥而不舍的工作精神讓我佩服。

【學(xué)生】人要活到老學(xué)到老，終身學(xué)習(xí)。

【教師】總結(jié)：這三位科學(xué)家為了他們的理想，在不斷地努力、探索、前行，為科研事業(yè)奮斗終生。我相信每位同學(xué)都有自己的理想和目標(biāo)，為了實現(xiàn)理想目標(biāo)，我們要有持之以恒的精神和腳踏實地的行動。

【教師】引出課題：今天我們要學(xué)習(xí)的是與鋰離子電池相關(guān)的電化學(xué)問題——原電池。在必修二中我們已經(jīng)簡單地學(xué)習(xí)過原電池，它是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。請同學(xué)們回憶構(gòu)成原電池的條件。

【學(xué)生】活潑性不同的兩極；電解質(zhì)溶液；形成閉合回路；自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)。

【板書】原電池構(gòu)成條件：兩極、一液、成回路、自發(fā)氧化還原反應(yīng)

2.任務(wù)二：再識原電池

【教師】自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)指的是誰跟誰的反應(yīng)？

【學(xué)生】負(fù)極材料與電解質(zhì)溶液自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)。

【教師】你認(rèn)為圖2裝置能否構(gòu)成原電池？

圖2 鐵—碳—氯化鈉溶液裝置圖

【學(xué)生】我認(rèn)為不可以構(gòu)成原電池，因為鐵與氯化鈉溶液不能發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

【教師】到底能否構(gòu)成原電池，我們用實驗驗證。請根據(jù)所提供的實驗用品，組裝實驗，驗證你的猜想。

實驗儀器：原電池單液槽、原電池雙液槽、濾紙、燒杯、電流表、導(dǎo)線；

電極材料：鐵片、石墨棒；介質(zhì)：氯化鈉溶液；

【過渡】學(xué)生以6人為一小組，開始實驗。

【學(xué)生】匯報實驗：鐵—碳—氯化鈉溶液能夠形成原電池。利用單液池，電流表的兩端接上導(dǎo)線，導(dǎo)線上一端連接鐵片，一端連接碳棒，將鐵片與碳棒同時插入氯化鈉溶液中，會發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明產(chǎn)生了電流，形成了原電池。另外我們小組也利用了雙液槽，但在兩個槽中都盛放的是氯化鈉溶液，在隔板上方加了一個浸有氯化鈉溶液的濕潤濾紙條，發(fā)現(xiàn)也產(chǎn)生了電流。

【過渡】通過實驗驗證，鐵—碳—氯化鈉溶液能夠形成原電池。

【教師】同學(xué)們能否寫出該電池的電極反應(yīng)式？

【過渡】小組討論，但對正極是什么物質(zhì)得到電子還是有些迷惑。有些同學(xué)猜測是碳在得電子，但該答案很快被否定。因為碳相對來說較穩(wěn)定，在原電池中一般不參與電極反應(yīng)，只起到導(dǎo)電的作用。另外有學(xué)生猜測是溶液中的鈉離子。經(jīng)過分析，我們知道鈉單質(zhì)的還原性很強，因而鈉離子的氧化性較弱，得電子能力較弱。

【教師】引導(dǎo)學(xué)生從溶解在電解質(zhì)溶液中的成分，思考較易得到電子的物質(zhì)。

【學(xué)生】經(jīng)過討論分析，原來是空氣中的氧氣溶解其中得到了電子。

【學(xué)生板書】負(fù)極：Fe-2e-Fe2+

正極：2H2O+O2+4e-4OH-

總反應(yīng)式：2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2

【教師】通過該實驗，你對原電池的構(gòu)成條件是否有新的認(rèn)識？

【學(xué)生總結(jié)】只要有還原劑能夠失去電子，有氧化劑能夠得到電子，有電解質(zhì)溶液，形成閉合回路就可以形成原電池。得電子的物質(zhì)不一定是溶液中的陽離子，也有可能是吸附在電極表面或溶解在電解質(zhì)溶液中的物質(zhì)。

【教師】PPT 展示一張生銹的鐵鍋圖片，請同學(xué)們思考并利用所學(xué)電化學(xué)知識解釋該生活現(xiàn)象。

【學(xué)生】通過小組討論，發(fā)現(xiàn)該原理的本質(zhì)與上述實驗的原理相同。

【教師】請同學(xué)們思考，鐵—碳—氯化鈉溶液實驗，有沒有相對來說實驗裝置簡易、方便操作而且還能夠達(dá)到相同實驗效果的裝置？

【學(xué)生】我們組用原電池雙液槽進行實驗，若讓它的內(nèi)電路形成通路，我們想到用浸透氯化鈉溶液的濾紙條搭在雙液槽的隔板上端，發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

【教師】對小組同學(xué)的方案給予肯定，并引導(dǎo)學(xué)生積極思考并探究其他更優(yōu)的實驗方案。此時，教師給學(xué)生提供了思路并演示了微型實驗，即：在浸有飽和氯化鈉溶液的濾紙上分別放置鐵粉和碳粉，將電流表兩端的導(dǎo)線同時接觸鐵粉和碳粉，發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。如圖3所示：

圖3 鐵—碳—氯化鈉原電池微型實驗

【過渡】引導(dǎo)學(xué)生可以從既操作簡便、節(jié)約藥品，又現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保的角度選擇實驗藥品和裝置。

【建構(gòu)模型】由學(xué)生對原電池原理的認(rèn)知做一個系統(tǒng)化的理解和總結(jié)，建構(gòu)原電池知識模型見圖4。

圖4 原電池知識模型

3.任務(wù)三、原電池變形記

【教師】剛才有小組做實驗利用的是原電池雙液槽裝置，兩槽中都盛裝的是氯化鈉溶液，兩槽中間搭了一個浸透氯化鈉溶液的濾紙條。這個濾紙條的作用是什么呢？

【學(xué)生】起到溝通內(nèi)電路的作用。

【教師】今天我們來認(rèn)識一個可以用來專門溝通內(nèi)電路的介質(zhì)——鹽橋。

【PPT 展示并板書】鹽橋組成成分：含飽和氯化鉀或硝酸鉀的瓊脂凝膠。作用：溝通內(nèi)電路；平衡電荷。

【教師】請同學(xué)們利用Zn+Cu2+Zn2++Cu，設(shè)計帶鹽橋的原電池。畫出裝置圖，并注明電極材料和電解質(zhì)溶液。

【學(xué)生】以小組進行探究討論。畫出的裝置圖主要有兩種，見圖5。

圖5 雙液原電池裝置圖

【過渡】引出在兩個半池中分別用不同電解質(zhì)溶液的裝置叫做雙液原電池。

【教師】同學(xué)們認(rèn)為這兩種裝置哪一種更好？請同學(xué)們再次根據(jù)提供的實驗用品展開實驗。

實驗儀器：原電池雙液槽、燒杯、電流表、導(dǎo)線；電極材料：鋅片、銅片；介質(zhì)：硫酸鋅溶液、硫酸銅溶液。

【小組匯報】組裝圖5左側(cè)裝置實驗時，我們發(fā)現(xiàn)鋅片表面有紅色物質(zhì)附著，我們猜測是銅單質(zhì)析出。與圖5右側(cè)裝置相比，左側(cè)裝置的電流表剛開始有偏轉(zhuǎn)，但沒過一會電流表指針的讀數(shù)越來越小，最后讀數(shù)基本為零。而右側(cè)裝置的電流表的讀數(shù)相對比較穩(wěn)定。

【過渡】為了能夠更加直觀科學(xué)論證雙液原電池能夠提供相對較穩(wěn)定的電流，教師找到了數(shù)字化實驗的視頻。

【教師】播放數(shù)字化實驗視頻，視頻中的截圖是利用數(shù)字采集器對單、雙液原電池產(chǎn)生電流情況的圖像表征，見圖6。

圖6 單、雙液原電池數(shù)字采集器電流圖像

【學(xué)生總結(jié)】雙液原電池能夠產(chǎn)生更加持續(xù)、穩(wěn)定的電流。

【教師】幫助學(xué)生共同分析單液原電池不能產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定電流的原因。單液原電池中負(fù)極鋅片與電解質(zhì)溶液直接接觸，部分電子未經(jīng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)移而直接在鋅片電極表面被銅離子得到，導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)化率低。從電流角度看，鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，在鋅表面析出銅單質(zhì)，也形成了原電池，進一步加速銅在鋅表面析出，致使向外輸出的電流強度減弱。而雙液原電池很好地避免了這些情況，鹽橋不僅起到溝通內(nèi)電路的作用同時起到保持兩溶液電中性的作用，保障了電子從鋅向銅的不斷轉(zhuǎn)移，因此在外電路可形成持續(xù)穩(wěn)定的電流。［2］

【過渡】鞏固練習(xí)：利用Cu+2Ag+Cu2++2Ag，Cu+2Fe3+Cu2++2Fe2+這兩個離子方程式，設(shè)計帶鹽橋的原電池。

【學(xué)生】小組內(nèi)分工合作，一個學(xué)生上黑板展示所畫出的雙液原電池裝置圖，另一個同學(xué)負(fù)責(zé)書寫正負(fù)極的電極反應(yīng)式。之后小組與小組之間相互進行評價。

【教師】梳理總結(jié)：設(shè)計雙液原電池的關(guān)鍵——負(fù)極材料不與電解質(zhì)溶液直接接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，所以負(fù)極材料一般插入與之含有相同元素陽離子的鹽溶液。

【教師】對原電池進行總結(jié)，再次幫助學(xué)生從原理維度和裝置維度構(gòu)建原電池的認(rèn)知模型，見圖7。

圖7 原電池認(rèn)知模型

四、本教學(xué)設(shè)計特色

本教學(xué)設(shè)計主要有以下特色：

（1）本教學(xué)設(shè)計符合素養(yǎng)型課堂。以實驗事實設(shè)疑，又以實驗釋疑，整個教學(xué)過程中在不斷滲透和培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識及社會責(zé)任等化學(xué)核心素養(yǎng)。另外在單、雙液原電池的原理探究、實驗裝置設(shè)計、優(yōu)缺點的對比等教學(xué)活動中，教師幫助學(xué)生建構(gòu)原電池知識模型，培養(yǎng)了學(xué)生化學(xué)實驗思維。電極方程式的書寫訓(xùn)練環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生的化學(xué)表征思維，讓學(xué)生能夠從宏觀、微觀及符號的三個視角對原電池問題進行分析和表征。［3］

（2）教學(xué)設(shè)計和上課過程都注重學(xué)生由低階思維向高階思維的培養(yǎng)。在實驗裝置的選擇、比較、現(xiàn)象分析、質(zhì)疑、診斷、評價、反思的小組合作探究中，屬于學(xué)生自己的化學(xué)思維模型再得到有效地構(gòu)建。同時，通過實驗探究活動，可提高學(xué)生的實驗操作能力與小組協(xié)作能力。

（3）注重“教、學(xué)、評”一體化。［4］以教師的教學(xué)線、學(xué)生的活動線、認(rèn)知線和素養(yǎng)線為依托，對學(xué)生的評價方式多樣，有課前知識檢測，課中教師提問，小組同學(xué)之間對每一次實驗操作的規(guī)范性、實驗裝置圖設(shè)計的合理性以及電極反應(yīng)式書寫的正確性等進行評價。在學(xué)生相互評價中，學(xué)生能夠更加意識到知識或思維漏洞，促進學(xué)生積極思考并解決問題，進而也就加深了學(xué)生對于知識的理解和應(yīng)用。