基于數字化實驗發展“證據推理與模型認知”素養的教學設計
———以2019年湖北省好課堂展示課“原電池”為例

◇ 湖北 余 騰 李 欣

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準(2017年版)》中界定了化學學科核心素養,其中“證據推理與模型認知”旨在培養學生的證據意識,并基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設,同時建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系,最終能運用模型解釋化學現象,揭示現象的本質和規律.該素養是培養學生關鍵能力的一種重要的方法,也是學生掌握化學基本理論和原理以分析解決實際問題能力的重要手段.

數字化實驗系統是現代信息化發展的產物,利用數字化實驗定量化、可視化的特點,從定量及微觀的角度收集不同層次的證據,有助于學生對復雜現象形成直觀理解,便于證據的收集,進行推理研究,利用計算機軟件進行數據的分析和呈現,能有效地幫助學生構建模型認知.

人教版《選修4》第四章第一節“原電池”承接了《必修2》相關知識內容,該內容是發展學生“證據推理與模型認知”素養的重要載體.原電池內容的學習是難點,而雙液原電池內容更抽象,在該內容的學習中學生產生了諸多疑問.例如,負極鋅片為何產生氣泡?與單液原電池相比,雙液原電池的優點在哪里?雙液原電池的工作原理又是怎樣的?筆者將數字化實驗與素養教學進行深度融合,通過真實數據的變化,將“微觀過程宏觀化”,以此形成證據加以推理,讓學生能自主比較兩種模型的優缺點,進一步揭示原電池工作原理的本質,發展學生抽象思維和邏輯思維能力,形成解決原電池問題的一般思路和方法,從而促進學生“證據推理與模型認知”這一核心素養的提升.

2 教學設計思路和“證據推理與模型認知”素養的滲透

人教版《必修2》教材中以鋅銅單液電池為例讓學生建立最簡單的原電池模型認知,并通過證據推理讓學生初步認識原電池的工作原理.《選修4》中采用數字化實驗以帶鹽橋的鋅銅雙液電池為例發展學生的原電池模型認知,提升學生對原電池的工作原理的認識.整個教學過程分7個部分(如圖1所示).

圖1

整個教學設計基于數字化實驗開展,使用到溫度傳感器、電流傳感器、鉀離子濃度傳感器.將“證據推理與模型認知”的核心素養以潛移默化的方式滲透在教學的各個環節中.具體過程如下:先通過發現單液原電池“負極Zn片”上有氣泡這個小問題,引發認知沖突,激發學生的興趣,接著利用溫度傳感器和電流傳感器找到單液原電池存在的不足,引導學生改進實驗裝置,自然而然引出鹽橋;再利用鉀離子濃度傳感器探究鹽橋的作用,構建雙液原電池工作原理的模型,最后讓學生自制課本上的濾紙鹽橋,親自體驗雙液原電池,強化模型的認知,同時布置開放性的課堂作業,增強學生的社會責任感.

3 教學設計

3.1 教材分析

《普通高中化學課程標準(2017年版)》中要求:認識化學能與電能相互轉化的實驗意義及其重要應用,了解原電池的工作原理.人教版《選修4》中的學習內容,旨在讓學生認識“模型”是化學學科重要的思維方法,電池的發展是逐步深入的,每前進一步,都建立在實驗研究的基礎之上,“單液原電池”發展到“雙液原電池”,再到現在的“膜電池”,科學實驗一直是推動知識革新的重要手段.

3.2 學情分析

學生在《必修2》學習到了原電池的基本知識,初步認識了原電池的形成條件和工作原理,但對單液原電池存在的不足、雙液原電池的優點以及雙液原電池工作原理的認識不夠深入.本節課的教學可以基于學生的已有認知,通過數字化實驗教學手段認識到模型方法對理論建構的作用、模型的發展特征以及證據推理在其中的重要作用.

3.3 教學目標

1)通過進一步強化原電池模型的認知,掌握單液原電池的工作原理.

2)通過實驗探究,發現單液原電池存在的問題,思考改進的方法.

3)了解鹽橋在構成雙液原電池中的重要作用以及雙液原電池的工作原理,深刻體會氧化還原反應與原電池的關系.

4)通過對已有原電池工作原理建立的認知,能自行推斷鹽橋原電池內、外電路產生電流的原因,并用平衡的觀念加以解釋,發展“證據推理和模型認知”的核心素養.

3.4 教學過程

1)鞏固原有知識

【問題1】什么是原電池?形成原電池的條件有哪些?

給出Zn(s)＋2 H＋(aq)＝Zn2＋(aq)＋H2(g)ΔH＜0這樣一個自發的氧化還原反應,根據投影上原電池裝置(如圖2),將該電池工作原理呈現在學案上(見表1).

圖2

表1

【學生實驗】重溫原電池實驗,注意觀察鋅片、銅片及電流表的變化,看看是否有新的發現.結束后分享實驗現象.

【設計意圖】通過提出問題以及填寫工作原理表格的方式,來回顧單液原電池的基本知識.再通過學生親自動手實驗,觀察到3種現象:鋅片上有大量氣泡產生、銅片上有少量氣泡產生和電流表指針偏轉.發現“鋅片上有氣泡”這一反常現象引發學生的認知沖突,為后面進一步探究做鋪墊.

2)探索新發現

【問題2】(1)鋅片上為什么有氣泡?請給出理由.(學生討論)

(2)鋅片上直接生成H2,必然導致化學能的損失,那這里又存在何種形式能量的轉換?

【設計意圖】根據真實現象,提出問題(1),讓學生充分討論,發散思維.很容易得出導致鋅片上產生氣泡的兩點原因:①Zn不純,鋅和雜質直接構成原電池,氫氣在Zn表面析出;②Zn和H＋直接接觸導致H2的產生.再通過問題(2)過渡到捕捉能量變化的角度來思考,既培養了學生深度思考、解決問題的高階能力,又為引出數字化實驗埋下伏筆.

3)數字化實驗

【教師實驗1】步驟1:打開軟件Logger Pro 3.14,連接數據采集器、溫度傳感器.

步驟2:連接原電池裝置,加入0.8 mol·L－1H2SO4溶液,將溫度傳感器插入溶液中.

步驟3:點擊數據采集,將溫度傳感器靠近鋅片,調節自動比例,采集一段時間數據,停止.

【問題3】看到什么現象?通過現象說明什么問題?

【教師實驗2】再用電流傳感器測定上述單液原電池電流變化(為節省課堂時間,采取視頻播放),如圖3.

【問題4】通過視頻看到什么現象?說明什么問題?

圖3

【設計意圖】學會借助新技術觀察微觀過程、分析問題形成證據,得到真實的數據和結果:a)發現單液原電池中化學能會以熱能的形式進行損失(溫度傳感器監測到Zn片表面溫度升高);b)電流的傳輸會降低(隨著反應進行,電流逐漸減小).這些都為得出單液原電池能量轉換效率不高提供證據.

4)實驗裝置改進

【問題5】為了使化學能更多地轉化為我們需要的電能,可以對實驗加以怎樣的改進?

(小組討論)

學生嘗試畫出改進后的實驗裝置圖(如圖4).

【教師實驗3】將鹽橋連入圖4-丙電路中,觀察電流計指針變化.

圖4

【設計意圖】通過問題5和小組討論,總結出可能原因:a)Zn片不純;b)Zn和H＋直接接觸,對比發現想找到絕對純凈的Zn是很難的,應該從改進實驗裝置,讓Zn和H＋不直接接觸的角度來解決問題.再通過學生畫改進裝置時所有可能出現的情況,依次分析是否能構成原電池,最終通過教師實驗3來進行驗證,糾正“化學反應只有反應物相互接觸時才能發生”的錯誤認識,讓學生深刻體會氧化還原反應和原電池的關系.

5)探究鹽橋作用

【問題6】帶鹽橋的原電池工作原理是怎樣的?

【問題7】內電路離子如何移動來產生電流?(學生討論得出自己猜想)

【設計意圖】讓學生參照單液原電池模型,從微觀角度推理出:負極Zn失電子變成Zn2＋,導致負極Zn所在的燒杯中正電荷相對增加,所以猜想Cl－向負極Zn片所在的燒杯移動;正極Cu片上積累大量電子,同時H＋得電子變成H2,導致正極Cu片所在的燒杯負電荷相對增加,所以猜想K＋向正極Cu所在的燒杯移動.這樣根據已有的模型認知,能進行大膽推測,學會在變化的新知識中,利用平衡的思想來解決問題.

【教師實驗4】利用數字化實驗系統,選用K＋濃度傳感器來進行驗證(考慮到K＋濃度傳感器的標定時間長,采取提前錄制視頻,現場播放的形式).

【設計意圖】利用數字化實驗系統具有的直觀性特點,準確得出K＋的移動方向,幫助學生對復雜現象形成直觀理解,總結出鹽橋中離子移動的規律,最后驗證實驗結論的正確性.通過K＋濃度傳感器檢測K＋濃度,觀察K＋濃度的實時變化趨勢,有利于學生形成證據,再依據真實證據理解難以肉眼觀察的微觀物質移動.進一步發展證據推理,強化模型認知的核心素養.

【問題8】和傳統原電池相比,帶鹽橋的原電池的電能轉化效率如何?電流有何不同?

我們通過溫度傳感器和電流傳感器再一次進行實驗.

【教師實驗5】用溫度傳感器和電流傳感器測定鹽橋原電池中溫度和電流的變化.

【設計意圖】利用溫度傳感器和電流傳感器對雙液原電池同時進行負極測溫、測定電流變化通過得出的數據和單液原電池進行對比,基于證據分析得出:雙液原電池比單液原電池的優勢是能量轉化效率更高,電流更穩定!

6)自制濾紙鹽橋

【問題9】鹽橋神奇嗎?我們也能利用身邊的一些器材,設計成鹽橋原電池.給出Zn片、Cu片、濾紙、食鹽水、導線、靈敏電流表、100 mL燒杯2個、砂紙(用于打磨).

【設計意圖】將鹽橋原電池的模型用于實際;親身體驗雙液原電池模型,感受創新應用知識產生的巨大價值,發展科學探究和創新意識.

7)調查電池現狀

【小組合作】查閱有關2019年諾貝爾化學獎的資料,將鋰電池的電極選擇、安全性能、工作原理、電池容量四個方面整理成小論文.

【設計意圖】全面了解電池的價值以及舊電池的危害;培養合作、交流的能力;養成“關注社會熱點問題、參與社會熱點問題”的習慣和意識,發展學生“科學態度與社會責任”的科學素養.

4 教學反思

《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中明確指出:積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發式、探究式、體驗式等課堂教學,要認真開展驗證性實驗和探究性實驗教學,推動信息技術與教育教學的深度融合,加強教學研究和指導.數字化實驗是教育信息化的產物,有效地推動了教育教學的發展,彌補了傳統實驗的不足,使微觀過程“可視化”,模型構建“證據化”.比如在文中,利用溫度傳感器探測Zn片附近溫度變化,用電流傳感器監測單液原電池電流變化,均以直觀的圖形曲線進行呈現,讓學生更加直接地觀測到實驗進程.在引入鹽橋后構成雙液原電池時,再利用“K＋濃度傳感器”探測K＋的遷移方向,將難以理解的微觀過程真實地展現出來,以此為證據構建和強化雙液原電池模型,從而深刻地理解原電池的基本原理.給學生提供了更多有意義的思考和培養了更高階的思維.