基于模型认知的学习进阶教学实践研究

将玲玲

摘要：基于《普通高中化学课程标准（2017年版）》学科核心素养的水平要求，在原电池新授课中通过设计“建立原电池认知模型”“修正原电池认知模型”“应用原电池认知模型”三个学习任务，帮助学生从已有的“氧化还原反应认知模型”进阶到“原电池认知模型”，在学习过程中培养学生的“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“模型认知”等核心素养。

关键词：原电池;认知模型;学习进阶

文章编号：1008-0546（ 2020）08-0073-03

中图分类号：C632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.08.020

一、问题提出

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中提出，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[1]。通过前期学习，学生已经建立起“氧化还原反应认知模型”，掌握了氧化还原反应的本质和特征;还原剂等概念以及还原性强弱的比较方法。虽然学生在生活中已经接触到例如碱性锌锰干电池、手机锂离子电池、燃料电池等原电池，但不了解原电池工作原理，在学习过程中有很多迷惑之处。解决这些问题，需要学生建构“原电池认知模型”，能够透过纷繁复杂的表象去“辨识简单原电池的工作要素，分析简单原电池的工作原理[1]”。单世乾[2]、顾建辛[3]、丁樱[4]以苏教版化学2“化学能转化为电能”为例，尝试帮助学生建构“原电池认知模型”。本文以人教版（2019年版）必修2“化学能与电能”为例进行试探性研究。

二、设计思路

原电池是氧化还原反应知识的应用，由“氧化还原反应认知模型”建立“原电池认知模型”，在教学过程中需要解决两个问题：电子为什么能定向运动？电子的定向运动对其它微粒有何影响？问题一可通过比较不同还原剂还原性强弱进行突破;问题二可通过分析各种原电池的闭合回路进行突破。教学设计主要由三个学习任务组成：“建立原电池认知模型”“修正原电池认知模型”“应用原电池认知模型”（见表1）。教学过程中，学生借助探究实验的结果，分析电子及其它微粒的移动，从而使“宏观辨识与微观探析”素养得到发展;通过学习各种原电池的工作原理，学生的“变化观念与平衡思想”核心素养得到进一步提高;由“氧化还原反应认知模型”到“原电池认知模型”的进阶学习，使得学生的“模型认知”素养得到提升。

三、教学过程

1.温故知新

【教师活动】将锌片和铜片同时放人AgNO，溶液中，现象的异同？原因？

【学生活动】锌片、铜片表面都出现银白色固体。锌、铜的还原性比银强，能够置換出银。锌反应速率快，因为锌还原性强。

【教师活动】将锌片和铜片同时放入稀硫酸中，现象？原因？

【学生活动】锌片表面有气泡产生。铜还原性弱，不能置换出氢。

【设计意图】通过金属的置换反应，回顾还原剂概念，比较不同还原剂的还原性强弱，唤醒学生已经建立的“氧化还原反应认知模型”，从而帮助学生更好地过渡到新知“原电池认知模型”。

2.学习任务一：建立原电池认知模型

【教师活动】所有物质中都储存有化学能。火力发电（展示图片），化学能通过多步转化转变为电能;将化学能直接转变为电能的装置称为原电池。请大家判断以下四个化学反应哪些能将化学能转变为电能并给出理由。

（l）Zn+H2SO4==ZnSO4+H2↑

（2）2H2+O2=2H2O

（3）NaOH+HCl=NaCl+H2O

（4）2HCl+CaCO3==CaCl2+H2O+CO2↑

【学生活动】小组讨论，问题集中在这几个反应的异同。最终学生根据是否有电子转移，将四个反应分为氧化还原反应和非氧化还原反应。

【学生回答】（1）（2）可以，这两个反应属于氧化还原反应，有电子的转移，可以将化学能转变为电能。

【教师总结】氧化还原反应在原电池中发生，将化学能转变为电能（图1）。

【设计意图】根据反应过程中是否有电子的转移，判断哪些反应能将化学能转变为电能，从而帮助学生建立了“氧化还原反应认知模型”与“原电池认知模型”的初步联系。

【教师设问】有了氧化还原反应是不是就一定能提供电流呢？请大家先完成表2实验记录的第一列和第二列。

【学生讨论】大部分同学觉得（1）（3）（4）应该有电流产生;极少数同学觉得只有（4）电流产生。

【教师活动】请大家通过实验验证你的想法，并完成表2的第三列和第四列。

【学生活动】动手做实验并完成表格。

【设计意图】学生已经初步建立“原电池认知模型”，知道原电池是将化学能转变为电能的装置。但是对原电池工作原理的微观辨析还不清晰。设计这个教学环节，目的是帮助学生建立探究实验的思维模型，为下一环节由宏观变化到微观辨析做一个铺垫。

【教师活动】请同学展示实验记录。

【学生回答】根据实验过程中电流表的指针偏转情况判断，只有（4）装置中有电流产生。（1）装置中锌片表面冒气泡。（2）装置无明显现象。（3）装置中锌片表面冒气泡，铜片表面无明显现象。（4）装置中锌片表面无气泡，铜片表面有气泡。

【教师追问】（1）（3）装置中有氢气产生，为什么没电流？

【学生回答】氢离子在锌片表面得电子，电子没发生定向移动。所以没有产生电流。

【教师追问】（4）装置中铜片表面冒气泡。大家能否解释原因？

【学生回答】溶液颜色未变为蓝色，说明铜没有失电子。锌失电子，电子通过导线移动到铜片表面，氢离子在铜片表面得电子。

【教师活动】锌失电子能力比铜强，用导线将锌片和铜片相连后，锌失去的电子通过导线由锌片流向铜片，氢离子在铜片表面得电子。氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行。电子的定向移动产生了电流，电子流出的一极是负极，电子流入的一极是正极。

【教师活动】书写电极反应式：负极（氧化反应）：Zn-2e-=2n2+正极（还原反应）：2H++2e-==H2↑

【教师总结】在原电池中，电子由负极流出，经过导线，流入正极，我们将其称为外电路。

【教师活动】锌铜硫酸原电池反应的实质是锌与氢离子之间的电子转移，硫酸根有何作用？请大家结合锌失电子后，负极附近锌离子浓度变大分析。

【学生回答】硫酸根移向负极

【教师总结】电解质在溶液中电离出自由移动的离子。阴阳离子的定向移动形成了内电路。因此原电池的构成要素可以总结如图2所示。

【设计意图】以简单的锌铜硫酸原电池为例，由探究实验结果，通过证据推理，帮助学生由“氧化还原反应认知模型”建立“原电池认知模型”。宏观角度，学生由实验事实认识到原电池中氧化反应、还原反应分区进行;微观角度，对闭合回路的形成有一个初步认识，即离子和电子的定向移动分别形成内、外电路。

3.学习任务二：修正原电池认知模型

【教师展示】碱性锌锰干电池、铅蓄电池.氢氧燃料电池、手机锂离子电池、高温熔融盐电池的工作原理。

【教师活动】请大家阅读图片中信息，判断下列几种说法的正误，并做出更正。（1）原电池正负极材料活泼性必须不同;（2）原电池的负极必失电子;（3）原电池构成中必须有电解质溶液。

【学生回答】（1）错，原电池的正负极可以是同一种材料构成，如氢氧燃料电池的正负极。（2）错，原电池的负极材料不一定做反应的还原剂。（3）错，原电池的构成中要有电解质，不一定是电解质溶液。如高温熔融盐电池。

【教师总结】由以上化学电源可以总结出原电池的工作原理：自发的氧化还原反应提供电子，电子通过电子导体定向移动，离子的定向移动形成离子导体，电子、离子的定向移动形成闭合回路。我们可以用图3来表示。

【设计意图】由简单的锌铜硫酸原电池建立“原电池认知模型”，优点是装置结构简单，学生易于建立认知模型：缺点是学生会由该装置演绎出一些错误认识：如原电池正负极材料活泼性必须不同;原电池的负极必失电子;原电池中必須有电解质溶液。因此在教学中向学生展示多种化学电源工作原理的图片资料，学生通过阅读，自主归纳总结，主动修正“原电池认知模型”，使该模型更加准确规范。

4.学习任务三：应用原电池认知模型

【教师设问】实验室用锌与稀硫酸制取氢气，用粗锌（含铜、铅等杂质）不用纯锌。因为粗锌反应速率比纯锌快。请用原电池工作原理解释原因。

【学生回答】粗锌中含的杂质和锌、稀硫酸形成原电池，加快了反应速率。

【教师设问】夏天炒菜的生铁锅没刷干净，有水残留，第二天发现铁锅生锈。请用原电池工作原理解释原因。提示：生铁是铁和碳的合金。

【学生回答】水附着在铁锅表面，空气中的氧气溶于水。铁失电子做负极，碳是正极，氧气在碳表面得电子。

【设计意图】学生已经建立了“原电池认知模型”，设计这个学习任务是帮助学生将“原电池认知模型”与实际生活中的钢铁腐蚀联系起来，通过解决真实情境中的复杂问题，学生的学科核心素养才能得到发展。

四、教学反思

通过教学实践，笔者在先行教学设计中提出的两个问题得到了较好的解决，实现了教学目标，学生能够建立起基本的“原电池认知模型”，对一些简单的原电池装置能够用该模型解答。

对于电子为什么能定向移动？笔者在教学设计中提出的失电子能力强的还原剂在负极先失电子，这个定性解释绝大多数同学能够接受。少数同学希望给出一个定量解释。在课后的讨论过程中，笔者提出了电势差的概念，但是他们难以理解。这说明学生的“宏观辨识与微观辨析”核心素养未得到很好的发展。通过阅读化学电源的工作原理图片资料，学生对于闭合回路的形成，电子导体、离子导体的认识进一步加深。化学电源的设计及效率的优化提升，是一个系统工程，较为复杂，对于高一学生来讲，接受难度较大.这些问题将在选修阶段的学习中得到进一步的解决。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：19，26

[2]单世乾，倪娟.基于探究实验建构认知模型的化学教学研究——以“原电池的工作原理”教学为例[J].化学教学，2018（12）：59-64

[3]顾建辛，关于化学核心素养培育的微观思考——原电池教学中的“证据推理与模型认知”[J].化学教学，2017（11）：34-38

[4] 丁樱.核心素养背景下“化学能转变为电能”教学的重构[J].福建基础教育研究，2019（2）：116-117

本文系广东省教育科学“十三五规划2019年度教育科研一般项目：模型认知在高中化学教学中的应用研究”（课题编号：2019YQJK007）阶段成果。