以情境串引領(lǐng)課堂 用問題鏈啟發(fā)探究*
——以“化學(xué)反應(yīng)與電能”教學(xué)為例

雷鈺娜

（紹興市高級中學(xué) 浙江 紹興 312000）

“化學(xué)反應(yīng)與電能”是新人教版《普通高中教科書（化學(xué)必修第二冊）》中第六章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”第二課時(shí)的內(nèi)容，是高中化學(xué)學(xué)科體系的核心知識之一。該部分內(nèi)容既是對氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)和物理電學(xué)相關(guān)知識的應(yīng)用、拓展和提升，也是對化學(xué)反應(yīng)與熱能的繼續(xù)介紹和補(bǔ)充，又是后續(xù)選擇性必修課程中深入學(xué)習(xí)電化學(xué)相關(guān)知識的必備基礎(chǔ)，具有承前啟后的重要作用。原電池的教學(xué)體現(xiàn)學(xué)科交叉，科學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際，是發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的好素材。［1］通過學(xué)習(xí)，可以建立基于氧化還原反應(yīng)規(guī)律及生活經(jīng)驗(yàn)，分析原電池的構(gòu)造及工作原理的認(rèn)知模型，從基本觀念的角度發(fā)展學(xué)生的變化觀念、能量觀念和化學(xué)價(jià)值觀念等，有利于提高學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)科知識解決實(shí)際問題的水平。［2］

一、教學(xué)與評價(jià)目標(biāo)

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過實(shí)驗(yàn)探究銅鋅原電池的工作原理，從氧化還原反應(yīng)的視角認(rèn)識化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的本質(zhì)。

（2）通過原電池構(gòu)成要素的探究學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)改裝玩具電池等活動，建立原電池的認(rèn)知模型。

（3）通過對我國大力發(fā)展新能源汽車的討論活動，感受原電池的價(jià)值，體會化學(xué)學(xué)科的重要性，增強(qiáng)社會責(zé)任感。

2.評價(jià)目標(biāo)

（1）通過對玩具小車跑動原因探究、銅鋅原電池宏觀現(xiàn)象分析等活動，診斷并發(fā)展學(xué)生對原電池本質(zhì)的認(rèn)識進(jìn)階和認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化水平。

（2）通過對原電池構(gòu)成要素探究實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和點(diǎn)評，診斷并發(fā)展學(xué)生基于控制變量法的實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)的水平。

（3）通過對玩具小車電池的設(shè)計(jì)改裝活動，診斷并發(fā)展學(xué)生應(yīng)用原電池原理解決實(shí)際問題的能力。

（4）通過對我國大力發(fā)展新能源汽車及新能源汽車常用電池的討論與點(diǎn)評，診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識水平。

二、教學(xué)與評價(jià)思路

“化學(xué)反應(yīng)與電能”的教學(xué)與評價(jià)思路見圖1。

圖1 “化學(xué)反應(yīng)與電能”的教學(xué)與評價(jià)思路

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

“化學(xué)反應(yīng)與電能”的教學(xué)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 “化學(xué)反應(yīng)與電能”的教學(xué)設(shè)計(jì)

四、教學(xué)流程

1.真實(shí)情境，引發(fā)問題

【情境引入】展示一輛玩具小車，往小車中滴幾滴稀硫酸，請同學(xué)們觀察。

思考：小車為什么能跑起來？驅(qū)使小車跑動的能量來自哪里？

【學(xué)生】產(chǎn)生了電能。

【追問】是小車哪個(gè)部位產(chǎn)生了電能？

【展示】將小車蓋打開，展示玩具小車內(nèi)部結(jié)構(gòu)，把滴加稀硫酸的部位拆下來，請同學(xué)們觀察。玩具小車拆解過程見圖3。

圖3 玩具小車拆解過程

設(shè)計(jì)意圖：利用玩具小車，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境。讓學(xué)生真切感受到電能的產(chǎn)生，引出問題的同時(shí)增加課堂趣味性，激發(fā)學(xué)生對玩具小車上產(chǎn)生電的盒子產(chǎn)生強(qiáng)烈的探究欲望。

2.原電池的“初拆”

環(huán)節(jié)一：產(chǎn)生電的盒子里有什么？

【教師】把小盒子拆開，將里面的部件放在培養(yǎng)皿中，請一位學(xué)生觀察。根據(jù)你的觀察與判斷，說出你的想法或疑問？

【學(xué)生】我看到了兩塊金屬片，中間夾著一片潮濕的濾紙。我覺得濾紙是被滴加的稀硫酸潤濕的，兩片金屬片中紅色的應(yīng)該是銅片，另一片銀灰色的應(yīng)該能與硫酸反應(yīng)，可能是鋅片。

【教師】兩片金屬片分別是銅片和鋅片。同學(xué)們有沒有什么想法或疑問？

【學(xué)生1】物理中學(xué)過，電流是電子的定向移動產(chǎn)生的，硫酸滴入盒子里與鋅發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移，是否與產(chǎn)生電流有關(guān)呢？

【學(xué)生2】銅片不與硫酸反應(yīng)，銅片起到什么作用？沒有它可以嗎？或是換成其他金屬可以嗎？

設(shè)計(jì)意圖：將產(chǎn)生電的小盒子拆開后觀察到兩片金屬片，根據(jù)金屬片的顏色學(xué)生推測紅色的是銅片，再根據(jù)小車在滴加稀硫酸后跑起來這一現(xiàn)象，推測另一塊金屬片應(yīng)該是能與稀硫酸反應(yīng)的金屬，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行推理分析的能力。

3.原電池的“深剖”

環(huán)節(jié)二：電流是如何產(chǎn)生的？

【教師】為便于觀察，我們把這個(gè)盒子放大，將鋅片和銅片同時(shí)插入稀硫酸中，同學(xué)們判斷一下，會有什么現(xiàn)象？如果把鋅片和銅片用導(dǎo)線連起來呢？

【學(xué)生活動】根據(jù)學(xué)案中的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【驅(qū)動性問題鏈】（1）銅片上產(chǎn)成了什么氣體？（2）該氣體從何而來？（3）所需的電子從何而來？（4）電池分正負(fù)極，找出這個(gè)裝置的正負(fù)極？（5）從微觀角度分析稀硫酸是如何參與構(gòu)成閉合回路的？

【師生互動】得出銅鋅原電池的工作原理。

【展示】銅鋅原電池的微觀動畫，學(xué)生通過觀察對比，了解了產(chǎn)生電流的實(shí)質(zhì)是將氧化還原反應(yīng)分開在兩極進(jìn)行，電子通過導(dǎo)線產(chǎn)生電流。解釋了玩具小車為什么會跑起來。

設(shè)計(jì)意圖：從宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手，分析現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)，用電極反應(yīng)式進(jìn)行符號表征，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)象與本質(zhì)、宏觀與微觀相結(jié)合的方法思考解決化學(xué)問題，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)。在對原電池正負(fù)極判斷、離子移動等問題的討論中，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，收集證據(jù)，結(jié)合已學(xué)氧化還原反應(yīng)知識及生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探究推理，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

4.原電池的“深剖”

環(huán)節(jié)三：產(chǎn)生電流的條件有哪些？

【教師】接下來探討同學(xué)們的第二個(gè)疑問，銅片起的作用是什么？能不能換成其他可導(dǎo)電的材料呢？

【學(xué)生活動】選擇合適的用品設(shè)計(jì)出探究原電池構(gòu)成條件的最簡單實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行小組討論。

【教師】請組員代表分享設(shè)計(jì)思路。

【學(xué)生】根據(jù)控制變量法，電解質(zhì)選用稀硫酸，提供的電極材料：鋅、銅和石墨，兩兩組合設(shè)計(jì)出表1中的方案，其中方案⑤的電極材料用鋅和銅，稀硫酸換成酒精。

表1 原電池構(gòu)成要素實(shí)驗(yàn)方案

【教師】請同學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)，并推測原電池的構(gòu)成要素。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)一】在玻璃片上放置一張濾紙，滴加少量稀硫酸潤濕濾紙后，在潤濕部位放置鋅片（兩個(gè)）、銅片、石墨粒，按實(shí)驗(yàn)方案用鱷魚夾分別觸碰兩電極材料，觀察電流計(jì)指針是否偏轉(zhuǎn)（見圖4）。

圖4 微型原電池實(shí)驗(yàn)裝置

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)二】在另一塊玻璃片上放置濾紙，滴少量無水乙醇，放置鋅片和銅片，用同樣的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

【教師】請同學(xué)匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析原電池的構(gòu)成要素。

【歸納】五組實(shí)驗(yàn)中，只有①②組實(shí)驗(yàn)的電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)。根據(jù)①②④組實(shí)驗(yàn)得出，需要兩個(gè)活潑性不同的電極；根據(jù)①③組實(shí)驗(yàn)得出需要有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)；根據(jù)①⑤組實(shí)驗(yàn)得出需要電解質(zhì)溶液。另外還需要形成閉合回路。

設(shè)計(jì)意圖：通過探究原電池構(gòu)成要素的實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、交流和點(diǎn)評，診斷并發(fā)展學(xué)生基于控制變量法的實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)的水平。濾紙+玻璃片的微量實(shí)驗(yàn)，具有方便操作、試劑用量少等優(yōu)點(diǎn)，可樹立綠色化學(xué)的理念。通過對比實(shí)驗(yàn)的探究過程，構(gòu)建原電池的認(rèn)知模型，診斷學(xué)生的信息處理能力，發(fā)展學(xué)生的思維。

5.原電池的“改裝”

環(huán)節(jié)四：設(shè)計(jì)新型原電池，讓大玩具車跑起來。

【教師】在研究開發(fā)原電池時(shí)我們需要綜合考慮原電池的構(gòu)成條件，接下來請同學(xué)們結(jié)合以上條件設(shè)計(jì)一個(gè)新型的原電池，使得大一點(diǎn)的玩具車能跑動起來？把你的電池設(shè)計(jì)圖紙畫在學(xué)案上，標(biāo)出正負(fù)極、電子方向。（提供的試劑：鎂片、銅片、石墨片、食鹽水）

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)三】畫出原電池設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生匯報(bào)】我們組最初選擇鎂片和銅片，用食鹽水作電解質(zhì)，小車不動，我們把銅片換成碳片，小車跑起來了。在我們設(shè)計(jì)的電池中，鎂作負(fù)極，碳片作正極，電子從鎂片通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到了碳片。

【教師】分析點(diǎn)評，并提示學(xué)生這里的碳片具有吸附空氣的作用，引導(dǎo)學(xué)生找出電池中自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而分析電池的工作原理。

【思維建?！窟@就是用取之不盡的海水作電解質(zhì)的鎂空氣電池。生活中有形形色色的電池，分析電池工作原理時(shí)，我們可以先找出電池中自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，其中失電子的一極作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)；得電子的一極作正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電子從負(fù)極流向正極，電解質(zhì)中的陰離子移向負(fù)極，陽離子移向正極，從而形成閉合回路。整個(gè)裝置中需要正負(fù)兩個(gè)電極、電子導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液，認(rèn)知模型見圖5。

圖5 原電池工作原理認(rèn)知模型

設(shè)計(jì)意圖：通過對玩具車電池的設(shè)計(jì)活動，診斷并發(fā)展學(xué)生應(yīng)用模型分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神，結(jié)合鎂空氣電池的分析，構(gòu)建分析不同電池的思維認(rèn)知模型。

6.原電池的“未來”

環(huán)節(jié)五：我國為什么大力發(fā)展新能源汽車？

【教師】今天整堂課都圍繞著電池和玩具小車，這樣一輛由電池驅(qū)動的小車與馬路上越來越常見的新能源汽車原理相似。我國新能源汽車產(chǎn)銷量連續(xù)6年位居全球第一，累計(jì)推廣超過550萬輛。請組員代表結(jié)合課前查閱的資料，談?wù)勎覈鵀槭裁匆罅Πl(fā)展新能源汽車？

【學(xué)生1】新能源汽車以電為動力，可取代汽油燃料。雖然我國石油產(chǎn)量全球第六（2020年），但消耗量更大，進(jìn)口量早已居全球首位，對外依賴度提升至73%。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國的石油資源大概有70%用在了汽車行業(yè)，發(fā)展新能源汽車可以降低中國對進(jìn)口石油的依賴程度。

【學(xué)生2】燃油汽車尾氣的排放與酸雨、霧霾、溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境問題有關(guān)，中國目前的環(huán)境形勢非常嚴(yán)峻，碳達(dá)峰、碳中和已經(jīng)成為我國堅(jiān)定的發(fā)展方向，迫切需要發(fā)展新能源汽車。

【學(xué)生3】展示燃油汽車與新能源汽車能量利用率對比圖（見圖6），可見新能源汽車能量轉(zhuǎn)化率高。另外，中國有發(fā)展新能源汽車的天然優(yōu)勢，新能源汽車的儲能電池主要是鋰電池，中國是世界第三大鋰資源儲備國。

圖6 燃油汽車與新能源汽車能量利用率的對比

【學(xué)生總結(jié)】新能源汽車的競爭歸根結(jié)底是“電池的競爭”。特斯拉主要采用的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，比亞迪的唐EV，采用了刀片電池，它是改變電池結(jié)構(gòu)的新型磷酸鐵鋰電池，在安全性、長壽命和長續(xù)航方面有明顯優(yōu)勢。

【教師】寧德時(shí)代創(chuàng)始人曾毓群曾說過：日本人發(fā)明了鋰離子電池、韓國人把它做大，中國人把它做到世界第一。這是對世界鋰離子電池發(fā)展史最高度的概括。但當(dāng)下鋰離子電池技術(shù)還不夠完善，仍存在使用成本高，續(xù)航短，安全性不夠等問題，所以電池的研究并未停止，仍需一路向前不斷創(chuàng)新，經(jīng)過我們不懈的努力與創(chuàng)新，在不久的將來“電動中國”這個(gè)中國夢終將成為現(xiàn)實(shí)。

設(shè)計(jì)意圖：從電池驅(qū)動的玩具小車到馬路上越來越常見的新能源汽車，通過對我國大力發(fā)展新能源汽車的討論與點(diǎn)評，感受原電池的價(jià)值，體會化學(xué)學(xué)科的重要性，關(guān)注新能源問題，形成環(huán)保意識。通過對我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)成就的討論與動力電池未來的展望，體會化學(xué)對生活和社會發(fā)展的貢獻(xiàn)，增強(qiáng)社會責(zé)任感，診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識水平。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課以“玩具小車”的跑動這一真實(shí)情境引出化學(xué)問題，通過“原電池的初拆”“原電池的深剖”“原電池的改裝”幾個(gè)環(huán)節(jié)中驅(qū)動性的問題與活動，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建原電池的認(rèn)知模型，設(shè)計(jì)的濾紙+玻璃片微量實(shí)驗(yàn)，具有方便操作、試劑用量少等優(yōu)點(diǎn)，樹立綠色化學(xué)的理念。通過“原電池的未來”環(huán)節(jié)中對新能源汽車與動力電池的討論與展望，感受原電池的價(jià)值，關(guān)注新能源問題，形成環(huán)保意識，實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的育人價(jià)值。