以模型进化促进学生思维发展的教学实践研究——以选修四《原电池的工作原理》为例

江苏省常州市北郊高级中学 张 颖

一、问题的提出

1.课标要求：原电池是高中化学的重要概念，是电化学的基础。必修中要求“举例说明化学能与电能的转化关系及应用”，因此教学目标主要是通过锌—铜—稀硫酸在不同条件下实验帮助学生理解化学能转化为电能并形成对原电池模型的初步认识。选修4 则要求学生了解原电池的工作原理，熟练写出电极反应式，了解常见化学电源工作原理。这是对学生认知能力、理解能力和思维能力的挑战。多样化的电池，复杂多变的情境对学生的思维深度和广度都提出更高的要求，学生只有对原电池模型有本质深刻的理解，才能万变不离其宗，找到解决问题的思路和方法。

2.学情要求：必修学习中学生对锌—铜—稀硫酸单液原电池有了初步的理解和认识。但理解是否存在偏差，认知是否完全正确？根据学情反馈，我们发现学生存在以下认知误区：负极一定与电解质溶液接触并反应；不同的金属材料做电极才能形成原电池；活泼金属一定做负极；电解质溶液是形成原电池的必要条件。认识误区产生的根本原因是学生对原电池模型认知的不透彻。经典原模型可以帮助学生初步了解原电池概念，但原电池是一个高度理论抽象性的概念，单一、刻板的模型不能让学生全面充分地理解原电池本质。因此学生难以理解吸氧腐蚀、燃料电池、熔融盐电池也就不足为怪了。这就需要我们不断进行模型解构、进化和再构，丰富认知的内涵，加深学生对概念本质的理解。

二、模型建构和模型进化

人们倾向于从模型与所表征对象的关系角度和认知心理学的角度两个方面来理解模型建构。前者认为模型建构就是将物质世界与理论和模型世界联系起来，在理解科学本质中起着核心作用；后者认为建模就是内隐心智模型通过模型来使思考具体化的方式。“建构主义理论认为，任何知识的获得都必须通过学生的主动地同化，而主动地同化则必须以适当认知结构的存在为前提”，同时指出知觉受制于心理活动，知觉者常常凭借推理的心理活动已经搜索到自己要看的东西。在抽象性的概念教学中，模型建构无论是从学生认知发展层面还是从心理发展层面都有助于学生参与科学理论的探索，理解科学概念的本质。

基于概念的模型并不是刻板单一的，它有着丰富的内涵。学习过程中学生会基于自我朴素心理框架形成错误概念，我们需要帮助学生在模型原型基础上不断地验证、评估、修正，应用模型才能实现错误概念的转变，形成对科学概念充分而全面的理解，这就是模型进化过程，也是学生心理模型不断冲突、否定、修正和重建的动态过程。

三、模型进化促学生思维发展的教学实践

本节课将学习目标定位为：通过原电池模型修正和进化，构建完善的原电池认知模型，加深对概念本质的理解。通过实验探究、模型的设计与优化，体验科学探究的基本方法。通过电池发展史，体验化学学科价值。

【学习过程】

环节一、回顾原电池——构建原电池经典模型。

情境1：音乐卡芯为什么会响？

通过镁—碳—稀硫酸单液原电池装置复习回顾形成原电池的基本条件及电极反应、电子流向、离子流向等原电池的相关概念，唤醒学生脑海中对原电池的认知，构建经典单液原电池模型。

环节二、再探原电池——解构原电池经典模型。

情境2：音乐卡芯的声音为什么越来越弱？

通过锌片、铜片、硫酸铜溶液、音乐卡芯形成的装置中音乐卡芯的声音变化情况发现此款原电池存在的问题。

学生活动1：锌、铜、硫酸铜“单液”滤纸原电池。

实际现象与预测的差异：1.锌片表面有铜析出；2.电流一段时间后变小。

通过差异现象，学生发现这种电池的弊端——能量转化率低，不能提供持续稳定的电流，时间稍长电流就很快减弱。产生这一弊端的原因是因为锌片表面析出了铜。这促使学生从心理认知层面认为原来的原电池不完美，从而自觉地对原电池经典模型进行解构。那么如何才能解决这一问题？顺其自然就促使学生思考，如何改进电池，构建起更合理的原电池模型，即进行模型的进化。

环节三：改进原电池——重构双液原电池模型。

情境3：如何能让音乐卡芯响得更持久？

交流与讨论：改进锌—铜—硫酸铜原电池关键要解决什么问题？

生1：锌片不能直接与硫酸铜接触，把锌片放另一烧杯中，画出图一装置。

追问1：选择什么电解质溶液？

生2：锌片的那一极应该不能放硫酸铜。

追问2：根据总反应的生成物对你有什么启示？

生3：可以选用硫酸锌，它与锌不反应，画出图二装置。

追问3：如何让图二装置形成闭合回路？

生4：最好有一个连通器将两边液体连通起来，设计图三装置。

师：想法很好，在两个溶液之间架一座桥梁。选择什么做桥梁呢？导线行吗？

生5：导线中是电子在移动，现在是要让溶液中离子定向移动，用电解质。

通过交流和讨论，学生从自己的经验和认知中构建出了双液原电池的基本雏形，但理论推导正确与否还需实验事实来证明。

学生活动2：锌—铜—硫酸铜“双液”滤纸原电池。

学生通过观察分析搭上浸有KCl滤纸前后电流表指针的变化，发现自主构建的双液原电池雏形可以实现化学能向电能的转化，并且电流稳定。此时教师补充介绍盐桥的相关概念和作用，引导学生思考此时电极反应方程式如何书写，盐桥中K+和Cl-的移动方向如何？

化学是一门以实验为基础的科学，实验的事实已经揭示了负极依然是Zn-2e-= Zn2+,正极依然是Cu2++ 2e-= Cu ,总反应还是Zn +Cu2+= Zn2++Cu。 由于这个电池模型是学生基于单液锌—铜—硫酸铜不断改进得出的，学生理解水到渠成。同时通过模型的重构过程，学生不难得出这样的结论：原电池的负极可不与电解质溶液接触反应，只需存在氧化还原反应即可，并且不直接接触电流更稳定。学生的迷思概念得到转变，对原电池概念的理解更为清晰。

化学史料：丹尼尔改良了伏打电堆，丹尼尔电池早期用于铁路信号灯。

演示实验：锌—铜—硫酸铜单液原电池和双液原电池电流对比。

原电池与数字电流表连接起来，先观察双液原电池电流表示数变化，再取出盐桥，改用单液原电池观察示数的变化。

现象：U 型管双液电池的电流比较稳定，但电流强度比单液原电池小得多。

情境4：如何让音乐唱得持久又响亮？

生：盐桥窄而长，不利于离子移动，电池内阻大，缩短盐桥，增加盐桥宽度。

教师结合学生想法介绍生活中实用的膜电池。

环节四：设计原电池——构建燃料电池模型。

思考1：已知Fe3++2Fe=3Fe2+, 设计双液原电池。

思考2：已知2I-+2Fe3+=2Fe2++I2，请设计一个双液原电池。

思考1 旨在帮助学生形成设计双液电池的一般思维模式——从单液到双液；思考2 则是对学生认知的又一次冲击，电解材料相同，电解质溶液为互不接触的FeCl3和KI 溶液。认知冲突促使原电池模型再次解构，修正和进化。而这一原电池模型也成为学生理解燃料电池的基础，学生思维进阶。此时理解燃料电池、熔融盐电池就水到渠成了。至此，学生深刻理解原电池本质并得出构成原电池的两个必要条件：（1）氧化还原反应（2）闭合回路。

化学史料：电池发展的前世今生。

学习过程的模型也正是历史发展的模型，通过电池发展引领学生在模型进化过程中感受科学发展的价值与魅力。

四、结语

建构主义理论要求我们在教学过程中对学生提出既不超出当前学生认知结构的同化能力，又应基于学生现有认知结构，创设情境产生认知冲突，促使学生思维向更高阶段发展。“错误会引起学生顺化自己的认知结构，并把所观察到的结果同化到修正过了的认知结构中去”。在本节课的学习过程中正是通过学生对原电池模型的不断的认知冲突，修正、发展，扩展、优化和完善了学生的认知结构，实现了学生对原电池概念的认知转变，促进了学生思维的进阶发展。