基于化学核心素养的模型建构研究——以原电池的工作原理为例

郑晓烁， 林晓明，覃路珠

(1.汕头市潮师高级中学，广东 汕头515154； 2.华南师范大学， 广州510006)

1 设计思想

1.1 观念取向

在原电池工作原理的学习中主要体现了实验观和模型观。

1.2 对核心素养的看法

《普通高中化学课程标准(2017年版)》(以下简称新课标)指出证据推理与模型认知是高中化学的五大核心素养之一。本节课是基于证据推理与模型认知的视角认识原电池工作的本质特征，探究铜锌原电池电流的形成过程，认识到原电池中微粒运动和物质变化的内在联系。在探究过程中建立了实验模型(宏观模型)、符号模型以及微观模型，并运用三大模型解释原电池工作原理的本质和规律，帮助学生建立认知模型，锻炼学生观察实验现象、分析实验、归纳总结实验以及对模型的认知能力，培养学生的创新精神。

2 教材分析

2.1 教材知识体系分析

原电池的工作原理是高中化学人教版必修2第二章第二节化学能与电能的内容，其他两节分别是化学能与热能、化学反应的速率和限度。教材先学习化学能与热能，再学习化学能与电能，符合由易到难，由简单到复杂的过程，也符合学生的认知水平[1]。

第二节化学能与电能又包括化学能与电能的相互转化以及化学发展中的化学电源这两部分内容，先学习原理，再学习原理的应用，将理论应用于实践，符合社会价值观，体现出了具有科学态度与社会责任的化学核心素养。人教版第二章教材知识体系以及人教版第二章第二节教材知识体系分别如图1、图2所示。

图1 人教版第二章教材知识体系Fig.1 Knowledge system of the second chapter of PEP teaching materials

图2 人教版第二章第二节教材知识体系Fig.2 Knowledge system of the second section in the second chapter of PEP teaching materials

2.2 课标分析

课程目标：能用符号表征物质及其变化；能认识化学现象与模型之间的关系[2]。课程内容：意识到化学科学研究需要实证与推理，注重宏观与微观的联系；以原电池为例知晓化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。

3 学生情况分析

通过初中化学、必修一、必修二第一章、必修二第二章第一节的学习，学生已经了解了氧化还原反应、物质的反应、微粒的运动、能量的转化等知识点，为原电池的学习奠定了基础。围绕学生已有的对氧化还原反应知识的了解开展应用性探究更符合学生认知的螺旋式发展规律[3]。

4 教学与评价目标

4.1 教学目标

(1)了解原电池原理，能写出简单原电池的电极反应式和电池反应式。(2)通过探究铜锌原电池电流的形成过程，认识到原电池中的微粒运动和物质变化之间的内在联系，逐渐渗透模型观。(3)通过学习原电池的功能，让学生体会原电池的工作原理对于解决问题的意义，提高学生联系生活学习化学并将化学应用于生活的意识。

4.2 评价目标

(1)通过书写原电池的电极反应式和电池反应式诊断并发展学生对原电池工作原理的认知水平。(2)通过分析原电池中微粒运动和物质变化之间的内在联系诊断并发展学生的模型认知水平[4]。(3)通过运用原电池的工作原理解决实际问题诊断并发展学生联系生活学习化学并将化学应用于生活的能力。

5 教学重点与难点

教学重点：了解原电池的工作原理，学会书写相应的电极反应式及电池反应方程式[5]。

教学难点：解释原电池工作的微观原理。

6 教学流程

6.1 新课导入

教师：我们先来观看一个奥斯卡最佳短片《更换电池》的小片段。在视频中，陪伴老奶奶吃饭的机器人突然停止工作了，为什么老奶奶换上电池后机器人就满血复活了呢？

学生：因为电池有电。

教师：嗯，对，其实是因为电池中的化学能转化为电能，为机器人提供了能量。那么原电池是如何工作的呢？本节课让我们围绕电池的化学能是如何转化为电能这个核心问题来探究原电池的工作原理。

设计意图；让学生了解电源在生活中的应用，引入新课，提高学生的学习兴趣，激发学生的学习热情。

6.2 模型准备

教师：先是进行模型准备，老师事先已经准备好了仪器和试剂。从老师的左边往右数分别是锌片、铜片、导线、贺卡、水槽、稀硫酸以及小支架。老师先连接实验装置，往水槽中导入稀硫酸溶液，接着用导线连接铜、锌电极以及贺卡。现在，老师把两个电极放入稀硫酸溶液中，请同学们认真观察实验现象。实验模型见图3。

图3 实验模型Fig.3 Experiment model

设计意图：通过实验和科学探究过程使学生增强探索化学反应原理的兴趣[6]，并逐渐渗透实验观。

6.3 模型设疑

教师：现在有请一位同学回答看到什么现象。

学生：贺卡响了，铜片上和锌片上有气泡产生。

教师：嗯，很棒，请坐。贺卡响了，说明有什么产生呀？

学生：电流。

教师：看来同学们都非常认真思考。现在老师就有几个疑问了，导线中为什么会产生电流呢？锌片和铜片上产生的气体又是什么呢？根据金属活泼性顺序，铜排在氢离子后面，并不能和氢离子反应生成氢气，那么铜片上产生的气体是什么呢？

设计意图：(1)通过实验培养学生的观察能力与分析思维能力。(2)引导学生以问题为中心，学会发现问题并解决问题。

6.4 模型求解

教师：有请一位同学回答第一个问题，导线中为什么会产生电流呢？

学生：由于原电池发生了氧化还原反应，有电子转移，所以产生了电流。

教师：谢谢，请坐。更加准确来说是因为原电池发生了氧化还原反应，有电子转移，电子定向移动，所以产生了电流。第一个问题我们已经顺利解决了，那第二个问题来了，锌片上产生的气体是什么呢？

学生：H2。

教师：我们知道，根据金属活泼性顺序，锌排在氢离子前面，因此，锌可以和氢离子反应生成氢气。可是，根据金属活泼性顺序，铜排在氢离子后面，并不能和氢离子反应生成氢气，那么铜片上产生的气体又是什么呢？

学生：H2、O2、SO2。

学生：书写方程式。

锌片(负极)：Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)

铜片(正极)：2H++2e-=H2↑(还原反应)

总：Zn+2H+=Zn2++H2↑

教师：同学书写正确，看来同学们都能从氧化还原反应的角度分析两极的反应情况以及原电池的总反应。通过观察两个电极的反应方程式我们可以发现，铜片上产生的气体是溶液中的H+被还原生成的H2。接下来，我们来观看一个模拟动画，一起来分析原电池工作的微观原理。观看动画，我们可以发现，锌极失去电子，发生氧化反应，生成锌离子，铜极的氢离子得到电子，发生还原反应，生成氢气，电子由锌极流向铜极，电流由铜极流向锌极，形成外电路。由于锌极失去电子后，电极表面带正电荷，铜极得到电子后，电子表面带负电荷。由于异性电荷相互吸引，所以阳离子向铜极移动，阴离子向锌极移动，形成内电路，从而形成闭合回路，将化学能转化为电能。在这里需要注意的是，电子只能在导线中移动，不能在溶液中移动，而离子只能在溶液中移动，不能在导线中移动，即电子不下水，离子不上岸。

设计意图：(1)知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化，以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。(2)能用符号表征物质及其变化。(3)通过书写原电池的电极反应式和电池反应式诊断并发展学生对原电池工作原理的认知水平。(4)通过分析原电池工作的微观原理，认识到原电池中的微粒运动和物质变化之间的内在联系，逐渐渗透模型观。

6.5 模型认知

教师：在前面的学习中我们建立了三种模型，先在模型准备环节建立了实验模型，观察实验现象，发现贺卡响了，锌片上和铜片上都有气体产生，分析了电流产生的原因以及铜片上产生的气体是何种物质。实验模拟模型见图4。

图4 实验模拟模型Fig.4 Experiment simulation model

接着在模型求解环节从氧化还原反应的角度分析铜锌两个电极的反应以及原电池的总反应，并书写相应的方程式，建立了符号模型：

锌片(负极)：Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)

铜片(正极)：2H++2e-=H2↑(还原反应)

总：Zn+2H+=Zn2++H2↑

建立符号模型后，通过观看模拟动画分析体系中的微粒移动情况，即外电路的电子移动情况和内电路的离子移动情况，并建立微观模型，见图5。

图5 微观模型Fig.5 Micro model

设计意图：(1)帮助学生认识化学现象与模型之间的关系，培养学生的模型认知能力。(2)学会用三重表征策略学习电化学知识，树立正确的电化学问题分析思维方法。

6.6 课堂小结

教师：现在，让我们对本节课所学习的知识点进行总结。本节课我们围绕化学能如何转化为电能这一核心问题展开学习，并运用模型构建的思想在四个教学环节中建立了实验模型、符号模型以及微观模型这三种模型，然后进行三重表征，解释了原电池的工作原理，即原电池工作的本质是发生氧化还原反应。锌极失去电子，发生氧化反应，生成锌离子，发生氧化反应的一极是负极。铜片附近的氢离子得到电子，发生还原反应，生成氢气，发生还原反应的一极是正极。导线中的电子定向移动，电子由锌极流向铜极，电流由铜极流向锌极，形成外电路。溶液中的阴、阳离子也发生定向移动，阳离子由锌极流向铜极，阴离子由铜极流向锌极，形成内电路，从而形成闭合回路，将化学能转化为电能。课堂小结思维导图见图6。

图6 课堂小结的思维导图Fig.6 Mind mapping of class summary

7 课后习题

牛刀小试：请写出图示原电池的电极反应方程式以及总反应方程式。

图7 牛刀小试题目Fig.7 Quiz

知识提升：我们学习知识不仅要会解决课堂上的问题，还要会解决生活中的问题。现在，实验室有两片未知的金属片a和b，请问如何应用原电池原理比较两种未知金属a和b的活动性强弱？

设计意图：应用课堂所学的知识让学生体会原电池的工作原理对于解决问题的意义，提高学生联系生活学习化学并将化学应用于生活的意识。

8 流程思路与亮点特色

本节课以新课标为标准，渗透证据推理与模型认知的化学核心素养。本节课设有新课导入、模型准备、模型设疑、模型求解、模型认知、课堂小结以及模型应用七个教学环节，在七个教学环节中运用了模型认知教学策略以及三重表征教学策略；在学习过程中渗透实验观及模型观；在模型求解环节提升证据推理与模型认知的化学核心素养；在多个环节设计问题情境，引导学生分析问题、解决问题，培养学生观察、发现问题、分析问题和解决问题的能力。