基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)建構(gòu)認(rèn)知模型的教學(xué)設(shè)計(jì)

熊娟

摘要：基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)教學(xué)是課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容。本文以人教版選擇性必修1“原電池”的課堂教學(xué)為例，從單液原電池的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電流變化發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生從單液原電池模型逐步完善到雙液原電池、隔膜電池，深入掌握原電池的本質(zhì)規(guī)律。建立從真實(shí)問題出發(fā)，獲取實(shí)驗(yàn)證據(jù)為依據(jù)，構(gòu)建認(rèn)知模型思維模式。提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)證據(jù)；模型認(rèn)知；原電池；本質(zhì)規(guī)律

文章編號：1008-0546（2023）10-0028-06

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.007

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是高中化學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分。基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)教學(xué)是課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容。在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系[1]是建構(gòu)認(rèn)知模型的重要途徑。學(xué)生通過完整的邏輯鏈證據(jù)建立的“模型認(rèn)知”，構(gòu)建更全面、解釋更準(zhǔn)確、運(yùn)用更靈活、衍生更廣泛。實(shí)驗(yàn)證據(jù)是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題或不足，通過分析或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)解決問題的重要證據(jù)推理過程。在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中學(xué)生不斷完善認(rèn)知模型，建立多重模型認(rèn)知。本文以人教版選擇性必修1“原電池”教學(xué)為例，設(shè)計(jì)基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)建構(gòu)認(rèn)知模型的課堂教學(xué)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

一、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)現(xiàn)狀分析

原電池的基本概念和工作原理是人教版必修第二冊第六章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”中的必備核心知識。學(xué)生具備單液原電池的模型認(rèn)知和電極反應(yīng)的符號表征能力。但對于原電池仍有認(rèn)識偏差，如以為鋅和稀硫酸必須接觸才能引發(fā)原電池反應(yīng)產(chǎn)生電流等等。人教版選擇性必修1第四章第一節(jié)“原電池”直接提出單液原電池電流會(huì)逐漸衰減，引入銅一鋅雙液原電池，組織學(xué)生展開一系列的“思考與討論”[2]，發(fā)展學(xué)生對原電池工作原理的認(rèn)識，建立原電池過程的系統(tǒng)分析思路，提高學(xué)生對原電池本質(zhì)的認(rèn)識。[1]

筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)三個(gè)問題：①學(xué)生對銅一鋅雙液原電池實(shí)驗(yàn)未做，停留在看視頻實(shí)驗(yàn)階段，對于鹽橋陌生且存疑。②銅一鋅雙液原電池是針對單液原電池的不足中改進(jìn)而來，銅一鋅雙液原電池是否也有不足，沒有進(jìn)一步的探究討論。③單液原電池和雙液原電池的模型是直接建構(gòu)的，重點(diǎn)解釋原電池的工作原理，忽視模型認(rèn)知的證據(jù)推理過程。

二、課堂教學(xué)改進(jìn)

1．利用數(shù)字電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測原電池中電流的變化。通過可視化的電流變化探析微觀電子定向移動(dòng)。在監(jiān)測電流的變化中發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生解決問題，通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)構(gòu)建多重原電池認(rèn)知模型。

2．自主設(shè)計(jì)隔膜原電池。雙液原電池存在電流小、鹽橋配制不方便和存放時(shí)間短等不足，引導(dǎo)學(xué)生解決問題，設(shè)計(jì)隔膜電池，增大接觸面積，增大電流且使用方便。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。

3．建構(gòu)“實(shí)驗(yàn)證據(jù)與模型認(rèn)知”逐級發(fā)展思維模式（圖1）。

三、教學(xué)目標(biāo)

1．通過單液原電池強(qiáng)化電極反應(yīng)、電極材料、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體四個(gè)基本電池構(gòu)成要素，構(gòu)建原電池基礎(chǔ)模型。

2．通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)發(fā)現(xiàn)真實(shí)問題，進(jìn)一步思考解決問題，完善原電池思維模型。培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的關(guān)鍵能力，提高學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。

3．通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)逐步構(gòu)建多重原電池模型，總結(jié)原電池本質(zhì)規(guī)律，為后續(xù)原電池設(shè)計(jì)、電源分析、隔膜電化學(xué)討論構(gòu)建思維模型，形成從化學(xué)理論到實(shí)踐應(yīng)用過程的科學(xué)態(tài)度。

四、教學(xué)流程

教學(xué)流程（表1）。

五、教學(xué)實(shí)錄

1．創(chuàng)設(shè)情境

【教師】我校優(yōu)秀校友，大家的學(xué)長戴宏杰院士是中國科學(xué)院外籍院士、美國科學(xué)院院士。戴院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種具有超快充電、不易燃燒爆炸、可折疊、材料成本低等突出優(yōu)點(diǎn)的鋁離子電池于2015年4月6日在Nature雜志網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表。超快可充電鋁離子電池的基本原理是同學(xué)們高一學(xué)過的原電池。

【學(xué)生】快速瀏覽Nature雜志網(wǎng)絡(luò)版新型鋁離子電池（見圖2）。

2．單液原電池

【教師】火力發(fā)電廠將化學(xué)能通過一系列能量的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變成電能，多次轉(zhuǎn)化中會(huì)造成能量的損失。怎樣直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能？

【學(xué)生】可以設(shè)計(jì)成原電池。

【教師】請同學(xué)們分組利用銅、鋅和硫酸銅溶液設(shè)計(jì)原電池，接人數(shù)字電流傳感器。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)討論：①單液電池工作原理及電極判斷和反應(yīng)。

②觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電流變化。

③根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)組裝的原電池有哪些不足？可以怎樣解決呢？

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】分組實(shí)驗(yàn)，組裝銅、鋅和硫酸銅溶液單液原電池（圖3、圖4）。

【學(xué)生交流】

工作原理：負(fù)極鋅失電子經(jīng)外電路到正極銅；溶液中銅離子向負(fù)極鋅定向移動(dòng)，鋅離子向正極銅定向移動(dòng)，構(gòu)成閉合回路。

電極反應(yīng)：負(fù)極Zn-2e-=Zn2+（氧化反應(yīng)）正極Cu2++2e-=Cu（還原反應(yīng)）

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：銅表面有紅色銅生成，鋅表面有紅色銅覆蓋（圖5）；電流不斷衰減（圖6）。

不足之處：鋅與硫酸銅溶液接觸，直接電子得失。電流不穩(wěn)定，衰減快。化學(xué)能部分轉(zhuǎn)化成熱能，沒有全部轉(zhuǎn)化成電能，能量損耗大。

解決方案：讓鋅與硫酸銅溶液不接觸。

3．雙液原電池

【過渡】根據(jù)同學(xué)們發(fā)現(xiàn)的問題和想到的解決方案，我們將原電池進(jìn)行改進(jìn)（圖7）。大家討論是否可行？

【學(xué)生】不可行，沒有形成閉合回路。

【教師】怎樣形成閉合回路呢？介紹鹽橋。鹽橋是將飽和KCI溶液和瓊脂加熱成糊狀，趁熱注入U(xiǎn)形管中，冷卻后仍然有自由移動(dòng)的離子的裝置。請同學(xué)們利用鹽橋組裝雙液原電池，接人數(shù)字電流傳感器。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)討論：①雙液電池工作原理及電極判斷和反應(yīng)。

②鹽橋的作用。

③觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電流變化。

④根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)雙液原電池有哪些不足？可以怎樣解決呢？

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】分組實(shí)驗(yàn)，組裝銅、鋅和硫酸銅溶液雙液原電池（圖8、圖9）。

【學(xué)生交流】

工作原理：負(fù)極鋅失電子經(jīng)外電路到正極銅；鹽橋中K+向正極移動(dòng)，CI-向負(fù)極移動(dòng)。構(gòu)成閉合回路。

電極反應(yīng)：負(fù)極Zn- 2e-=2n2+（氧化反應(yīng)）正極Cu2++2e-=Cu（還原反應(yīng)）

鹽橋作用：①形成閉合回路；②平衡溶液中的電荷；③將Zn與硫酸銅溶液分離。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：銅表面有紅色銅生成，鋅慢慢減少，表面沒有銅附著；電流讀數(shù)穩(wěn)定，但很?。▓D10）。

不足之處：電流穩(wěn)定，但是電流非常小。離子移動(dòng)的距離遠(yuǎn)，電阻大。

解決方案：縮短鹽橋、增大鹽橋U形管口徑，增大離子的接觸面積。

4．隔膜原電池

【過渡】同學(xué)們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了雙液原電池的不足，并想到了解決辦法。是否有更好地滿足大家改進(jìn)要求的物品代替鹽橋呢？

【教師】介紹離子交換膜（圖11）。離子交換膜是對離子具有選擇透過性的高分子材料制成的薄膜。常見的有只允許陽離子通過的陽離子交換膜、只允許陰離子通過的陰離子交換膜和只允許H+通過的質(zhì)子交換膜。將陰離子交換膜固定在電解槽中，可以組成隔膜電池。

【教師演示】組裝銅、鋅、硫酸銅溶液陰離子交換膜電池，接人數(shù)字電流傳感器（圖12、圖13、圖14）。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)討論：①隔膜電池工作原理及電極判斷和反應(yīng)。

②陰離子交換膜的作用。

③觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電流變化。

④隔膜電池有哪些不足？可以怎樣解決呢？

【學(xué)生交流】

工作原理：負(fù)極鋅失電子經(jīng)外電路到正極銅；正極溶液中S042-向負(fù)極方向定向移動(dòng)。構(gòu)成閉合回路。

電極反應(yīng)：負(fù)極2n_2e-=2n2+（氧化反應(yīng)）正極Cu2++2e-=Cu（還原反應(yīng)）

陰離子交換膜的作用：①形成閉合回路；②允許陰離子自由移動(dòng)，平衡溶液中的電荷；③阻止CU2+進(jìn)入負(fù)極溶液，將Zn與硫酸銅溶液分離；④增大離子的接觸面積，減小電阻。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：銅表面有紅色銅生成，鋅慢慢減少，表面沒有銅附著；電流讀數(shù)穩(wěn)定，電流大（圖15）。

不足之處：電源中的溶液不方便攜帶。

解決方案：向兩極溶液中加入瓊脂等，將溶液固定。

5．課堂小結(jié)

【過渡】同學(xué)們通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)發(fā)現(xiàn)原電池的不足，并成功改進(jìn)?，F(xiàn)在科研工作者有關(guān)電池的研究和開發(fā)大都通過改變電解質(zhì)狀態(tài)、利用隔膜等改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更方便、高效、安全的電池。下一節(jié)課“化學(xué)電源”學(xué)習(xí)中我們會(huì)進(jìn)一步探究和學(xué)習(xí)。

【教師】本節(jié)課同學(xué)們通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)逐步構(gòu)建了單液原電池、雙液原電池和隔膜電池的模型認(rèn)知。請同學(xué)總結(jié)這三種原電池（表2）。

【學(xué)生】小組討論，發(fā)表觀點(diǎn)。

【教師】三種電池的本質(zhì)規(guī)律相同，都是將自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)分別在兩極進(jìn)行，通過電極材料、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路。同學(xué)們課后可以查閱各種新型電池，按原電池的本質(zhì)規(guī)律分析其工作原理，了解新型電池的應(yīng)用和發(fā)展方向。

六、教學(xué)反思

1．真實(shí)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，形成科學(xué)精神

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中界定的“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)重在培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，基于證據(jù)構(gòu)建模型，運(yùn)用模型揭示本質(zhì)規(guī)律。[3]真實(shí)的證據(jù)對于學(xué)生模型構(gòu)建和理解本質(zhì)規(guī)律有重要作用。實(shí)驗(yàn)證據(jù)是基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的真實(shí)證據(jù)，對于學(xué)生有體驗(yàn)性和可視性。教師設(shè)計(jì)獲得實(shí)驗(yàn)證據(jù)過程需注意實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程符合學(xué)生的認(rèn)知；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可信。本節(jié)課利用朗威8.0數(shù)字電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測電流，充分利用數(shù)字化信息技術(shù)，使微觀電流變化的實(shí)驗(yàn)證據(jù)定量、真實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生提出真實(shí)問題，驗(yàn)證改進(jìn)效果。本節(jié)課多次獲取實(shí)驗(yàn)證據(jù)的過程加強(qiáng)了學(xué)生的證據(jù)意識，使學(xué)生逐步形成獲取、收集、整合證據(jù)意識的科學(xué)精神。

2．完善模型認(rèn)知，尋找本質(zhì)規(guī)律

基于證據(jù)推理構(gòu)建認(rèn)知模型，是由現(xiàn)象到本質(zhì)、由個(gè)體到群體的進(jìn)階過程。根據(jù)學(xué)生的學(xué)情，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析歸納證據(jù)，幫助學(xué)生認(rèn)知、建構(gòu)、修正、應(yīng)用相關(guān)模型。[4]構(gòu)建模型認(rèn)知的過程是一個(gè)逐步完善、循序漸進(jìn)的過程。模型構(gòu)建和完善過程中跨度不宜太大，涉及的變化要有說明和證據(jù)。本節(jié)課從學(xué)生已有模型認(rèn)知單液原電池著手，通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)提出真實(shí)問題，通過鹽橋、離子交換膜解決問題，完善模型認(rèn)知。教學(xué)最后比較所有模型，尋找構(gòu)建原電池的本質(zhì)規(guī)律，修正原電池中還原劑需和氧化劑接觸的認(rèn)識偏差，為原電池模型的應(yīng)用——化學(xué)電源和討論有關(guān)隔膜電化學(xué)問題奠定基礎(chǔ)。

3．鼓勵(lì)解決問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識

解決問題的能力是學(xué)生在未來面對與學(xué)科相關(guān)的生活實(shí)踐或?qū)W習(xí)探索問題情境時(shí)必須具備的能力[5]。通過獲取證據(jù)創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，學(xué)生需要在思維上主動(dòng)、理性、科學(xué)思考解決問題。這也是學(xué)生在發(fā)展中打破固有的認(rèn)知，構(gòu)建新結(jié)論，適應(yīng)時(shí)代要求的重要能力。本節(jié)課學(xué)生從認(rèn)知的角度不一定能提出鹽橋、離子交換膜等方法，但是可以從原理的角度提出將還原劑和氧化劑分離，增大離子間接觸面積等設(shè)想。教師在深挖教材、精心設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，自制隔膜電池，將學(xué)生的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，提高教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生解決問題的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 中華人民共和國教育部．普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020．

[3] 余騰，李欣．高中數(shù)理化，基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J]．2020（9）：75-77．

[4] 朱如琴．化學(xué)教育（中英文），基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知的主題式復(fù)習(xí)[J]．2021（21）：41-46．

[5] 教育部考試中心．中國高考評價(jià)體系[M].北京：人民教育出版社，201 9．