基于學(xué)科核心素養(yǎng)的“原電池”教學(xué)設(shè)計(jì)

馬長燕

［摘 要］“原電池”是高中化學(xué)學(xué)科體系的核心知識(shí)之一，是學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)與能量變化的重要載體。以發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、提供學(xué)習(xí)支架等方法，組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)單液電池的構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化裝置，分析原電池的工作原理及構(gòu)成要素，并建構(gòu)原電池的裝置—原理二維模型，最后通過分析新能源汽車動(dòng)力磷酸鐵鋰電池，應(yīng)用二維模型圖實(shí)現(xiàn)表征轉(zhuǎn)換，在問題解決過程中實(shí)現(xiàn)學(xué)生高階思維的培養(yǎng)，達(dá)成學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

［關(guān)鍵詞］核心素養(yǎng)；原電池；教學(xué)設(shè)計(jì)

［中圖分類號(hào)］ G633.8 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? A ［文章編號(hào)］ 1674-6058（2023）26-0067-04

一、“素養(yǎng)為本”的教學(xué)設(shè)計(jì)理念

“原電池”是高中化學(xué)學(xué)科體系的核心知識(shí)之一，本節(jié)內(nèi)容選自新人教版高中化學(xué)選擇性必修1的第四章第一節(jié)。新課標(biāo)中提出課程要以發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，以真實(shí)問題情境為載體，開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，促進(jìn)知識(shí)向素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化［1］。如何把核心素養(yǎng)落實(shí)到教學(xué)中，指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計(jì)，值得我們思考。原電池在高一化學(xué)中已有所涉及，學(xué)生已經(jīng)初步了解原電池的工作原理，具備守恒思想，但是批判性思維、創(chuàng)造性思維、問題解決能力等高階思維及能力的整體水平較低，需要進(jìn)一步培養(yǎng)。

本節(jié)課借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將“看不到”的微觀世界可視化，測(cè)量不同的原電池的工作電流，引導(dǎo)學(xué)生探究影響電流的因素，分析實(shí)驗(yàn)宏觀現(xiàn)象及其微觀原理，促進(jìn)學(xué)生關(guān)聯(lián)宏觀—微觀—符號(hào)三重表征，自主建構(gòu)原電池的裝置—原理二維模型［2］。課中設(shè)計(jì)問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入有效的思考，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析解釋情境問題，促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。同時(shí)，對(duì)電池裝置進(jìn)行優(yōu)化，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，讓學(xué)生了解鹽橋、離子交換膜的作用，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)原電池的裝置—原理二維模型，最后遷移應(yīng)用裝置—原理二維模型分析新能源汽車動(dòng)力磷酸鐵鋰電池的工作原理及結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的發(fā)展。其過程如圖1所示。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.通過實(shí)驗(yàn)探究，分析單液原電池的不足，設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，進(jìn)一步學(xué)習(xí)雙液、隔膜電池的構(gòu)成及其工作原理，聯(lián)系氧化還原反應(yīng)，能從宏觀、微觀層面分析化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的原理。

2.自主建構(gòu)原電池的二維模型，形成從裝置和原理兩個(gè)維度分析陌生原電池的思路和方法，發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)。

3.通過新能源汽車的動(dòng)力分析，感受化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值。

三、教學(xué)流程

基于教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，主要流程如圖2所示。

四、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

【新課導(dǎo)入】目前我國是全球最大的新能源汽車銷量國家。新能源汽車種類有：燃料電池汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車。

教師：不論是哪一種，都與電有關(guān)系，都有對(duì)應(yīng)的電池。我們?cè)诒匦薜诙?cè)中學(xué)習(xí)了原電池的相關(guān)知識(shí)，新能源汽車的能量轉(zhuǎn)化方式與傳統(tǒng)汽車相比有什么不同？轉(zhuǎn)化率如何？

學(xué)生1：新能源汽車是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，轉(zhuǎn)化率更高。

教師：本節(jié)課我們一起繼續(xù)學(xué)習(xí)原電池。

設(shè)計(jì)意圖：先從生活走進(jìn)化學(xué)，讓學(xué)生感受化學(xué)與生活密切相關(guān)，再回顧原電池舊知，喚醒學(xué)生已有認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

環(huán)節(jié)二：宏微關(guān)聯(lián)，建構(gòu)裝置—原理二維模型

【創(chuàng)設(shè)情境】下列裝置（如圖3）是否能夠構(gòu)成原電池？請(qǐng)說明理由。

【學(xué)生表現(xiàn)】學(xué)生的回答基本正確并能說明原因。

【建構(gòu)模型】從微觀角度分析單液原電池（如圖4）；關(guān)聯(lián)宏觀—微觀—符號(hào)三重表征，從裝置和原理兩個(gè)維度分析原電池（如圖5）。

【提出問題】這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的原電池能否投入實(shí)際應(yīng)用中呢？

【學(xué)生活動(dòng)】（1）分組實(shí)驗(yàn)：銅鋅硫酸銅單液原電池。（2）觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：電流讀數(shù)不穩(wěn)定，電流很快減小，銅片表面有紅色固體析出，但是鋅片上也有紅色固體物質(zhì)析出。測(cè)試反應(yīng)前后的溫度，溫度隨反應(yīng)的進(jìn)行而升高。

【提出問題】（1）鋅片表面為什么會(huì)有紅色固體析出？（2）鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？

學(xué)生2：鋅片與硫酸銅溶液接觸會(huì)發(fā)生放熱反應(yīng)，有部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，能量轉(zhuǎn)化效率低。這就是反應(yīng)后溫度升高的原因，并且析出的固體覆蓋在鋅片表面，阻止原電池進(jìn)一步反應(yīng)，隨著時(shí)間的延續(xù)，電流減小，由此可以看出這樣的原電池不能投入實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。

設(shè)計(jì)意圖：通過分析原電池的工作原理，讓學(xué)生關(guān)聯(lián)宏觀—微觀—符號(hào)三重表征，自主建構(gòu)原電池的裝置—原理二維模型；通過實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生了解單液原電池的不足并思考改進(jìn)方法。

環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)探究，完善裝置—原理二維模型

【提出問題】怎樣改進(jìn)原電池裝置？怎樣阻止Cu2+與鋅片直接接觸？鋅片應(yīng)放入什么樣的溶液中？該用什么樣的物質(zhì)溝通內(nèi)電路，形成原電池？

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生思考后改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。（實(shí)驗(yàn)器材：銅片、CuSO4溶液、鋅片、ZnSO4溶液、飽和KCl溶液、飽和KNO3溶液、燒杯、導(dǎo)線、鹽橋、濾紙、數(shù)字電流表、溫度計(jì)）

【提供信息】溶液中的陰陽離子的遷移率接近可以提高導(dǎo)電能力。一些離子在水溶液中的遷移率如表1所示。

【學(xué)生表現(xiàn)】展示設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案。方案一：用鹽橋搭建橋梁；方案二：用濾紙條搭建橋梁；濾紙條含飽和KNO3或KCl溶液。

【學(xué)生活動(dòng)】（1）分組實(shí)驗(yàn)：利用自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（2）觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：溫度計(jì)示數(shù)不變，搭建濾紙或鹽橋時(shí)溶液的電流表讀數(shù)穩(wěn)定，工作一段時(shí)間無變化，但是電流很小，取出濾紙或鹽橋后，原電池停止工作。

【提出問題】為什么電流讀數(shù)穩(wěn)定？為什么搭建濾紙條和鹽橋的效果是一樣的？鹽橋中離子移動(dòng)方向是怎樣的？鹽橋的作用是什么？為什么電流讀數(shù)比較?。?/p>

【提供信息】離子運(yùn)動(dòng)的距離長、通道窄會(huì)增大電阻。展示雙液—鹽橋原電池微觀分析圖（如圖6）。

學(xué)生3：溶液的導(dǎo)電能力與離子的遷移速率有關(guān)，KCl或KNO3溶液中陰陽離子的遷移率接近，所以鹽橋可以選擇飽和KCl或KNO3溶液。根據(jù)資料信息可知鹽橋電阻大，所以電流小。

【提出問題】在實(shí)際應(yīng)用的電池中我們很少看到鹽橋的影子，主要的原因是鹽橋的內(nèi)阻太大。那么我們還可以怎樣改進(jìn)裝置呢？

【提供信息】隔膜又叫離子交換膜，只允許特定的離子通過，常見的有陽離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜。

學(xué)生：根據(jù)資料信息，可以得出改進(jìn)裝置的方法，即縮短鹽橋的長度，增大鹽橋的橫截面積，或選用隔膜代替鹽橋。

【演示實(shí)驗(yàn)】按照改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖7），做演示實(shí)驗(yàn)。

教師：上述兩個(gè)裝置電流穩(wěn)定且較大。但是鹽橋的離子容量有限，需要及時(shí)更換，而且鹽橋比較重，隔膜比較輕，所以實(shí)際電池中采用的多是隔膜。隔膜可以阻止兩種反應(yīng)物直接接觸，同時(shí)起平衡電荷、形成閉合回路的作用。請(qǐng)同學(xué)們按照相同的思路從裝置構(gòu)成和工作原理兩個(gè)維度對(duì)隔膜原電池進(jìn)行分析，并完成裝置—原理二維圖。

【學(xué)生任務(wù)】歸納討論隔膜原電池的裝置—原理二維模型（見圖8）。

【提出問題】分析單液原電池與隔膜原電池在裝置上有什么不同？

學(xué)生4：電解質(zhì)溶液不一樣，離子導(dǎo)體不同。

設(shè)計(jì)意圖：通過分析單液原電池的不足，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)方案優(yōu)化電池裝置，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，了解鹽橋、離子交換膜的作用，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)原電池的裝置—原理二維模型，經(jīng)過不斷反思，批判性思維得到發(fā)展，形成“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四：應(yīng)用模型，分析新能源汽車動(dòng)力

教師：為了滿足社會(huì)的需要，現(xiàn)代化學(xué)電源正朝著更尖端的方向發(fā)展，科學(xué)研究者們正致力于研究新型電池以滿足人類的需求，比如純電動(dòng)汽車使用的鋰電池。

【創(chuàng)設(shè)情境】PPT展示磷酸鐵鋰原電池電子轉(zhuǎn)移動(dòng)態(tài)圖以及總反應(yīng)方程式。

教師：請(qǐng)同學(xué)們將該電池的裝置—原理二維圖補(bǔ)充完整。

【學(xué)生活動(dòng)】從總反應(yīng)出發(fā)，分析電極反應(yīng)，選擇電極材料及離子導(dǎo)體，完成填寫。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于分析磷酸鐵鋰電池，體會(huì)從裝置和原理兩個(gè)維度分析原電池的意義，形成從裝置、原理兩個(gè)維度分析陌生原電池的思路和方法。

五、小結(jié)

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)高階思維

從生活中的新能源汽車動(dòng)力出發(fā)，走進(jìn)化學(xué)，以學(xué)生熟悉的銅鋅原電池為例，設(shè)計(jì)問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生開展探究活動(dòng)；利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可視化特點(diǎn)，測(cè)量電池電流；通過電流的具體數(shù)值，分析電池優(yōu)劣，進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)的微觀探析，了解設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素，優(yōu)化原電池。讓學(xué)生歷經(jīng)科學(xué)探究的過程，加深了學(xué)生對(duì)原電池工作原理的理解，再回歸生活，讓學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析純電動(dòng)新能源汽車的磷酸鐵鋰電池，使學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)造性思維以及問題解決能力得到了發(fā)展，提升了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二）模型建構(gòu)，優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)，形成學(xué)習(xí)方法

首先，通過原電池的實(shí)驗(yàn)和原理分析這兩個(gè)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生自主建構(gòu)原電池的裝置—原理二維模型；接著，通過分析雙液—鹽橋原電池和隔膜原電池，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)裝置—原理二維圖；最后，讓學(xué)生應(yīng)用裝置—原理二維模型分析磷酸鐵鋰電池，并繪制二維圖解決實(shí)際問題，形成分析陌生原電池的思路和方法。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 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［M］.北京：人民教育出版社，2018．

［2］? 張瑞林，劉曉華，姜言霞.整合多重表征 促進(jìn)概念深度理解：以“原電池”為例［J］.化學(xué)教育（中英文），2022（3）：23-31.