促進學生認識發展的“化學反應與電能”教學研究

摘 要：本文以促進學生認識發展為目標，聚焦“化學能與電能的轉化”這一核心問題，通過創設學生熟知的真實情境引發認知沖突，再通過不同能力水平的學習活動，建立對“化學反應與電能”的認識視角，形成設計原電池裝置的一般思路與方法，培養“化學反應中物質的變化伴隨著能量的變化，能量可以相互轉化”的核心觀念，以達到從“知識”向“認識”的轉化。

關鍵詞：認識發展；化學反應與電能；教學設計

文章編號：1008-0546（2024）11-0019-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、教學主題內容及教學現狀分析

1. 教學主題內容分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《新課標》）對“化學反應與電能”的內容要求是：認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。了解原電池及常見化學電源的工作原理。了解電解池的工作原理，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用。了解金屬發生電化學腐蝕的本質，知道金屬腐蝕的危害，了解防止金屬腐蝕的措施。［1］

通過對《新課標》內容要求的分析可知，本課教學要求學生建立對“化學反應與電能”的認識視角：①從原理角度，認識氧化還原反應是化學能轉化為電能的前提和本質。②從能量角度，認識化學能可以轉化為電能。③從實際出發，認識原電池裝置可以實現化學能與電能的轉化。

2. 教學現狀分析

在本課的教學中，教師常用的教學方式是根據教科書內容直接呈現“銅鋅原電池”裝置并進行演示實驗，通過討論電流表偏轉背后的微觀本質，得出原電池裝置模型，再進行原電池構成要素的歸納總結。在這樣的教學中，學生“被動接收”相關知識，缺乏認知沖突的產生和知識的自主構建。學生的學習多停留于得出結論性知識的層面，而未深入學科本質去理解原電池裝置作用的原理，不能充分發揮知識的認識功能，容易形成迷思概念。

二、促進學生認識發展的教學設計思路

《新課標》指出，化學教學內容的組織，應有利于促進學生從學習化學學科知識向發展化學學科核心素養的轉化。學生能在真實情境中利用所學知識解決實際問題是化學學科核心素養落地的重要體現。這就需要學生對化學學科乃至客觀世界的認識不斷發展，充分發揮知識的認識功能，從而由“知識”向“認識”轉化。促進學生認識發展的教學是將科學知識轉化為學生科學認識的教學［2］，基于該教學理念和當下的教學現狀，筆者以“化學反應與電能”為主題，結合案例探討促進學生認識發展的教學策略。

促進學生認識發展的教學是基于過程的教學，要關注學生從已有認識到新認識的發展路徑，創設能夠激發學生已有認識的問題情境，在問題情境中產生認知沖突，通過驅動性問題和活動的設計推動新認識的構建，從而促進學生認識發展。

筆者參考胡久華等［3］提出的促進學生認識素養發展的化學教學設計程序與教學思路進行本次教學設計。首先，在學生熟悉的實驗情境中提出問題，形成認知沖突（如在稀硫酸溶液中，銅片表面也產生氣泡），并將此認知沖突作為探究方向，引出“化學能與電能的轉化”這一核心問題，建構原電池的認知模型。其次，設計應用實踐、遷移創新類的學習活動，學生通過分析類似原電池裝置的原理，并基于熟悉的反應原理對裝置進行簡單設計，形成原電池裝置設計的一般思路與方法，建立氧化還原反應與能量轉化之間的聯系，從而使“化學反應中物質的變化伴隨著能量的變化，能量可以相互轉化”這一核心觀念不斷結構化。最后，通過課后作業設計，在真實問題情境中逐步提升學生分析問題和解決問題的能力，促進學生核心素養的發展。三、教學目標

本節課的教學目標如下。

（1）通過對鋅與稀硫酸反應的再探究，從已有認識出發，產生認知沖突，推動認識發展，建構原電池的概念，理解原電池的工作原理，診斷并發展證據推理與模型認知的學科核心素養。

（2）通過對原電池形成條件的探究，培養科學探究的能力，建立控制變量的思想方法，發展歸納、演繹等學習能力。

（3）通過對原電池裝置的簡單設計，建立設計原電池的一般思路與方法，診斷并發展對原電池認知模型的理解和應用水平。

四、教學流程

筆者基于教學設計思路，設置了“提出問題”“建構概念”“類比遷移”“簡單設計”和“應用展望”五個環節，并據此展開教學，具體教學流程如表1所示。

五、教學實錄

1. 提出問題

［教師］大家有沒有思考過一個問題：燃油汽車與電動汽車行駛過程中的機械能來自哪里？

［學生］燃油汽車的機械能來自燃料燃燒產生的熱能。電動汽車的機械能來自電能。

［教師］那電動汽車中的電能是如何產生的？

［學生］可能是電池裝置中物質的化學能轉化來的。

［教師］能量不可能憑空產生和消失，電動汽車中的電池就是將化學能轉化為電能的裝置，本節課我們將探索電池的原理與設計。

［設計意圖］從生活情境出發，提出問題，激發學生的興趣與學習欲望。

2. 建構概念

［教師］回憶一下，Zn和Cu能與稀硫酸反應嗎？

［實驗活動1］將鋅片與銅片插入同一稀硫酸溶液，鋅片和銅片不接觸，實驗裝置如圖1所示。描述實驗現象，寫出Zn與稀硫酸反應的離子方程式，標出氧化劑和還原劑。

［學生］鋅片逐漸溶解，表面有氣泡產生，銅片表面無明顯現象。離子方程式：Zn＋2H＋Zn2＋＋H2↑。Zn是還原劑，H＋是氧化劑。

［過渡］教師在某次操作實驗1時，不小心將銅片和鋅片接觸在了一起，看到了令人意想不到的現象。下面讓我們一起來看看，如果用一條導線將銅片和鋅片連接到一起會產生什么現象。

［實驗活動2］將鋅片與銅片用導線相連，并插入稀硫酸溶液，實驗裝置如圖2所示。描述實驗現象。

［學生］銅片表面也產生氣泡。

［教師］銅片表面為什么會產生氣泡？銅參與反應了嗎？

［學生］銅不可能參與反應。

［引導］那銅片表面的氣泡是什么？從微觀角度進一步思考，氣泡是體系中的哪種微粒發生了什么樣的變化得來的？試著用離子方程式表示出來。

［學生］氣泡應該是H2，體系中有H＋，H＋在銅片表面得到電子就生成了氫氣。離子方程式：2H＋＋2e－H2↑。

［追問1］電子來自哪里？

［學生］是鋅片給的。離子方程式：Zn－2e－Zn2＋。

［追問2］鋅片給出電子后，電子是如何到達銅片表面而被H＋ 得到的呢？可能的路徑有：通過導線，或者穿過溶液。

［學生］電子是沿著導線移動到銅片表面。

［追問3］你推測的依據是什么？

［學生］因為在實驗1中沒有看到銅片表面有氣泡，說明電子不能穿過溶液。

［教師］通過對比可以發現，實驗2的裝置比實驗1多了一條導線，導線將電子“引”到了銅片表面。

［追問4］那如何通過實驗驗證電子確實是通過了導線？

［學生］在銅片和鋅片中間接入一個電流表，如果電流表指針偏轉，說明產生了電流，而電流的產生恰恰說明電子發生了定向移動。

［教師］那現在讓我們一起來驗證一下大家的猜想。

［實驗活動3］在鋅片與銅片中間連接一個電流表，實驗裝置如圖3所示。觀察到電流表指針發生偏轉。

［追問5］既然銅沒參與反應，那它起到了什么作用？為什么有了導線和銅片，電子就“自覺”地順著導線定向移動了？

［學生］銅片有導電作用，且銅的活潑性比鋅弱，與鋅片連接后產生了電勢差，從而導致電子定向移動。

［小結］上述裝置中產生了電勢差，氧化反應和還原反應分開進行，進而“捕捉”到了電子，產生電流，從而實現了化學能向電能的轉化。這種將化學能轉化為電能的裝置叫做原電池。原電池工作原理的認知模型如圖4所示。

［設計意圖］從學生已有知識出發，產生認知沖突，通過對宏觀現象背后的微觀本質進行分析和符號表征，幫助學生建立原電池裝置的認知模型，理解化學能轉化為電能的本質，通過推理論證活動發展學生證據推理與模型認知的學科核心素養。

3. 類比遷移

［教師］提供實驗藥品：鐵片、銅片、石墨棒、稀硫酸。

［學習活動］學生選擇電極和電解質溶液組裝出類似“銅鋅原電池”的裝置，并預測其能否構成原電池。

［成果展示］部分學生組裝出的原電池裝置和預測結果如表2所示。

［學習活動］以表2中裝置②為例解釋該裝置可能產生電流的原因并寫出電極反應式。

［學生］鐵比碳活潑，用導線將鐵片和碳棒相連插入稀硫酸溶液中，產生了電勢差，鐵片失去電子，電子沿導線到達碳棒表面，溶液中的H＋ 在碳棒表面得到電子，產生氫氣。同時，溶液中的H＋移向碳棒，SO2－4移向鐵片，離子的定向移動形成電流。Fe電極反應式為Fe－2e－Fe2＋，C電極反應式為2H＋＋2e－H2↑。

［實驗活動4］學生根據表2中的實驗裝置分小組實施實驗、記錄現象，并與預測結果對比。學生發現，除了裝置③以外，其他裝置的實驗結果均與表2中的預測結果一致。

［教師］電流表指針偏轉說明構成了原電池，同學們大膽推測一下裝置③的正極和負極分別是什么？

［學生］負極是銅片，正極是碳棒。但原理上銅片不能和溶液中的H＋反應，實驗中也未看到有氣泡產生。

［教師］我們一起來尋找氧化劑。H＋無法將銅片氧化，那么大家再觀察一下裝置③，該裝置是一個敞開體系，最可能與銅反應的是什么？

［學生］空氣中的氧氣。

［教師］銅可以被空氣中的氧氣氧化，也就是銅被腐蝕，正是金屬的電化學腐蝕構成了原電池。綜合以上實驗思考歸納一下，什么樣的反應能夠設計成原電池裝置？

［學生］氧化還原反應。

［追問］是否所有的氧化還原反應都能設計成原電池裝置。你的理由是什么？

［學生］放熱的氧化還原反應才能設計成原電池裝置。因為要將化學能轉化為電能，這就要求反應物的總能量比生成物總能量高，所以需要一個放熱的反應才能完成。

［小結］在化學反應中，物質的變化伴隨著能量的變化，裝置的設計要從物質和能量兩個角度綜合考慮。

［設計意圖］在控制變量思想的引導下，發展學生的有序思維，并將原電池認知模型進行近遷移，歸納原電池構成要素，從物質和能量角度認識原電池裝置。

4. 簡單設計

［實驗活動5］利用反應Fe＋2Fe3＋3Fe2＋ 設計一個原電池裝置，畫出簡單的裝置示意圖，標明所使用的用品。

［教師］提供用品：銅片、鋅片、鐵片、石墨棒、FeCl3溶液、FeCl2溶液、電流計、導線、燒杯。

［成果展示］學生設計的裝置圖如圖5所示。

［問題討論］分別對裝置進行評價，評選出最符合要求的設計。

［學生1］根據還原性強弱順序：Zn＞Fe＞Cu＞Fe2＋，裝置①中是鋅片作負極，反應原理是Zn＋2Fe3＋2Fe2＋＋Zn2＋ ，該裝置不符合原理要求。

［學生2］裝置②中鐵片還原性更強，作負極，失去電子生成Fe2＋ ，但由于銅片（正極）直接與FeCl3溶液接觸，會發生反應：Cu＋2Fe3＋2Fe2＋＋Cu2＋，導致化學能直接轉化為熱能，同時使Fe3＋濃度降低，影響其與Fe反應。銅片應該換成石墨棒，綜合考慮裝置③最佳。

［教師］總結設計原電池裝置的一般思路與方法，成果如圖6所示。

［設計意圖］通過對原電池裝置的簡單設計，對原電池認知模型進行遠遷移，形成設計原電池裝置的一般思路與方法。

5. 應用展望

［課后作業］人們不僅利用氫氣和氧氣反應產生的熱能為火箭升空提供動力，還利用氫氣、氧氣反應設計電池為航天器供電。請為中國空間站航天器設計一套氫氧燃料電池裝置。材料自選，畫出簡單的裝置示意圖，標明所使用的用品，并簡述基本原理。

［設計意圖］通過航空事業中氫氣與氧氣反應能量的利用，體會化學反應中的能量轉化。設計氫氧燃料電池進一步深化對原電池原理和構成要素的理解，對原電池裝置設計的一般思路與方法進行遷移應用。

六、教學反思

1. 創設問題情境，激發已有認知

要關注學生認識發展的脈絡，首先要通過問題情境激發其已有認知。本課例通過創設“燃油汽車與電動汽車”這一常見生活情境，迅速喚起學生的已有認知，從能量角度建立認識視角，并激發學生的學習欲望；通過創設“鋅片和銅片與稀硫酸反應”這一學生熟知的實驗情境，利用“反常”的實驗現象引發新的問題，充分發揮情境的“激思”和“激疑”作用，為推動學生的認識發展奠定基礎。

2. 開展探究實驗，突破認知障礙

實驗活動能讓學生切身體會到已有認識的不足和障礙點，為新認識的構建提供證據。在本課例的教學過程中，通過“設計—預測—觀察—解釋”的完整探究過程，培養學生嚴謹的科學思維。同時，在實驗活動中，學生通過小組內及小組間的表達、交流與評價，有效地突破了認知障礙，最終形成完善的實驗設計方案，促進了有序思維的發展。

3. 進行深度對話，推動認識發展

設計驅動性的問題和開展具有挑戰性的學習活動可以實現師生及生生之間的深度對話，為學生的認識發展提供有力載體。在本課例的教學中，教師通過驅動性問題設計讓學生在產生疑問到問題解決的過程中都保持著學習的主動性。通過不斷追問，啟發學生不斷自我反思與表達，在表達的過程中，通過多種評價手段不斷修正學生的已有認識。

4. 建立認識視角，助力素養培育

認識視角的建立有助于促進學生學科觀念的建構。在本課例教學中，教師不斷引導學生從物質、裝置與能量的角度建立對原電池模型的認識，從學生熟知的金屬與硫酸的反應以及裝置的組裝與解釋，到根據熟知的反應設計裝置，再到燃燒反應的應用以及燃料電池的設計，最終達成陌生情境下的真實問題解決，實現學生核心素養的培育。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［2］胡久華，張銀屏.促進學生認識發展的單元整體教學——以化學教學為例［J］.教育科學研究，2014（8）：63-68，76.

［3］胡久華，王磊.促進學生認識素養發展的化學教學［J］.教育科學研究，2010（3）：46-50．