基于深度學習理論的原電池探究設計

孔維鋒,薛 蓉,楊一思,朱立紅,張萬舉

(黃岡師范學院 化學化工學院，湖北 黃岡 438000)

化學學科核心素養是指學生通過在化學學科學習過程中而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力[1]。化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”等五個維度，反映了學生從化學視角認識客觀事物的方式與結果的水平[2]。

原電池主題是高中化學學科重要的理論性知識，是學生認識化學反應與能量轉化的重要載體，也是氧化還原反應知識銜接的樞紐，對學生學習電化學相關知識以及提升化學學科核心素養有非常重要的意義[3]。然而，在實際教學中存在諸多問題，如部分教師對原電池主題教學內容定位缺乏準度、活動開展缺乏效度、問題設計缺乏深度以及技術應用缺乏適度[4]，以教師的“教”代替學生的“學”，以教師的演示或微課視頻內容代替學生的探究實驗[5]。學生只是盲目記憶原電池模型，導致對原電池原理和裝置理解不透徹，遇到與原電池相關的真實情景問題無所適從、難以解答。這些教學問題導致學生化學學科核心素養的培養離課程標準的要求相差甚遠。因此，如何發揮化學實驗在化學科學研究中的重要價值，引導學生進行深度學習，培養學生化學學科核心素養并將其落到實處是值得研究的課題[6]。

1 深度學習是培養學生核心素養的路徑

深度學習(Deep Learning)最早是由美國學者Ference Marton和Roger Saljo于1976年基于學生閱讀的實驗，針對孤立記憶和非批判性接受知識的淺層學習(Surface Learning)提出的關于學習層次的一個概念[7-8]。胡久華等將深度學習界定為: 在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，開展以化學實驗為主的多種探究活動，從宏微結合，以變化守恒的視角，運用證據推理與模型認知的思維方式，解決綜合復雜問題，獲得結構化的化學核心知識，建立運用化學學科思想解決問題的方法，培養學生的創新精神和實踐能力，促進學生核心素養的發展[9-10]。

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》對模型認知的要求是：學生通過實驗探究、分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，通過它們建立一個具有代表性的模型，在面對新問題時能夠利用所建立的模型，去解釋相關現象，并解決相關問題。課程標準中還強調“教、學、評”一體化。深度學習教學設計應具有挑戰性學習主題、深度學習目標、深度學習活動和可持續性評價四大要素[11]。模型建構深度學習基本模式是基于情境，問題引發，開展以實驗為基礎的科學探究活動，學生獲取知識，建構、應用和發展模型，發展化學學科核心素養。深度學習教學設計要素與深度學習模式與高中化學課程標準要求是一致的。因此深度學習是實現培養學生化學學科核心素養的路徑，核心素養的培養是深度學習的目標，二者高度契合。原電池深度學習模式與核心素養培養關系如圖1 所示。

圖1 原電池深度學習模式與核心素養培養關系圖

2 原電池探究設計

2.1 教學設計思路

該學習內容主要分課前、課中及課后三個階段完成， 基于深度學習理論設計了初識模型、建構模型、應用模型及發展模型四個環節。

初識模型：課前學生自主學習教師在雨課堂平臺提供的學習資源，感受科學家在電池材料領域的探索和突破，體會化學學科對人類社會發展的貢獻。

建構模型：課中以學生為主體，從能量和氧化還原反應的角度，解析經典Zn-Cu單液原電池的構造, 初步認識原電池的工作原理，建構原電池模型，體會原電池設計的基本思路。

應用模型：課中基于對原電池模型的理解，設計簡易水果電池，進一步深化對原電池的認識和理解，并運用原電池模型解釋相關問題。

發展模型：課后通過分析Zn-Cu單液原電池和水果電池的缺陷，提出改進意見，進一步鞏固對原電池的認識和理解。深化學生對化學、技術、社會和環境的相互作用關系的理解，增強社會責任感，并為電化學主題的學習打好基礎。

加強過程性評價：通過前測題、課中問題診斷和課后作業測評，實現教、學、評一體化。

2.2 教材分析

原電池內容在人教版高中化學必修第二冊第二章第二節“化學反應與能量”主題中[12]，教材中通過認識化學變化和運用化學反應原理，解決現實中與化學有關的實際問題的舉例，引導學生掌握化學反應的實質、能量變化的本質，多角度引導學生體會科學研究方法，認識化學學科價值，感受化學魅力[13]。

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》對該節內容要求為：認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用； 知道化學反應可以實現化學能與其他能量形式的轉化，以原電池為例認識化學能可以轉化為電能；了解原電池及其常見化學電源的工作原理，從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作原理；了解常見的燃料電池，體會提高燃料的燃燒效率、開發高能清潔燃料和研制新型電池的重要性[1，13]。

原電池內容主要是介紹Zn-Cu單液原電池構成、原理及其應用，為后續學習電化學奠定基礎。

2.3 學情分析

學生具備氧化還原反應的理論知識，對于化學反應與守恒原理也有初步理解；知道常見金屬的活動順序；同時也知道生活中常見的電池，特別是干電池和鋰電池等。學生還具備基本實驗操作能力，具有一定的實驗探究、實驗現象觀察與分析的能力；學生也有強烈的好奇心和求知欲。但學生在實驗設計和抽象概念理解能力方面有所欠缺，需要進一步培養與提升。

2.4 素養目標

通過課前自主學習導學資料，能辨識化學反應中能量轉化形式，能列舉常見原電池類型，提高信息收集與分析問題能力, 建立觀點、證據與結論之間的邏輯關系。通過實驗探究能從氧化還原反應的角度認識原電池的工作原理， 能歸納出原電池裝置構成要素，發展“證據推理與模型認知”的素養。通過學習化學電池的發展歷史與新型電池的開發案例， 能舉例說明化學在解決能源危機中的重要作用，能從物質變化和能量變化綜合考慮分析、解決實際問題。通過制作水果電池來感受化學在生活中的應用，加深化學與生活中的緊密聯系，提升創新意識、科學態度和社會責任感。

能從宏觀、微觀、符號三者結合分析、解釋原電池的工作原理，設計簡單的原電池，并運用原電池模型解釋相關問題，發展“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的核心素養。

2.5 評價目標

能列舉化學能轉化為電能的實例，能辨識簡單原電池的構成要素，并能分析簡單原電池的工作原理。能運用單一變量法通過實驗探究原電池的構成與工作原理，自主建構原電池模型。能應用原電池模型制作水果電池，運用原電池原理解釋與電池相關的實際問題。

2.6 教學重難點

重點：原電池原理及其裝置構成要素

難點：原電池的原理

2.7 教學過程

2.7.1課前：初識模型

通過雨課堂平臺進行線上課前預習，完成前測題，使學生對原電池模型有初步認識(表1)。

表1 原電池模型雨課堂初識

環節1:推送課前學習資料

法拉第根據電磁感應現象發明世界上第一臺發電機；伽伐尼(Galvani)青蛙抽搐實驗；化學電池發展史等課前學習資料[14]。

環節2:推送前測題

問題1：哪些能量可以轉化為電能嗎？

問題2：請簡要列舉電池重要發展史，分析電池創新與發展的相關因素。

問題3：通過閱讀教材，能否給原電池下一個定義？原電池是如何構成的呢？

問題4：能否理解和說明伽伐尼青蛙抽搐實驗？

【評價內容】問題1考查學生是否能運用已學能量相互轉化的知識；問題2考查學生提取信息的能力，初步感受化學能轉化為電能實際意義與重要作用；問題3考查學生是否初步認識原電池模型；問題4考查學生能否將原電池模型應用于解釋實際問題。

【設計意圖】四個問題是依據學生已有知識與能力基礎，層層遞進，以學生為主體，以問題為導向，引導學生自主學習。一方面考察學生信息梳理、分析、提取能力，另一方面通過前測題檢測學生課前預習情況，教師還可以通過雨課堂平臺后臺數據了解學生預習效果。

2.7.2課中：建構模型

環節1:創設情境 認識模型

【教師引導】展示宇宙飛船太空運行圖與高鐵車廂圖，設置問題，宇宙飛船與高鐵運行用電從何而來？通過雨課堂推送的視頻學習資料、閱讀教材、查閱資料等，說一說哪些能量可轉化為電能。

【學生回答】火力發電、風能發電、太陽能發電、水利發電和核能發電等。

【教師引導】展示我國2018年發電量結構分析圖(圖2)，思考電能的轉換方式？

圖2 我國2018年發電量結構分析

【學生回答】火力發電、風力發電、太陽能發電分別將化學能、風能、太陽能轉化為電能。水利發電，核能發電分別將重力勢能、核能轉化為電能。

【教師引導】大家通過雨課堂平臺觀看了伽伐尼青蛙抽搐實驗、伏打電池發現歷程、丹尼爾原電池等電池的發現歷程視頻，大家能說出什么是原電池嗎？

【學生回答】原電池是將化學能轉化為電能的裝置。

【設計意圖】鞏固預習成果，初步認識原電池。

【評價內容】學生回答問題的參與度；能否知道其他能量可轉化為電能；能說出什么是原電池，初步認識原電池模型；診斷學生信息收集及處理能力。

環節2:實驗探究 建構模型

(1)實驗探究1，通過實驗探究(圖3)，學生觀察、記錄實驗現象，解釋實驗現象并得出結論。

圖3 實驗探究1

問題1：反應中哪種物質失去了電子？哪種物質又得到電子？

問題2：鋅片通過什么途徑將電子轉移給了溶液中的銅片？

問題3：怎么讓這種電子的轉移變成和利用的電流呢？

【設計意圖】 問題1和問題2鞏固金屬活動順序知識，能正確描述實驗現象并解釋實驗現象；問題3鞏固學生所學物理知識，學會知識遷移與應用。

【評價內容】能正確描述實驗現象并解釋；學生合作學習、相互協作能力；證據推理能力。

【實驗現象】學生能描述實驗現象并解釋：裝置A中鋅是活潑金屬能置換稀硫酸中的H+,釋放出氫氣；銅不能置換稀硫酸中的H+,所以B裝置中無現象；C裝置中鋅片有氣體產生，銅片上也有氣體產生，是由于鋅片失去的電子通過金屬片傳至銅片上，溶液中的H+在銅片表面接受電子，使銅片上也有氫氣產生。

【教師引導】如何使電子能定向移動并利用該化學能呢？

【學生回答】外加導線。

【教師引導】如何知道有電流產生呢？

【學生回答】加檢流計或電壓表。

(2)實驗探究2，通過實驗探究(圖4)，學生觀察、記錄實驗現象，解釋實驗現象并得出結論。

圖4 實驗探究2

問題1：D、E、F裝置中各有什么現象？

問題2：通過該組實驗能得出什么結論？

問題3：怎么才能使化學能轉化為電能？

【設計意圖】問題1和問題2：引導學生能正確描述實驗現象并解釋實驗現象；問題3發展學生創新意識。

【評價內容】能正確描述實驗現象并解釋；學生合作學習、相互協作能力；宏觀辨識與微觀探析和證據推理能力。

【實驗現象】學生能描述實驗現象并解釋：裝置D和E檢流計指針不偏轉，說明沒有電流產生；裝置F檢流計指針偏轉，說明有電流產生。

【教師引導】為什么D和E裝置加了外導線還是沒有電流產生呢？如何使化學能轉化為電能呢？

【學生討論】 學生通過討論形成共識。原電池構成條件是：有一個可以發生的氧化還原反應；外加導線、可導電的電極和電解液，并形成回路。

(3) 實驗探究3，通過實驗探究(圖5)，學生觀察、記錄實驗現象，解釋實驗現象并得出結論。

圖5 實驗探究3

問題1：G、H、I裝置中各有什么現象？

問題2：通過該組實驗能得出什么結論？

問題3：怎么才能使化學能轉化為電能？

【設計意圖】問題1：引導學生能正確描述實驗現象并解釋實驗現象，發展宏觀辨識與微觀探析能力；問題2和問題3發展學生證據推理與模型認知的能力。

【評價內容】能正確描述實驗現象并解釋；學生合作學習、相互協作能力；宏觀辨識與微觀探析和證據推理能力。

【實驗現象】學生能描述實驗現象并解釋：裝置G檢流計指針不偏轉，說明沒有電流產生；裝置H、I檢流計指針偏轉，說明有電流產生；主要原因是裝置G電極材料相同，沒有驅使電子遷移的驅動力，H和I裝置中,檢流計指針偏轉，說明有電流產生。

【教師引導】為什么裝置G檢流計指針不偏轉？如何使化學能轉化為電能呢？

【學生討論】學生通過討論進一步形成共識。原電池裝置構成條件是：有一個可以發生的氧化還原反應；需要外加導線、電解液和兩種導電能力不同的電極，并形成回路。

【教師引導】播放銅鋅原電池原理的微視頻。

【歸納總結】師生互動，分析總結規律，銅鋅原電池原理模型(表2)。

表2 銅鋅原電池原理模型

【設計意圖】通過結合實驗現象，以及物理中電學知識來推斷原電池正負極，學科交叉促進學生對知識的理解和把握，培養學生變化觀念與平衡思想、宏觀辨識與微觀探析能力、證據推理與模型認知的化學學科核心素養。

【評價內容】 學生通過小組合作，實驗探究后能總結出原電池裝置的構成要素和原電池原理，并完成學案。

環節3:深化遷移 應用模型

(1)設計水果電池

【設計意圖】 基于對原電池模型的理解，設計簡易水果電池，體會原電池設計的基本思路，感受化學在生活中的應用，加深化學與生活中的緊密聯系，提高學習興趣。

【評價內容】學生通過小組合作，能否依據原電池裝置的構成要素設計水果電池。

【學生活動】制作水果電池，并展示、交流和評價。

小組一展示檸檬電池，小組二展示橙子電池(圖6)，小組三展示西紅柿電池(圖7)，水果電池成功使檢流計指針偏轉，并使二極管發光、耳機發聲等實驗現象引起學生濃厚的學習興趣。

圖6 橙子串聯電池使二極管發光

(2)解釋伽伐尼青蛙抽搐實驗

【設計意圖】首尾呼應，應用原電池模型解釋相關問題，深化對原電池的認識和理解，并學以致用。

【評價內容】課前學生基本不能運用化學原理解釋伽伐尼青蛙抽搐實驗。學生通過課堂學習和小組合作的方式，能依據原電池裝置的構成要素，將伽伐尼青蛙抽搐實驗(圖8)還原為原電池模型。

圖8 伽伐尼青蛙抽搐實驗示意圖

【學生活動】學生繪圖，并展示、交流和評價，將伽伐尼實驗(圖9)還原為原電池模型。

圖9 伽伐尼實驗原電池模型示意圖

環節4:鞏固遷移 發展模型

討論單液原電池的優缺點；討論原電池改進建議和原電池發展方向。

【設計意圖】應用原電池模型解釋相關問題，深化對原電池的認識和理解，培養化學學科思維方法和創新能力。

【評價內容】學生通過小組討論，能分析單液原電池裝置存在的不足，并提出改進意見。

【學生活動】小組討論、交流和評價。

2.7.3課外：鞏固和發展模型

【學生活動】完成教材作業；查閱資料，用原電池模型探究“暖寶寶”發熱機理；搜集廢干電池，弄清其內部構造及原理，調查廢舊電池是如何處理的，以及回收廢舊電池的意義和價值。后兩個任務在雨課堂上完成。

【設計意圖】應用原電池模型解釋相關問題，深化對原電池的認識和理解；加強化學與生活的聯系，提高解決實際問題的能力；養成用化學知識指導生活，感受化學對社會的貢獻；加強環保意識，培養社會責任感。

【教師活動】在雨課堂平臺推送市售“暖寶寶”素材、干電池、燃料電池等視頻資料，以利于學生鞏固學習。

【評價內容】 學生通過學習，能完成作業，能依據原電池原理回答相關問題。

3 教學設計反思

本教學設計基于學生的認知規律，為學生提供豐富的學習素材，抓住核心關鍵問題展開追問，層層深入，不斷揭開解決問題的核心要素。學生通過實驗探究建構原電池認知模型，并在解釋現象和解決問題的過程中逐步完善和發展模型。該設計體現了實驗在化學科學研究中的重要價值，蘊含學科思維與思想方法。教學以學生為中心，注重過程性評價。通過雨課堂平臺數據分析來看，學生對于原電池原理、裝置構成有較好的掌握，能夠進行知識遷移。與課前相比較，學生課后知識與能力的表現有較大提升，實現了教、學、評一體化和深度學習目標。該教學設計對于中學化學教學具有一定借鑒價值。