基于探究实验建构认知模型的化学教学研究

单世乾 倪娟

摘要： “核心素养”背景下的原电池探究实验教学，旨在从学生认识角度建立原电池认知模型。学生在滤纸上完成实验探究，经历“锌铜单液原电池锌铜双液原电池铁碳食盐水原电池”的电池原型，从建立“负极材料与电解质发生氧化还原反应”的经典锌铜原电池认知模型，逐渐认识到“存在自发氧化还原反应、电解质的基本功能是离子导体、根据实际需要选择电极、电解质、隔膜”的通用原电池认知模型。探究过程中，定性分析与定量研究相结合，基于证据培养创新意识、科学精神和问题解决能力，从而提升发展核心素养。

关键词： 原电池教学; 实验探究; 认知模型; 核心素养

文章编号： 10056629（2018）12005906中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题的提出

关注学生“核心素养”的培养是目前基础教育理论研究和实践变革的重大趋势，如何在学生发展核心素养与课程教学之间建立起内在联系成为课程改革的重点[1]。陈进前对化学核心素养导向的教学，提出了“从课本实验到科学探究和创新意识”，“从事实到证据推理和模型认识”的建议[2]。从这种意义上来说，实验探究的过程，是培养学生理性判断思维、创新精神和实践能力的过程，也是作为一种研究手段获得证据，构建不同发展阶段理论模型的过程。

高中电化学内容具有较强的理论性，原电池中反应原理、电极判断、电极方程式书写等较为抽象，与学生的生活经验有一定的距离，仅依赖课本经典装置则证据不足，容易造成思维固化、易形成迷思概念。对于电化学这一理论教学的难点，传统的分析推理教学方法难以达到提升素养的教学目标。若利用锌铜稀硫酸双液原电池等实验素材，组织学生分析推理、推论预测、设计评价等探究活动，才能有效促使学生认识到电极反应、电极材料、离子导体、电子导体等基本要素，从而建立原电池认知模型，提高对原电池本质的认识。

2 原电池认知模型建构的必要性分析

2.1 依据“原电池”学情

基于学情设计教学，才能激发学生主动探究，突出学生的主体作用。教学实践中发现，“原电池”学习中，学生易形成以下错误认识，应在教学设计中重点关注，研究产生的根源。

认识1： 认为原电池的形成条件之一必须要有电解质溶液;

认识2： 原电池反应中，电解质溶液一定和电极（负极）直接接触并反应;

认识3： 同种金属不能构成原电池的正负极;

认识4： 原电池中阴离子向正极移动，阳离子向负极移动。

不难看出，部分学生想当然地认为正极带正电、吸引阴离子，从而形成“认识4”离子移动的迷思概念。其余错误认识，均源于从锌铜稀硫酸经典原电池装置中获得的刻板印象。化学理论性知识是化学教学内容的精髓，具有高度的概括性，是从丰富具体的事实材料中抽象概括出来的。其概念形成过程需要大量的具体例证，并据此概括关键特征。作为理论性知识的代表内容，原电池学习仅仅利用一个原型无法激发学生的探究性思维，教学过程中需要更换电极、电解质，变通连接方式，提供符合科学发展的实际场景，利用多个原电池原型构建原电池认知模型并逐渐完善，以此促进学生归纳与演绎能力发展，将知识与学科观念、学习与问题解决联系起来。

2.2 依据核心素养背景下“原电池”教学要求

苏教版化学2“化学能转化为电能”由锌铜原电池探究实验入手，引导学生感性认识电能的转化，分析反应原理和电极反应，得出原电池的构成条件，引出电极、电极反应、电流回路等原电池相关概念;选修4“原电池的工作原理”基于锌铜硫酸铜双液原电池的探究实验，理性分析化学能与电能的转化，认识氧化反应和还原反应分别在负极区和正极区发生，体现了氧化还原反应的“自发性”，也为后续原电池、电解池中的隔膜技术奠定基础。

根据化学学科核心素养对高中学生发展的要求，普通高中化学课程标准[3]提出，“要基于证据进行分析推理，能依据物质及其变化的信息建构模型”的课程目标。通过高中必修模块学习，学生对原电池的工作原理已有一定认识，选修内容的教学任务是唤醒高一原电池的已有认识，在完善学生认知模型的过程中，培养学科观念。如对于原电池认知模型的发展，不仅要建立认识角度，还应当发展学生对于电池动力和溶液内部离子运动的认识，对电池发展的科学探究过程及对实用电池的分析评价等。因此教师在教学设计时尤其要关注化学学科的实践性特征，将实践性素材中化学与生活、生产实际，科学研究等联系挖掘出来，通过营造真实情境，提供丰富的情境素材，激励学生通过实验探究活动建立认知模型、理解原电池的基本原理及相关概念，感悟电池的改进与发展的理论依据及方法。

由此确立本节教学目标为： 通过设计与组装原电池，深化理解原电池的本质是氧化还原反应，理解原电池的工作原理，构建并逐渐完善原电池认知模型;通过定性分析与定量研究相结合获取证据，明确生产生活中原电池的评价依据与发展方向，感悟科学精神和社会责任。使课堂教学目标从“教会知识”向“发展素养”转变[4]，以提升学生“科学探究与创新意识”、“证据推理与模型认知”、“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养。

3 原电池认知模型构建的教学设计

3.1 筛选学生问题，挖掘教学价值

不论演示实验还是分组探究实验，学生均能从实验过程中观察到超出预期的实验现象，经过分析推理，提出一些自己不能解决的问题。梳理这些问题，正是探查学情、发现知识生长点的时机。利用学生提出的问题组织教学，更能激发学生思维、激励学生主动地进行科学探究。

问题1 锌片表面为什么有红色斑点？

问题2 电压表读数为什么越来越小？

問题3 双液原电池中，锌片不与硫酸铜接触，为什么有电流产生？

问题4 原电池效率的影响因素有什么？

问题5 铁碳、锌碳都不与氯化钠反应，为什么能构成原电池？

这些问题都是学生在学习过程中自然生成的，经过小组交流讨论基本都能得到解答。例如，问题1和问题2的答案是双液原电池改进的依据： 铜锌硫酸铜单液原电池实验探究中，理论上作为负极的锌片表面本应没有斑点出现，事实上仍有较为明显的现象，排除锌片不纯的影响因素，负极与电解质中的氧化剂直接接触，部分电子未经导线转移而直接在锌电极表面被铜离子捕获，导致电能转化率降低;而在双液原电池中锌单质和硫酸锌接触、铜单质和硫酸铜接触，两份溶液通过盐桥联通，不会出现氧化剂和还原剂之间的直接反应，提高了电池的效率。从电流角度看，由于锌片与硫酸铜溶液直接接触，铜在锌片表面析出，锌表面也构成了原电池，进一步加速铜在锌表面析出，致使向外輸出的电流强度减弱;双液原电池使用盐桥，可使由它连接的两溶液保持电中性，盐桥保障了电子通过外电路从锌到铜的不断转移，使锌的溶解和铜的析出过程得以持续进行，在外电路形成持续稳定的电流。后面几个问题均在引导学生结合实验探究进行分析推理，顺利建立并完善原电池认知模型中发挥作用。

3.2 精选教学素材，激发探究热情

为了帮助学生深入认识原电池本质，教学中提供丰富的实验素材，激励学生积极主动探究，模拟解决实际问题。

电极材料： 锌片、铜片、碳棒、铁钉、镁条、铝片

介质： 食盐水、苹果、西红柿、白萝卜、土豆等生活素材，滤纸（玻璃片）、高锰酸钾溶液

验电器材： 电流计、连有蜂鸣器和发光二极管的电路板、闹钟、小马达

设计滤纸玻璃片微量实验，除了方便操作、试剂用量少等优点，该装置与学生熟知的原电池装置图相似（见图1、图2），既体现化学实验的创新精神，又有利于学生形象感知原电池装置图。在此基础上，形成电极、电极反应、电流回路等原电池相关概念;认识氧化反应和还原反应分别在负极区和正极区发生，体现了氧化还原反应的“自发性”，总结归纳出原电池的构成条件和工作原理。

选择苹果、白萝卜等生活素材，可以促使学生深入思考，即使不清楚电解质的成分，只要存在自发的氧化还原反应，就可以设计原电池;可通过变换电极、改变电极间隔等方式，发现电压表读数的变化;从定量探究的角度去分析推理，发现影响电池效率的因素，体会电池设计与发展的科学思想和敢于质疑、勇于创新的精神。尤其在铁碳食盐水原电池的探究中，得出负极材料不与电解质发生氧化还原反应的结论，为原电池认知模型的完善提供了有力的证据。

3.3 基于证据推理，建构三种认知模型

确定教学环节及设计意图如图3。

通过探究实验逐步揭示“负极材料与电解质反应→电极与电解质中溶解的气体反应→电极材料上吸附物质之间的反应”自发氧化还原反应的实质，从而深入理解原电池的构成条件和工作原理，为实际原电池选择特殊电解质和隔膜技术奠定认识基础。在这里，证据推理指向模型认知，有了多种证据的支撑，学生构建并完善原电池认知模型就变得顺理成章了。

由理解到应用，从现状到前景，既符合学生认知发展规律、满足学习心理，又反映应用知识改善生活的必然性，进而提升了知识在生活生产中的应用属性。

4 原电池认知模型构建的教学过程

研究学生的认知规律，梳理有价值的学生问题，提供丰富的实验素材，学生在实验探究中，解决问题，建立并逐步完善原电池认知模型。具体实验教学过程如下：

实验1 学生根据实验素材，设计改进实验，利用滤纸在塑料片上完成锌、铜、硫酸铜溶液的原电池实验（见图1）。

设计意图： 以锌铜稀硫酸原电池为例，建立起分析电池的几个核心认识角度——电子移动和离子移动、电极反应和电极反应表达、能量转化与微粒变化等。突出负极材料与电解质发生氧化还原反应，氧化反应和还原反应分别、同时发生。

[学生问题]锌片为什么有大量气泡？电流为什么减弱？

[问题解决]分析推理： 锌片不纯，与硫酸接触构成原电池;锌片直接与硫酸发生反应，电能转化率低。利用双线桥法和单线桥法分析反应原理。

[模型建构]以滤纸微型电池原型，构建锌铜经典原电池认知模型如图4。

实验2 学生结合滤纸单液原电池实验，设计并完成滤纸上锌、铜、硫酸锌溶液、硫酸铜溶液的双液原电池实验（如图2）。

将滴有硫酸锌、硫酸铜溶液的滤纸条分别放在锌片与铜片上，氯化钠滤纸横在两电极之间。

设计意图： 通过观察到实验异常现象，分析单液原电池的弊端，提出质疑和新的实验设想。在探究过程中学生理解闭合回路的建立，理解通过导线上电子的转移和电解质中离子的定向移动，实现化学能向电能的转化。从本质上理解原电池中氧化反应和还原反应分别在两极发生，理解总反应与电极反应的关系。

[学生问题]锌与硫酸铜不直接接触，化学能怎么转化为电能？

[问题解决]分析推理： 导线上有电子转移、电解质与盐桥中离子定向移动建立闭合回路，通过导线上电子的转移和电解质中离子的定向移动，实现化学能向电能的转化。氧化反应和还原反应分别在两极发生。

[模型建构]理解双液原电池工作原理，构建认知模型如图5。

实验3 学生在教师提示下，组装镁、碳、氯化钠溶液原电池，并在中间滴加少量KMnO4溶液。

设计意图： 通过分析，学生理解在镁、碳、氯化钠溶液原电池中，正极上溶液中溶解的O2得到电子，电解质的基本功能是提供自由离子，电极材料不一定直接与电解质反应，扩大原电池的认识范围，为认识燃料电池奠定基础，建立原电池的认知模型。利用滤纸上有色离子的迁移“看到”离子的移动，不仅有效突破教学重难点，还能引导学生从宏观和微观相结合的视角分析问题，基于证据，分析推理加以证实或证伪。

实验4 学生自主选择提供实验素材，设计原电池。

设计意图： 学生根据需要选择电极材料、电解质、离子隔膜。基于实验证据和生产生活中对原电池的要求，在经典单液原电池与双液原电池模型基础之上，构建通用原电池认知模型。

[学生发现]水果电池中，锌、铁可能与溶解的氧气反应，也可能与萝卜中的有机酸等电解质反应。不同的电极材料组合、不同类别不同浓度的电解质，都可能影响到电池效率，生活中使用的电池可能会考虑很多实际因素。

[模型建构]学生结合生产生活中的常用电池，进一步提炼原电池构成条件和工作原理，建构认知模型如图6。

设计意图： 在原电池探究实验教学中，学生从问题和假设出发，设计实验，通过亲自操作获取感知。如利用电流表指针偏转感知正负极，通过电极及附近实验现象理解氧化和还原反应、判断电子和离子移动的方向等。结合分析推理，认识原电池的本质特征、构成要素和工作原理，建立并逐步完善原电池认知模型，并能运用模型解释生活和生产中的电化学现象，在实际应用中深化理解。从探究实验、构建认知模型的过程，反映了理论知识学习的科学路径。

5 教学反思

对于学生逐步发展证据推理和模型认知的素养要求，普通高中化学课程标准[5]提出： 从定性与定量结合上收集证据，对模型和原型的关系进行评价以改进模型，对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题。与此对应，本节课教学主线为： 利用探究实验获得原型，建构相应原电池认知模型，并在解释现象和解决问题的过程中逐步完善模型。

科学的本质不是科学知识，而是产生知识的方法与过程。真实科学探究的核心是科学知识的生成和论证[6]。三个原电池认知模型的建构，反映了在“原电池”实验探究中的认识发展过程： 锌铜稀硫酸经典原电池实验，提供了负极材料与电解质反应的原电池原型，结合锌铜硫酸铜滤纸微型实验，学生可以顺利建构图4所示的锌铜稀硫酸经典原电池认知模型;锌片上的红色斑点，激发了学生实验改进的动机并研究出双液原电池微型实验;如何实现化学能向电能的转化是理解的难点，这需要实验中的证据支持，学生利用电压表指针偏转和高锰酸根离子的移动，物理电学和电化学结合，逐渐推理出离子移动和电子移动的回路，将原型转化为模型（图5）。从图5到图6的认知模型完善，学生没有能力一次完成，大多数标注的是具体氧化剂和负极材料。在经历多种素材的原电池组合实验后，小组分析讨论了氧气、硫酸、硫酸铜在几组反应中的作用，提炼出氧化剂的本质，为燃料电池的后续学习奠定基础。

从经典锌铜单液原电池原型中负极材料与电解质反应出发，逐渐扩大到认识存在自发的氧化还原反应、电子导体和离子导体，帮助学生从他们的认识角度建构认识模型，突破认识难点，在抽象概括中逐步发展认识，并在实际问题解决中检验学习成果，是不同阶段知识学习的需要，更是核心素养背景下关键能力的发展需要。

参考文献：

[1]钟启泉.基于核心素養的课程发展： 挑战与课题[J].全球教育展望， 2016，（1）： 3～25.

[2]陈进前.化学必修课程与化学学科核心素养的匹配性研究[J].化学教学， 2018，（5）： 1～8.

[3][5]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准[S].北京： 人民教育出版社， 2018.

[4]张福涛.“原电池工作原理”教学设计及课堂实录[J].化学教育， 2014，（14）： 14～17.

[6]National Research Council.（1996）.National science education standards. Washington. DC： National Academy Press.