基于学科核心素养的“原电池”课堂实录与评析

姚美霞

【摘要】基于化学学科核心素养帮助学生从原电池的结构、优劣标准、构成条件、工作原理构建原电池工作原理模型，教学中运用反应观、微粒观、转化观、能量观、守恒观、实验观等进行任务设计，帮助学生形成良好的科学与技术工程思维能力，从更高层面认识原电池蕴含的深刻概念和原理。

【关键词】模型探究;化学学科核心素养;原电池

一、教学设计思想

化学学科核心素养包括“宏观辨析与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”各个方面。笔者基于化学学科核心素养，通过模型探究，落实反应观、微粒观、转化观、能量观、守恒观、实验观等化学基本观念，从根本上改善优化学生对原电池知识能力系统的认知结构，为电化学教学增添创新的科学思维和工程方法，拓宽化学学科核心素养的培养途径。

二、教学内容与方法

“原电池”是选修4第四章电化学基础的第一节的教学内容，同时也是必修2第二章化学能与电能的拓展和深化，在电化学中起着承上启下的重要作用。原电池涉及的概念、原理抽象又集中，学生在学习过程中总会存在一些困难，而这些困难会从学生接触电化学开始一直延续到电解池、金属的电化学腐蚀与防护等方面的学习。

运用反应观、微粒观、转化观、能量观、守恒观、实验观等进行任务设计，帮助学生从原电池的结构、优劣标准、构成条件、工作原理构建原电池工作原理模型，从而形成良好的科学与技术工程思维能力，从更高层面认识原电池蕴含的深刻概念和原理。

三、学情分析

学生通过必修2第二章化学能与电能的学习，知道了原电池的构成条件和工作原理，但只是停留在表面上的认识，对其中的概念理解比较模糊，学生的抽象思维不够强。

四、教学目标

（1）通过实验现象从宏观到微观分析，从装置要素和原理要素角度初步建构“原电池思维模型”;

（2）通过“Zn︱H2SO4︱Cu”模型的实验探究，基于数据推理分析原电池的优劣标准，继而得出“负极区”“正极区”“盐桥”等抽象概念和选择负极区和正极区电解质溶液的思路和方法;

（3）学生能依据前面探究形成的认知基础，分析、讨论与交流，在新情境下对原电池相关概念进行普遍性推广与广义化理解，进一步巩固“原电池思维模型”的运用。

五、教学实录

1.宏微分析，构建单液原电池思维模型

【学生活动1】观看铜锌原电池视频，根据宏观现象，完成以下任务：

（1）请在图1中标出正极和负极，标出外电路的电子移动情况;

（2）写出原电池负极和正极的电极反应;

（3）标出原电池中內电路的离子移动情况;

（4）将铜锌原电池的图形转化为电池符号;

“负极︱电解质溶液︱正极”的简单形式。

【设计意图】通过铜锌原电池实验视频回顾原电池的构成条件和原电池的工作原理，既能更好地切入思考，构建单液原电池思维模型，又能提升课堂教学有效性，激发学生学习的积极性。

2.基于“Zn|H2SO4|Cu”模型进行的实验探究，理解原理

【实验探究】如下图装置进行实验，实验结果：15分钟后装置A、B、C测得的温度如图示，装置B中锌片表面产生大量气泡。装置C中锌片表面产生少量气泡，铜片表面产生大量气泡，电流计指针发生偏转。分析数据，完成学生活动2.

【学生活动2】分析以上实验装置和对应的实验数据，完成以下任务：

（1）装置A的作用是什么？

（2）结合装置B和装置C的数据，分析装置②和装置③温度升高以及升高幅度不同的原因。

（3）判断一个电池的优劣标准有哪些？

（4）如何能提高原电池中化学能转化为电能的转换效率？

【设计意图】从学生最原始的想法入手，层层递进，从实验数据分析得出单液原电池设计的缺陷，引出改进原电池装置的必要性。这样的处理利于学生培养数据分析能力、证据推理和模型认知。

3.双液原电池工作原理的探究

【教师】通过前面的科学探究，我们不难发现原电池“Zn|H2SO4|Cu”有内部反应（短路）问题，从而降低电池效率，发生内部短路致部分电子直接转移给溶液中的H+，导致反应热一部分直接转化为热能。那么，如何设计才能把原电池中的电解质溶液中的得电子离子与负极物质分开？

【学生活动3】观察右图，完成以下任务：

（1）若该选用了KCl-琼脂盐桥，指出盐桥中的K+和Cl-的移动方向;

（2）写出该原电池负极和正极的电极反应;

（3）写出选择负极区和正极区电解质溶液的思路和方法;

（4）将原电池的图形转化为电池符号。

【设计意图】首先，引导学生运用工程思维，采用“隔离”技术，将电解质溶液中的得电子离子与负极物质分开，以避免它们相互直接接触，得出“负极区”“正极区”等概念。然后，借助“盐桥”构成闭合回路，初步建立实验设计思路的有序性。最后，通过学习任务进一步巩固原电池工作原理和选择负极区和正极区电解质溶液的思路和方法。构建双液原电池思维模型。

4.课堂总结，能力提升

【学生活动4】将反应Fe+2Fe3+= 3Fe2+的化学能转化为电能，完成以下任务：

（1）判断该原电池的负极材料、正极材料和溶液中的电解质;

（2）画出相应双液原电池装置的示意图，并标记外电路的e-移动情况;

（3）写出该原电池负极和正极的电极反应;

（4）若选用了KCl-琼脂盐桥，指出盐桥中的K+和Cl-的移动方向;

（5）说说选择负极区和正极区电解质溶液的思路和方法;

（6）将该原电池的图形转化为电池符号。

【设计意图】进一步理解原电池反应的本质及构成要素，根据“原电池工作原理”模型能对陌生反应设计原电池，解决实际问题，在新情境下对原电池相关概念进行普遍性推广与广义化理解。

六、教学反思

1.模型认知探究原电池的教学效果

课堂上，笔者首先是以人教版必修2单液原电池思维模型为“生长点”进行实验探究，运用STEM理念将数学与科学、技术与工程整合在一起进行任务设计，引出双液原电池中“负极区”“正极区”“盐桥”等抽象概念、选择负极区和正极区电解质溶液的思路，继而得出双液原电池的设计思路与方法，构建双液原电池思维模型。在整个教学环节中，大部分的学生表现比较积极，普遍能够顺利完成相应的学习任务。

2.模型认知探究教学的创新性

笔者在实践中不断地进行教学的实践与思考，意识到只要将对原电池模型的探究系统方法加以推广，就可以扩展至整个电化学知识系统的教学和综合能力的培养上面。以铁碳原电池为例，铁碳双液电池，符号表示为：（负极）Fe|FeCl2‖FeCl3|C（正极），盐桥用含有KCl溶液的凝胶制作。继续扩充发展到充电电池（电解池），则符号表示为：（阴极）Fe|FeCl2‖FeCl3|C（阳极），盐桥仍然用含有KCl的凝胶制作。可见模型探究与STEM理念融合的方法论系统符合整个电化学几乎所有问题的解决，是开展原电池教学与综合能力培养的创新途径。

【参考文献】

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[4]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·化学选修④[M].北京：人民教育出版社，2017：71-72.