基于“三重表征方式”的“化学能与电能”教学设计

管建华（江苏省如东高级中学　江苏如东　226400）

基于“三重表征方式”的“化学能与电能”教学设计

管建华
（江苏省如东高级中学江苏如东226400）

摘要：采用“宏观—微观—符号”三重表征方式对“化学能与电能”教学进行创新设计。利用情境、问题、表征方式的变化，充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构。

关键词：三重表征方式；化学能与电能；教学设计

中图分类号：

文章编号：1008-0546（2015）02-0064-03G633．8

文献标识码：B

doi：10.3969／j．issn．1008－0546．2015．02．021

多重表征是化学教学的重要方法，能帮助学生通过各种表征形式进行有意义的学习。下面以“化学能与电能”教学为例，说明基于“三重表征方式”教学设计的具体过程。即先创设情境，从宏观现象入手提出问题，然后猜想假设，再进行实验探究，对实验探究得出的结论再从微观的角度分析其本质，最后再用符号表征（化学式、反应方程式等化学用语）结论，并引导学生联系生活生产实际应用结论。

一、教材分析

“化学能与电能”属于化学反应原理范畴，是化学学科最重要的原理性知识之一，也是深入认识和理解化学反应特点和进程的入门性知识。同时，“化学能与电能”又是在社会生产、生活和科学研究中有着广泛的应用，是对人类文明进步有重大价值的知识，与我们每个人息息相关。因此，化学能对人类的重要性决定了该内容学习的重要性。通过化学能与电能的相互转化及其应用的学习，学生将对化学在提高能源的利用率和开发新能源中的作用与贡献有初步认识；通过新型化学电源开发利用的介绍，学生将对化学的实用性和创造性有更多的体会。

二、教学目标

1．通过实验和科学探究形成原电池概念，初步了解原电池的组成，理解其工作原理。

2．认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

3．通过实验和科学探究，对比、归纳，培养科学探究精神和分析、归纳的能力。

三、教学难点及其突破策略

教学难点是通过对原电池实验的研究，引导学生从电子转移角度理解化学能向电能转化的本质，以及这种转化的综合利用价值。突破难点需要设置铺垫和台阶，并充分发挥教者的引导，本节课采取基于“三重表征方式”的教学，利用情境、问题、表征方式的变化，由浅入深，循序渐进，层层递进，并具有合理的梯度，逐步将学生的思维引向新的高度。

四、教学设计构思

采用“宏观（创设情境）—微观（问题探究）—符号（辅助图像）”三重表征方式设计教学。具体如下图所示。

五、教学过程

1．宏观表征，创设情境

［情境创设］投影火力发电的相关图片、影像和图表。

［提问］我国目前发电的方式、总量、原理及利弊？

［设计意图］从火力发电厂的图片入手，引导学生得出此方法的不足——能量利用率不高，那么能否将化学能直接转变为电能？从而快速切入课题。

2．微观表征，实验探究

［分组实验］介绍实验桌上的物品，指导学生做以下三个实验：

（1）将锌片插入稀硫酸中；

（2）将铜片插入稀硫酸中；

（3）将锌片和铜片用导线连接后插入稀硫酸中。

说明实验注意事项，要求学生认真观察现象，并思考原因。

［交流讨论］

（1）铜片上的气体是什么？哪里来的？

（2）氢离子转变为氢气所需的电子从何而来？（学生提出许多假设）

［引导］电子究竟是锌片还是铜片失去的，我们可以用实验来证明。那么，如何通过实验来证明锌片上的电子是否通过导线转移到了铜片上？

［学生回答］在铜片和锌片中间连接一个灵敏电流计，检测有无电流。

［分组实验］

现象：电流计指针偏转。

结论：有电流流过，说明导线中有电子流过，说明氢离子得到的电子确实是锌片失去，通过导线传递到铜片上的。

［微观分析］由于锌片失去电子后产生锌离子，锌片的周围有许多来不及扩散到溶液中去的锌离子，对氢离子有排斥作用，使氢离子很难在锌片上直接得到电子。

［投影展示］

［设计意图］通过实验、投影等直观教学手段，能让学生形成深刻的第一印象，并在此基础上构建有意义、稳定的化学知识，通过微观分析正负极反应及电子转移的方向，揭示了原电池反应的本质，同时培养了学生的观察、分析与推理能力。

［过渡］原电池的实质是氧化还原反应，氧化还原反应都可以设计成原电池，那么构成原电池要有哪些条件呢？

［科学探究］

有下列材料：镁条、铜片、铁片、石墨、导线、金属夹、手电筒用小灯泡（或发光二极管）、苹果、稀硫酸、橙汁、煤油、500mL烧杯，请设计一个能使电流表指针发生偏转的原电池。方式：最好先独立设计，并动手试验，边做边改进，也可与邻座同学相互讨论和观摩，或请老师指导。（补充了石墨、煤油等实验用品）

［分组实验］学生设计了以下多种实验方案：

A．Mg—Mg与稀硫酸进行实验

B．Mg—石墨与稀硫酸进行实验

C．Fe—Cu与稀硫酸进行实验

D．Fe—Cu与煤油进行实验

E．Fe—Cu与一个苹果进行实验

F．Fe—Cu与橙汁进行实验

G．……．

［活动汇报］画出实验装置图（图像表征），并对比分析、讨论和补充、得出组成原电池的条件。

［设计意图］通过探究化学能转化为电能的奥秘，提高学生学习化学的兴趣和热情，体验科学探究的艰辛与喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐。培养学生实践创新能力。从判断到设计等多方面锻炼学生对原电池构成条件的应用，激发学生学习兴趣，启迪学生思维。

3．符号表征，揭示本质

［学生总结］

（1）原电池的电极规定

负极：发生氧化反应，电子流出（流向正极）的一极。

正极：发生还原反应，电子流入（来自负极）的一极。

（2）两极反应和总反应（符号表征）

负极（锌片）：Zn－2e－=Zn2＋（氧化反应），正极（铜片）：2H＋＋2e－=H2↑（还原反应）

总反应：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑

（3）电子流向：电子由Zn片经导线流向铜片。电流方向：溶液中的阳离子移向铜片。

（4）组成原电池的条件：

①有两种活动性不同的金属（或一种是非金属导

体）作电极；

②电极材料均插入电解质溶液中；

③两极相连形成闭合回路；

④能发生自发的氧化还原反应。

［设计意图］通过书写电极反应方程式，画出构成原电池的实验装置图进行符号表征，在化学符号（图像）的中介作用下，对宏观、微观表征信息给予梳理、整合，使学生形成对原电池反应完整的表征认识，实现从感性认识到理性认知飞跃。

4．联系实际，迁移应用

［讨论交流］日常生活中电瓶车所用的蓄电池是否也是根据原电池原理设计的？

［投影展示］电池放电总反应：

Pb＋PbO2＋2SO42－＋4H＋=2PbSO4＋2H2O

［讲解］由电池总反应式，不难判断铅蓄电池的负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是H2SO4。铅蓄电池的优点是价格低廉，可充电，反复使用；缺点是比较笨重，废液易造成污染。

［投影展示］除了铅蓄电池外，同学们比较熟悉的还有锌锰干电池。

［讲解］锌锰干电池的负极是Zn，正极是石墨，锌锰干电池在使用过程中，电解质容易泄漏而腐蚀电器。为延长电池寿命和提高其性能，将电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在结构上作了改进，制成了碱性锌锰电池。

［投影展示］氢氧燃料电池

［讲解］氢氧燃料电池的负极反应物是H2，正极反应物是O2。燃料电池的特点是不把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出。燃料电池优点在于效率高、污染小，装置可持续使用。

［设计意图］在讨论交流这块主要体现化学学习最终也是学以致用，解决实际问题。通过对现实生活生产中的一些事例、事实的讨论，加强了所学知识与自然界和社会密切联系，使学生“从生活走进化学，从化学走向社会”，直接体会到所学化学知识的社会价值，进一步激发了学生学习化学的兴趣、热情。

［活动布置］

1．查阅资料，了解化学电源的发展史。

2．查阅资料，了解我们日常生活中所用到电池的种类。

3．思考交流，充电电池是如何工作的。

六、教学反思

本课时的设计，突出化学表征，精心创设情境，设计探究活动，利用情境、问题、表征方式的变化，诱发学生认知冲突，发挥学生的主动性、积极性和首创精神，在类比推理中掌握新的知识，从而实现探究过程与认知转变过程的有机融合。

教学过程中我们也发现，学生化学学习的三重表征方式尚未形成，缺乏将宏观、微观、符号三者进行有机融合的意识，任何一种表征的薄弱都会引起不同表征转换的困难，所以物质三重表征的形成在很大程度上需要教师在教学过程中积极引导，进行有意的建构。如何创设情境，依托实验探究活动，加强三重表征化学学习机制的研究，依然任重道远。

参考文献

［1］毕华林．化学学习中宏观—微观—符号三重表征的研究［J］．化学教育，2005，（5）

［2］刘知新．化学教学论［M］．北京：高等教育出版社，2004

［3］任红艳．化学问题解决及其教学的研究［D］．南京：南京师范大学，2005