以微促教、物化融合賦能項(xiàng)目式教學(xué)的深廣化發(fā)展

劉玉平　顏樂(lè)　謝立暉

福建省福安市第一中學(xué)（355000）

［摘 要］本教學(xué)設(shè)計(jì)以微課作為打破學(xué)科融合時(shí)空壁壘的載體，引入物理電學(xué)的內(nèi)容，并以“問(wèn)題解構(gòu)、模型建構(gòu)”的方式，引導(dǎo)學(xué)生將基礎(chǔ)電化學(xué)裝置的設(shè)計(jì)解離為電極、電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體等組成部分的優(yōu)化，步步解構(gòu)，步步建構(gòu)，最終獲得性能優(yōu)良的電化學(xué)裝置，并以思維導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)項(xiàng)目式教學(xué)成果，構(gòu)建電化學(xué)裝置改進(jìn)的一般思維路徑。以微課的形式植入融合學(xué)科知識(shí)的賦能項(xiàng)目式教學(xué)，有助于學(xué)生深層次、多角度地再理解電化學(xué)相關(guān)概念、原理內(nèi)涵，發(fā)展學(xué)生的高階思維能力及對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，從而突破有關(guān)新型電化學(xué)裝置的知識(shí)難點(diǎn)。

［關(guān)鍵詞］微課程；學(xué)科融合；項(xiàng)目式教學(xué)；電化學(xué)

［中圖分類號(hào)］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2024）05-0073-04

一、問(wèn)題的提出

目前，高中化學(xué)學(xué)科的項(xiàng)目式教學(xué)主要在本學(xué)科內(nèi)開(kāi)展，通過(guò)綜合應(yīng)用化學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。但是，在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的社會(huì)背景下，跨學(xué)科的復(fù)合型人才越來(lái)越受到重視。《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》提出，課程要注重學(xué)科知識(shí)、社會(huì)生活、學(xué)生知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，改變課程過(guò)于強(qiáng)調(diào)學(xué)科本位的現(xiàn)狀［1］。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》也指出，化學(xué)是一門(mén)交叉學(xué)科，與材料、能源、生命、環(huán)境、醫(yī)藥、軍事國(guó)防以及信息技術(shù)都有很強(qiáng)的交叉融合［2］。多學(xué)科融合教學(xué)是解決真實(shí)問(wèn)題及發(fā)展高階思維的必然路徑，并且多學(xué)科融合教學(xué)還有利于打破學(xué)科壁壘，整合教學(xué)資源，避免對(duì)同一內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)教學(xué)。

目前，有部分學(xué)校已經(jīng)開(kāi)始嘗試項(xiàng)目式教學(xué)，圍繞一個(gè)主題，多個(gè)學(xué)科共同授課。但是，由于學(xué)校教學(xué)課程安排的限制，這樣的項(xiàng)目式教學(xué)的開(kāi)展大大受限。引入微課可有效打破跨學(xué)科教學(xué)的時(shí)空壁壘，讓專業(yè)的教師進(jìn)行專業(yè)的授課，學(xué)生可不限時(shí)間、不限地點(diǎn)、不限內(nèi)容、不限次數(shù)地進(jìn)行觀看。下面，筆者以電化學(xué)模塊高考二輪復(fù)習(xí)教學(xué)為例，談?wù)勔晕⒋俳?、物化融合賦能項(xiàng)目式教學(xué)的具體實(shí)施。

二、項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)施

（一）項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容

授課班級(jí)學(xué)情分析：授課班級(jí)為走班教學(xué)，共有學(xué)生42人，其中物化組合31人，歷化組合11人。在針對(duì)電化學(xué)模塊的測(cè)試中，學(xué)生的平均分情況見(jiàn)表1。（測(cè)試題均為成題，共10題，每題10分，其中電化學(xué)基本模型題5題、新型電化學(xué)裝置題5題，二者難度相近。）

表1和平時(shí)的教學(xué)成果均反映出，學(xué)生對(duì)電化學(xué)基本模型題的處理結(jié)果較佳，在新型電化學(xué)裝置題中失分嚴(yán)重，其中歷化組合的學(xué)生在更是存在明顯薄弱。針對(duì)新型電化學(xué)裝置題的定點(diǎn)突破，是在高考二輪復(fù)習(xí)的有限時(shí)間內(nèi)對(duì)電化學(xué)模塊進(jìn)行有效復(fù)習(xí)的關(guān)鍵。

（二）項(xiàng)目式教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課標(biāo)中相關(guān)主題的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，結(jié)合學(xué)生實(shí)際的認(rèn)知基礎(chǔ)，制訂如下教學(xué)目標(biāo)：

1. 能夠通過(guò)對(duì)銅鋅原電池模型的分析解釋、推理預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等學(xué)習(xí)活動(dòng)，進(jìn)一步明確并發(fā)展對(duì)原電池工作原理的認(rèn)識(shí)，糾正偏差認(rèn)識(shí)。

2. 能夠從微觀角度分析電極電勢(shì)的內(nèi)涵，并能夠利用平衡原理來(lái)進(jìn)行電極電勢(shì)的調(diào)控。

3. 能夠充分運(yùn)用電學(xué)知識(shí)，對(duì)電極材料、離子導(dǎo)體（包括但不限于鹽橋）、電子導(dǎo)體進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建對(duì)電化學(xué)的系統(tǒng)分析思路。

4. 能夠通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且提出假設(shè)，發(fā)展收集證據(jù)、依據(jù)證據(jù)提出假設(shè)、辯證分析問(wèn)題的能力。

5. 能夠在設(shè)計(jì)電化學(xué)裝置的過(guò)程中，體會(huì)科學(xué)家分析問(wèn)題的思路，并通過(guò)文獻(xiàn)閱讀了解我國(guó)電化學(xué)的最新研究成果，感受化學(xué)對(duì)促進(jìn)人類文明進(jìn)步的作用，發(fā)展科學(xué)態(tài)度及社會(huì)責(zé)任。

（三）項(xiàng)目式教學(xué)過(guò)程

1. 課前——項(xiàng)目指引

【引入項(xiàng)目】請(qǐng)同學(xué)們以小組為單位，利用一周的課余時(shí)間對(duì)教材實(shí)驗(yàn)中的單液銅鋅原電池裝置（見(jiàn)圖1）進(jìn)行改進(jìn)，以期獲得更理想的工作電流。

由于相關(guān)內(nèi)容涉及較多物理方面的電學(xué)知識(shí)，智慧課堂平臺(tái)為同學(xué)們提供了物理、化學(xué)相關(guān)知識(shí)的微課（見(jiàn)表2）。同學(xué)們可以根據(jù)自己原有的知識(shí)儲(chǔ)備情況進(jìn)行選擇性觀看，也可以利用互聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行更多信息的檢索。

設(shè)計(jì)意圖：以微課的形式，打破學(xué)科壁壘，給予學(xué)生充足的學(xué)習(xí)資源、自由的學(xué)習(xí)時(shí)間。引導(dǎo)學(xué)生從物理、化學(xué)的視角重新分析銅鋅單液原電池的工作原理，在整合學(xué)習(xí)資源的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，并且能夠自主運(yùn)用智慧課堂平臺(tái)，選擇性觀看所需學(xué)習(xí)資源，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的發(fā)展需求。

2. 課中——項(xiàng)目成果整合、評(píng)價(jià)、遷移

（1）任務(wù)一：銅鋅原電池的再設(shè)計(jì)

【驅(qū)動(dòng)性任務(wù)】銅鋅原電池是最初的電化學(xué)模型。為了獲得較為理想的工作電流，結(jié)合原電池工作原理，可以對(duì)教材中銅鋅原電池裝置的哪些部分進(jìn)行再設(shè)計(jì)？

學(xué)生1：可以將圖1裝置的工作電流看作四個(gè)部分：①鋅棒上發(fā)生失電子反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：Zn - 2e- = Zn2+；②電子在電子導(dǎo)體（導(dǎo)線）中發(fā)生定向移動(dòng)；③Cu2+吸附在Cu電極棒上發(fā)生得電子反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：Cu2+ + 2e- = Cu；④離子在離子導(dǎo)體（CuSO4溶液）中移動(dòng)。

【追問(wèn)】針對(duì)電極棒的改進(jìn)，同學(xué)們都有哪些措施呢？

學(xué)生2：增大鋅棒、銅棒與溶液的接觸面積，如將兩電極棒分別替換成鋅網(wǎng)和銅網(wǎng)，這有利于Zn失電子以及Cu2+附著得電子。

學(xué)生3：根據(jù)物理電學(xué)知識(shí)可知，電子從金屬表面逸出需要克服表面勢(shì)壘做功，而這一過(guò)程需要外界提供能量，這個(gè)能量可以是熱能、電能及光能等。因此，我們可以對(duì)鋅棒進(jìn)行加熱、外加電源以及光照等。

【教師評(píng)價(jià)】這個(gè)設(shè)想非常大膽，很棒。但對(duì)于加熱鋅棒提供熱能，目前在安全性能方面還有待解決；對(duì)電極棒進(jìn)行充電，同學(xué)們很容易想到電解池；用光照的方式來(lái)使原電池負(fù)極更易失電子的想法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，比如光敏燃料電池［3］，該電池負(fù)極吸附光敏燃料，使其更易失去電子，形成電子空穴。

學(xué)生4：由于鋅棒直接與CuSO4溶液接觸，在鋅棒表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致這部分的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，造成能量損耗，因此應(yīng)將鋅棒與CuSO4溶液隔離，設(shè)計(jì)成雙液原電池（見(jiàn)圖2）。

學(xué)生5：銅鋅原電池之所以存在電勢(shì)差，是因?yàn)榻饘僦糜谌芤褐写嬖诔恋砣芙馄胶?，?dāng)金屬表面的離子進(jìn)入溶液時(shí)，溶液中的離子同時(shí)沉積到金屬表面（見(jiàn)圖3），即存在平衡Zn-2e- ? Zn2+。要增強(qiáng)Zn的失電子能力，即要使平衡正向移動(dòng)，可以向電解質(zhì)溶液中滴加堿性溶液，使Zn2+形成Zn（OH）2沉淀或［Zn（OH）4］2-配離子，從而降低溶液中的Zn2+濃度，使沉淀溶解平衡向著溶解方向移動(dòng)，使鋅棒更易失電子。

學(xué)生6（追問(wèn)）：OH-的引入雖然可以降低Zn2+濃度，有利于Zn失電子，但同時(shí)也會(huì)降低Cu2+濃度，導(dǎo)致Cu2+ + 2e- ?Cu的平衡逆向移動(dòng)，不利于Cu2+得電子。

學(xué)生5（補(bǔ)充）：雙液原電池可以解決學(xué)生6的疑問(wèn)。

【教師評(píng)價(jià)】學(xué)生4、5、6三位同學(xué)分別從能量轉(zhuǎn)化及平衡原理角度進(jìn)行討論，得出的結(jié)論均是將單液原電池轉(zhuǎn)化為雙液原電池。圖4是單液原電池及雙液原電池的電流曲線和溫度曲線［4］（PPT展示）。由曲線可知，雙液原電池具有更加穩(wěn)定的電流，但電流量相對(duì)較低。請(qǐng)同學(xué)們運(yùn)用物理學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行解釋。

學(xué)生7：雙液原電池與單液原電池相比多了一個(gè)連接雙池的U形管鹽橋，因此問(wèn)題很可能出在鹽橋上。在電勢(shì)差增大的前提下，電流反而減小，應(yīng)該是電阻增大了。根據(jù)電學(xué)知識(shí)可知，U形管鹽橋長(zhǎng)度長(zhǎng)，橫截面積小，導(dǎo)致內(nèi)阻增大，電路中通過(guò)的電流減小。

【追問(wèn)】針對(duì)以上情況，如何對(duì)鹽橋進(jìn)行改進(jìn)可達(dá)到增大電流的目的？

學(xué)生8：將鹽橋縮短并增大橫截面積。

【追問(wèn)】假設(shè)將鹽橋無(wú)限縮短，并且無(wú)限增大橫截面積，其實(shí)就相當(dāng)于在單液原電池中加入了什么裝置？

學(xué)生9：離子交換膜。

【追問(wèn)】除了對(duì)鹽橋的外觀進(jìn)行再設(shè)計(jì)之外，還可以從哪些方面對(duì)鹽橋進(jìn)行改進(jìn)？

學(xué)生10：根據(jù)《鹽橋的制作》微視頻可知，鹽橋中發(fā)揮離子導(dǎo)體功能的是電解質(zhì)溶液。根據(jù)物理電學(xué)知識(shí)I=nqSv可知，鹽橋中離子的遷移速率越快，離子濃度越大，則電流越大。

【追問(wèn)】25 ℃時(shí)，水溶液中一些離子的極限電遷移率見(jiàn)表3［5］。鹽橋中用哪種電解質(zhì)效果最佳？

學(xué)生11：一方面，根據(jù)物理電學(xué)知識(shí)可知，兩離子的遷移速率相近時(shí)，液接電勢(shì)約為0；電路中電勢(shì)差最大，電阻一定時(shí)，電流最大。因此，鹽橋中可選擇的電解質(zhì)有CH3COONa和KCl。另一方面，要考慮離子遷移速率要大，因此鹽橋中電解質(zhì)的最佳選擇為KCl。

【追問(wèn)】以上是針對(duì)銅鋅原電池的電極得失電子能力及雙液原電池的鹽橋進(jìn)行的改進(jìn)。除此之外，還能對(duì)單液銅鋅原電池進(jìn)行哪些改進(jìn)，以增大其電流強(qiáng)度呢？

學(xué)生12：還能夠選擇電阻較小的材料制作成較短較粗的導(dǎo)線（電子導(dǎo)體）。

【教師評(píng)價(jià)】在以上對(duì)單液銅鋅原電池進(jìn)行改進(jìn)的過(guò)程中，首先基于原理將銅鋅原電池的工作電流分為四個(gè)部分，再?gòu)乃膫€(gè)部分產(chǎn)生電流的原理出發(fā)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。請(qǐng)同學(xué)們對(duì)本節(jié)課所探討的影響原電池工作效率的若干要素進(jìn)行歸納，整理成思維導(dǎo)圖，并在此基礎(chǔ)上對(duì)氫氧燃料電池以及電解水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。下一節(jié)課交流分享同學(xué)們的設(shè)計(jì)成果。

設(shè)計(jì)意圖：給予學(xué)生充分的機(jī)會(huì)討論單液銅鋅原電池的改進(jìn)方案，引導(dǎo)學(xué)生在初步改進(jìn)的基礎(chǔ)上，分別對(duì)電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體等原電池的組成部分進(jìn)行改進(jìn)。從微觀角度分析電極電勢(shì)的概念，并充分調(diào)動(dòng)物理電學(xué)及化學(xué)平衡的相關(guān)知識(shí)，幫助學(xué)生理解原電池工作原理的本質(zhì)內(nèi)涵，并基于對(duì)內(nèi)涵的深入了解，進(jìn)一步提出改進(jìn)設(shè)想，從而建構(gòu)完整的原電池改進(jìn)思路模型，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的變化觀念及平衡思想，并讓學(xué)生通過(guò)親歷完整的原電池改進(jìn)過(guò)程，感受學(xué)科融合對(duì)科學(xué)發(fā)展的助力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究及創(chuàng)新意識(shí)。

（2）任務(wù)二：氫氧燃料電池的再設(shè)計(jì)

本節(jié)內(nèi)容是對(duì)上一節(jié)項(xiàng)目式教學(xué)成果的評(píng)價(jià)，主要作用是引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用上節(jié)課所梳理的內(nèi)容進(jìn)行類比遷移，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸拓展。因此，以下僅通過(guò)“教師總結(jié)”展示學(xué)生在氫氧燃料電池再設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新方向及思路。

【教師總結(jié)】氫氧燃料電池的改進(jìn)，主要是針對(duì)其氣體反應(yīng)物的特點(diǎn)進(jìn)行的再設(shè)計(jì)，可將設(shè)計(jì)思路拓展到其他有氣體參與的原電池設(shè)計(jì)中。形成多孔結(jié)構(gòu)，增大氣體與電極棒之間的接觸面積，通過(guò)加入催化劑的方法來(lái)降低氣體放電的活化能等，都是常見(jiàn)的改進(jìn)路徑。電化學(xué)裝置改進(jìn)一般思路的思維導(dǎo)圖如圖5所示。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生利用在銅鋅原電池改進(jìn)過(guò)程中建構(gòu)起的原電池裝置改進(jìn)的初級(jí)思維模型，綜合氫氧燃料電池設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)證據(jù)，進(jìn)一步發(fā)展原電池裝置改進(jìn)思維模型，并以思維導(dǎo)圖的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理及模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。

【評(píng)價(jià)】在這兩節(jié)課中，教師利用課前微課引導(dǎo)學(xué)生打破學(xué)科壁壘，運(yùn)用物理電學(xué)知識(shí)深層次分析電化學(xué)模型，并體驗(yàn)由基礎(chǔ)電化學(xué)模型出發(fā)設(shè)計(jì)新型電化學(xué)裝置的過(guò)程，理解每個(gè)設(shè)計(jì)的原理，幫助學(xué)生克服對(duì)新型電化學(xué)裝置的學(xué)習(xí)障礙。高三的復(fù)習(xí)不僅要充分關(guān)聯(lián)、建構(gòu)化學(xué)體系中的各部分知識(shí)，還要整合各個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，從而使學(xué)生能夠多角度、更廣泛、更系統(tǒng)、更深入地了解所習(xí)得知識(shí)的內(nèi)涵。

3. 課后——項(xiàng)目成果鞏固、升華

【課后任務(wù)】

①結(jié)合課堂學(xué)習(xí)，對(duì)微課中所闡述的內(nèi)容仍有疑問(wèn)的可再次觀看微課視頻。

②選擇性閱讀教師提供的有關(guān)銅鋅原電池、氫氧燃料電池改進(jìn)及新型電化學(xué)裝置的文獻(xiàn)（包括但不限于教師課堂引用的文獻(xiàn)）。

③結(jié)合本節(jié)課所建構(gòu)的電化學(xué)裝置改進(jìn)思路模型，對(duì)教材中的“鐵上鍍銅”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行條件優(yōu)化。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生在課程結(jié)束后，關(guān)注有關(guān)銅鋅原電池及氫氧燃料電池的最新研究成果，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，使學(xué)生的理論學(xué)習(xí)具有發(fā)展性、延續(xù)性；完成“鐵上鍍銅”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，對(duì)建構(gòu)的原電池裝置改進(jìn)思路模型的成果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步發(fā)展為電化學(xué)裝置改進(jìn)的思路模型。在此過(guò)程中，學(xué)生能夠充分體會(huì)科學(xué)家思考問(wèn)題的思路，并通過(guò)文獻(xiàn)閱讀了解我國(guó)電化學(xué)的最新研究成果，感受化學(xué)對(duì)促進(jìn)人類文明進(jìn)步的作用，發(fā)展科學(xué)態(tài)度及社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)。

三、項(xiàng)目式教學(xué)效果及評(píng)價(jià)

通過(guò)智慧平臺(tái)數(shù)據(jù)端所反饋的微課瀏覽數(shù)據(jù)可以看出，物理學(xué)科相關(guān)內(nèi)容的瀏覽量明顯高于化學(xué)學(xué)科的，由此也反映出引入微課解決學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)疑惑的必要性。在課堂教學(xué)中，無(wú)論是物化組合還是歷化組合的學(xué)生，無(wú)論平時(shí)化學(xué)成績(jī)表現(xiàn)如何的學(xué)生，都能夠暢所欲言，熱烈討論，對(duì)于同一問(wèn)題能夠多角度進(jìn)行論證，提出多種解決方案。這也反映出課前的微課教學(xué)給予了學(xué)生學(xué)習(xí)的信心，并有利于高效課堂的實(shí)現(xiàn)。課后學(xué)生所進(jìn)行的“鐵上鍍銅”裝置的改進(jìn)，可以反映出課堂的教學(xué)目標(biāo)得到了落實(shí)。課后，教師提供文獻(xiàn)讓學(xué)生進(jìn)行閱讀，并引導(dǎo)學(xué)生提出新的問(wèn)題，形成新的設(shè)計(jì)思路，滿足了部分學(xué)生進(jìn)行更深層次學(xué)習(xí)的需求。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國(guó)教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》的通知［EB/OL］.（2001-06-08）［2023-07-04］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/jcj_kcjcgh/200106/t20010608_167343.html.

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

［3］? 孫哲，黃滿江，陳亮，等.光催化型微生物燃料電池研究進(jìn)展［J］.工業(yè)水處理，2014（3）：11-14.

［4］? 馬翠翠，盧玲，董軍.手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究夾心式膜電池的創(chuàng)新改進(jìn)［J］.化學(xué)教育（中英文），2020（7）：64-71.

［5］? 杜愛(ài)萍，蘆琴燕.雙液原電池鹽橋的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］.化學(xué)教與學(xué)，2019（11）：80-82.

（責(zé)任編輯 羅 艷）