指向深度學習的“原電池“教學研究

張婉瑩 吳俊彥 張賢金 鄭瑛

摘要：基于“巴格達電池”的化學史創(chuàng)設(shè)問題情境，通過開展與問題情境緊密相連的探究實驗，激發(fā)學生學習興趣，并以遞進式的問題串調(diào)動學生的探索式思維。通過問題解決與探究實驗，旨在幫助學生掌握原電池的工作原理、構(gòu)成要素等核心內(nèi)容，構(gòu)建原電池的認知模型。以海洋電池為案例聯(lián)系生活實際，促進知識的遷移應用，實現(xiàn)對原電池相關(guān)知識的深度學習，落實學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展目標。

關(guān)鍵詞：問題情境；探究實驗；原電池；深度學習；教學設(shè)計

文章編號：1008-0546（2022）12-0011-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.003

一、教學主題內(nèi)容及教學現(xiàn)狀分析

“化學能轉(zhuǎn)化為電能”是高中化學蘇教版《化學（必修第二冊）》專題六“化學反應與能量變化”第三單元“化學能與電能的轉(zhuǎn)化”的第一課時的教學內(nèi)容。[1]本課時以探究原電池的工作原理作為重點，涉及原電池的構(gòu)成條件、原電池正負極的判斷、電極方程式的書寫、原電池內(nèi)微觀粒子的移動方向等方面的內(nèi)容，涵蓋豐富的知識點，要求學生具備較強的綜合思維和模型建構(gòu)能力。

鑒于傳統(tǒng)知識型教學難以全面地體現(xiàn)知識背后的科學內(nèi)涵，幫助學生實現(xiàn)對抽象知識的靈活遷移應用，因此原電池內(nèi)容的教與學方法需要深入研究。為提高原電池的課堂教學質(zhì)量，教學工作者們采取多種教學策略促進學生對原電池知識的深層認知。張瑞林等人通過鋅銅原電池實驗引導學生關(guān)聯(lián)宏微，初建原電池概念，隨后基于氫氧燃料電池，讓學生構(gòu)建原電池的裝置一原理二維模型圖，并利用二維模型圖分析紐扣電池的裝置和原理，實現(xiàn)對原電池概念的深度理解。[2]黃清輝等人以伏打電池的發(fā)明和世界首架干電池動力飛機為情境導人新課，利用鋅粉與稀硫酸反應的實驗使學生意識到化學能與電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)是氧化還原反應，再通過探究實驗促進學生對原電池工作原理的理解。[3]皇甫倩等人細化了化學高階思維的構(gòu)成要素，創(chuàng)設(shè)石墨烯電池的情境導人新課，以批判質(zhì)疑、實驗驗證的方式引導學生獲知雙液原電池中鹽橋的構(gòu)成與作用，發(fā)展學生的化學高階思維。[4]牛彩霞等人利用“保護海洋平臺”探究式項目搭建生活實際與原電池知識的橋梁，激發(fā)學生的學習興趣，通過分析海洋平臺電化學腐蝕的原理，引導學生建立金屬腐蝕和原電池模型之間的關(guān)聯(lián)，進而從模型出發(fā)提出相應的防腐措施，在用化學原理解決實際問題的過程中實現(xiàn)深度學習。[5]此外，還有基于化學史情境、認知模型建構(gòu)等方面進行原電池的教學設(shè)計。[6，7]上述教學設(shè)計在不同程度上提高了學生的學習積極性，突出了學生在課堂上的主體地位，推動學生理解表觀現(xiàn)象背后的化學本質(zhì)，從而實現(xiàn)對原電池知識的深度學習。但許多教師在情境導人中采用的實例與教學中的實驗內(nèi)容缺乏緊密銜接，未能良好地發(fā)揮情境的推動作用，跳躍性的課堂環(huán)節(jié)設(shè)計也不利于學生邏輯思維的建構(gòu)。

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，而情境是深度學習的起點，若能創(chuàng)設(shè)緊扣實驗內(nèi)容的教學情境，則有利于讓學生以積極主動的心態(tài)參與科學探究，在問題解決的過程中構(gòu)建新知，自主發(fā)現(xiàn)學習的樂趣。本文基于“巴格達電池”的化學史創(chuàng)設(shè)真實問題情境，簡化并重現(xiàn)巴格達電池的電池裝置；設(shè)計與情境緊密相連的探究實驗，圍繞“巴格達電池為什么能發(fā)電”的真實問題驅(qū)動學生自主探究，在解決問題的過程中引導學生理解并掌握原電池的構(gòu)成要素與工作原理，實現(xiàn)對原電池相關(guān)知識的深度學習，充分發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

二、教學思想與創(chuàng)新點

化學學科深度學習是指在教師引領(lǐng)下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，開展以化學實驗為主的多種探究活動，在活動過程中獲得化學核心知識，構(gòu)建化學學科的思想方法，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。[8]為實現(xiàn)原電池知識的深度學習，本教學設(shè)計有以下做法：

1．創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學習興趣

在深度學習中任務、情境和問題是三位一體的，基于真實情境產(chǎn)生需要解決的問題，問題解決則指向具體需要完成的任務。[9]本節(jié)課以“巴格達電池”為情境素材來創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，[10]激發(fā)學生的學習興趣。基于“巴格達電池為什么能發(fā)電”真實的核心問題，抽提出“巴格達電池的結(jié)構(gòu)”“巴格達電池產(chǎn)生電流的方式”“影響單個巴格達電池電壓的因素”三個基本問題驅(qū)動學習活動的展開。通過模型試驗在課堂上重現(xiàn)巴格達電池，并以其為載體開展一系列探究實驗任務，幫助學生在問題解決的過程中理解原電池的工作原理，充分落實原電池的深度學習。

2．認知沖突引發(fā)深度思考

在原電池構(gòu)成要素的探究實驗中，利用銅片部位滴有酚酞溶液的濾紙變紅的實驗現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)認知沖突，設(shè)置層層深入的問題串：①鐵片接觸的濾紙變藍說明什么？②實驗2中銅片接觸的濾紙為何會變紅？溶液中的H+發(fā)生了什么反應？③銅片上的電子是怎么來的？④如何證明電子發(fā)生了移動？又要怎么證明原電池產(chǎn)生了電流？用問題為學生搭建學習的支架，引導學生聯(lián)系舊知、建構(gòu)新知，激發(fā)學生對實驗現(xiàn)象的深度思考。學生在對實驗現(xiàn)象的主動究因過程中，逐漸建立起對原電池的概念、構(gòu)成要素以及工作原理的認識，從而發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念”和“證據(jù)推理”的化學學科核心素養(yǎng)。

3．實驗探究發(fā)展高階思維

皇甫倩等人將化學高階思維概括為：化學表征思維、模型建構(gòu)思維、化學實驗思維、質(zhì)疑批判思維及遷移創(chuàng)造思維。[4]在本節(jié)課的教學設(shè)計中，通過讓學生繪制巴格達電池的模型簡圖，考查學生抽象化概括及建構(gòu)模型的能力，發(fā)展學生的模型建構(gòu)思維。在原電池構(gòu)成要素的探究實驗中，通過設(shè)計問題串引導的探究實驗，以實驗現(xiàn)象與已有認知的沖突發(fā)展學生的質(zhì)疑批判思維。在影響原電池性能因素的探究實驗中，引導學生根據(jù)原電池的構(gòu)成要素設(shè)計探究實驗方案，將問題精確為探究電極種類、溶液的種類和濃度對電池性能的影響，采用控制變量法進行實驗探究，發(fā)展學生的化學實驗思維。探究實驗的設(shè)計不僅幫助學生掌握原電池的構(gòu)成條件，理解原電池的工作原理，還進一步培養(yǎng)學生的化學高階思維能力以及“科學探究”的化學學科核心素養(yǎng)。

4．聯(lián)系生活促進知識遷移

以我國首創(chuàng)的海洋電池為情境，搭建理論與生活實際之間的橋梁，可以讓學生認識到化學在提高人們生活質(zhì)量、促進社會進步方面的特殊作用，提高學生“科學精神與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。同時，通過分析海洋電池的工作原理，在真實的情境中實現(xiàn)知識的遷移應用，達成發(fā)展學生的遷移創(chuàng)造思維的目的。

5．自制教具強化元認知能力

元認知是指學生對自我認知的認知。布置制作海洋電池紙質(zhì)模型的家庭作業(yè)，學生在動手的過程中可以不斷反思自身的認知過程，查缺補漏，加深對原電池相關(guān)知識的理解并強化自己的元認知能力。

三、教學目標

通過實驗探究原電池的構(gòu)成要素，初步建立原電池的認知模型；通過實驗探究原電池的構(gòu)成條件及影響原電池性能的因素，發(fā)展科學探究能力；通過分析海洋電池的工作原理，了解化學知識在生產(chǎn)、生活中的應用實例，體會化學的學科價值。

四、教學流程

基于深度學習的教學理念，設(shè)置發(fā)現(xiàn)電、探究電、揭秘電、應用電四個教學環(huán)節(jié)。以巴格達電池為情境，結(jié)合鐵銅原電池的探究實驗，幫助學生學習抽象的原電池知識，提高學生知識遷移和應用的能力，實現(xiàn)原電池原理的深度學習。本節(jié)課的教學流程如圖1所示。

五、教學實錄

環(huán)節(jié)一：發(fā)現(xiàn)電

【導人】巴格達電池出土于伊拉克首都巴格達境內(nèi)，距今已有兩千多年的歷史，外觀看起來只是一個簡陋的陶罐，但罐內(nèi)裝有一根銅管，銅管內(nèi)還包有一根鐵棒。研究發(fā)現(xiàn)這其實是一個古代化學電池，只需向陶罐內(nèi)加入新鮮葡萄汁就能發(fā)電。巴格達電池的結(jié)構(gòu)是怎么樣的？請同學們根據(jù)已有信息用簡圖描述。

【學生活動】繪制巴格達電池簡圖，如圖2（a）所示。

【總結(jié)】簡化學生繪制的巴格達電池模型，簡化后的巴格達電池如圖2（b）所示。

環(huán)節(jié)二：探究電

【設(shè)疑】巴格達電池是如何產(chǎn)生電流的？一根銅管、一根鐵棒和溶液是否就能構(gòu)成一個電池？

【實驗探究1】將HCl和NaCl混合液調(diào)至pH=5，模擬葡萄汁的弱酸性環(huán)境。用該溶液浸透濾紙后，在濾紙的左半部分滴數(shù)滴赤血鹽溶液，右半部分滴數(shù)滴酚酞溶液。

資料卡片：Fe2+與赤血鹽溶液反應生成藍色沉淀。 【學生實驗】根據(jù)裝置圖完成實驗1、2，將觀察到的實驗現(xiàn)象填人表1。實驗裝置圖如圖3所示。

【提問】①鐵片接觸的濾紙變藍說明什么？②實驗2中銅片接觸的濾紙為何會變紅？溶液中的H+發(fā)生了什么反應？③銅片上的電子是怎么來的？④如何證明電子發(fā)生了移動？又要怎么證明原電池產(chǎn)生了電流？

【學生實驗】完成實驗3，將觀察到的實驗現(xiàn)象填人表1。

【結(jié)論】負極：Fe - 2e==Fe“

正極：2H++ 2e-一H2↑

總反應式：Fe+ 2H+ -Fe“+H2↑

【提問】我們知道化學反應伴隨著能量的變化，實驗3電流表偏轉(zhuǎn)說明有化學能轉(zhuǎn)化為電能。為什么實驗1和實驗2、3的總反應相同，能量轉(zhuǎn)換形式卻不一樣？所有的化學反應都能將化學能轉(zhuǎn)化為電能嗎？

【討論匯報】化學反應需要借助原電池裝置才能將化學能轉(zhuǎn)化為電能，只有氧化還原反應有電子的得失，能將化學能轉(zhuǎn)化為電能。

環(huán)節(jié)三：揭秘電

【提問】由于單個巴格達電池的電壓很低，因此科學家們推測這些電池可能是串聯(lián)使用的。假設(shè)現(xiàn)在只有一個巴格達電池，請同學們結(jié)合原電池的結(jié)構(gòu)思考如何提高單個巴格達電池的電壓？

【回答】改變電極的種類、溶液的種類和濃度。

【實驗探究2】利用表2中的材料，設(shè)計方案進行分組實驗（見表3），實驗裝置同實驗探究1中的實驗2。

【提問】實驗結(jié)果說明并非所有電極和溶液都能構(gòu)成原電池，請同學們根據(jù)實驗結(jié)果分析并總結(jié)原電池的構(gòu)成條件以及影響原電池性能的因素。

【討論匯報】原電池的構(gòu)成條件：兩個導電電極、電解質(zhì)溶液、自發(fā)的氧化還原反應、閉合回路。

影響原電池性能的因素：電極種類、電解質(zhì)溶液的種類和濃度。

環(huán)節(jié)四：應用電

【提問】請同學們結(jié)合課本拓展視野的內(nèi)容思考在酸性和中性條件下，鐵銅原電池的兩電極是否發(fā)生同樣的反應？

【回答】負極都發(fā)生Fe被氧化的反應。正極反應不同，酸性條件下，H+在正極處被還原，而在中性條件下，正極發(fā)生的是氧氣被還原的反應。

【展示】海洋電池相關(guān)圖片。

【知識拓展】海洋電池利用了類似的原理。海洋電池解決了電線難以跨海供電的難題，以鋁、碳為電極，電極之間以導線相連，與海水接觸就可以構(gòu)成原電池，為燈塔和救生衣燈等供電。

【提問】海洋電池自身具備電極和導線。海洋電池工作時，電解質(zhì)溶液是什么？兩個電極分別發(fā)生何反應？

【回答】海洋電池以鋁作負極，碳作正極，海水為電解質(zhì)溶液，在中性環(huán)境下負極處鋁被氧化成Al3+，氧氣在正極處被還原。

【作業(yè)】請同學們制作一個海洋電池的紙質(zhì)模型，并用模型模擬電池內(nèi)部微觀粒子的移動過程。

六、教學效果與反思

依據(jù)深度學習的教學理念，本節(jié)課以化學史創(chuàng)設(shè)情境，通過情境與實際實驗內(nèi)容的緊密銜接，引導學生積極主動地參與課堂；通過設(shè)置真實的問題情境推動學生自主探索原電池的概念、構(gòu)成條件以及工作原理，促進學生邏輯思維的發(fā)展；通過實驗探究，讓學生經(jīng)歷了解、理解、應用原電池知識的深度學習過程，在實驗探究的過程中提升學生的高階思維能力和問題解決能力，實現(xiàn)原電池概念的深度學習以及化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。為深入落實電化學知識的深度學習，教師還可開展單元學習主題教學。單元教學是深度學習的載體，深度學習是單元教學的目的，二者相輔相成，共同促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。在本節(jié)課的教學設(shè)計之上，可結(jié)合選擇性必修模塊的相關(guān)內(nèi)容進行原電池的單元整體教學設(shè)計，由此幫助學生形成結(jié)構(gòu)化的知識脈絡(luò)，加深對原電池的認知，從而促進學生實現(xiàn)知識到素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。

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